本文是一篇土木工程论文，本文对MSWI-BA的基本性质进行了研究以及将其替代10%水泥作为胶凝材料的单因素及多因素对胶砂试块初凝时间、终凝时间、3d抗压强度和28d抗压强度的影响。
第一章引言
1.1研究背景及意义
自1842年英国人发明了硅酸盐水泥，一百多年以来，硅酸盐水泥一直是最常用的建筑材料，其具有许多优良性能，但同时存在一些缺点：水泥的生产需要消耗大量的资源和能源，同时碳排放量也比较高。每生产1吨硅酸盐水泥就会产生660-820 kg的二氧化碳，水泥行业的二氧化碳排放量约占全球CO2排放量的7%[1]，还伴随有害气体及少量重金属排放问题[2]，合成硅酸盐水泥需要消耗大量的燃料并排出CO2、SO2和NOX等废气和粉尘。随着气候变暖和能源枯竭问题的出现，硅酸盐水泥生产存在的缺点便凸显而出，引起人们广泛的关注，寻找低能耗、低排放、高性能的替代硅酸盐水泥的胶凝材料已成为研究热点，生产和应用绿色建材正在从行业行动演变为全社会的共识[3]。以废料作为二次原料替代水泥中的原料得到了广泛的关注。这种替代不仅可以保护自然资源和回收废物，还可以减少二氧化碳排放。
全球生活垃圾产量巨大，预计到2025年，生活垃圾总量将增加到22亿吨[4]。生活垃圾的成分很复杂，主要有废纸、废塑料、废纺织物、废金属、废玻璃等[5]。生活垃圾的处理指的是采用物理、化学和生物的方法，将生活垃圾有效、安全的分解。目前生活垃圾普遍采用的处理方式是对生活垃圾进行分类回收利用，剩余的部分再进行无害化填埋、堆肥处理或焚烧发电。
（1）生活垃圾的分类回收利用指的是采用人工或利用分选设备进行分选的方式将垃圾中可利用物质回收利用，城市生活垃圾中大部分都是由废旧纸张、废旧塑料、玻璃等构成，可以将其作为廉价原料进行在加工生产，例如，生活垃圾中的废纸可以作为造纸的原料，废金属可以被回收再利用，玻璃废料可以被重新利用再生产，废塑料可以作为再生产品的原料或在高温下裂解生产燃料油等。该技术的关键点是解决城市生活垃圾混合排放的问题，单一地通过垃圾回收站将其进行分类回收难度较大，目前已有多个省份政府颁布关于城市生活垃圾分类回收的管理条例，此外，国家发改委等多个部分还通过组织开展废旧物资循环利用体系重点城市建设来完善生活垃圾分类回收体系，实现生活垃圾的资源化。
（2）填埋处理是指选择合适的土地对垃圾进行填埋，通过微生物降解生活垃圾中的有机物，无害化填埋指按照环保要求对生活垃圾填埋场进行施工，使填埋的生活垃圾不会对周边的环境造成污染，无害化处理量大，处理费用低，但是在实际应用时，其不仅存在占据有限的土地空间、处理周期长等问题，还易造成地下水污染和土壤污染等问题。
1.2国内外研究现状
1.2.1 MSWI-BA性质研究
生活垃圾焚烧炉渣是指市政生活垃圾经过高温燃烧后从生活垃圾焚烧炉排出的残渣，其物理组成主要是废玻璃、废陶瓷及其他未燃尽的有机物质，呈现为不规则形状的大颗粒团聚物[17]，MSWI-BA为筛分后除的的小颗粒物，石爱娟等[18]对MSWI-BA的物理组分、粒径分布、含水率等性质进行了分析，发现MSWI-BA的粒径分布较为均匀、物理组分较为复杂。与天然石料相比，具有吸水率高、密度小的特点，此外，MSWI-BA的结构疏松多孔，含水率在15～30%之间[19]。
Rendek等[20]、Seo等[21]对日本、欧洲等地的垃圾焚烧底灰进行成分分析，发现MSWI-BA的主要化学成分相似，都含有Si、Ca、Al、Fe、Mg、Na等，但是次要成分有差异。徐斌等[22]采用XRF技术检测了杭州、南京、常熟、上海等地区在不同焚烧工艺下的MSWI-BA，发现MSWI-BA主要由Si、Al、Ca、Fe、Cl、Na等主要元素，此外还从MSWI-BA中发现Zn、Ni、Pb、Cr、Cd等重金属的存在；芦会杰等[23]将采集的底灰样品进XRF分析，发现MSWI-BA中存在的主要成分包括:SiO2、CaO、Al2O3、SO3、MgO等物质，重金属元素主要有Ba、Mn、Zn、Cu、Ni和Cr等。MSWI-BA中还发现了近200种结晶相、半结晶相和无定形相矿物的存在[24]，刘栋[25]对MSWI-BA集料的胶凝特征进行了更深入的研究，发现其中含有水泥熟料矿物，具有水硬性和火山灰活性。MSWI-BA中活性物质水化反应时会生成水化硅酸钙凝胶和水化硅铝酸钙等产物。
与MSWI-BA相比，MSWI-FA(生活垃圾焚烧飞灰）的毒性浸出浓度要高得多，一般属于危险废物，因此在对垃圾焚烧飞灰进行资源化利用时，必须经过无害化须处理，以减少其重金属浸出毒性，并且需要达到相关标准后才能够进行单独填埋处理，而MSWI-BA的重金属毒性则安全的多，沈金键等[26]研究发现，MSWI-BA的重金属组成与放射性检测与焚烧炉的种类相关，炉排炉垃圾焚烧炉的炉渣重金属含量要高于循环流化床垃圾焚烧炉产生的炉渣。MSWI-BA在用于矿物掺合料使用时，重金属浸出浓度远低于相关标准的要求[27]。吴道平等[28]以镇江垃圾焚烧发电厂产生的MSWI-BA和经过磁选除铁等工艺预处理的炉渣为研究对象，发现两者浸出毒性较低，未超过危险废弃物鉴定标准，满足资源化利用的要求。
