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       大宗固廢煤矸石和粉煤灰在我國墻體材料中的應用現狀及研究創新進展（轉載）
                              閆開放1，林永淳2，張軍倉3

　　[轉載自《磚瓦世界》2023.1](1.中國磚瓦工業協會專家委員會，陜西西安710061；2.陜西寶深機械（集團）有限公司，陜西眉縣722300)
摘要：煤矸石大宗固廢累計堆存約50億噸，利用后年新增2億多噸；粉煤灰大宗固廢累計堆存約30億噸，年排量6億多噸。不僅占用大量土地資源,而且存在較大的生態環境安全隱患。為了推進煤矸石和粉煤灰固廢減量化、資源化、無害化處理,國家發改委等十部委于2021年以發改環資(202138號聯合發文,提出了《關于“十四五”大宗固體廢棄物綜合利用指導意見》。由于作者水平和掌握資料有限，本文僅就六大固廢之首煤矸石和粉煤灰在我國墻體材料中的應用現狀及未來研究創新發展方面進行了簡要分析討論。

關鍵詞：大宗固廢；墻材應用；發展思考

　　固體廢渣是破壞生態環境、影響人民生命健康的主要因素之一。目前，各種大宗固體廢棄物累計堆存約600億噸，年新增堆存近30億噸，其中，赤泥、磷石膏、鋼渣等固廢利用率仍較低。大宗固體廢棄物不僅占用大量土地資源，而且存在較大的生態環境安全隱患。國家早在1995年發布了《中華人民共和國固體廢物污染環境防治法》。為了加快固廢綜合利用，大力推進固廢減量化、資源化、無害化處理，國家發改委等十部委于2021年以發改環資(2021)381號聯合發文，提出了《關于“十四五”大宗固體廢棄物綜合利用指導意見》，中共中央、國務院又于2021年11月發布了《關于深入打好污染防治攻堅戰的意見》，要求到2025年生態環境持續改善，固體廢棄物和新污染物治理能力明顯增強，到2035年，碳排放達峰后穩中有降，生態環境根本好轉，美麗中國建設目標基本實現。墻體材料是固廢利用的重要行業，但由于固廢原料性能相差甚大，對墻體材料產品質量影響較大。文件列舉的六大類固廢，就是同類固廢原料性能也完全不同。本文就大宗固廢煤矸石和粉煤灰在我國墻體材料中的應用現狀及未來研究創新發展方面進行了簡要分析，與行業同仁一起探討。
　　1 煤矸石和粉煤灰兩大固體廢渣排放概況

　　煤矸石和粉煤灰是與煤炭有關的兩大固體廢渣。煤矸石是采礦過程中和洗煤過程中排放的固體廢物，是一種在成煤過程中與煤層伴生的一種含碳量較低、比煤堅硬的黑色礦石。煤矸石主要礦物含量為黏土巖類、砂石巖類、碳酸巖類、鋁質巖類。按來源狀態分為掘進、選洗和自然煤矸石。依據國家統計局統計的數據，我國煤炭產量2021年40.7億t，2020年39億t。在“十四五”末期控制在40億t。我國是世界上最早發現煤炭的國家，也是煤矸石排放量最大的國家之一，儲存量超過50億t。煤矸石占原煤產量12%~18%，隨著煤炭開采、洗選，綜合利用后每年還要增加2億多噸。

　　粉煤灰是燃煤火力發電廠發電過程中，細磨的煤矸石和細磨的煤粉，在1200~1700℃燃燒后產生的主要燃燒殘留物。它是由于原煤和煤矸石中存在的各種無機物和有機物成分而產生的固體廢棄物。我國是富煤、缺油、少氣的國家，資源現狀導致煤電長期以來一直占我國電力來源的主導地位。據統計,2020年全國發電量7.42萬億kWh。其中,火力發電5.28萬億kWh，占總發電量的75%。煤燃火力發電，在滿足國家建設和人們生活需要的同時，也產生了大量固體廢棄物粉煤灰。據環保微世界網2021年12月17日發布：2021年粉煤灰年排量約為6.0億噸，歷年堆存30億噸。

