工业固体废弃物在建筑材料领域的应用

陈玮琳（江南大学环境与土木工程学院，江苏 无锡214122）

中国快速发展的同时，生产和生活的废物排放量也相应的增加。2009年中国环境统计年报数据显示，全国工业固体废物产生量203,943万吨，比上年增加7.3%；工业固体废物排放量710万吨，比上年减少9.2%。工业固体废物综合利用量138,186万吨，比上年增加11.9%；工业固体废物贮存量20,929万吨，比上年减少4.4%。工业固体废物处置量47,488万吨，比上年减少1.7%。

目前我国建材工业是固体废弃物利用的主要应用行业。因此，必须采取有效措施把建筑材料领域的发展同节约能源和资源、保护生态环境、治理污染有机结合起来，实现固体废弃物的利用及建筑材料领域发展的良性循环。

1 我国建材领域工业废弃物的应用现状

1.1 水泥生产中工业废弃物的应用

我国是世界水泥生产大国，水泥工业每年消耗粘土近2亿t，开采粘土大量的破坏了土地和山林植被，造成水土流失，严重破坏了生态平衡。因此国家鼓励水泥工业采用各类固体废弃物为原料。

1)尾矿在水泥生产中的应用

国内利用尾矿煅烧水泥研究十分活跃，应用最多是铅锌矿尾矿及铜尾矿，这两种尾矿可以用作水泥矿化剂和铁质原料烧制水泥熟料，能降低水泥熟料烧成能耗，减少水泥生产成本，提高熟料产量和质量。例如，山东省昌乐县特种水泥厂[1]用5.32%的铜尾矿配料后，熟料质量有所提高，能满足高标号水泥的生产要求，吨水泥熟料的标煤消耗降低15.7%，可以代替复合矿化剂，生产成本降低12%；山东沂南磊金股份公司[2]利用金矿尾砂生产优质道路水泥及抗硫酸盐水泥获得成功，水泥尾矿利用量为360～400kg/t。该公司矿山排放尾矿7万t/a，建1座年产20万t的水泥厂恰好用掉当年排放的尾矿，不仅减少了建尾矿库的占地面积，而且节约了开支，消除了尾矿对环境的污染。唐山市协兴水泥有限公司[3]利用尾矿砂代替粘土和铁矿石生产水泥熟料，充分利用废弃尾矿砂，减少环境污染，节约大量粘土和矿山资源，还可使水泥吨熟料成本下降2～3元，熟料28d抗压强度提高3～5MPa，使吨综合成本下降10元以上。

2)粉煤灰在水泥生产中的应用

粉煤灰水泥已成为我国5大水泥品种之一，在水泥应用方面一是作为掺和料；二是作为粘土组分生产水泥熟料；三是作为砂浆掺和料；四作为混凝土的掺和料；五作为复合混凝土外加剂载体和混凝土的矿物减水剂。沈阳市水泥厂利用沈阳热电厂的湿排粉煤灰作配料，年生产火山灰硅酸盐水泥12万吨。在用质量合格的粉煤灰做混合材磨制水泥时，可分别生产普遍硅酸盐水泥、矿渣硅酸盐水泥（掺入量不高于15%）、粉煤灰水泥（掺入量为20%～40%不等），低标号砌筑水泥掺入量为60%～70%。德州某建材厂利用德州电厂的干排粉煤灰可年产硅酸盐水泥15万多吨，先后生产出了325号和425号R型粉煤灰硅酸盐水泥，取得了年产利润70万元以上的经济效益和良好的环境效益；蛾眉山盐化工集团[4-6]用粉煤灰和煤渣双掺生产水泥，混合材料的比例为1：1，生产425号复合水泥的最佳掺量为25%～30%。粉煤灰与硅锰渣双掺可以生产425号水泥，其中粉煤灰的掺量为45%～60%、硅锰渣掺量9%～12%，硅锰渣掺量增加可以提高复合水泥的抗折强度；庐山水泥厂用回转窑生产粉煤灰一页岩复合水泥，在无外加剂的情况下，粉煤灰掺量15%～20%，页岩掺量5%，可稳定生产425号复合水泥，页岩属填充性混合材，掺量增加，水泥的强度明显降低。

3)煤矸石在水泥生产中的应用

煤矸石自燃或煅烧后具有一定的活性，可以掺入水泥中作混合材，与熟料和石膏按比例配合磨细生产硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥等，利用煤矸石中的粘土矿物部分或全部代替粘土配制水泥生料。烧制硅酸盐水泥熟料是煤矸石利用的另一途径，煤矸石既可作原料又可代替部分燃料。

