固化方法对非烧结MSWIFA基轻骨料微观结构、力学性能及重金属固定化的影响

本研究针对城市固废焚烧飞灰(MSWIFA)资源化难题，创新性地采用冷粘结技术结合钙渣上清液固化方案，系统探究了温度(45-75°C)和溶液类型(蒸汽/海水/钙渣液)对轻骨料性能的影响。通过XRD、SEM等表征发现60°C蒸汽养护12小时可使抗压强度达7.02MPa，形成致密C-S-H凝胶结构，同时有效固定重金属，为绿色建材开发提供了新思路。

　　

随着城市化进程加速，全球每年产生16-20亿吨城市固体废弃物(MSW)，传统填埋法不仅占用土地资源，更存在重金属(Cr、Pb、As等)长期渗漏风险。虽然焚烧可减量90%体积，但产生的焚烧飞灰(MSWIFA)被列为危险废物。现有冷粘结技术制备的轻骨料普遍存在强度低(通常<3MPa)、性能不稳定等问题，且多采用强碱活化剂增加成本。针对这些瓶颈，来自燕山大学的研究团队在《Environmental Research》发表研究，首次系统探索了不同固化条件对MSWIFA基轻骨料性能的影响机制。

研究采用X射线衍射(XRD)、傅里叶红外光谱(FTIR)、扫描电镜(SEM-EDS)和X射线光电子能谱(XPS)等表征技术，结合正交实验设计，以河北秦皇岛采集的MSWIFA、电石渣(CCS)和矿渣(GGBS)为原料，考察了温度(45/60/75°C)、溶液(蒸汽/海水/钙渣上清液)和时长(9/12/15h)三因素影响。

【物理性能】
正交实验表明60°C蒸汽养护12小时为最优参数，此时圆柱抗压强度突破7.02MPa，远超文献报道的冷粘结骨料强度(2.46-2.8MPa)。钙渣上清液作为粒化溶液时，其碱性环境(pH≈12.5)显著促进反应，而海水中的Mg²⁺会与OH^-生成Mg(OH)₂阻碍致密化。

【微观结构演变】
XRD显示60°C时水化铝酸钙(hydrocalumite)特征峰最强，75°C时因过度脱水导致峰强减弱。FTIR证实[SiO₄]^4-四面体聚合度随温度升高而增加，SEM观察到60°C样品中C-S-H凝胶与片状水化产物交错形成"珊瑚状"致密结构，而75°C样品出现明显裂纹。

【重金属固定化】
XPS分析揭示Pb²⁺通过离子交换进入C-S-H凝胶层间，Zn²⁺则被水化铝酸钙包裹。所有样品中Cr、Pb、As浸出浓度均低于中国标准限值，其中60°C蒸汽养护组重金属固定率最高达99.7%。

该研究创新性地利用工业废渣CCS替代传统强碱活化剂，通过优化养护制度使冷粘结骨料性能达到烧结制品水平。提出的"低温蒸汽协同钙渣活化"策略，不仅降低能耗(较烧结工艺节能80%)，还为MSWIFA资源化提供了兼具力学性能(7.02MPa)和环境安全性(重金属固定率>99%)的解决方案。研究结果对发展绿色建材、推动"无废城市"建设具有重要实践意义，其中发现的温度敏感型水化产物演变规律，为后续设计高性能固废基材料提供了理论依据。