　　煤矸石和粉煤灰兩種大宗固體廢物年排量約為12億噸以上，高質量綜合利用煤矸石和粉煤灰的任務十分繁重，國家發改委將其列為六大類固廢綜合利用之首。

2 煤矸石和粉煤灰兩大固體廢棄物的危害及綜合利用簡況

2.1 對生態環境的影響
    煤矸石堆積如山，對環境生態及人民生命安全造成嚴重危害。煤矸石的無機成分生要是硅、鋁、鐵、鈣、鎂的氧化物，但還有微量的重金屬元素，如P、Hg、Sn、Cu、Zn、As、Cr等。大量煤矸石的堆存、不但占用大量的緊缺土地資源，而且會逸出硫化物污染環境、農田、地下水。日積月累的的大量堆存、其內部發熱而溫度升高，煤矸石堆場就會因自燃而出現濃煙密布，空氣中放出大量的CO、CO?、SO?、H?S、NO?等有害氣體，其中以SO?為主。有害氣體的大量排放，不僅危害周圍環境和空氣質量，影向礦區及附近民眾的身體健康，而且會影響周邊生態環境，造成樹木生長緩慢，農作物嚴重減產，嚴重時樹木和農作物死亡。除燃燒外，重金屬元屬經雨水淋蝕后而產生酸性水，流入河流或滲入土壤，造成地下水及土地污染。露天堆存的煤矸石還有一個特點是易風化碎裂。有的自燃后成灰分細顆粒，這種細顆粒經氧化、分解、脫氫、縮聚等一系列復雜反應而形成炭黑、飛灰與粒狀懸浮物，形成霧霾，對當地環境和人們的健康造成直接影響。

　　粉煤灰和煤矸石一樣，在許多地方大量堆存、也比較普遍。遇到大風，煤灰滿天飛，是許多地方迫切需要解決的突出環境污染問題。我國已經變為全球范圍內產煤大國和最多煤炭消費的國家、也是使用煤炭產生廢料粉煤灰最大的國家。由于火力發電產生的粉煤灰已變成工業固體廢料的最大污染根源，放置粉煤灰也同樣要使用大面積的土地、形成土地資源浪費，而且會對四周的空氣和水質及土壤產生惡劣的影響。

2.2 綜合利用簡況
    煤矸石和粉煤灰大量堆積產生的危害，引起了歷屆黨和國家及各級政府部門的高度重視，特別是習近平主席“綠水青山就是金山銀山”理念，成為國人的共識。大量征地或在山溝排放煤矸石和粉煤灰將會成為歷史，它的出路就是資源化利用。近20多年來，國家為推動煤矸石的綜合利用，發布了不少法規、文件和政策，在財稅等方面給予強有力的支持，固廢綜合利用率不斷提高。2019年大綜固廢綜合利用率達到55%，比2015年提高了5個百分點，其中煤矸石和粉煤灰綜合利用率分別達到70%和78%[1]。雖然取得了令人滿意的結果，但與一些發達國家相比，仍存在較大差距。據中國建材工業規劃研究院、華經產業研究院網上資料介紹：日本煤矸石和粉煤灰利用率非常高。以粉煤灰為例，2011年就高達98.3%，利用的附加值也較高，其中水泥為主導,占67.13%;土木工程占13.58%;建筑板材、輕骨料及其他占17.59%。2016年，歐洲粉煤灰利用率83.4%，不但利用率高，而且利用途徑多元化。到2016年，歐洲粉煤灰基本上得到利用，其中40.8%用于混凝土摻合料；17.0%代替混凝土中的水泥；16.4%用于道路材料；5.5%用于混凝土砌塊；3.7%用于其他。70年代初，德國、法國等綜合利用煤矸石率達30%~50%。60年代，日本就利用煤矸石燒結輕骨料用于建筑領域，建筑重量降低20%，對輕質墻體的貢獻顯得尤為重要。

2.3 墻體材料行業中的應用

　　從發達國家講，早在60年代初，德國、法國和日本等，綜合利用煤矸石和粉煤灰制作各種墻體材料，并大量用于建筑工程。我國從60年代引入煤矸石和粉煤灰內燃燒磚技術，當時的目的就是為了節煤和降低成本。進入70年代，煤矸石和粉煤灰已成為主要內燃料，逐步發展到以煤矸石和粉煤灰內燃為主，外投煤為輔。在發展煤矸石和粉煤灰內燃燒磚過程中，原建材部舉辦各種形式的煤矸石和粉煤灰制作各種墻體材料的學習班和成果推廣交流活動。1980年前，墻材磚瓦企業以國有為主，眾多國營磚廠創造了許多煤矸石和粉煤灰內燃燒磚的技術經驗和實用成果。以煤矸石利用為例，在1973年原四川內江市機制磚瓦廠建成了一座設計能力為1500萬塊煤矸石磚生產線。

