《Resources, Conservation & Recycling Advances》：Cleaner Utilization of Co-Combustion Bottom Ash in Concrete: Pilot-Scale Validation for Sustainable Construction
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本研究针对生物质与固体回收燃料协同燃烧产生大量底灰(BA)的处置难题，探索了将协同燃烧底灰(CCBA)作为细骨料替代天然砂应用于混凝土的可行性。通过系统的力学性能、耐久性和环境安全性评估及中试验证，发现掺入CCBA可提升混凝土抗压强度(最高增加10.48%)，并显著改善其抗硫酸腐蚀(强度损失仅9.7%)、抗冻融等耐久性能。浸出试验证实水泥基体能有效固化有毒金属，满足芬兰环保标准。研究表明CCBA是一种技术可行、环境安全的天然砂替代材料，为大宗混凝土生产的可持续发展提供了新路径。
随着全球城市化进程的加速和工业活动的持续扩张，固体废弃物的产生量呈现爆发式增长。世界银行预测，到2050年，全球城市固体废弃物(MSW)产量可能达到34亿吨，这对环境可持续性和废弃物管理提出了严峻挑战。焚烧技术因其能够将废弃物体积减少高达90%并实现能源回收，已成为广泛采用的处理方式。然而，焚烧过程不可避免地产生大量灰渣，其中大部分仍以填埋方式处置，这不仅造成资源浪费，还带来生态风险和长期环境负担。
在传统垃圾焚烧设施之外，协同燃烧发电厂——特别是那些燃烧生物质和固体回收燃料(SRF)的设施——因可再生能源指令和循环经济政策的推动而在欧洲日益突出。协同燃烧系统产生的灰渣在燃料组成、燃烧温度、矿物学特征以及氯化物/金属含量方面与传统城市固体废弃物焚烧(MSWI)残渣存在显著差异，这意味着针对MSWI灰渣的研究发现不能直接移植应用。尽管协同燃烧灰渣的产生量不断增加，但其在混凝土中的应用研究仍相对有限。
常规混凝土生产严重依赖天然骨料，其体积占比高达60%-75%。天然砂石的过度开采已导致环境退化、生物多样性丧失和有限地质资源的枯竭。为应对这些可持续性挑战，研究人员探索了多种替代骨料来源，包括陶瓷废弃物、再生混凝土骨料、工业副产品（如矿渣）和焚烧灰渣等。其中，焚烧底灰(BA)是一种潜力巨大但尚未充分利用的二次骨料。
在此背景下，由芬兰奥卢大学技术学院纤维与颗粒工程研究单位的Suman Kumar Adhikary、Teemu Turpeinen、Anshumali Mishra、Nikhil Rathod、Adeolu Adediran、Tero Luukkonen和Priyadharshini Perumal组成的研究团队，在《Resources, Conservation 》上发表了题为“Cleaner Utilization of Co-Combustion Bottom Ash in Concrete: Pilot-Scale Validation for Sustainable Construction”的研究论文。该研究旨在系统评估将生物质与SRF协同燃烧产生的底灰(CCBA)作为细骨料替代品用于混凝土的可行性，并通过中试规模验证为其工业应用提供支撑。
本研究主要采用了以下关键技术方法：通过X射线衍射(XRD)分析材料矿物组成；利用场发射扫描电子显微镜结合能谱仪(FE-SEM/EDS)观察微观形貌和元素分布；采用电化学阻抗谱(EIS)评估混凝土微观结构演变和电阻率变化；依据标准方法进行力学性能（抗压强度）、耐久性（硫酸/醋酸腐蚀、硫酸盐-氯化物侵蚀、冻融循环、吸水性）测试；按照EN 12457-2标准进行浸出试验以评估环境安全性；并基于ISO 14040/14044标准进行生命周期评估，比较不同配合比混凝土的机械性能与环境影响。研究中使用的协同燃烧底灰(CCBA)来源于芬兰奥卢的Oulun Energia (OEBIO)热电厂，该厂使用固体回收燃料和木质生物质作为燃料。
3.1. 新拌和硬化性能
3.1.1. 工作性
研究发现，随着CCBA掺量的增加，新拌混凝土的坍落度和坍落度扩展度均呈下降趋势。当天然砂被CCBA完全替代时（S3），坍落度从300毫米降至275毫米（降低11.11%），扩展度从180毫米降至160毫米（降低8.33%）。这主要归因于CCBA的颗粒粒径比所用天然砂更细，增大了比表面积，从而导致需水量增加和工作性降低。
3.1.2. 密度
混凝土的密度随CCBA替代率的增加而轻微下降。基准样（S1，0% BA）的密度为2305 kg/m3，50%替代率（S2）和100%替代率（S3）的样品密度分别降至2280 kg/m3和2281 kg/m3。这种轻微的降低主要是由于CCBA的颗粒密度低于天然砂。
3.1.3. 抗压强度
