本发明属于环境工程与公路工程技术交叉领域，具体涉及生活垃圾焚烧飞灰复合掺合料在水泥稳定碎石混合料中的应用。
背景技术：
随着社会和经济的高速发展，生活垃圾的产生量和堆积量逐年增加。垃圾焚烧是实现生活垃圾无害化、减量化和资源化的主要方法之一。焚烧飞灰是生活垃圾焚烧厂烟气净化系统的捕集物和烟道及烟囱底部沉降的底灰，焚烧飞灰中含有二噁英、可溶出性重金属及高含量可溶盐，属于《国家危险废物名录》中的hw18类危险废物。预计2020年，全国年产生焚烧飞灰量约1000万吨，且同比仍在增长，虽然焚烧飞灰每年的排放量巨大，但是资源化利用率极低，尚处于起步阶段，如此，不仅占用大量土地，浪费土地资源，还通过各种途径造成二次污染，污染水体、土壤和生物环境等，甚至危害人体健康。更为甚者，焚烧飞灰填埋处置费用逐年攀升，如重庆地区焚烧飞灰处置费用2014年为800～1000元/吨、2020年高达1850元/吨，北京地区2014年约为1500元/吨、2020年高达2500元/吨，上海地区2014年约为1800元/吨、2020年更是已超3500元/吨......即便如此高昂的处置费用，处置场所亦临近饱和，甚至一度达到了本地无法消纳的地步，焚烧飞灰资源化利用迫在眉睫。焚烧飞灰的再生利用渴望被给予政策支持，2017年10月1日实施的《固体废物鉴别标准通则》(gb34330-2017)明确赋予生活垃圾焚烧飞灰再利用的法律依据，其法令要点是：只要废弃物再利用同时符合下述三个条件就不再视为废弃物，可以按照相应的产品管理：①只要符合通行的产品质量标准；②溶出符合产品相应的有害物质限值；③有稳定合理的市场需求。自此开启了焚烧飞灰的再利用探索之路。
众所周知，道路工程历来就有承纳、消解废弃物的功能，如曾经对社会、环境、民生造成巨大危害的粉煤灰、高炉矿渣、煤矸石、固硫灰渣、锶盐废渣、铁尾矿砂等固废相继利用在路基路面中，甚至粉煤灰、煤渣、钢渣、煤矸石、矿渣等已作为常用建材编入了公路路基、路面基层、水泥混凝土路面、沥青路面等施工技术及设计规范中。综合国内外焚烧飞灰处置现状可知，大规模的资源化利用途径还处于研究与探索中，焚烧飞灰的综合处置利用主要集中在土木工程领域，如将焚烧飞灰用作填料或细骨料或矿物掺合料用于路基、路面、路堤以及建筑物中，焚烧飞灰的资源化综合利用是可持续发展的必然趋势。
鉴于生活垃圾焚烧飞灰的主要化学成分中含有cao、sio2、al2o3、fe2o3和mgo等，其中cao、al2o3、fe2o等具有一定的活性，能在路面基层强度形成过程中参与固化反应，为强度形成贡献力量，因此，在生活垃圾焚烧飞灰的无害化处置迫在眉睫与资源化利用大势所趋的情势下，利用生活垃圾焚烧飞灰的胶结充填作用将其作为道路材料回收运用于路面水泥稳定碎石基层中，一方面利用生活垃圾焚烧飞灰的活性组分为水稳碎石混合料提供胶结作用，另一方面利用水泥基材料的固结作用稳定固化生活垃圾焚烧飞灰含有的重金属成分，在两者的协同胶结作用下达到生活垃圾焚烧飞灰的资源化、无害化处置目标，同时为公路工程节省筑路材料、节约工程造价。
技术实现要素：
有鉴于此，本发明的目的在于提供生活垃圾焚烧飞灰复合掺合料在制备水泥/焚烧飞灰稳定碎石混合料中的应用。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
1、生活垃圾焚烧飞灰复合掺合料在水泥稳定碎石混合料中的应用，所述应用中将生活垃圾焚烧飞灰作为稳定材料使用来制备水泥/焚烧飞灰稳定碎石混合料，以减少水泥稳定碎石混合料中无机结合料水泥的用量。