1.2 墙体材料生产中工业废弃物的应用

国家在墙改政策中提出“禁止毁田制砖,保护土地资源,保护生态环境”的口号，并明确指出从2003年6月30日起在170个城市禁止生产和使用粘土实心砖，这使传统墙体材料面临着一场深刻的革命。目前，我国已陆续开展以铁尾矿、粉煤灰、煤矸石等生产墙体材料的研究。

1）尾矿在墙体材料生产中的应用

鞍钢矿山公司大孤山选矿厂自1979年就开始以尾矿为主要原料进行尾矿砖的试验研究,于1980年生产出第一批尾矿砖,该砖原料以含铁的尾矿为主,加入适量CaO活性材料。实验结果表明,尾矿砖砌体的轴心抗压极限强度高于同条件下普通粘土砖砌体的强度。

生产尾矿瓷质砖，其原料为尾矿(60%～69%)+粘土或高岭土+长石粉或尾矿(45%～50%)+河砂+红土，中国地质科学院与湖南邵东铅锌矿合作，利用铅锌尾矿与当地的粘土、煤矸石等辅助原料，生产出6种颜色的墙地砖，已形成了批量生产的能力；德兴铜矿利用铜尾矿、黄土、长石、碳酸钙与滑石为原料，研制成功1种烧成低温彩釉墙面砖；山东招远河东金矿利用尾矿为原料生产出符合国家标准要求的蒸压灰砂砖，该矿利用88%的金尾砂，配以12%生石灰，再加入少量填加剂，再经8h蒸压养护，出釜后灰砂砖即可使用。寿王坟铜矿与中国地质科学院尾矿中心合作生产的尾矿小型空心砌块和高级彩色光亮室外地坪砌块等产品，所用原材料均以尾矿砂和矿山废石为主，占原材料的85%，2001年5月已进行了工业化生产。

生产尾矿免烧砖以细尾矿为主要原料,配入少量的骨料、钙质胶凝材料及外加剂,加入适量的水,均匀搅拌后在压力机上模压成型,脱模后标准养护,即成尾矿免烧砖成品。济南钢铁集团总公司郭店铁矿投资30万元,采用选矿后的尾矿为主要原料,并配以钢渣粉及少量的水泥,生产出尾矿免烧砖,该砖外观色彩较为鲜艳,装饰效果好,其各项生产技术指标也均能达到普通粘土红砖的技术指标要求。

2）粉煤灰在墙体材料生产中的应用

我国每年共烧制实心粘土砖7000亿块，取土14亿m3。另外，实心粘土砖构筑的墙体还存在着抗震性差、建筑造型单一、隔热保温性能低等缺点。同时由于生产实心粘土砖破坏土地，浪费能源、污染环境等原因，实心粘土砖逐步退出市场。我国从1965年开始生产粉煤灰烧结砖，其产量高于蒸制砖，产品吃灰量大，可以节约大量粘土，而性能与粘土砖相差无几。抚顺石油化工公司热电厂为保护环境,减少粉煤灰外排与贮存费用,投资建成6000万块/a的粉煤灰烧结砖生产线，生产出来的烧结砖块具有耐久性好、装饰功能强、永不褪色等特点。

另外产量较大的是粉煤灰硅酸盐砌块和免蒸免烧粉煤灰砖块，根据建筑功能不同，产品有实心与空心两种，空心产品的孔隙率在逐渐增大，在我国建筑砌块是今后重点发展的墙体材料。粉煤灰砌块因具有质轻、保温性能好等优点，很适合于现代建筑结构，因而具有发展潜力。

3）煤矸石在墙体材料生产中的应用

煤矸石属硬质高岭土，其主要化学成分是Si02、Al203、碱及碱土金属氧化物，煤矸石制砖既利用了其中的粘土矿物又可以利用其热量，是大宗利用煤矸石的主要途径。煤矸石制砖的工艺成熟，已经可以作到100%利用煤矸石作原料，不投任何其它原料制取空心砖。通过采用并消化吸收国外的先进制砖技术及引进其设备，生产煤矸石承重多孔砖，非承重空心砖及外承重装饰砖、广场砖、道路砖等。

目前有近千家建材企业利用煤矸石生产砖，年产矸石砖60亿块，占粘土砖产量的0.8%，利用煤矸石1600万t，节约土地近670hm2，节约煤60万t标准煤。同时利用煤矸石生产粘土烧结砖(掺量15%左右)的厂家较多，每年生产烧结砖500亿块，年利用煤矸石1800万t。

