工業(yè)固體廢棄物在建筑材料領(lǐng)域的應(yīng)用

陳瑋琳（江南大學(xué)環(huán)境與土木工程學(xué)院，江蘇 無錫214122）

中國快速發(fā)展的同時，生產(chǎn)和生活的廢物排放量也相應(yīng)的增加。2009年中國環(huán)境統(tǒng)計年報數(shù)據(jù)顯示，全國工業(yè)固體廢物產(chǎn)生量203,943萬噸，比上年增加7.3%；工業(yè)固體廢物排放量710萬噸，比上年減少9.2%。工業(yè)固體廢物綜合利用量138,186萬噸，比上年增加11.9%；工業(yè)固體廢物貯存量20,929萬噸，比上年減少4.4%。工業(yè)固體廢物處置量47,488萬噸，比上年減少1.7%。

目前我國建材工業(yè)是固體廢棄物利用的主要應(yīng)用行業(yè)。因此，必須采取有效措施把建筑材料領(lǐng)域的發(fā)展同節(jié)約能源和資源、保護生態(tài)環(huán)境、治理污染有機結(jié)合起來，實現(xiàn)固體廢棄物的利用及建筑材料領(lǐng)域發(fā)展的良性循環(huán)。

1 我國建材領(lǐng)域工業(yè)廢棄物的應(yīng)用現(xiàn)狀

1.1 水泥生產(chǎn)中工業(yè)廢棄物的應(yīng)用

我國是世界水泥生產(chǎn)大國，水泥工業(yè)每年消耗粘土近2億t，開采粘土大量的破壞了土地和山林植被，造成水土流失，嚴重破壞了生態(tài)平衡。因此國家鼓勵水泥工業(yè)采用各類固體廢棄物為原料。

1)尾礦在水泥生產(chǎn)中的應(yīng)用

國內(nèi)利用尾礦煅燒水泥研究十分活躍，應(yīng)用最多是鉛鋅礦尾礦及銅尾礦，這兩種尾礦可以用作水泥礦化劑和鐵質(zhì)原料燒制水泥熟料，能降低水泥熟料燒成能耗，減少水泥生產(chǎn)成本，提高熟料產(chǎn)量和質(zhì)量。例如，山東省昌樂縣特種水泥廠[1]用5.32%的銅尾礦配料后，熟料質(zhì)量有所提高，能滿足高標號水泥的生產(chǎn)要求，噸水泥熟料的標煤消耗降低15.7%，可以代替復(fù)合礦化劑，生產(chǎn)成本降低12%；山東沂南磊金股份公司[2]利用金礦尾砂生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)道路水泥及抗硫酸鹽水泥獲得成功，水泥尾礦利用量為360～400kg/t。該公司礦山排放尾礦7萬t/a，建1座年產(chǎn)20萬t的水泥廠恰好用掉當年排放的尾礦，不僅減少了建尾礦庫的占地面積，而且節(jié)約了開支，消除了尾礦對環(huán)境的污染。唐山市協(xié)興水泥有限公司[3]利用尾礦砂代替粘土和鐵礦石生產(chǎn)水泥熟料，充分利用廢棄尾礦砂，減少環(huán)境污染，節(jié)約大量粘土和礦山資源，還可使水泥噸熟料成本下降2～3元，熟料28d抗壓強度提高3～5MPa，使噸綜合成本下降10元以上。