　　如果說20世紀60年代前后煤矸石和粉煤灰僅做為內燃原料，利用量很少的話，那么70年代后才真正開始了大量利用煤矸石和粉煤灰為主要原料生產墻材制品，產品以實心磚為主，也有多孔磚和空心磚及空心砌塊。最早試制成功煤矸石磚的是四川永榮礦務局，高明市石鼓煤礦也在70年代建成了年產1500萬塊煤矸石磚生產線。進入80年代，煤矸石和粉煤灰墻材制品得到了較快發展。隨著煤矸石和粉煤灰燒結墻材制品技術上的不斷完善，生產規模不斷擴大，裝備水平就顯得跟不上煤矸石和粉煤灰磚產品發展需要。80年代后期，我國開始了引進、創新、再提高發展階段。山西、山東、寧夏、安徽、黑龍江等省從美國、德國、意大利等引進了煤矸石和粉煤灰制作墻材制品設備。經原國家經貿委批準[2]，在黑龍江省雙鴨山市引進了一條年產6000萬塊煤矸石空心磚生產線，技術上要求全煤矸石制磚，組裝式隧道窯超內燃焙燒，產品質量為空心磚和多孔承重清水墻磚，真正做到“制磚不用土，燒磚不用煤”，產品上檔次。這一引進項目得到了相關中央部委的大力支持和高度認同，在行業內引起強烈反響。該煤矸石生產線為一次碼燒工藝，超內燃煤矸石燒結磚工藝。其裝備和凱裝式隧道窯及超內燃焙燒技術得到了充分消化再創新，研究開發成果獲得國家科技進步二等獎，并在國內得到普遍推廣應用，為我國煤矸石在墻材行業的綜合利用做出了重要貢獻。有煤矸石的省市，基本上成功建成了生產線，使全國煤矸石墻體材料磚年產量迅速達到2000億塊標磚以上。我國墻材行業燒結制品年產量8100多億塊[3]，其中煤矸石和粉煤灰等大宗固廢、環保等新型墻材產品近年來快速發展，年產量近6000億塊，成為我國最大的固體廢棄物綜合利用行業，年利用固體廢棄物已超過1.35億t以上，年節約能源3200萬t標煤。燒結磚瓦產品用的主要燃料為煤矸石和粉煤灰等大宗固體廢棄物，外用化石能源煤和天然氣很少，廢棄的煤矸石和粉煤灰等能源占80%以上，而燃煤和天然氣僅占80%以下，對整個建材工業固體廢棄物綜合利用和節能降碳做出了貢獻。
    根據煤燃燒后產生粉煤灰統計計算[4]，每燃燒1t煤,將產生250-300kg左右粉煤灰,每發1度電, 耗煤315-325g,將產生100g左右粉煤灰,每千瓦裝機量年產生近1t的粉煤灰，推廣使用節電設備，也是減少煤耗和粉煤灰排量的有效途徑之一。以蒸壓加氣混凝土為例，據介紹：蒸壓加氣混凝土配比通常為:粉煤灰65%-75%,石灰18%-25%,水泥6%-15%,石膏2%-5%。就配比而言,粉煤灰成為加氣混凝土生產的主要原料，每生產1萬m3蒸壓粉煤灰加氣混凝土，就可以消納4500t粉煤灰[5]，減少粉煤灰堆放場地2.4畝，減少CO?排放1244t，減少SO?排放9.28t。由此可見，發展蒸壓粉煤灰加氣混凝土產品，不僅實現固體廢棄物綜合利用，大量消納粉煤灰的重要的途徑之一，也是墻體材料行業減少環境污染和降低碳排放的重要方面。

　　發展粉煤灰加氣混凝土產品，歷年來受到了各級主管政府部門的高度重視，經眾多科研人員和企業不斷努力，取得了令人滿意的業績。早在20世紀50年代就開始了燃煤電廠粉煤灰加氣混凝土的研究試驗，1964年在上海建設了一條小型試驗線。進入70年代，哈爾濱硅酸鹽制品廠、武漢第五磚廠、北京加氣混凝土廠、湖北建筑工程學院、北京市建筑材料研究所等單位，研究試制了蒸壓加氣混凝土。為了借鑒國外先進技術，發展我國加氣混凝土工業，引進了重多的先進工藝技術和裝備，促進和加快了我國粉煤灰加氣墻材的發展。粉煤灰加氣混凝土產品經歷了開創、推廣、大發展三個主要階段[4]。迄今為止，我國先后建成了不同規模的粉煤灰加氣混凝土砌塊和板材生產線，使我國成為世界利用粉煤灰等材料生產加氣混凝土企業最多、規模最大、應用面最廣、普及程度最高的國家，其生產規模已遠遠超過世界上所有加氣混凝土的總和。2021年,加氣混凝土企業2070家[5],生產能力3.05億m3,總產量達1.92億m3。