优选的，所述水泥/焚烧飞灰稳定碎石混合料的制备方法为：首先将含水量不超过5％的生活垃圾焚烧飞灰与活性混合材料、激发剂进行干粉混合形成复合掺合料，然后将复合掺合料与矿料混合，混合均匀后加水拌和均匀，并闷料6～24h，最后依次添加水泥和水拌制均匀后形成水泥/焚烧飞灰稳定碎石混合料。
优选的，所述水泥/焚烧飞灰稳定碎石混合料中水泥质量占所述生活垃圾焚烧飞灰中固体成分和矿料中固体成分总质量的2～4％。
优选的，所述水泥稳定碎石混合料中水泥质量占矿料中固体成分质量的3～6％。
优选的，所述复合掺合料中生活垃圾焚烧飞灰中的固体成分、活性混合材料和激发剂的质量比为40～70:30～60:1～3。
优选的，所述活性混合材料为矿渣微粉、粉煤灰、硅灰、偏高岭土或火山灰质材料中的任意一种或几种。
优选的，所述激发剂为硅酸钠、明矾、石膏或硫酸铝中的任意一种或几种。
优选的，所述复合掺合料、矿料的质量比为2:8～1:9。
优选的，所述水泥/焚烧飞灰稳定碎石混合料相比于水泥稳定碎石混合料能够减少8～25％的粒径不大于5mm的矿料用量。
优选的，所述矿料采用c-b-3型级配、c-b-2型级配、c-b-1型级配、c-c-2型级配或cf-a-l型级配。
优选的，所述水泥为42.5级普通硅酸盐水泥。
优选的，所述生活垃圾焚烧飞灰的强度活性指数为54.7％。
优选的，所述生活垃圾焚烧飞灰的固体成分中二噁英含量≤10ngteq/kg，cao、sio2、al2o3和fe2o3的总含量为45％～70％，cl含量不超过15％。
优选的，所述生活垃圾焚烧飞灰的固体成分中重金属的总含量不超过1％。
优选的，所述重金属中zn、pb、cr、cd、cu和mn的总含量不超过0.88％。
本发明的有益效果在于：
本发明公开了将生活垃圾焚烧飞灰复合掺合料应用于制备水泥/焚烧飞灰稳定碎石混合料，其中生活垃圾焚烧飞灰是作为辅助稳定材料使用，首先与水泥、活性混合材料、激发剂共混形成复合胶凝体系，然后共同稳定级配碎石矿料，制备得到水泥/焚烧飞灰稳定碎石混合料。本发明的应用不但能够利用各矿物掺合料之间的组分融合而最大限度的激发焚烧飞灰潜在的胶凝活性，为水泥稳定碎石混合料提供固结胶凝作用，从而减少水泥稳定碎石中无机结合料水泥的用量，有效降低工程成本；而且能够利用水泥稳定碎石混合料的固结作用稳定固化焚烧飞灰中含有的重金属成分，在两者的协同胶结作用下既可以提供一种新的性能良好的水泥/焚烧飞灰稳定碎石混合料，还可以对生活垃圾焚烧飞火进行再次利用，达到焚烧飞灰的资源化、无害化处置目标。
另外，活性混合材料一般情况下为矿渣微粉、粉煤灰、硅灰、偏高岭土或火山灰质材料中的任意一种或几种，生活垃圾焚烧飞灰与矿渣微粉、粉煤灰、硅灰等皆为工业废物。矿渣微粉是炼铁厂在高炉冶炼生铁时所得到的以硅铝酸钙为主要成分的熔融物，经水淬成粒后所得的工业固体废渣；粉煤灰是火力发电厂燃煤粉锅炉排出的工业固体废渣，是我国当前排量较大的工业废渣之一，随着电力工业的发展，燃煤电厂的粉煤灰排放量逐年增加，大量的粉煤灰不加处理，就会产生扬尘，污染大气。若排入水系会造成河流淤塞，而其中的有毒化学物质还会对人体和生物造成危害；硅灰则是铁合金在冶炼硅铁和工业硅(金属硅)时，矿热电炉内产生出大量挥发性很强的sio2和si气体，气体排放后与空气迅速氧化冷凝沉淀而成。硅灰是大工业冶炼中的副产物，需要用除尘环保设备进行回收。因此，本发明还解决了上述生活或工业废物的堆积问题，有效缓解对环境造成的压力，在实现生活垃圾焚烧飞灰的资源化利用的同时，协同处治了上述生活或工业废弃物。
