粉煤灰綜合利用現(xiàn)狀及其在裝配式建筑中的應(yīng)用

姚華彥，陳傳明，劉文博，劉玉亭

（1.合肥工業(yè)大學土木與水利工程學院，合肥 230009；2.安徽省高迪環(huán)保股份有限公司，安徽 六安 237000）

粉煤灰是燃煤電廠發(fā)電過程中排放的主要固體廢棄物，是一種人工火山灰材料，若不妥善處理，將會對大氣、水源、土壤等產(chǎn)生污染。目前，我國仍然以煤電為主，燃煤發(fā)電導致粉煤灰排放量逐年增加，2010年約為3億t，2015年已經(jīng)超過6億t。預(yù)計未來20年，我國粉煤灰的年排放量將維持在5億～7億t[1]。因此，粉煤灰仍是中國排量較大的工業(yè)廢渣之一，給我國的生態(tài)環(huán)境和社會可持續(xù)發(fā)展帶來巨大壓力，開展其資源化綜合利用意義重大。

目前，粉煤灰綜合利用中用量最大、最主要的方式仍是建筑和建材方面，例如用于生產(chǎn)水泥或作為混凝土的摻合料等。但是，我國粉煤灰的體量大，分布范圍廣，其資源化利用仍面臨較為嚴峻的形勢，需要繼續(xù)發(fā)展大體量和綠色利用潛力。本文首先分析了粉煤灰綜合利用現(xiàn)狀，并結(jié)合我國裝配式建筑的發(fā)展趨勢，探討了粉煤灰如何大摻量應(yīng)用于裝配式建筑中。

1 粉煤灰綜合利用現(xiàn)狀

1.1 粉煤灰利用歷史和發(fā)展概況

國際上，粉煤灰的研究和利用始于20世紀初[2]。1933年，人們開始針對粉煤灰在混凝土中的應(yīng)用開展較為系統(tǒng)的研究。此后，粉煤灰的研究和應(yīng)用越來越受到德國、美國等國的重視。

20世紀50年代，我國開始開展粉煤灰的科研和應(yīng)用工作。截至目前，我國粉煤灰綜合利用發(fā)展可以分為四個階段。

1.1.1 以儲存為主的階段

20世紀50年代初，人們主要建立儲灰場，以便儲放粉煤灰[3]。

1.1.2 綜合利用起步階段

20世紀50年代后期，粉煤灰開始用于制作建筑材料[3]。其首先應(yīng)用在砂漿中，以節(jié)約水泥，然后用于制作蒸養(yǎng)標準磚和砌塊[4]。這個階段，粉煤灰的應(yīng)用范圍小，利用率偏低。

1.1.3 綜合利用發(fā)展階段

從20世紀80年代開始，我國經(jīng)濟發(fā)展迅速，電力需求增大，新建了大量燃煤電廠，產(chǎn)生的粉煤灰逐年增多。因此，國家實時調(diào)整政策，擴大粉煤灰的利用范圍。1994年，《粉煤灰綜合利用管理辦法》發(fā)布實施，確立了堅持“以用為主”的指導思想。粉煤灰綜合利用項目在投資政策、建設(shè)資金方面得到國家層面的支持，因而粉煤灰綜合利用率穩(wěn)步增長，利用領(lǐng)域和范圍不斷拓展，利用水平也快速提升[5]。粉煤灰綜合利用率在1980年僅為14%，1990年達到28%，1994年達到35%，2011年提高到68%[6-8]。除了用于生產(chǎn)建材、修筑道路，粉煤灰綜合利用還延伸到冶金、化工、農(nóng)業(yè)等多個領(lǐng)域，人們研發(fā)出新的高附加值利用技術(shù)，大量專業(yè)化粉煤灰綜合利用企業(yè)涌現(xiàn)出來。

