焚烧是目前国内外处理城市生活垃圾的主要技术方法之一，焚烧后仍存在垃圾焚烧炉渣和飞灰这两种主要固体废弃物^[1]。其中，垃圾焚烧炉渣中污染物含量低，可进行资源化利用^[2-3]。在道路工程中，可替代碎石与沥青或无机结合料混合后制备沥青混合料^[4]或无机结合料稳定材料^[5]。但垃圾焚烧炉渣化学成分复杂，含有金属氧化物、氢氧化物和碳酸盐、硫酸盐等，可溶盐类以氯盐和硫酸盐为主^[6]。例如，PVC类塑料、泡沫及厨余垃圾等焚烧后仍有部分氯元素聚集到垃圾焚烧炉渣中^[7]，硫酸盐则来自垃圾中原有硫酸盐或含硫化合物。生活垃圾来源、构成不同，垃圾焚烧炉渣中可溶盐的含量也有所不同^[8]。Vegas等^[9]测试得到垃圾焚烧炉渣中可溶盐总量范围为1.61%~1.89%、硫酸盐含量为0.97%~1.07%，孙路石等^[10]则得到氯盐含量为2.80%，硫酸盐含量为5.97%。

原材料中可溶盐可能会影响水泥水化进程，并增加水泥基材料中孔隙水的腐蚀性，造成材料的强度和耐久性问题^[11-12]。包龙生^[13]研究表明海排灰中氯盐含量超过0.5%的部分不能被水泥固化，游离的氯离子抑制水泥水化和火山灰反应，含量过大时对水泥稳定碎石混合料的性能不利。马冬梅^[14]研究了可溶盐对水泥土性能的影响，发现当软土中硫酸盐含量高时，大量钙矾石晶体的生成会使水泥土膨胀而变得疏松，损坏水泥土的长期性能。因此，应限定水泥稳定材料中的可溶盐，如《公路路面基层施工技术细则》^[15](JTG/T F20—2015)限定水泥稳定材料用细集料中硫酸盐含量≤0.25%。为降低垃圾焚烧炉渣中的可溶盐，部分学者^[16-17]研究了相关处理措施，如水洗、化学试剂处理等。Kim等^[17]研究发现水洗能移除垃圾焚烧炉渣中77%的氯盐，而增加液固比例和水洗时间对进一步降低氯盐含量则无利。

本研究为将垃圾焚烧炉渣用于水泥稳定材料基层，开展其可溶盐含量测试，配制掺垃圾焚烧炉渣的水泥稳定材料(称为水泥稳定炉渣碎石)，进行不同可溶盐含量混合料的性能试验研究，并采用微观测试方法分析可溶盐对混合料的微观作用机理，从而为垃圾焚烧炉渣的资源化利用提供参考。

试验共7组垃圾焚烧炉渣试样，分别取自上海、杭州两地的生活垃圾焚烧厂，焚烧工艺及预处理方法相似。筛分试验结果表明，各组垃圾焚烧炉渣的粒径分布相近，9.5，4.75，2.36 mm和0.075 mm筛孔通过质量百分率的平均值分别为92.2%，77.3%，59.0%和6.4%。

参考《森林土壤水溶性盐分分析》(LYT 1251—1999)和《固体废物浸出毒性浸出方法水平振荡法》(HJ 557—2010)，以垃圾焚烧炉渣与蒸馏水质量比1:5制备浸出溶液，分别采用硝酸银滴定法、硫酸钡质量法测定浸出溶液的氯离子(Cl^-)、硫酸根(SO₄^2-)含量，试验结果见表 1。表中结果表明，垃圾焚烧炉渣中SO₄^2-含量超过了JTG/T F20中对细集料的规定(≤0.25%)，如按照天然碎石要求将限制垃圾焚烧炉渣的应用，因此有必要探讨在超标条件下可溶盐对水泥稳定材料的影响。另外，将垃圾焚烧炉渣采用蒸馏水进行冲洗，原样垃圾焚烧炉渣中Cl^-，SO₄^2-含量分别为0.67%，1.00%，水洗后其含量均下降，分别为0.10%，0.87%，其中Cl^-的降低幅度较大，SO₄^2-的降低幅度较小，这可能是因为部分硫酸盐的溶解度较低。