本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
以下实施例中采用的生活垃圾焚烧飞灰均为经过低温热降解处理二噁英后的飞灰，且在低温热降解处理后生活垃圾焚烧飞灰中二噁英降解率＞95％。二噁英解毒后的生活垃圾焚烧飞灰中二噁英含量≤10ngteq/kg，不具有二噁英致毒风险。二噁英解毒后的生活垃圾焚烧飞灰的强度活性指数为54.7％，二噁英解毒后的生活垃圾焚烧飞灰的固体成分中cao、sio2、al2o3和fe2o3的总含量为45％～70％，cl含量不超过15％，重金属的总含量不超过1％，且重金属中zn、pb、cr、cd、cu和mn的总含量不超过0.88％。
实施例1
将生活垃圾焚烧飞灰复合掺合料作为稳定材料使用，制备水泥/焚烧飞灰稳定碎石混合料，按照如下方法进行：
首先，将含水量不超过5％、强度活性指数为54.7％的含固体成分7kg的生活垃圾焚烧飞灰飞灰与3kg的活性混合材料(矿渣微粉)、0.1kg的激发剂(硅酸钠)进行干粉混合，混合均匀后形成复合掺合料；
然后，将复合掺合料添加到含有固体成分40.4kg的c-b-3级配的碎石矿料中混合均匀，之后加水拌料并密封闷料12h；
最后，加入含固体成分0.95kg的水泥(42.5级普通硅酸盐水泥)，再添加水，拌制均匀后形成水泥/焚烧飞灰稳定碎石混合料。
在上述制备的水泥/焚烧飞灰稳定碎石混合料中固体成分的质量为51.45kg，按照现有技术中采用矿料与水泥制备相同固体质量的水泥稳定碎石混合料需要的矿料质量为48.54～49.95kg、水泥质量为1.5～2.91kg，由此可见制备本发明的水泥/焚烧飞灰稳定碎石混合料能够适当减少水泥与矿料的使用量。
实施例2
将生活垃圾焚烧飞灰复合掺合料作为稳定材料使用，制备水泥/焚烧飞灰稳定碎石混合料，按照如下方法进行：
首先，将含水量不超过5％、强度活性指数为54.7％的含固体成分7kg的生活垃圾焚烧飞灰飞灰与6kg的活性混合材料(粉煤灰)、0.1kg的激发剂(明矾)进行干粉混合，混合均匀后形成复合掺合料；
然后，将复合掺合料添加到含有固体成分26.2kg的c-b-3级配的碎石矿料中混合均匀，之后加水拌料并密封闷料18h；
最后，加入含固体成分1.0kg的水泥(42.5级普通硅酸盐水泥)，再添加水，拌制均匀后形成水泥/焚烧飞灰稳定碎石混合料。
在上述制备的水泥/焚烧飞灰稳定碎石混合料中固体成分的质量为40.3kg，按照现有技术中采用矿料与水泥制备相同固体质量的水泥稳定碎石混合料需要的矿料质量为38.02～39.13kg、水泥质量为1.17～2.28kg，由此可见制备本发明的水泥/焚烧飞灰稳定碎石混合料能够适当减少水泥与矿料的使用量。
实施例3
将生活垃圾焚烧飞灰复合掺合料作为稳定材料使用，制备水泥/焚烧飞灰稳定碎石混合料，按照如下方法进行：
首先，将含水量不超过5％、强度活性指数为54.7％的含固体成分4kg的生活垃圾焚烧飞灰飞灰与3kg的活性混合材料(矿渣微粉)、0.3kg的激发剂(明矾)进行干粉混合，混合均匀后形成复合掺合料；
然后，将复合掺合料添加到含有固体成分36.5kg的c-b-3级配的碎石矿料中混合均匀，之后加水拌料并密封闷料16h；
最后，加入含固体成分1.62kg的水泥(42.5级普通硅酸盐水泥)，再添加水，拌制均匀后形成水泥/焚烧飞灰稳定碎石混合料。