1.1.4 資源化綜合利用階段

2013年以來，為了平衡經(jīng)濟發(fā)展和環(huán)境保護要求，國家發(fā)布了一系列新的法規(guī)政策，加強粉煤灰的資源化利用。2013年，國家發(fā)展和改革委員會等10個部門聯(lián)合發(fā)布了新修訂的《粉煤灰綜合利用管理辦法》，進一步界定了粉煤灰和粉煤灰綜合利用的概念，增加了全過程管理的要求，并鼓勵對粉煤灰進行高附加值和大摻量利用。2018年底，《國務(wù)院辦公廳關(guān)于印發(fā)“無廢城市”建設(shè)試點工作方案的通知》發(fā)布，旨在推動大宗工業(yè)固體廢物綜合利用朝產(chǎn)業(yè)規(guī)模化、高值化、集約化發(fā)展。目前，國家正計劃在2020年建設(shè)50個大宗固體廢棄物綜合利用基地。其中，粉煤灰作為一種主要的固體廢棄物，是重點推進領(lǐng)域，其綜合利用將進一步得到良性發(fā)展。2013年，粉煤灰綜合利用率達到69%，2014年已經(jīng)超過70%，局部發(fā)達地區(qū)已達到95%[9-10]。

1.2 粉煤灰利用的主要領(lǐng)域

20世紀80年代以前，粉煤灰主要用于生產(chǎn)水泥、混凝土及其他建材產(chǎn)品，這也是粉煤灰消耗量最大的利用方式。之后，粉煤灰的利用領(lǐng)域不斷擴寬。為了對粉煤灰的利用進行引導，國家出臺了《電廠粉煤灰渣排放與綜合利用技術(shù)通則》（GB/T 15321—1994），將粉煤灰綜合利用范圍分成建材制品、筑路、混凝土及砌筑、回填、農(nóng)業(yè)及養(yǎng)殖業(yè)、其他等六大類。

隨著粉煤灰相關(guān)科學研究的不斷深入，其利用領(lǐng)域已經(jīng)有新的突破，如表1所示[10-16]。但是，我國的粉煤灰總量依然很大，仍需要拓展應(yīng)用深度和廣度，推進其利用的產(chǎn)業(yè)化和現(xiàn)代化。

表1 粉煤灰主要利用領(lǐng)域和形式

1.3 粉煤灰利用的相關(guān)標準體系

粉煤灰屬于典型工業(yè)固體廢棄物，其開發(fā)利用首先需要規(guī)范技術(shù)指標，制定相應(yīng)的標準體系確保產(chǎn)品或工程質(zhì)量。粉煤灰綜合利用標準體系包括粉煤灰材料質(zhì)量標準和以粉煤灰產(chǎn)品質(zhì)量標準。

在粉煤灰質(zhì)量標準方面，我國于1979年頒布了《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》（GB 1596—1979），對粉煤灰的分級及相應(yīng)質(zhì)量標準進行規(guī)定，確保了粉煤灰利用過程中的工程質(zhì)量。隨著對粉煤灰性能認識的不斷深入，粉煤灰的利用已經(jīng)從節(jié)約水泥的角度轉(zhuǎn)變?yōu)榉勖夯沂撬嗪突炷恋闹匾M分，因此該標準在1991年、2005年、2017年進行了修訂。另外，《電廠粉煤灰渣排放與綜合利用技術(shù)通則》（GB/T 15321—1994）對電廠粉煤灰綜合利用評價指標、利用類別和管理要求進行了規(guī)定，《硅酸鹽建筑制品用粉煤灰》（JC/T 409—2016）對用于硅酸鹽建筑制品用粉煤灰的技術(shù)要求等做了規(guī)定。

