本文是一篇土木工程论文，本研究以推进大型城市的可持续发展为目的，因地制宜地利用好各类固体废弃物和生活垃圾焚烧飞灰的特性制备陶粒。以赤泥、生活垃圾焚烧飞灰、矿渣和磷石膏为原料，制备了烧结法赤泥基免烧陶粒与多元固废基免烧陶粒。
第1章 绪论
1.1 研究背景
大规模的城市化运动正在全球—尤其是发展中国家展开。数据显示，2023年全球城市化率为57%, 预计到2050年将超过68%[1]。随着城市化进程的不断加剧，人口和工业活动必然不可逆的向城市聚集，并伴随大量的生活垃圾和工业废弃物的出现[2]。以我国为例，据统计，2021年我国固体废弃物总产量约60亿吨，其中工业固体废弃物约35亿吨，建筑垃圾约25亿吨，生活垃圾约3亿吨[3]。这些固体废弃物成分复杂多变，尚无有效规模化利用手段，大多以露天堆置或简单处理后填埋为主，在占用土地资源的同时，还对生态环境造成了严重危害[4]。因此，当前中国很多产业集中型城市正面临着巨大的垃圾和固体废弃物处置压力。固体废弃物的处置问题不仅限制了城市的可持续发展，还对地球资源造成了巨大浪费。
为有效应对固体废弃物对于资源和环境的双重挑战，中国政府在2022年1月27日由生态环境部、工信部等八个部门联合印发了《关于加快推动工业资源综合利用的实施方案》。该方案旨在贯彻落实《“十四五”工业绿色发展规划》和《中华人民共和国固体废物污染环境防治法》，大力推动工业化固体资源的综合利用。根据该实施方案，中国设定了明确的“十四五”大宗工业固体废弃物综合利用率目标：到2025年，工业化固体废弃物资源综合利用率需达到50%以上；到2030年，这一比例将进一步提升至62%。这意味着，中国正致力于通过技术创新和政策引导，提高固体废弃物的利用率，减少其对环境和土地资源的压力。
1.2 赤泥、生活垃圾焚烧飞灰和磷石膏处置研究现状
1.2.1 赤泥
赤泥是氧化铝生产过程中排放的强碱性固体废弃物[14]。铝的冶炼过程实质上是一个从氧化铝中高效分离其他氧化物的精细化操作。在这一过程中，酸法处理工艺和碱法处理工艺构成了两大主要技术路线[15, 16]。目前，碱法处理工艺因其高效性和实用性在工业界得到了广泛应用。这一工艺的核心在于利用碱性物质与铝土矿中的氧化铝发生反应，从而实现氧化铝的高效提取。根据铝土矿的品位差异，碱法处理工艺又可分为拜耳法、烧结法、改进拜耳法以及拜耳烧结联合法等多种技术路线。每种技术路线都有其适用范围[17]。然而，碱法处理工艺在带来高效提取的同时，也伴随着大量副产品-赤泥的产生。具体来说，通过拜耳法生产1吨氧化铝将产生0.8-1.5吨赤泥；而使用烧结法及联合法生产1吨氧化铝将产生1.5-2.5吨赤泥[18]。
赤泥在全球范围内产量巨大，且因赤泥中碱含量高、成分复杂，导致资源化利用难度大，只能进行堆存处置，占用大量土地资源的同时，导致了一系列严重的环境问题[8]。同时赤泥的堆存处理只能短期缓解赤泥对于环境的危害，并不能从根本上解决赤泥所带来的生态环境问题，不仅如此，堆存赤泥本身也存在严重的安全隐患。自上世纪50年代起，世界范围内的学者就已经开始了有关赤泥综合利用技术的探索。现阶段，世界范围内赤泥的综合利用主要集中在有价金属回收[19]、制备催化剂与吸附剂[20]、用作填充材料[21]、制备建筑材料[22, 23]等方面，但以上大多数技术存在成本高、技术难度大和赤泥消纳量小的问题[24]。
第2章 原材料基本理化特性与试验方法
2.1 原材料基本理化性质分析
2.1.1赤泥
根据氧化铝的制备方法不同，赤泥可以分为烧结法赤泥（SRM）与拜耳法赤泥（RM）。本研究所使用的烧结法赤泥为棕色的粒状颗粒，含水率超过25%，其渗滤液pH约为12-13。拜耳法赤泥为红褐色的糊状块体，含水率超过40%，其渗滤液pH约为11-12。由于这两种赤泥原材料的含水量较高，因此需要进行烘干处理。将两种赤泥放入干燥箱 (60℃) 中1-2 d，使其达到恒重，后取出干燥的赤泥原材料进行磨碎处理，并使其通过150 μm方孔筛。经过处理的两种赤泥粉末如图2-1所示。
利用X射线荧光光谱仪 (XRF) 对两种赤泥粉末的化学成分进行检测，结果见表2-1所示。可以看出烧结法赤泥的主要化学成分为CaO、SiO2、Al2O3和Fe2O3等。拜耳法赤泥的主要化学成分为Fe2O3、Al2O3、SiO2和Na2O等。两种赤泥的主要化学成分相似但含量差异较大。烧结法赤泥中CaO (42.9%) 含量远高于拜耳法赤泥，导致烧结法赤泥拥有更好的碳化潜质[8]。
2.2 测试方法
2.2.1 陶粒宏观性能测试
陶粒宏观性能测试包括筒压强度、堆积密度、1 h吸水率和重金属浸出浓度。全部测试方法依照GB/T 17431.2-2010要求进行测试，其中重金属浸出浓度依照HJ 557-201要求进行测试。为了提高数据的可靠性，每个样本进行了三次重复实验。陶粒宏观性能测试实验仪器见图2-7。