水泥采用江苏某品牌32.5级复合硅酸盐水泥。

选取一组垃圾焚烧炉渣，参照JTG/T F20中方法替代石灰岩集料制备水泥稳定炉渣碎石混合料，替代质量百分率为28%，混合料的设计配合比见表 2，设计级配见表 3。

混合料成型时，称取一定质量NaCl或Na₂SO₄(纯度＞99.99%)，加入拌和水中，均匀搅拌后加入混合料进行拌和，然后成型试件。NaCl或Na₂SO₄掺量分别为0.50%, 1.00%(占垃圾焚烧炉渣质量的百分比)。各组试验混合料中的实际可溶盐含量见表 4。同时，采用水洗处理垃圾焚烧炉渣替代天然集料制备混合料(代号“水洗”)。垃圾焚烧炉渣中已有一定量的Cl^-，SO₄^2-，即使水洗后仍存在一定量的可溶盐，因此本研究混合料的试验结果实际是氯盐和硫酸盐综合影响下的结果。

依据《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》(JTG E51—2009)进行混合料性能试验。按照重型击实试验结果，在98%压实度下分别静压成型圆柱体试件和中梁试件。测试圆柱体试件标准养生28 d的无侧限抗压强度和劈裂强度。中梁试件标准养生6 d后浸水24 h，端面磨平后竖向放置于室内自然环境下风干，在试件顶部安置千分表测试干缩应变。温缩试验中，中梁试件标准养生28 d，在温度控制箱内测试试件从50 ℃降至0 ℃时的竖向温缩应变。

采用北京某公司XD-6型X射线衍射仪(XRD)分析混合料中结合料的矿物成分，扫描角度范围为5°~75°，扫描步长为0.02°。采用日本日立S-2360N扫描电子显微镜(SEM)观察混合料中颗粒表面的微观形貌，工作电压为25 kV，分辨率为3 nm。

无侧限抗压强度试验结果见图 1。由图 1可见，氯盐-0.5%、硫酸盐-0.5%试件的无侧限抗压强度均明显高于对照组，氯盐-1.0%、硫酸盐-1.0%、水洗试件则与对照组相近。劈裂强度试验结果见图 2。由图 2可见，氯盐-1.0%、硫酸盐-0.5%试件的劈裂强度较对照组提高，而其余试件的劈裂强度与对照组相近。

图 1 无侧限抗压强度试验结果 Fig. 1 Result of unconfined compressive strength test

图 2 劈裂强度试验结果 Fig. 2 Result of splitting strength test

可见，可溶盐种类、掺量对混合料无侧限抗压强度、劈裂强度的影响程度不尽相同。总体来看，掺0.5% NaCl或Na₂SO₄明显提高了混合料强度；而掺NaCl，Na₂SO₄含量分别达到1.0%时对混合料强度形成不利，根据垃圾焚烧炉渣中可溶盐含量及在混合料中的掺量换算为垃圾焚烧炉渣中可溶盐含量，分别为氯盐1.67%，硫酸盐1.00%，氯盐0.67%，硫酸盐2.00%；水洗混合料的无侧限抗压强度、劈裂强度与对照组没有明显差异，这可能是因为水洗并不能完全除去可溶盐，尤其是硫酸盐含量仍较高。因此，为保证混合料的强度，应限定垃圾焚烧炉渣中氯盐、硫酸盐的最高含量。

干缩试验结果见图 3。由图 3可见，掺氯盐、硫酸盐试件的干缩应变均大于对照组，其中掺硫酸盐试件的干缩应变大于掺氯盐试件，水洗试件的前期干缩应变大于对照组，而30 d干缩应变则与对照组基本相当。

