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生活垃圾焚烧飞灰中浓缩了垃圾中较多的Zn、Cu、Hg、Cd、Cr、As、Ni、Pb等重金属，还含有二恶英(PCDD/Fs)，是一种公认和法定的危险废物，必须进行安全处理与处置。目前，高温处理是唯一证明能有效销毁二恶英的飞灰处理方法。
T. Mangialardi等人[1]的研究中，将飞灰压制成底面直径为15mm，高为20mm的小圆柱形坯体，然后在1140℃的高温下煅烧60min，烧结固化体的抗压强度达到28N/mm2，满足意大利国对混凝土中粗集料强度的要求，因此这种飞灰烧结固化体可用做混凝土中的掺加料。但这种方法要求飞灰必须经过水洗进行预处理，否则飞灰中的硫酸盐、氯盐以及玻璃体对烧结固化过程极为不利。1140℃的煅烧高温使得这种处理方法的能耗与费用非常高，而且煅烧所得的固化体只是作为粗集料使用，价值较低并不能补偿处理过程中的花费，是一种高能耗低产出的方法；此外，水洗过程中又产生了二次污染，增加了环境的负担。
A. polettini等人[2，3]在T. Mangialardi烧结处理方法的基础上做了进一步的研究，在飞灰中添加了碎玻璃以及一些矿石等添加剂激发飞灰的活性，结果煅烧出了性能更好的飞灰烧结固化体并且不需水洗预处理。但其煅烧温度仍高达1100～1150℃，能耗非常高，难于推广。并且所得烧结固化体不能直接用作建材，只能用作混凝土的掺加料，经济效益较低。本项目主要研究了生活垃圾焚烧飞灰的化学组成、矿物成分及微观形貌，飞灰饰面砖制作工艺，飞灰对饰面砖性能及微观结构的影响，饰面砖的安全性，为飞灰的资源化利用奠定了基础。
1实验部分
1.1原材料及实验方法
实验用飞灰取自上海浦东垃圾焚烧厂，取样方法参照《固体废弃物实验分析评价手册》[4]中的采样方法。利用环境电子扫描仪(SEM，型号：XL230ESEM)测定了飞灰的微观形貌，X射线荧光光谱仪(XRF，型号：SRS3400)测定了飞灰的化学组成，X射线衍射仪(PW1710)测定了其矿物组成。
实验用红泥是自然界中存在的一种陶土，主要产于浙江丁家桥；实验用缸砂是废琉璃瓦烧成后破碎而成。利用XRF、XRD对两者的化学组成及矿物组成进行了分析。
1.2配比及制作工艺
利用飞灰、红泥及缸砂研制饰面砖的具体配比如表1所示，共进行了7组配比。
表1研制饰面砖的配比%
饰面砖的制作工艺如图1所示。物料经过粉磨后在搅拌机中加水搅拌，每100kg物料的加水量为7.5L，搅拌4min，之后在室温下静置18h，使其陈化。陈化后的物料再过筛(80目)，目的是促进物料的均化和胶团的形成。
陈化过筛后的物料，在制砖成型机上进行压力成型，成型机的型号为TC2680，电机功率为7.5kW，成型压力为68.6MPa，第一次成型压力为41.2MPa，第二次成型压力为68.6MPa。成型所得坯体在干燥窑中(60℃)干燥13h。干燥后的坯体入推板窑进行煅烧，整个煅烧过程18.5h，推板窑的烧成温度控制在1050℃。 
图1饰面砖制作工艺流程
1.3饰面砖性能、微观结构及安全性分析