CCBA的掺入显著提升了混凝土的28天抗压强度。基准样S1的强度为48.7 MPa，50% BA替代的S2样品强度提升至55.2 MPa（增加13.3%），而100% BA替代的S3样品强度为53.8 MPa，略低于S2。强度提升得益于CCBA更细的颗粒尺寸带来的更紧密堆积和更致密的微观结构。S3强度相对S2的轻微下降可能与CCBA中含有的金属铝在碱性孔溶液中反应产生氢气，导致孔隙率增加有关。
3.2. 微观结构性能
扫描电子显微镜(SEM)图像显示，含与不含CCBA的混凝土均呈现致密、压实良好的微观结构。CCBA颗粒与水泥基体结合良好，形成了连续、发育良好的界面过渡区(ITZ)。XRD图谱表明，含与不含CCBA的样品具有相同的水化产物（如阿利特、贝利特、波特兰石、方解石、钙矾石、石英），CCBA主要作为惰性填料，未引入新的结晶相。能谱(EDS)分析证实了针状钙矾石相的存在。
3.3. 综合耐久性
3.3.1. 酸暴露
经过5% H2SO4溶液浸泡后，S1、S2、S3的抗压强度分别下降了12.9%、23.9%和9.7%。S3（100% BA）表现出最佳的耐硫酸腐蚀性能。相反，在5%醋酸溶液中浸泡后，所有样品的强度均有所增加，S3的强度提升达17.0%，这可能与醋酸钙的形成及其对水化产物形态的改性有关。
3.3.2. 硫酸盐和氯化物暴露
在5%硫酸钠+3%氯化钠混合溶液中暴露28天后，所有混凝土样品的抗压强度均增加，S1、S2、S3的强度提升率分别为14.4%、8.5%和21.3%。S3表现最佳。氯化物离子可能促进了未水化水泥颗粒的继续水化，导致基体进一步密实化。使用的含矿渣的CEM II水泥也贡献了良好的化学耐久性。
3.3.4. 冻融循环
经过90次冻融循环后，所有混凝土样品均未出现强度损失，反而强度有所增加（S1: +11.0%, S2: +16.0%, S3: +17.6%），且表面无可见损伤。这表明所有配合比，特别是含CCBA的混凝土，均具有优异的抗冻融性能。
3.3.5. 吸水性
吸水性测试表明，S2样品（50% BA）的吸水性最低（0.57 mm/√s），表明其微观结构最为致密。S3样品（100% BA）的吸水性（1.24 mm/√s）高于S2但低于S1，可能与金属铝反应引入的孔隙有关。
3.3.6. 电化学阻抗谱(EIS)
EIS分析显示，随着养护时间的延长，所有样品的电阻率均增加，表明微观结构不断密实。S2样品在28天时表现出最高的电阻率（38.7 Ω·m），这与它的最高抗压强度和最低吸水性结果一致，证实了其最优的孔结构细化程度。
3.4. 可持续性指标
3.4.1. 浸出行为
浸出试验结果表明，原始CCBA中锑(Sb)的浸出量略超芬兰法规限值。然而，在掺有100% CCBA的混凝土样品（S3）中，所有受检有毒金属（包括Sb、As、Cr、Mo、V等）以及氯化物、硫酸盐、氟化物和有害有机化合物（DOC、PAH、PCB等）的浸出浓度均远低于芬兰法规为覆土建筑和非危险废物填埋设定的限值。这表明水泥基体能够有效固化/稳定化CCBA中的潜在污染物。
3.4.2. 机械-环境权衡分析
机械-环境权衡分析显示，S3样品（100% BA）具有最低的环境成本（约245欧元）和全球变暖潜能值（~442 kg CO2eq.），并且在化学侵蚀环境下（酸、硫酸盐-氯化物）表现出最佳的耐久性。S2样品在机械强度和环境影响之间取得了良好平衡。S1样品环境负担最高。
4. 中试放大
基于实验室研究结果，选择S3配合比（100%天然砂被CCBA替代）进行了中试规模生产，制备了10吨重的混凝土屏障砌块。这些砌块被放置在芬兰奥卢的Rusko废物管理中心进行实地暴露。经过一个完整的北欧冬季（包含多次冻融循环）和夏季后，砌块表面未见可见裂纹或损坏，验证了其优异的现场耐久性。
5. CCBA混凝土的综合耐久性能
研究系统评估了CCBA混凝土在多种侵蚀环境下的耐久性能。关键发现总结如下：100% CCBA替代（S3）表现出最佳的化学耐腐蚀性，在硫酸侵蚀下强度损失最小（-9.7%），在醋酸和硫酸盐-氯化物暴露下强度增益最高（分别达+17.0%和+21.3%）。所有配合比均表现出卓越的抗冻融性能。微观结构指标（吸水性、电阻率）与力学性能具有良好相关性，证实了CCBA的掺入有助于微观结构密实化。浸出行为满足最严格的环保法规。中试验证证实了其在实际应用条件下的长期耐久性。
6. 结论
本研究证实，协同燃烧底灰(CCBA)可作为天然砂的可行、环保且可持续的替代品用于混凝土生产。主要结论包括：CCBA的掺入会适度降低新拌混凝土的工作性，但能提升其力学强度（50%替代时强度提升13.3%）。CCBA混凝土展现出优异的综合耐久性，特别是在抗硫酸腐蚀、抗硫酸盐-氯化物侵蚀和抗冻融方面表现卓越。微观结构分析和EIS结果证实CCBA有助于细化孔结构。最重要的是，水泥基体能够有效固化CCBA中的重金属等污染物，使其浸出浓度远低于环保限值，无需对灰渣进行预处理即可满足法规要求。中试规模的成功应用进一步证明了CCBA混凝土在真实恶劣环境下的长期性能稳定性。该研究为大规模、安全、高附加值利用协同燃烧底灰，减少对天然砂资源的依赖，推动建筑行业向循环经济转型提供了重要的技术依据和实践范例。
