偏高岭土对MSWI粉煤灰-矿渣粘结剂性能的影响：抗压强度及氯离子固定作用

《Journal of Environmental Management》：The effect of metakaolin on the properties of MSWI fly ash-slag binder: Compressive strength and chloride ions immobilization

本研究通过引入矿渣微粉（MK）改善MSWIFA-GBFS结合料的力学性能与氯离子固定效果。实验表明，10% MK使28天抗压强度提升21%，56天氯离子固定率提高15%。机理分析显示，MK促进Friedel盐和C-A-S-H生成，增强化学结合与物理吸附，为安全利用MSWIFA提供新途径。

　　

张俊杰|郭兆成|张戈|张婷|宋学锋

西安建筑科技大学材料科学与工程学院，中国西安，710055

摘要

城市固体废物焚烧灰（MSWIFA）可用于活化粒化高炉矿渣（GBFS）。然而，其中的氯离子限制了MSWIFA-GBFS粘合剂的再利用价值。本研究采用偏高岭土（MK）来改善该粘合剂的力学性能和氯离子的固定能力。通过测量抗压强度和氯离子固定率，并利用XRD、TGA、ICP、SEM和MIP等技术对水化过程和固定机制进行了分析。结果表明，MK提高了浆体的后期强度和氯离子固定率：添加10%的MK后，28天的抗压强度提高了21%，56天时提高了15%。在初期阶段，由于MK的稀释作用，ETtringite的形成得到加速，而Friedel盐（Fs）的形成受到抑制。随着MK的持续水化，主要包括Fs和C-(A)-S-H在内的水化产物的生成得到促进，同时无害孔隙体积也有所增加。氯离子的固定机制结合了化学结合和物理吸附。MK的溶解导致Fs含量增加，体现了较强的化学结合能力；C-(A)-S-H的生成以及小于50纳米的孔隙体积的增加则体现了较强的物理吸附作用。本研究为MSWIFA在水泥材料中的安全利用提供了途径。

引言

目前，焚烧是处理城市固体废物（MSW）的主要方法，其产生的热量可以回收利用（Cao等人，2023；Lin等人，2022；Wang等人，2023）。然而，这一过程会产生各种副产品，如城市固体废物焚烧灰（MSWIFA）（Li等人，2023；Liu等人，2022）。中国每年产生的MSWIFA超过1000万吨，保守估计其累计产量已超过7000万吨（Li等人，2024）。此外，MSWIFA中含有高浓度的可溶性氯离子和重金属（Kinnarinen等人，2013）。因此，大量MSWIFA的处置带来了显著的环境风险。

最初，填埋是MSWIFA的主要处置方式；然而，雨水会从填埋土中浸出重金属和有机污染物（Guo等人，2024）。热处理、稳定/固化及资源回收已被证明可以有效固定MSWIFA中的重金属和有机污染物（Wong等人，2021；Zhang等人，2021b）。然而，MSWIFA中的氯离子对其利用构成了挑战（Liu等人，2021）。利用水泥进行稳定/固化是提高MSWIFA中氯离子固定效果的有效方法（Li等人，2024）。一方面，MSWIFA可用于水泥熟料的生产（Ren和Ling，2021），但由于水泥质量标准的要求，其掺用量受到限制；另一方面，MSWIFA可用作混凝土中的辅助胶凝材料，但其中的氯离子容易引起钢筋腐蚀和混凝土剥落，从而降低材料的耐久性（Bogush等人，2015；Ren和Ling，2021）。因此，实际应用中MSWIFA中氯离子的稳定/固化效果仍有限。水洗可以去除MSWIFA中的大部分可溶性盐分（如氯离子、硫酸盐），但废水可能造成二次污染（Bogush等人，2019；Mao等人，2020；Yang等人，2017）。因此，需要进一步开发MSWIFA在水泥材料中的利用方法。