以粉煤灰為原料的產(chǎn)品方面，國家和行業(yè)層面針對不同的應(yīng)用出臺了不同的標準。例如，《礦渣火山灰粉煤灰硅酸鹽水泥》（GB 1344—1999）、《通用硅酸鹽水泥》（GB 175—2007）對粉煤灰水泥的強度、技術(shù)要求做了規(guī)定?！斗勖夯一炷翍?yīng)用技術(shù)規(guī)范》（GB/T 50146—2014）、《用于耐腐蝕水泥制品的堿礦渣粉煤灰混凝土》（GB/T 29423—2012）等對混凝土合理應(yīng)用粉煤灰提出了具體要求，以節(jié)約水泥，提高工程質(zhì)量。粉煤灰可以用于生產(chǎn)建材制品，相關(guān)標準有包括《蒸壓粉煤灰多孔磚》（GB 26541—2011）、《蒸壓粉煤灰空心磚和空心砌塊》（GB/T 36535—2018）、《粉煤灰混凝土小型空心砌塊》（JC/T 862—2008）等。此外，一些行業(yè)和省份根據(jù)需要，制定了粉煤灰用于建材及其制品的標準。

除了建筑行業(yè)外，其他領(lǐng)域也有一些標準規(guī)程。例如，《水工混凝土摻用粉煤灰技術(shù)規(guī)范》（DL/T 5055—2007）對各類水電水利工程摻用粉煤灰的混凝土進行規(guī)定；山西省地方標準《粉煤灰與煤矸石混合生態(tài)填充技術(shù)規(guī)范》（DB14/T 1217—2016）對粉煤灰用于露天礦坑和溝壑填充以及生態(tài)恢復提出了要求。內(nèi)蒙古地方標準《硅鈣渣粉煤灰穩(wěn)定材料路面基層應(yīng)用規(guī)范》（DB15/T 1225—2017）促進了粉煤灰應(yīng)用于道路工程中?！妒推髽I(yè)粉煤灰綜合利用技術(shù)要求》（SY/T 7290-2016）對石油企業(yè)的粉煤灰排放、儲存、運輸和綜合利用進行了規(guī)定。另外，在冶金領(lǐng)域，《氧化鋁生產(chǎn)用粉煤灰標準樣品》（GSB 04-3263—2015）促進了粉煤灰的精細化和高值化利用。

總體而言，目前主要的標準或規(guī)程集中在建材及其制品方面，其他領(lǐng)域相對較少。除了水泥、混凝土及砌塊等制品外，粉煤灰的其他很多利用途徑還沒有標準可依，制約了粉煤灰綜合利用水平的提升。

1.4 粉煤灰利用的相關(guān)法規(guī)及政策

粉煤灰的綜合利用不僅要以上述標準體系作為技術(shù)基礎(chǔ)，還需要國家在經(jīng)濟政策方面給予扶持和引導。20世紀80年代以來，國家就開始制定和頒發(fā)了一系列推進粉煤灰綜合利用的政策法規(guī)。1985年，原國家經(jīng)濟貿(mào)易委員會頒發(fā)《國家經(jīng)委關(guān)于開展資源綜合利用若干問題的暫行規(guī)定》，并印發(fā)《資源綜合利用目錄》，對企業(yè)積極開展包括粉煤灰在內(nèi)的資源綜合進行鼓勵，并提出了利用措施和優(yōu)惠政策。原國家計劃委員會于1989年成立了全國粉煤灰綜合利用協(xié)調(diào)領(lǐng)導小組，領(lǐng)導和組織協(xié)調(diào)粉煤灰綜合利用工作，并于1991年發(fā)出《關(guān)于印發(fā)〈中國粉煤灰綜合利用技術(shù)改革及其實施要點〉的通知》，對已成熟的技術(shù)如粉煤灰黏土燒結(jié)磚等進行推廣，對粉煤灰特殊回填技術(shù)和高強混凝土技術(shù)進行完善，將大摻量粉煤灰制品研發(fā)作為新的重點課題[17]。