1.3 陶瓷材料生产中工业废弃物的应用

袁定华[7]早在1992年就利用稀土尾矿作为坯釉的主要原料研制青瓷,不仅外观美,而且内在质量也较高。稀土尾矿的主体高岭石、石英和长石等硅酸盐矿物都是成瓷需要的矿物化学成分。尾矿中尚含有多种微量稀土,可利用其独特的物理化学性质,改善釉料性能,提高产品质量。因此稀土尾矿是一种优于传统制瓷原料的新型制瓷原料。

用内蒙宁城珍珠岩尾矿为主要原料,以碳酸钙为平衡原料,在成孔剂和粘合剂的配合下,采用烧结法,在1200℃合成全晶质多孔结构,主要物相是呈片状、板状硅灰石的多孔硅酸钙质陶瓷材料。和传统陶瓷材料相比,具有吸附性、透气性、耐腐蚀性、环境相容性、生物相容性好等特点,能广泛应用于各种液体、气体的过滤,在工业用水、生活用水的处理和污水净化等方面也有大量应用的前景[8]。

利用尾矿研制生产陶瓷打破了以粘土为原料的传统,在有效利用废弃尾矿、减轻环境压力的同时,也使陶瓷性能得到了很大的改善。但从目前的资料来看,尚没有利用尾矿开展大规模陶瓷工艺生产的生产线。

1.4 制轻骨料中工业废弃物的应用

轻骨料是一种轻质及具有良好保温性能的新型建筑材料，可用于建造大跨度桥梁和高层建筑，其发展前景非常广阔。

1）粉煤灰在制轻骨料中的应用

利用粉煤灰为主要原料，加入一定量的胶结料和水，经成球、烧结而成的轻骨料为烧结粉煤灰陶粒。它是一种性能良好的人造轻骨料，其粉煤量用量可达80%左右，可以配制300号混凝土。由于其有密度小、耐热度高、抗掺性好、耐冲击力强等优点，可替代天然渣石配制150～300号的混凝土，广泛地用于工业与民用建筑，制作各种混凝土构件，还可用于桥梁、窑炉和烟囱的砌筑。

2）煤矸石在制轻骨料中的应用

用煤矸石烧制轻骨料有两种方法,即成球法和非成球法。成球法是将煤矸石破碎和粉磨后制成球状颗粒,然后送入窑炉中焙烧;非成球法是把煤矸石破碎到一定粒度直接焙烧。煤矸石轻骨料的质量主要取决于煤矸石的性质和成分。适宜烧制轻骨料的煤矸石主要是碳质页岩和选煤厂排出的洗矸,矸石中的含碳量不要过大,以低于13%为宜。

2 展望

我国现有的800多家国营矿山企业及11万多家集体所有制企业堆存有40多亿t尾矿，同时每年新增加1亿t矿山尾矿。我国是世界上少数几个以煤为主要能源的国家之一，煤在能源构成中约占78%，全国燃煤消耗量达12亿t／a，火电及热电联产消耗原煤6亿t／a，每年排放的粉煤灰渣高达1.8亿t。同时我国每年排放的煤矸石的量是煤生产量的10%，目前有煤矸石山1500多座，累计堆存有30多亿t，占地3万hm2以上。

综上所述，工业固体废弃物用于建筑材料生产，既能解决废物堆放、占用土地、污染环境等问题，又能取得良好的经济效益和社会效益，具有较好的发展前景，应大力推广使用。我国的粉煤灰利用率约为45%，煤矸石的利用率达70%，尾矿的利用率还不到8%。随着国民经济的继续发展，各种固体废弃物的排出量也会不断增加。因此，利用工业固体废弃物生产建筑材料还有广阔的发展空间，必须加大科研方面的投入，使工业固体废弃物真正“变废为宝”，实现节能节约型社会建设的总体目标。

[1]李卫.黄金选矿厂尾矿的二次回收与开发利用[J].金属矿山,2000,(增刊).26-28.

[2]孟祥金.利用铅锌尾矿代替部分原料生产水泥[J].水泥,1998,(3).10-11.

[3]蒋冬青.尾矿在建材中的应用[J].金属矿山,2000,(增刊).330-312.

[4]丁铸,张德成,王向东,等.我国复合硅酸盐水泥的发展与现状[J].水泥,1997,(3).l.

[5]任素梅,徐洪胜,孙凤香等.粉煤灰少熟料复合水泥的研制[J].水泥,1995,(2).3.

[6]江继祥.粉煤灰复合硅酸盐水泥的试生产[J].粉煤灰综合利用,1997,(4).1.

[7]黄英,李博文,何明生,等.利用珍珠岩尾矿合成多孔硅灰石陶瓷的实验研究[J].硅酸盐通报,2003,(3).85-87.

[8]邱媛媛,赵由才.尾矿在建材工业中的应用[J].有色冶金设计与研究,2008,(2).35-37.