2.2.1.1筒压强度
筒压强度测试时，将陶粒置于内筒直径230 mm的模具 (包含圆柱形筒体、导向筒和冲压模具) 当中，陶粒数量应高于模具筒口，然后将带有陶粒的模具放在混凝土试验振动台上振动3 s，再继续装入陶粒直至高出筒口，继续放在混凝土试验振动台上振动5 s，最后刮平筒口样品。将装好陶粒的模具放在MTS万能压力机上，以每秒300-500 N的速度匀速施加荷载。
2.2.1.2堆积密度
选取5 L的容器，将陶粒从容器口上方50 mm处均匀倒入，陶粒自然下落填满容器并在容器口形成锥形，用直尺刮平容器上方的陶粒，如容器表面陶粒出现凹陷则使用较小粒径陶粒填满，称量容器及其中陶粒的质量。
第3章 利用CO2养护技术制备烧结法赤泥基免烧陶粒 ······················· 23
3.1 造粒工艺流程 ······························ 23
3.2 养护方式及配合比设计 ··························· 24
第4章 多元固体废弃物基免烧陶粒 ························ 39
4.1 造粒工艺流程 ···························· 39
4.2 养护方式及配合比设计 ············ 40
第5章 结论 ··························· 56
第4章 多元固体废弃物基免烧陶粒
4.1 造粒工艺流程
如图4-1所示，多元固体废弃物基免烧陶粒的制作流程主要分为以下2步：
（1）将生活垃圾焚烧飞灰、拜耳法赤泥、矿渣和磷石膏以重量比2:4:3:1的比例混合，制作四元混合原料粉末。
（2）将少量 (约50 g) 混合粉末放入盘式造粒机中，同时开启盘式造粒机持续在30 r/min。随着混合粉末在盘式造粒机中不断滚动，在此过程中向混合粉末均匀喷洒雾状水滴，使得混合粉末由于水的粘结力而粘连在一起，形成小型的母球，母球直径一般在1 mm左右。然后将适量 (约100 g) 混合粉末放入盘式造粒机中，并持续向母球喷洒雾状水滴，此时将盘式造粒机转速提高至50 r/min (这里同第三章的主要差别在于制作小型母球时，转速下降至30 r/min，主要是因为实验人员经过长期的实验操作发现，小型母球在形成过程中较高的转速可能会导致母球与母球间的相互粘连，从而导致母球的制作效率降低)。随着转速的提高，湿润的母球表面不断粘连新加入的混合原料，不断重复上述操作，直至陶粒直径达到5-10 mm。陶粒达到目标粒径后并不直接取出，而是持续在盘式造粒机中滚动5 min，使得陶粒更加紧致，有效提高陶粒外层的致密度。整个多元固体废弃物基免烧陶粒的制作时间应保证在20 min以内，并完全符合GB/T 17461.1-2010中的相关规定。
第5章 结论
本研究以推进大型城市的可持续发展为目的，因地制宜地利用好各类固体废弃物和生活垃圾焚烧飞灰的特性制备陶粒。以赤泥、生活垃圾焚烧飞灰、矿渣和磷石膏为原料，制备了烧结法赤泥基免烧陶粒与多元固废基免烧陶粒。采用宏观性能测试与微观分析相结合的方式，揭示了CO2养护过程中w/s对于烧结法赤泥基免烧陶粒强度形成机理与重金属固化机理，以及多元固废基免烧陶粒在不同养护条件下的强度形成机理与重金属固化机理。主要结论如下： 烧结法赤泥基免烧陶粒：
（1）微观分析方面：烧结法赤泥的主要碳化产物为CaCO3与SiO2凝胶。高w/s (W20和W30) 样品在产生更多CaCO3的同时提升了CaCO3结晶度。中等w/s (W10) 样品在在CO2养护初期 (1d) 拥有更高的CO2捕执率，但结晶度较差不能提供强度。高w/s (W30) 样品更容易发生裂缝，但在后续的CO2养护中，碳化产物的生成一定程度上填补了孔隙，保证了高w/s样品拥有较高的筒压强度。
（2）宏观分析方面： 高w/s (W20和W30) 的样品表现出相对较高的1 h吸水率、较松散的堆积密度和较高的筒压强度。中等w/s (W10)的样品在CO2养护初期表现出相对较高的1 h吸水率和较低的筒压强度。低w/s (W0) 的样品由于碳化反应受到了阻碍，表现出了最低的筒压强度，说明水分对于烧结法赤泥基免烧陶粒的碳化反应具有十分重要的作用。重金属浸出结果表明，重金属离子在CO2养护后得到了有效的固化，但CO2养护对于磷离子的固化效果相对较差。
（3）w/s（0-30%）主要通过影响CO2的扩散速率和作为反应物，参与碳化反应来影响烧结法赤泥基免烧陶粒碳化反应进程。此外，w/s主要通过影响碳化产物的数量以及碳化产物的结