1994年，原國家經(jīng)濟貿(mào)易委員會等六部委聯(lián)合發(fā)布實施了《粉煤灰綜合利用管理辦法》，在投資政策、建設(shè)資金、稅收減免等方面對粉煤灰綜合利用給予支持。2011年，國家發(fā)展和改革委員會下發(fā)《關(guān)于加強高鋁粉煤灰資源開發(fā)利用的指導意見》，對高鋁粉煤灰資源的有序開發(fā)利用工作進行鼓勵和引導。2013年，國家發(fā)展和改革委員會等10個部門聯(lián)合發(fā)布了新修訂的《粉煤灰綜合利用管理辦法》，進一步提出了粉煤灰利用的綜合管理要求和鼓勵扶持的重點，對大摻量粉煤灰新型墻體材料等技術(shù)進行支持，鼓勵利用粉煤灰作為混凝土摻合料。2013年，國務(wù)院印發(fā)了《循環(huán)經(jīng)濟發(fā)展戰(zhàn)略及近期行動計劃》，引導人們將粉煤灰建材產(chǎn)品推廣并應(yīng)用于市政建設(shè)、筑路等工程中，并從高鋁粉煤灰中提取氧化鋁，支持粉煤灰應(yīng)用于造紙、橡膠生產(chǎn)中，進一步拓展了粉煤灰的利用途徑。2016年，工業(yè)和信息化部等四部委發(fā)布《綠色制造工程實施指南（2016-2020年）》，支持粉煤灰生產(chǎn)建材、提取有價組分、生產(chǎn)家居裝飾材料。2018年，我國開始施行《工業(yè)固體廢物資源綜合利用評價管理暫行辦法》和《國家工業(yè)固體廢物資源綜合利用產(chǎn)品目錄》。

此外，為推進包括粉煤灰在內(nèi)的工業(yè)資源綜合利用產(chǎn)業(yè)規(guī)模化、高值化、集約化發(fā)展，2011年，工業(yè)和信息化部組織開展了工業(yè)固體廢物綜合利用基地建設(shè)試點工作。2016年，國務(wù)院印發(fā)《“十三五”節(jié)能減排綜合工作方案》，強調(diào)推動粉煤灰等工業(yè)固體廢棄物綜合利用，開展大宗產(chǎn)業(yè)廢棄物綜合利用示范基地建設(shè)。2019年初，國家發(fā)展和改革委員會與工業(yè)和信息化部聯(lián)合印發(fā)了《關(guān)于推進大宗固體廢棄物綜合利用產(chǎn)業(yè)集聚發(fā)展的通知》，計劃2020年建設(shè)50個大宗固體廢棄物綜合利用基地。

稅收方面，為推動資源綜合利用，財政部、國家稅務(wù)總局等部門先后發(fā)布《資源綜合利用企業(yè)所得稅優(yōu)惠目錄（2008年版）》《資源綜合利用產(chǎn)品和勞務(wù)增值稅優(yōu)惠目錄》，對資源綜合利用企業(yè)和產(chǎn)品實施所得稅、增值稅減免等優(yōu)惠政策。

從環(huán)境保護角度來看，粉煤灰也是國家重點關(guān)注的對象。2018年12月，國務(wù)院印發(fā)《“無廢城市”建設(shè)試點工作方案》，指導地方開展“無廢城市”建設(shè)試點工作。生態(tài)環(huán)境部于2019年5月制定了《“無廢城市”建設(shè)試點實施方案編制指南》和《“無廢城市”建設(shè)指標體系（試行）》，對粉煤灰的資源化利用提出了新的指標要求。

一些地方政府也制定相應(yīng)的政策，例如，2018年，內(nèi)蒙古自治區(qū)錫林郭勒盟行政公署印發(fā)《粉煤灰綜合利用管理暫行辦法》。2019年7月，淮南市發(fā)布《淮南市煤電固廢物綜合利用發(fā)展規(guī)劃（2019-2021）》，將粉煤灰作為重點研發(fā)的煤系固廢物之一，促進其產(chǎn)業(yè)化、大宗化、高附加值利用。