在上述制备的水泥/焚烧飞灰稳定碎石混合料中固体成分的质量为45.42kg，按照现有技术中采用矿料与水泥制备相同固体质量的水泥稳定碎石混合料需要的矿料质量为42.85～44.1kg、水泥质量为1.32～2.57kg，由此可见制备本发明的水泥/焚烧飞灰稳定碎石混合料能够适当减少水泥与矿料的使用量。
实施例4
将生活垃圾焚烧飞灰复合掺合料作为稳定材料使用，制备水泥/焚烧飞灰稳定碎石混合料，按照如下方法进行：
首先，将含水量不超过5％、强度活性指数为54.7％的含固体成分4kg的生活垃圾焚烧飞灰飞灰与6kg的活性混合材料(矿渣微粉与粉煤灰的质量比为0.65：0.45)、0.3kg的激发剂(硅酸钠)进行干粉混合，混合均匀后形成复合掺合料；
然后，将复合掺合料添加到含有固体成分92.7kg的c-b-3级配的碎石矿料中混合均匀，之后加水拌料并密封闷料20h；
最后，加入含固体成分3.87kg的水泥(42.5级普通硅酸盐水泥)，再添加水，拌制均匀后形成水泥/焚烧飞灰稳定碎石混合料。
在上述制备的水泥/焚烧飞灰稳定碎石混合料中固体成分的质量为106.87kg，按照现有技术中采用矿料与水泥制备相同固体质量的水泥稳定碎石混合料需要的矿料质量为100.82～103.76kg、水泥质量为3.11～6.05kg，由此可见制备本发明的水泥/焚烧飞灰稳定碎石混合料能够适当减少水泥与矿料的使用量。
从实施例1～4中的结果可以看出，制备本发明的水泥/焚烧飞灰稳定碎石混合料能够适当减少水泥与矿料的使用量，由于生活垃圾焚烧飞灰的比表面积很大，大于70％质量百分比的生活垃圾焚烧飞灰的粒径小于0.075mm，且几乎100％小于0.6mm，将其应用于制备水泥/焚烧飞灰稳定碎石混合料中，相当于用粒径极小的粉尘取代了粒径小于5mm的矿料颗粒，即大大增加了原本矿料中细料微粉的占比，因此将生活垃圾焚烧飞灰作为复合掺合料应用于水泥稳定碎石混合料中能够减少8～25％的粒径不大于5mm的矿料的用量。
对实施例1～4中利用生活垃圾焚烧飞灰与活性混合材料、激发剂进行干粉混合形成复合掺合料，然后作为稳定材料制备的水泥/焚烧飞灰稳定碎石混合料的性能进行测试，其结果如表1所示。
表1实施例1～4中制备的水泥/焚烧飞灰稳定碎石混合料性能测试结果
表2《公路路面基层施工技术细则》(jtg/tf20-2015)中对于水泥稳定材料、水泥粉煤灰稳定材料的7d龄期无侧限抗压强度标准(mpa)
从表1中检测到的水泥/焚烧飞灰稳定碎石混合料的结果以及表2中行业规范关于水泥稳定材料、水泥粉煤灰稳定材料的7d龄期无侧限抗压强度标准的规定可知，本发明采用生活垃圾焚烧飞灰复合掺合料制备的水泥稳定碎石混合料的性能与常用的水泥稳定碎石性能或水泥粉煤灰稳定材料相似，可以在各等级公路路面基层、底基层中使用。由此可见在不同的级配碎石矿料中添加生活垃圾焚烧飞灰作为辅助稳定材料使用，焚烧飞灰先与活性混合材料、激发剂共混形成复合掺合料，然后同水泥形成复合胶凝体系共同稳定级配碎石矿料，制备得到水泥/焚烧飞灰稳定碎石混合料，一方面利用焚烧飞灰潜在的胶凝活性为水泥稳定碎石混合料提供辅助胶结作用，另一方面利用水泥稳定碎石混合料的固结作用稳定固化焚烧飞灰中含有的重金属成分，在两者的协同胶结作用下达到焚烧飞灰的资源化、无害化处置目标。其原因在于：生活垃圾焚烧飞灰是生活垃圾焚烧厂烟气净化系统的捕集物和烟道及烟囱底部沉降的底灰，其主要化学成分属sio2-cao-al2o3-fe2o3胶凝体系，与目前常用的粒化高炉矿渣、粉煤灰、火山灰等辅助性胶凝材料非常接近。