图 3 干缩试验结果 Fig. 3 Result of dry shrinkage test

温缩试验结果见图 4。由图 4可见，50~20 ℃内，掺氯盐、硫酸盐试件的温缩应变明显大于对照组，≤20 ℃内则与对照组没有明显差异，这与高温时试件膨胀变形较大有关；水洗试件在每个试验温度区间内的温缩应变与对照组没有明显差异。依据图 4，计算各混合料50~-5 ℃内的累积温缩应变，见图 5。由图 5可见，各组混合料累计温缩应变大小排序为：硫酸盐-1.0%＞氯盐-0.5%＞氯盐-1.0%＞硫酸盐-0.5%＞对照组＞水洗。

图 4 温缩试验结果 Fig. 4 Result of temperature shrink test

图 5 累计温缩应变 Fig. 5 Accumulative temperature shrink strain

干缩应变较大表明水泥稳定材料基层在养生期间可能产生较大的内应力；温缩应变较大表明基层可能对温度变化较敏感，在剧烈降温时产生较大内应力，在温度交替循环作用下则产生因胀缩变形而累积的内部损伤。试验结果表明，掺氯盐、硫酸盐，即垃圾焚烧炉渣中氯盐、硫酸盐含量分别超过0.67%，1.00%，混合料的干缩变形和温缩变形均增大，这表明过高含量的可溶盐将增加基层收缩开裂的可能性。另外，水洗处理将减少混合料的温缩变形，这对降低运营期基层温缩开裂有利，而对减少干燥开裂作用较小。

养生28 d混合料中结合料的XRD图谱见图 6。由图 6可见，与对照组相比，掺氯盐、硫酸盐混合料的XRD图谱中衍射角2θ=18.0°附近的Ca(OH)₂衍射峰强度存在明显减弱趋势，即Ca(OH)₂减少；氯盐-1.0%的XRD图谱中可识别出2θ=27.9°附近处的Friedel盐(Ca₄Al₂O₆Cl₂·10H₂O)；其余混合料中反应生成水化产物在XRD图谱中并不能明显显示出来，可能是因为量较少或结晶度较低。可见，Cl^-，SO₄^2-与Ca(OH)₂等水泥水化产物发生反应生成Friedel盐晶体及其他结晶度较低的水化产物。

图 6 XRD图谱 Fig. 6 XRD patterns 1-CaCO3；2-SiO2；3-Ca(OH)2；4-斜方钙沸石；5-C2S；6-Friedel盐；7-C-S-H；8-C3S

图 7~图 11分别给出了养生28 d各组混合料颗粒表面的SEM图。对比图 8，图 9与图 7可见，掺氯盐混合料中针状、棒状晶体较对照组有增多、增粗的趋势，而六边形片状Ca(OH)₂晶体数量存在减少的趋势，且氯盐-1.0%混合料中晶体数量和体积较氯盐-0.5%混合料又增多、增大。这表明，Cl^-与水泥水化产物尤其是Ca(OH)₂之间发生了反应，并生成了更多水化产物，这与XRD分析结论一致。

图 7 对照组的SEM图 Fig. 7 SEM photos of control group

图 8 氯盐-0.5%的SEM图 Fig. 8 SEM photos of NaCl-0.5% mixture

图 9 氯盐-1.0%的SEM图 Fig. 9 SEM photos of NaCl-1.0% mixture

图 10 硫酸盐-0.5%的SEM图 Fig. 10 SEM photos of Na2SO4-0.5% mixture

图 11 硫酸盐-1.0%的SEM图 Fig. 11 SEM photos of Na2SO4-1.0% mixture

由图 10、图 11可见，与对照组及掺氯盐混合料相比，硫酸盐-0.5%混合料中存在更多尺寸更大的针状钙矾石晶体。而对于硫酸盐-1.0%混合料，放大1 000倍SEM照片显示集料颗粒表面存在细小未水化的水泥颗粒，水泥颗粒的表面被针状、絮状凝胶物质包裹；放大2 500倍SEM照片显示凝胶物质数量明显少于对照组与掺氯盐混合料。

