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市政生活垃圾通过高温焚烧后产生的垃圾焚烧飞灰,一般富集有重金属,需要通过处置才能填埋。水泥固化是成本最低,最实用的处理技术之一。市政垃圾焚烧飞灰中含有大量的硅铝质,可以作为水泥生产工业的原材料提供硅和铝,同时,高温焚烧的飞灰也具有一定的胶凝活性,通过预处理后可以做为混合材使用。水泥特别是硫铝酸盐水泥固化重金属主要以钙矾石形成过程中的化学吸附或离子替代为主。因此,研究重金属对钙矾石形成的影响以及钙矾石对重金属的固化效果及稳定性,对硫铝酸盐水泥工业资源化利用垃圾焚烧飞灰或硫铝酸盐水泥处理垃圾焚烧飞灰都具有重要的意义。本文采用4CaO·3Al2O3·SO3水化法来合成钙矾石,在4CaO·3Al2O3·SO3水化过程中引入重金属,研究钙矾石对重金属的固化机理和固化阈值。在此基础上,系统地研究重金属-钙矾石固化体系的稳定性,包括碳化稳定性,pH稳定性和温度稳定性。采用硫铝酸盐水泥来对重金属进行固化,研究含重金属硫酸盐水泥水化特性和固化体对环境的影响,探讨钙矾石固化重金属的实际应用。研究结果表明,CaF2可以显著降低4CaO·3Al2O3·SO3的烧成温度。CaF2掺量为0.3%时,4CaO·3Al2O3·SO3烧成温度降低约100℃,CaF2掺量为0.5%时,其烧成温度降低约200℃。但是CaF2掺量继续增加,4CaO·3Al2O3·SO3晶粒边缘会出现蚀熔现象,并且烧成产物中会出现12CaO·7Al2O3·CaF2。CaF2不影响4CaO·3Al2O3·SO3的水化性能,掺有矿化剂的4CaO·3Al2O3·SO3,其24h水化放热总量会显著增加,钙矾石形成量区别不大。钙矾石对Zn的固化阈值会受到阴离子的影响,掺入的锌盐是硝酸锌(Zn(NO3)2·6H2O)和氯化锌(ZnCl2)时,钙矾石对Zn的固化阈值在1.32～2.2%之间。若为硫酸锌(ZnSO4·7H2O),钙矾石对Zn的固化阈值不超过1.32%。钙矾石体系对Cu, Pb, Cr的固化阈值分别是1.32-2.2%之间,6%和0.22%。在干燥空气环境下,重金属-钙矾石体系很稳定,不会发生碳化分解。水固比为0.25,0.5和0.75的水溶液环境下,不论水溶液是纯水还是氯化镁溶液,经过45d加速碳化,钙矾石均全部分解。水固比为0.75,水环境是氯化镁溶液,在空气中正常碳化45d后,钙矾石只有部分分解。浸出毒性特性测试显示,碳化后的固化体系中重金属浸出浓度未超过国家规定的标准。从pH稳定性试验可以得知,在pH为9.18的环境中,重金属-钙矾石会发生缓慢地分解反应,而在其它试验所涉及的pH环境下很稳定。浸出毒性特性测试显示,在这3种pH环境下重金属-钙矾石体系均能稳定存在,固化体系中重金属的浓度低于国家规定的浓度限值。固化体系在120℃下烘干24h后,其中的钙矾石组分已经全部分解。重金属的浸出浓度并未超过国家规定的浓度限值。钙矾石分解有可能生成含有10-13个水分子的单硫型硫铝酸钙,该矿物是无定形态,并无衍射特征峰,有可能这种新产生的矿物起到固化稳定化重金属离子的作用。从凝结时间的测试数据可以发现,硫铝酸盐水泥的初凝和终凝时间都会随着重金属掺量的增加而遵循先减小后增大的变化规律,其中Zn造成的影响最明显。凝结时间最小时,初凝和终凝间隔时间最短。此时,Zn, Cu和Pb对应的掺量分别为0.22%,0.88%,1.32%。含有此掺量Zn或Pb的硫铝酸盐水泥的初凝时间和终凝时间相对于空白样下降约50%,而掺Cu的下降约25%。硫铝酸盐水泥3d和28d的抗压强度随重金属掺量增加而变化的规律一致,随着Zn和Pb的掺量先增加后减少,抗压强度最大时,对应Zn和Pb的掺量均为1.32%；掺有1.32%Zn的硫铝酸盐水泥,其3d和28d抗压强度相对于空白样分别提高约55%和70%,Pb在此掺量时,3d和28d抗压强度分别提高约95%和40%；掺有Cu的硫铝酸盐水泥的3d和28d抗压强度均随着Cu掺量的增加而增大,Cu掺量为2.2%时,3d和28d抗压强度相对于空白样分别提高约150%和85%。固化体系的毒性浸出特性测试结果显示,固化体系水化时间超过2h时,其重金属浸出浓度才会都低于国家规定的限制。