第二章试验原材料及测试方法
2.1实验原材料
2.1.1生活垃圾焚烧底灰
该原料由福建省中节能（福州）环保有限公司提供，分多次取样以保证样品随机性，经水淬处理后保存陈化3个月以上。生活垃圾焚烧炉渣呈灰黑色，气味微刺鼻，主要由玻璃、陶瓷碎片、金属残渣和熔块组成(图2-1)。本次试验选取筛分后小于4mm以下的生活垃圾焚烧底灰进行试验。
2.2试件制备及养护
2.2.1试件的制备
本试验中用于抗折与抗压强度的试件是在试验室中制备40mm×40mm×160mm尺寸的砂浆试件。按以下步骤制备试件：
1、清理干净三联模具，然后在其内表面涂一层脱模剂，以便胶砂试块脱模及脱模后模具的清理；
2、按不同配比称量普通硅酸盐水泥、经机械活化的MSWI-BA及标准砂等材料，依次倒入砂浆搅拌机中干拌3min，然后倒入活性激发剂，在低搅拌速度下干混2min，然后在高搅拌速度下干混2min，保证上述排料充分混合。将设计含量的自来水分为三部分，每隔1min加入砂浆搅拌机中，使水与物料充分接触，从而达到理想的状态。搅拌好后，将新拌好的膏状胶砂浇注到三联模具中，三联模具尺寸为40mm×40 mm×160mm，用保鲜膜覆盖，防止水分蒸发；
3、将装满胶凝材料的三联模具放置水泥胶砂振实台上振动120次，然后用去除多余的胶砂，将其放置在标准养护箱中养护（标准养护箱温度控制在20℃，相对湿度为90%），养护1天后脱模，对各个试件编号，脱模后将胶砂试块放入养护池中养护至所需龄期，这些样品在1d固化后脱模，然后在养护水池中(20±1℃）养护6d和27d，用于设计测试7d和28d。测试前，所有胶砂试块样品在室温下干燥24小时。具体实验细节参考GB/T17671-2021《水泥胶砂强度检验方法（ISO）法》.
第三章 MSWI-BA 的基本性质及重金属浸出特征 ............... 19
3.1 引言 .............................. 19
3.2 生活垃圾焚烧底灰的基本性质研究 ............................ 19
第四章 单因素对胶凝材料制备胶砂试块的性能影响 ........................ 28
4.1 引言 ................................ 28
4.2 试验配合比以及试验方法 ..................... 28
第五章 多因素对胶凝材料制备胶砂试块的性能影响 ........................ 36
5.1 引言 ................................. 36
5.2 试验配合比以及试验方法 ........................ 36
第六章MSWI-BA安全性评价及固化机理分析
6.2实验方法
GB5085.3-2007《危险废物鉴别标准浸出毒性鉴别》中采用的浸出方法为HJ/T299-2007《固体废物浸出毒性浸出方法醋酸缓冲溶液法》中对检测重金属的浸出方法，浸出液制备方法参考本文2.3.3.7章节实验方法。
待测试块重金属浸出液的的浓度测试参照HJ781-2016《固体废物22种金属元素的测定电感耦合等离子体发射光谱法》，每一项测试的试验次数为三次，取平均值表示测定结果。重金属浓度测试步骤如下：
配制各种重金属金属的混合溶液和标准溶液，用电感耦合等离子体原子发射光谱仪测定各重金属浓度下特征谱线的强度绘制标准曲线，再根据试样溶液的特征强度测定其试样重金属浓度。试样中(Pb、Cr、Cd、Cu、Ni、Zn、、Mn、As)重金属浸出含量以mg/L表示，按公式2-1进行计算。
掺10%MSWI-BA的胶砂试块和纯水泥胶砂试块重金属浸出结果表6-1，浸出情况见图6-1。从测试结果可以看出，掺10%MSWI-BA的重金属浸出浓度远远地低于GB5085《危险废物鉴别标准浸出毒性鉴别》的重金属浓度限值，也远远地低于纯MSWI-BA的重金属浓度。虽然掺10%MSWI-BA制备出来的胶凝材料重金属浸出浓度略高于纯水泥的重金属浸出浓度，但掺10%MSWI-BA制备出的胶砂试块的重金属浸出浓度远低于国家标准GB30760-2014《水泥窑协同处置固体废物技术规范》的相应规定。
结论
本论文系统研究了MSWI-BA的组成、物理性质、化学性质和重金属浸出毒性，此外，综合运用SEM-EDS、XRD、FTIR、和SEM等测试手段对制备的胶砂试块进行了分析，结论总结如下：
（1）MSWI-BA基本