2)粉煤灰在水泥生產(chǎn)中的應(yīng)用

粉煤灰水泥已成為我國5大水泥品種之一，在水泥應(yīng)用方面一是作為摻和料；二是作為粘土組分生產(chǎn)水泥熟料；三是作為砂漿摻和料；四作為混凝土的摻和料；五作為復(fù)合混凝土外加劑載體和混凝土的礦物減水劑。沈陽市水泥廠利用沈陽熱電廠的濕排粉煤灰作配料，年生產(chǎn)火山灰硅酸鹽水泥12萬噸。在用質(zhì)量合格的粉煤灰做混合材磨制水泥時，可分別生產(chǎn)普遍硅酸鹽水泥、礦渣硅酸鹽水泥（摻入量不高于15%）、粉煤灰水泥（摻入量為20%～40%不等），低標號砌筑水泥摻入量為60%～70%。德州某建材廠利用德州電廠的干排粉煤灰可年產(chǎn)硅酸鹽水泥15萬多噸，先后生產(chǎn)出了325號和425號R型粉煤灰硅酸鹽水泥，取得了年產(chǎn)利潤70萬元以上的經(jīng)濟效益和良好的環(huán)境效益；蛾眉山鹽化工集團[4-6]用粉煤灰和煤渣雙摻生產(chǎn)水泥，混合材料的比例為1：1，生產(chǎn)425號復(fù)合水泥的最佳摻量為25%～30%。粉煤灰與硅錳渣雙摻可以生產(chǎn)425號水泥，其中粉煤灰的摻量為45%～60%、硅錳渣摻量9%～12%，硅錳渣摻量增加可以提高復(fù)合水泥的抗折強度；廬山水泥廠用回轉(zhuǎn)窯生產(chǎn)粉煤灰一頁巖復(fù)合水泥，在無外加劑的情況下，粉煤灰摻量15%～20%，頁巖摻量5%，可穩(wěn)定生產(chǎn)425號復(fù)合水泥，頁巖屬填充性混合材，摻量增加，水泥的強度明顯降低。

3)煤矸石在水泥生產(chǎn)中的應(yīng)用

煤矸石自燃或煅燒后具有一定的活性，可以摻入水泥中作混合材，與熟料和石膏按比例配合磨細生產(chǎn)硅酸鹽水泥、普通硅酸鹽水泥等，利用煤矸石中的粘土礦物部分或全部代替粘土配制水泥生料。燒制硅酸鹽水泥熟料是煤矸石利用的另一途徑，煤矸石既可作原料又可代替部分燃料。

1.2 墻體材料生產(chǎn)中工業(yè)廢棄物的應(yīng)用

國家在墻改政策中提出“禁止毀田制磚,保護土地資源,保護生態(tài)環(huán)境”的口號，并明確指出從2003年6月30日起在170個城市禁止生產(chǎn)和使用粘土實心磚，這使傳統(tǒng)墻體材料面臨著一場深刻的革命。目前，我國已陸續(xù)開展以鐵尾礦、粉煤灰、煤矸石等生產(chǎn)墻體材料的研究。

1）尾礦在墻體材料生產(chǎn)中的應(yīng)用

鞍鋼礦山公司大孤山選礦廠自1979年就開始以尾礦為主要原料進行尾礦磚的試驗研究,于1980年生產(chǎn)出第一批尾礦磚,該磚原料以含鐵的尾礦為主,加入適量CaO活性材料。實驗結(jié)果表明,尾礦磚砌體的軸心抗壓極限強度高于同條件下普通粘土磚砌體的強度。

生產(chǎn)尾礦瓷質(zhì)磚，其原料為尾礦(60%～69%)+粘土或高嶺土+長石粉或尾礦(45%～50%)+河砂+紅土，中國地質(zhì)科學(xué)院與湖南邵東鉛鋅礦合作，利用鉛鋅尾礦與當?shù)氐恼惩?、煤矸石等輔助原料，生產(chǎn)出6種顏色的墻地磚，已形成了批量生產(chǎn)的能力；德興銅礦利用銅尾礦、黃土、長石、碳酸鈣與滑石為原料，研制成功1種燒成低溫彩釉墻面磚；山東招遠河?xùn)|金礦利用尾礦為原料生產(chǎn)出符合國家標準要求的蒸壓灰砂磚，該礦利用88%的金尾砂，配以12%生石灰，再加入少量填加劑，再經(jīng)8h蒸壓養(yǎng)護，出釜后灰砂磚即可使用。壽王墳銅礦與中國地質(zhì)科學(xué)院尾礦中心合作生產(chǎn)的尾礦小型空心砌塊和高級彩色光亮室外地坪砌塊等產(chǎn)品，所用原材料均以尾礦砂和礦山廢石為主，占原材料的85%，2001年5月已進行了工業(yè)化生產(chǎn)。

生產(chǎn)尾礦免燒磚以細尾礦為主要原料,配入少量的骨料、鈣質(zhì)膠凝材料及外加劑,加入適量的水,均勻攪拌后在壓力機上模壓成型,脫模后標準養(yǎng)護,即成尾礦免燒磚成品。濟南鋼鐵集團總公司郭店鐵礦投資30萬元,采用選礦后的尾礦為主要原料,并配以鋼渣粉及少量的水泥,生產(chǎn)出尾礦免燒磚,該磚外觀色彩較為鮮艷,裝飾效果好,其各項生產(chǎn)技術(shù)指標也均能達到普通粘土紅磚的技術(shù)指標要求。