另外，國家也制定了一些法律法規(guī)對粉煤灰的利用進行規(guī)范。2018年10月，第十三屆全國人民代表大會常務(wù)委員會修訂了《中華人民共和國循環(huán)經(jīng)濟促進法》，從法律層面明確規(guī)定企業(yè)應(yīng)當對生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的粉煤灰等工業(yè)廢物進行綜合利用。2018年，《中華人民共和國環(huán)境保護稅法》《中華人民共和國環(huán)境保護稅法實施條例》開始實施，對粉煤灰等固體廢物排放和綜合利用稅收進行了規(guī)定。

這些政策和法規(guī)的實施，對鼓勵和支持企業(yè)開展粉煤灰資源綜合利用，促進相關(guān)產(chǎn)業(yè)的規(guī)?；?、綠色化和可持續(xù)發(fā)展起到了非常顯著的作用。

2 粉煤灰在裝配式建筑中的應(yīng)用分析

2.1 裝配式建筑發(fā)展概況

裝配式建筑是主要采用工廠預(yù)制的部品部件在施工現(xiàn)場裝配而成的建筑。其施工速度快，建設(shè)周期短，其施工方法目前已遍及全世界。20世紀50年代以來，我國也開展了一些裝配式建筑的研究和生產(chǎn)實踐，但總體發(fā)展水平較低，直至2016年才開始有較快的發(fā)展[18]。

2016年2月，國務(wù)院發(fā)布《關(guān)于進一步加強城市規(guī)劃建設(shè)管理工作的若干意見》，提出力爭用10年左右時間，使我國裝配式建筑占新建建筑的比例達到30%。2017年，住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部制定了《“十三五”裝配式建筑行動方案》，全面推進裝配式建筑發(fā)展，提出了到2020年全國裝配式建筑占新建建筑的比例達到15%的目標。同時，開展裝配式建筑示范城市和建筑產(chǎn)業(yè)化基地建設(shè)，北京、杭州、廣安等30個城市認定為第一批裝配式建筑示范城市，195個企業(yè)認定為裝配式建筑產(chǎn)業(yè)化基地[19]。

目前，全國各個省市也出臺了發(fā)展裝配式建筑的指導意見和相關(guān)配套措施，包括相關(guān)補貼政策。在各方共同推動下，裝配式建筑正有序快速發(fā)展。

2.2 粉煤灰大摻量制備裝配式預(yù)制構(gòu)件的發(fā)展趨勢

混凝土摻加粉煤灰，可以有效代替部分水泥、砂石等自然資源，在節(jié)約不可再生資源的同時，改善混凝土拌和物的和易性、可泵性，減少了混凝土的徐變、水化熱、膨脹性等，其各項指標顯著提高。

盡管粉煤灰已經(jīng)被大量應(yīng)用于建材及其制品中，但粉煤灰在建筑產(chǎn)業(yè)化和現(xiàn)代化仍然有更大的發(fā)展?jié)摿20-22]。粉煤灰憑借其獨特的性能，非常適用于開發(fā)裝配式建筑墻材等產(chǎn)品。裝配式輕質(zhì)隔墻板以其輕質(zhì)、高強等特點在建筑中廣受青睞。在節(jié)能環(huán)保的形勢下，粉煤灰已經(jīng)成為磚石水泥等材料的替代品。采用粉煤灰及輕質(zhì)材料等制作而成的輕質(zhì)隔墻板可代替?zhèn)鹘y(tǒng)的黏土磚，節(jié)約磚石生產(chǎn)使用的土地資源，減少磚石及水泥等生產(chǎn)過程中的粉煤排放。