碱激活矿渣（AAS）作为一种新型胶凝材料，具有优异的耐久性，可作为传统水泥的替代品（Liu等人，2024；Ouyang等人，2024；Sun等人，2024）。激活剂可分为强碱（如NaOH/KOH）和弱碱（如硫酸盐/碳酸盐）（Provis，2018）。MSWIFA含有Ca(OH)₂、CaSO₄和CaClOH，因此可视为弱碱来源（Wan等人，2018）。由于其高pH值，MSWIFA能有效活化GBFS，使其抗压强度超过70 MPa（Gu等人，2022；Xia等人，2024）。更重要的是，MSWIFA中的氯离子可以通过这种粘合剂被固定（Ren和Ling，2021）。一方面，MSWIFA与GBFS反应生成Friedel盐（Fs），这是化学结合氯离子的主要方式（Wilson等人，2022）；另一方面，小于50纳米的孔隙对氯离子具有很强的吸附能力，这与水化产物的积累密切相关（Elakneswaran等人，2009；Kim等人，2013；Zhang等人，2019）。然而，可利用铝相的含量有限，限制了Fs在该粘合剂体系中的形成。此外，该粘合剂的孔径较大，导致物理吸附能力较弱（Machner等人，2018）。这些因素使得MSWIFA-GBFS粘合剂中的氯离子固定率较低。

偏高岭土（MK）被广泛用作辅助胶凝材料和碱激活材料的前驱体（Inaty等人，2025；Papp等人，2025）。MK富含铝和硅相（Saillio等人，2019）。因此，使用MK有望提高MSWIFA-GBFS粘合剂的抗压强度和氯离子固定能力（Barbhuiya等人，2015；Chang等人，2023；Guo等人，2022）。首先，MK释放的可溶性铝离子可以加速Fs的形成；其次，由于MSWIFA-GBFS粘合剂的高pH值，MK的水化有助于C-(A)-S-H的形成。水化产物的积累有利于抗压强度的提升。氯离子可以通过化学结合和物理吸附被Fs和C-(A)-S-H固定。然而，MK含量对MSWIFA-GBFS粘合剂抗压强度和氯离子固定性能的影响尚不明确。

本研究利用MK改善了粘合剂的力学性能和氯离子固定能力，通过XRD、TGA、ICP、MIP和SEM-EDS分析了水化过程和固定机制。本研究为MSWIFA在水泥材料中的安全利用提供了途径。

材料

本研究使用中国西安产生的城市固体废物焚烧灰（MSWIFA）作为激活剂；中国郑州的粒化高炉矿渣（GBFS）和中国武汉的偏高岭土（MK）作为前驱体。原材料的化学成分、粒径分布、矿物组成和形态分别见表1、图1、图2和图3。MSWIFA、GBFS和MK的D50值分别为22.39 μm、9.31 μm和2.45 μm。

抗压强度

图4显示了GMM浆体的抗压强度。在初期阶段，当MK含量为5%时，GMM浆体的抗压强度与空白组相当；但随着MK含量的增加，抗压强度下降。例如，在7天时，GMM5的抗压强度从18.3 MPa降至8.6 MPa，下降了53%。这表明MK的稀释作用影响了抗压强度（Zhang等人，2021a）。

结论

本研究利用MK改善了MSWIFA-GBFS粘合剂的抗压强度和氯离子固定能力，主要结论如下：

(1)

MK的存在对GMM浆体的早期强度不利，但可以提高其后期抗压强度。添加10%的MK后，28天的抗压强度提高了21%。

(2)

GMM浆体的氯离子固定率显著提高。56天时，与不含MK的情况相比，

作者贡献声明

张俊杰：撰写初稿、进行正式分析、提出概念。郭兆成：数据整理。张戈：实验研究、资金申请。张婷：资源调配、方法设计。宋学锋：结果验证、监督指导。

利益冲突声明

作者之间不存在利益冲突。

致谢

本研究得到了中国国家自然科学基金（项目编号：52208287）和陕西省自然科学基金（项目编号：2024JC-YBQN-0388）的支持。