2）粉煤灰在墻體材料生產(chǎn)中的應(yīng)用

我國每年共燒制實心粘土磚7000億塊，取土14億m3。另外，實心粘土磚構(gòu)筑的墻體還存在著抗震性差、建筑造型單一、隔熱保溫性能低等缺點。同時由于生產(chǎn)實心粘土磚破壞土地，浪費能源、污染環(huán)境等原因，實心粘土磚逐步退出市場。我國從1965年開始生產(chǎn)粉煤灰燒結(jié)磚，其產(chǎn)量高于蒸制磚，產(chǎn)品吃灰量大，可以節(jié)約大量粘土，而性能與粘土磚相差無幾。撫順石油化工公司熱電廠為保護環(huán)境,減少粉煤灰外排與貯存費用,投資建成6000萬塊/a的粉煤灰燒結(jié)磚生產(chǎn)線，生產(chǎn)出來的燒結(jié)磚塊具有耐久性好、裝飾功能強、永不褪色等特點。

另外產(chǎn)量較大的是粉煤灰硅酸鹽砌塊和免蒸免燒粉煤灰磚塊，根據(jù)建筑功能不同，產(chǎn)品有實心與空心兩種，空心產(chǎn)品的孔隙率在逐漸增大，在我國建筑砌塊是今后重點發(fā)展的墻體材料。粉煤灰砌塊因具有質(zhì)輕、保溫性能好等優(yōu)點，很適合于現(xiàn)代建筑結(jié)構(gòu)，因而具有發(fā)展?jié)摿Α?/p>

3）煤矸石在墻體材料生產(chǎn)中的應(yīng)用

煤矸石屬硬質(zhì)高嶺土，其主要化學(xué)成分是Si02、Al203、堿及堿土金屬氧化物，煤矸石制磚既利用了其中的粘土礦物又可以利用其熱量，是大宗利用煤矸石的主要途徑。煤矸石制磚的工藝成熟，已經(jīng)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磚。通過采用并消化吸收國外的先進制磚技術(shù)及引進其設(shè)備，生產(chǎn)煤矸石承重多孔磚，非承重空心磚及外承重裝飾磚、廣場磚、道路磚等。

目前有近千家建材企業(yè)利用煤矸石生產(chǎn)磚，年產(chǎn)矸石磚60億塊，占粘土磚產(chǎn)量的0.8%，利用煤矸石1600萬t，節(jié)約土地近670hm2，節(jié)約煤60萬t標準煤。同時利用煤矸石生產(chǎn)粘土燒結(jié)磚(摻量15%左右)的廠家較多，每年生產(chǎn)燒結(jié)磚500億塊，年利用煤矸石1800萬t。

1.3 陶瓷材料生產(chǎn)中工業(yè)廢棄物的應(yīng)用

袁定華[7]早在1992年就利用稀土尾礦作為坯釉的主要原料研制青瓷,不僅外觀美,而且內(nèi)在質(zhì)量也較高。稀土尾礦的主體高嶺石、石英和長石等硅酸鹽礦物都是成瓷需要的礦物化學(xué)成分。尾礦中尚含有多種微量稀土,可利用其獨特的物理化學(xué)性質(zhì),改善釉料性能,提高產(chǎn)品質(zhì)量。因此稀土尾礦是一種優(yōu)于傳統(tǒng)制瓷原料的新型制瓷原料。

用內(nèi)蒙寧城珍珠巖尾礦為主要原料,以碳酸鈣為平衡原料,在成孔劑和粘合劑的配合下,采用燒結(jié)法,在1200℃合成全晶質(zhì)多孔結(jié)構(gòu),主要物相是呈片狀、板狀硅灰石的多孔硅酸鈣質(zhì)陶瓷材料。和傳統(tǒng)陶瓷材料相比,具有吸附性、透氣性、耐腐蝕性、環(huán)境相容性、生物相容性好等特點,能廣泛應(yīng)用于各種液體、氣體的過濾,在工業(yè)用水、生活用水的處理和污水凈化等方面也有大量應(yīng)用的前景[8]。