生活垃圾焚烧飞灰掺入到水泥基材料中，将会发生系列的物理化学反应，如生活垃圾焚烧飞灰中的caso4与水泥中c3a或其水化产物反应生成钙矾石，生活垃圾焚烧飞灰中的氯盐与水泥中c3a(铝酸三钙)或水化铝酸钙或低硫型钙矾石反应生成friedel盐等类似物质，生活垃圾焚烧飞灰中的玻璃态氧化铝与水泥水化产物ca(oh)2反应生成水化铝酸盐，生活垃圾焚烧飞灰中的活性氧化铝与生活垃圾焚烧飞灰或水泥中的caso4反应生成钙矾石等化学反应；除此之外，水泥水化产物微孔数量多，晶体颗粒极小，表面积巨大，能够将生活垃圾焚烧飞灰紧紧的吸附在微孔壁上，可使生活垃圾焚烧飞灰以物理方式固化在水泥基材料的结构体中；c-s-h凝胶亦会由于巨大的比表面积，可以通过胶粒表面所带“负”动电荷产生的扩散双电层对生活垃圾焚烧飞灰氯盐中的正负离子产生强吸附固化作用等；另外，水泥水化生成的ca(oh)2使水泥浆体具有较高的ph值，因此生活垃圾焚烧飞灰中含有的重金属成分有可能同oh-或硅酸盐矿物发生复分解沉淀反应形成低溶解度的氢氧化物沉淀或含钙的盐类，或通过物理吸附与包胶作用吸收在高比表面积的c-s-h中，或通过同形替代作用以点阵结合形式进入晶体相中(如在硬化水泥浆体的c-s-h结构中，pb通常以吸附(c-s-h+pb→pb-c-s-h)、同晶替代(c-s-h+pb→pb-s-h+ca)、沉淀反应(pb+oh+ca+so42-→复盐)等形式固化在水泥中；zn置换c-s-h中的ca或与c-s-h表面ca发生反应生成含ca和zn的氧化物或氢氧化物，如cazn2(oh)6·2h2o；cu能够在水泥颗粒表面形成不溶性的沉积物，如cuo与c2s通过物理作用结合，形成含cu-ca-si的化合物；cr即可通过物理吸附吸收进水化产物如c-s-h中，又可通过同晶替代方式进入钙矾石晶格中，如cro42-替代钙矾石中的so42-；cd通过沉淀反应结合进ca(oh)2中)。由此可见，生活垃圾焚烧飞灰与水泥基材料之间存在化学组分间的化学键合、凝胶产物的微孔壁吸附、凝胶胶粒表面扩散双电层吸附等固化或吸附方式，使生活垃圾焚烧飞灰组分稳固在水泥基材料中，并且可以通过各组成材料间的优化组合得到活性优良的生活垃圾焚烧飞灰/水泥复合胶凝体系，使其不仅具有优良的物理力学性能，而且在使用环境中可确保其稳定性与长期安全性，不会对环境造成二次污染，最终实现生活垃圾焚烧飞灰的清洁化利用；另外水泥稳定碎石混合料常使用于路面面层以下部位，不会发生因车轮磨耗或冷热环境作用下而引起的表层材料(含焚烧飞灰)剥落与飞散。
同样的，采用其它级配类型的矿料(c-b-2型级配、c-b-1型级配、c-c-2型级配或cf-a-l型级配)按照实施例中的方法制备得到的水泥/焚烧飞灰稳定碎石混合料依然具有如实施例1～4中的产品的性质，可以在各等级公路路面基层、底基层中使用。由此可见在不同的级配碎石矿料中添加生活垃圾焚烧飞灰作为辅助稳定材料使用。
综上所述，利用生活垃圾焚烧飞灰潜在的胶凝活性以及水泥稳定碎石混合料的固结作用，可以将生活垃圾焚烧飞灰进行再次用，改善混合料性能的同时实现焚烧飞灰的资源化、无害化处置目标；并且含生活垃圾焚烧的复合掺合料各组分之间的相互融合，能够最大限度的激发焚烧飞灰潜在的胶凝活性，为水泥稳定碎石混合料提供固结胶凝作用，从而减少水泥稳定碎石中无机结合料水泥的用量，有效降低工程成本；而且能够适当降低水泥稳定碎石中粒径不大于5mm的矿料的使用量，进一步降低工程成本。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。