饰面砖的外观质量、抗压强度及吸水率参照(GB/T2542292)[5]进行测定，采用SEM测定其微观结构。选定最佳配比饰面砖，对重金属浸出毒性进行测定。水平振荡浸出标准(HVEP)[6]：取10g飞灰(干基)放入锥形瓶中，加入100mL蒸馏水(液固比为10∶1)，盖紧瓶盖后固定于摇床上，室温下振荡8h(120r/min)，取下静置16h后用中速定量滤纸过滤，收集全部浸出液测定其中重金属含量。有效浸出测试(ALT)[7，8]：将5g飞灰(干基)放入锥形瓶中，加入500mL蒸馏水(液固比为100∶1)，用硝酸调节pH=7，磁力搅拌3h后用离心机离心(2000r/min)；滤饼重新放入锥形瓶中，加500mL蒸馏水，用硝酸调节pH=4，再次磁力搅拌3h后用离心机离心(2000r/min)；将2次离心液混合后用中速定量滤纸过滤，测其重金属浓度。2实验结果讨论
2.1原材料分析
2.1.1飞灰
飞灰是非常细小的粉尘，用肉眼观察颜色多呈灰色。放大500倍的扫描电镜下，飞灰颗粒形状各异，虽然颗粒大小不一，但相对比较均匀，如图2所示，绝大部分颗粒的粒径都≯100μm。飞灰颗粒非常松散地堆积在一起，颗粒间存在明显的孔隙，正是这些孔隙的存在，才使得飞灰中的重金属比较容易浸出，从而对环境造成危害。因此，若能改变飞灰的结构，使其致密化，则可以大大减少重金属的浸出量，降低其对环境的污染。
图2飞灰的SEM图谱(500倍)
图3飞灰的SEM图谱(1000倍)
在放大1000倍的SEM图谱中可以清晰地看见鹅卵石状的飞灰颗粒，如图3所示，这些颗粒的密实度很大，表面比较光滑，它们是飞灰中的玻璃相。还有些颗粒像粉煤灰中的玻璃微珠，它们的存在对增强飞灰的活性起到很大的作用。另外一些颗粒则呈棉絮状，结构非常松散，表面也非常粗糙，它们的存在增强了飞灰的吸附能力。
根据XRF分析结果，飞灰的主要化学成分如表2所示。飞灰中CaO、SiO2、Al2O3以及其它金属氧化物的总含量超过75%，属于SiO22Al2O32金属氧化物体系。CaO的含量高达35.8%，它是网络改良化合物，能够降低饰面砖的烧成温度，同时能够提高成品的强度，并改善饰面砖物相的均一程度。K2O、Na2O、Fe2O3与MgO也是网络改良化合物，它们通过破坏SiO键与AlO键降低饰面砖的烧成温度，最后熔入玻璃相中或形成新晶相。这些网络改良化合物在飞灰中的含量超过了40%，因此飞灰的加入能降低饰面砖生产过程中的能耗。从这一角度讲，飞灰是一种非常好的活性材料。
表2飞灰的主要化学成分% 
飞灰的XRD图谱如图4所示。从图中可见其玻璃相的含量很高，通过求积仪对衍射峰与背景峰的积分计算得其玻璃相含量达59%。主要原因是，在高温焚烧的过程中，垃圾中的一部分变为熔融态，并转移到飞灰中，从而使得飞灰中的玻璃态含量很高。
图4飞灰的XRD图谱(3～70°)
2.1.2红泥与缸砂
红泥与缸砂的主要化学成分如表3所示，它们的主要化学成分都是SiO2、Al2O3，缸砂是一种熟料，其玻璃相含量高于红泥。它们的XRD图谱(图5、6)显示，红泥与缸砂的主要矿物组成是石英。
表3红泥与缸砂的化学成分%
图5红泥的XRD图谱
图6缸砂的XRD图谱
2.2饰面砖的性能
2.2.1饰面砖外观质量
不同飞灰掺加量的饰面砖其外观质量如表4所示，飞灰掺加量为20%的4#饰面砖的外观质量最佳，达到了GB5101-2003中对一等品的要求；1#、2#饰面砖显示出生烧的迹象，未达到合格品的要求；3#、5#、6#饰面砖达到合格品的要求；7#饰面砖过烧比较严重，出现扭曲的现象，未达到合格品的要求。