利用尾礦研制生產(chǎn)陶瓷打破了以粘土為原料的傳統(tǒng),在有效利用廢棄尾礦、減輕環(huán)境壓力的同時,也使陶瓷性能得到了很大的改善。但從目前的資料來看,尚沒有利用尾礦開展大規(guī)模陶瓷工藝生產(chǎn)的生產(chǎn)線。

1.4 制輕骨料中工業(yè)廢棄物的應(yīng)用

輕骨料是一種輕質(zhì)及具有良好保溫性能的新型建筑材料，可用于建造大跨度橋梁和高層建筑，其發(fā)展前景非常廣闊。

1）粉煤灰在制輕骨料中的應(yīng)用

利用粉煤灰為主要原料，加入一定量的膠結(jié)料和水，經(jīng)成球、燒結(jié)而成的輕骨料為燒結(jié)粉煤灰陶粒。它是一種性能良好的人造輕骨料，其粉煤量用量可達80%左右，可以配制300號混凝土。由于其有密度小、耐熱度高、抗摻性好、耐沖擊力強等優(yōu)點，可替代天然渣石配制150～300號的混凝土，廣泛地用于工業(yè)與民用建筑，制作各種混凝土構(gòu)件，還可用于橋梁、窯爐和煙囪的砌筑。

2）煤矸石在制輕骨料中的應(yīng)用

用煤矸石燒制輕骨料有兩種方法,即成球法和非成球法。成球法是將煤矸石破碎和粉磨后制成球狀顆粒,然后送入窯爐中焙燒;非成球法是把煤矸石破碎到一定粒度直接焙燒。煤矸石輕骨料的質(zhì)量主要取決于煤矸石的性質(zhì)和成分。適宜燒制輕骨料的煤矸石主要是碳質(zhì)頁巖和選煤廠排出的洗矸,矸石中的含碳量不要過大,以低于13%為宜。

2 展望

我國現(xiàn)有的800多家國營礦山企業(yè)及11萬多家集體所有制企業(yè)堆存有40多億t尾礦，同時每年新增加1億t礦山尾礦。我國是世界上少數(shù)幾個以煤為主要能源的國家之一，煤在能源構(gòu)成中約占78%，全國燃煤消耗量達12億t／a，火電及熱電聯(lián)產(chǎn)消耗原煤6億t／a，每年排放的粉煤灰渣高達1.8億t。同時我國每年排放的煤矸石的量是煤生產(chǎn)量的10%，目前有煤矸石山1500多座，累計堆存有30多億t，占地3萬hm2以上。

綜上所述，工業(yè)固體廢棄物用于建筑材料生產(chǎn)，既能解決廢物堆放、占用土地、污染環(huán)境等問題，又能取得良好的經(jīng)濟效益和社會效益，具有較好的發(fā)展前景，應(yīng)大力推廣使用。我國的粉煤灰利用率約為45%，煤矸石的利用率達70%，尾礦的利用率還不到8%。隨著國民經(jīng)濟的繼續(xù)發(fā)展，各種固體廢棄物的排出量也會不斷增加。因此，利用工業(yè)固體廢棄物生產(chǎn)建筑材料還有廣闊的發(fā)展空間，必須加大科研方面的投入，使工業(yè)固體廢棄物真正“變廢為寶”，實現(xiàn)節(jié)能節(jié)約型社會建設(shè)的總體目標。

[1]李衛(wèi).黃金選礦廠尾礦的二次回收與開發(fā)利用[J].金屬礦山,2000,(增刊).26-28.

[2]孟祥金.利用鉛鋅尾礦代替部分原料生產(chǎn)水泥[J].水泥,1998,(3).10-11.

[3]蔣冬青.尾礦在建材中的應(yīng)用[J].金屬礦山,2000,(增刊).330-312.

[4]丁鑄,張德成,王向東,等.我國復(fù)合硅酸鹽水泥的發(fā)展與現(xiàn)狀[J].水泥,1997,(3).l.

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[6]江繼祥.粉煤灰復(fù)合硅酸鹽水泥的試生產(chǎn)[J].粉煤灰綜合利用,1997,(4).1.

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[8]邱媛媛,趙由才.尾礦在建材工業(yè)中的應(yīng)用[J].有色冶金設(shè)計與研究,2008,(2).35-37.