另外，图 9(a)和图 11(a)，即氯盐、硫酸盐含量分别为1.0%的较小放大倍数的SEM图，显示混合料颗粒表面存在裂缝，这可能是因为氯盐、硫酸盐含量较高时，混合料内部生成的胶凝物质较少，不足以覆盖或填充颗粒表面的裂缝。

NaCl，Na₂SO₄均是水泥基材料的无机盐类早强剂。NaCl溶于水后电离为离子，Cl^-吸附于硅酸三钙(C₃S)、硅酸二钙(C₂S)的表面，可增加水泥颗粒的分散度，加速水泥水化^[18]。NaCl与水泥水化产物Ca(OH)₂反应生成CaCl₂，CaCl₂与C₃A反应生成一定量的Friedel盐，见式(1)。同时，CaCl₂能促进铝酸三钙(C₃A)与垃圾焚烧炉渣中原有的CaSO₄反应生成钙矾石，见式(2)。Na₂SO₄遇水溶解，与Ca(OH)₂反应生成CaSO₄和NaOH，且CaSO₄颗粒细度很小，与C₃A反应生成钙矾石的速度将加快，见式(2)。同时，NaOH能提高C₃A和CaSO₄的溶解度，进一步促进钙矾石形成。

(1)

(2)

综上，垃圾焚烧炉渣中适量氯盐、硫酸盐将加速C₃S，C₂S等水泥熟料水化以及水化产物的凝结硬化，水泥浆体中固相将增多，水泥石更加密实，这对混合料早期强度形成有利。但Cl^-含量过高将被水化产物固化并反应生成Friedel盐，这将减少混合料中的凝胶物质；SO₄^2-含量过高时，钙矾石凝胶将覆盖在未水化水泥颗粒表面，阻碍水分子及离子扩散，延缓水泥水化。因此，过高含量的氯盐、硫酸盐均对混合料强度形成及发展不利。

另外，混合料中晶体和凝胶物质增多，水泥石致密性增加，水泥石失水产生的收缩应力和应变也随之增大，降温过程中水泥石的收缩应力也增大，试件干缩应变和温缩应变增大。

水洗垃圾焚烧炉渣对水泥水化及混合料强度、变形特性的影响较常规垃圾焚烧炉渣降低。但水洗处理后试件的短期干缩应变仍大于对照组，这是因为水洗处理仅除去部分Cl^-，而SO₄^2-含量降低量小，可溶盐对水泥水化的影响仍存在；而温缩应变则较对照组有所降低，这是因为水洗处理也将部分细粒径垃圾焚烧炉渣除去。

(1) 采用浸出法测试了7组垃圾焚烧炉渣中Cl^-，SO₄^2-含量，平均值分别为0.57%，1.01%。

(2) 设计了掺30%左右垃圾焚烧炉渣的水泥稳定碎石混合料，当垃圾焚烧炉渣中氯盐超过1.67%或硫酸盐超过2.00%时对混合料的无侧限抗压强度和劈裂强度不利，而氯盐、硫酸盐含量分别超过0.67%，1.00%，混合料的干缩变形和温缩变形均增大。因此，为保证水泥稳定基层强度及降低基层收缩开裂的可能性，应限定垃圾焚烧炉渣中可溶盐的含量。

(3) 水洗处理可降低垃圾焚烧炉渣中的可溶盐含量，相比于常规垃圾焚烧炉渣，水洗处理后水泥稳定材料的强度没有明显变化，短期干缩变形有所增大，但温缩变形有所降低。

(4) 垃圾焚烧炉渣中Cl^-与水泥水化产物反应生成Friedel盐，掺氯盐、硫酸盐的混合料内部水化产物增多，但当掺Na₂SO₄含量达到1.0%时，部分水泥颗粒被钙矾石凝胶覆盖，阻碍水化反应。

(5) 可溶盐对水泥稳定炉渣碎石性能的影响体现在短期和长期，本研究仅对短期性能做了分析，对长期性能尚需进一步研究。另外，垃圾焚烧炉渣中的可溶盐含量超过道路相关规范的要求，因此将其用于道路工程时应谨慎。