表4饰面砖外观质量mm
注1)裂纹Ⅰ指大面上宽度方向及其延伸至条面的长度。
2)裂纹Ⅱ指大面上长度方向及其延伸至顶面的长度或条顶面上水平裂纹的长度。
2.2.2饰面砖抗压强度及吸水率
饰面砖抗压强度随飞灰加入量的变化如图7所示，图中可见，飞灰掺加量在0～20%之间，抗压强度随飞灰加入量的增加而增高，原因是飞灰的加入促进了饰面砖的烧成，改善了生烧的状况进而增强了成品的抗压强度；掺加量在20%～35%之间，随飞灰掺加量的增加抗压强度逐渐降低，原因是过量飞灰的加入使得成品出现不同程度的过烧迹象，出现裂纹甚至裂缝从而降低了成品的抗压强度。
图7饰面砖的抗压强度
饰面砖5h煮沸吸水率随飞灰掺加量不同的变化如图8所示，飞灰掺加量在0～20%之间，随飞灰掺加量的增多，吸水率快速降低；20%～30%之间，随飞灰掺加量的增多，吸水率缓慢上升；掺加量在30%～35%之间，吸水率随飞灰加入量的增多快速上升。原因是，少量飞灰的加入改善了饰面砖的烧成状况，使得成品密实度增加，从而降低了吸水率；飞灰的可塑性小，过量飞灰的加入使得坯体在煅烧过程中容易出现裂纹甚至裂缝，使得成品吸水率增加。
图8饰面砖的吸水率
2.3饰面砖的微观结构
饰面砖飞灰掺加量在0～20%之间，随着飞灰掺加量的增加饰面砖中晶相含量逐渐增多，饰面砖的密实度逐渐增加，从而使得饰面砖的抗压强度逐渐增加，吸水率逐渐减小。飞灰掺加量在25%～35%之间，饰面砖中出现了玻璃相，且随飞灰掺加量的增加而逐渐增多，较多玻璃相的出现使得饰面砖质地变脆，因此抗压强度逐渐降低；同时结构中出现不同程度的裂纹甚至裂缝，使得饰面砖吸水率增加。因此飞灰的加入及掺加量的增多有助于饰面砖的晶相及玻璃化过程，从而在一定程度上对饰面砖外观质量、抗压强度、吸水率等性能产生影响。
2.4饰面砖的安全性分析
飞灰掺加量为20%的4#饰面砖表现出良好的性能(抗压强度最高，吸水率最低，外观质量最好)，故选4#饰面砖进行安全性分析，即进行水平振荡浸出及有效浸出测试。
水平振荡与有效浸出结果与坯体的对比如表5、表6所示。因红泥及缸砂中几乎不含有重金属，坯体中的重金属主要来自于飞灰，因此坯体中重金属的浸出反映了飞灰中重金属的浸出状况。与坯体相比，饰面砖中重金属浸出能力大大降低。由表5、表6知饰面砖对飞灰中的重金属起到非常好的固化作用。
表5 4#饰面砖水平振荡毒性浸出结果mg/L
表6 4#饰面砖ALT毒性浸出结果mg/L
3结论
(1)生活垃圾的主要化学成分和矿物组成决定可作饰面砖的原材料。
(2)当飞灰掺加量为20%时，饰面砖表现出良好的性能：抗压强度19.2MPa，吸水率7.2%，表观质量达到一等品要求。
(3)与飞灰相比，饰面砖中重金属浸出能力大大降低：As、Pb、Nj、Cr、Cu、Hg、Cd的水平振荡浸出毒性未检测出，Zn的水平振荡浸出值下降到飞灰中的0.014倍，Hg、Cd有效浸出毒性未检测出，As、Pb、Ni、Cr、Cu、Zn的有效浸出毒性分别下降到飞灰中的0.056、0.001、0.067、0.058、0.056、0.029倍；饰面砖对飞灰中的重金属起到非常好的固化作用；飞灰的加入促进了饰面砖晶化、玻璃化进程。
参考文献略