粉煤灰密度低，細度小，可以降低墻體重量，填充墻材結(jié)構(gòu)孔隙，提高密實度和耐久性。粉煤灰具有良好的膠凝性能，可提高墻材的強度。粉煤灰大多數(shù)為球狀的玻璃體，具有很好的保溫防火性能。近年來，粉煤灰已經(jīng)大量應(yīng)用在裝配式住宅的墻板中[23]。裝配式住宅產(chǎn)業(yè)化是未來建筑發(fā)展的趨勢，粉煤灰以其優(yōu)異的性能可降低成本且節(jié)能減排，在裝配式建筑產(chǎn)業(yè)化的發(fā)展中大有可為。

早在2001年，原國家經(jīng)濟貿(mào)易委員會就發(fā)布了《墻體材料革新“十五”規(guī)劃》，對粉煤灰等新型墻體材料在政策、稅收、設(shè)計和推廣等方面給予大力支持。為了適應(yīng)裝配式建筑發(fā)展需要，2017年2月，國家發(fā)展和改革委員會與工業(yè)和信息化信部發(fā)布了《新型墻材推廣應(yīng)用行動方案》，將適用于裝配式建筑的圍護結(jié)構(gòu)體系作為發(fā)展重點。

一些地方政府也出臺了一些鼓勵粉煤灰應(yīng)用于裝配式建筑的政策。例如，畢節(jié)市綠色制造三年行動實施方案（2018-2020年）鼓勵利用電廠粉煤灰等工業(yè)廢棄物發(fā)展新型建材，支持裝配式建筑、環(huán)保新型建材、綠色輕工等產(chǎn)業(yè)發(fā)展。

3 粉煤灰大摻量制備裝配式預(yù)制構(gòu)件的問題與對策分析

目前，粉煤灰已廣泛應(yīng)用于混凝土、水泥、砂漿和各種砌塊的建筑材料中，但是受制于技術(shù)條件和綜合成本的因素，混凝土中粉煤灰的摻入量一般僅占水泥用量的10%～20%，綜合利用率較低。

《用于水泥和混凝土的粉煤灰》（GB/T 1596—2017）將粉煤灰分為Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ三個等級。Ⅰ級粉煤灰在活性激發(fā)混凝土各項指標的功能上效果最為明顯，摻和比例最大，但是技術(shù)難度大，加工成本高，除高鐵、水壩、特大橋梁等特大工程外，一般的混凝土工程用量有限。我國燃煤電廠產(chǎn)生的粉煤灰能夠達到Ⅰ、Ⅱ級別的比較少。將粉煤灰大摻量應(yīng)用到裝配式建筑產(chǎn)業(yè)中，其關(guān)鍵是解決粉煤灰的細度和活性激發(fā)問題。

3.1 細度問題

《用于水泥和混凝土的粉煤灰》（GB/T 1596—2017）規(guī)定，I級粉煤灰細度≤12%（0.045 mm方孔篩篩余），對于電廠的Ⅱ和Ⅲ級粉煤灰，人們要研發(fā)批量化生產(chǎn)出優(yōu)于國家I級標準的超細、高性能粉煤灰制備技術(shù)。超細粉煤灰制備工藝研發(fā)主要結(jié)合現(xiàn)有生產(chǎn)I級粉煤灰的生產(chǎn)經(jīng)驗，采用不同材質(zhì)、不同粒徑配比的鋼球、鋼鍛等研磨材料，在滾筒中對粉煤灰進行超細研磨，對研磨時間、介質(zhì)配比、出入灰量等工藝參數(shù)進行優(yōu)化設(shè)計，形成成熟、高效的超細粉煤灰制備工藝。

3.2 活性激發(fā)問題

粉煤灰活性差是制約高性能粉煤灰制備工藝研發(fā)的重要因素[24]。人們可以利用礦渣和化工材料激發(fā)并提升粉煤灰的活性，使其快速溶解水化、分解，提高混凝土構(gòu)件的各項性能指標。此外，要優(yōu)化活性激發(fā)工藝，降低生產(chǎn)成本。