　　煤矸石綜合利用除了生產燒結實心磚、空心磚、保溫砌塊外，也擴展到耐火材料、裝飾外墻、透水磚、道路廣場磚、輕骨料等。由于采煤過程中產生的煤矸石性能相差甚遠，各地應對當地的煤矸石進行系統的實驗和分析研究，結合市場需求，確定最終綜合利用煤矸石的產品發展方向。初體燃燒后的低碳灰，與煤矸石比，具有有機物少、含硫量低等特點，廣泛用于各種硅酸鹽墻材制品中。粉煤灰不僅生產加氣混凝土，也可以用來生產粉煤灰磚、砌塊、陶粒、耐火材料等。應該認識到，粉煤灰雖然具有火山灰性質，活性好但塑性差，用于燒結產品擠出成型，高摻配受到限制。近幾年，發展高科技含量和高附加值的墻材制品受到關注。如發泡陶瓷墻體材料，不僅具有輕質、保溫、隔熱、不燃、防水性能好，而且具有防潮、防腐蝕等功能，市場前景看好。有的企業使用35%的煤矸石和40%的粉煤灰，并添加發泡劑，在1180℃高溫下，得到性能優異的發泡陶瓷。其體積密度為503kg/m3，抗壓強度為8.35MPa,孔隙率為65.3%。個別企業以煤矸石、鋁礬土為原料，添加石灰石、長石氣泡劑，成型后在1200℃燒結，制得泡沫陶瓷板。完全滿足了JG/T511—2017《建筑用發泡陶瓷保溫板》中的技術指標要求。

3 煤矸石和粉煤灰墻體材料綜合利用研究創新的進展

　　雖然在煤矸石和粉煤灰墻體材料綜合利用中取得了不少成績，但在高摻配率、高質量、高附加值、產品多樣化、節能減排、綠色低碳、煤矸石和粉煤灰改性等方面還有進一步研究創新發展的空間。現簡要整理闡述如下。

3.1 燒結磚墻體材料

　　(1)淄博市墻改辦、武漢理工大學硅酸鹽建筑材料國家重點實驗室兩單位發表了蘇雷、邵偉、馬保國“基于污泥-煤矸石-頁巖三元體系制備燒結磚性能分析”(山東省住房城鄉建設科技項目計劃，2016-041-B)的論文，利用山東淄博某污水處理廠的污泥，將煤矸石與頁巖粉磨后過0.84mm篩，然后與污泥按比例混合，加水10%反復攪拌，充分混合均勻化，在經過24h陳化后壓制成型。混合料塑性指數為:①頁巖100%時,液限20.6%,塑限14.8%,塑性指為5.8;②30%頁巖+70%煤矸石混合料,液限10.5%,塑限7.3%,塑性指數為3.2;③30%頁巖+60%煤矸石+13%污泥混合料,液限18.2%,塑限11.9%,塑性指數為6.3;④30%頁巖+55%煤矸石+

18%污泥混合料,液限24.8%,塑限15.3%,塑性指數為9.5;⑤30%頁巖+45%煤矸石+23%污泥混合料,液限31.4%,塑限118.9%,塑性指數為12.5。

　　從塑性指數分析，單一原料頁巖塑性指數僅為5.8，屬于低塑性原料，在加強原料細碎和均化處理的前提下，可以采用高壓力和高真空度擠出成型。摻入70%煤矸石和30%頁巖后，混合料測得塑性指數僅為3.2，無法擠出成型。但分別外加入了13%、18%和23%的污泥后,塑性指數分別為6.3、9.5和12.5，滿足了擠出成型的要求。這一研究結果給我們的啟示，當煤矸石塑性指數過小時，不能實現高摻量，可以通過加入高塑性的污泥來提高塑性指數，從而滿足混合料真空擠出成型的要求，使不可用的煤矸石也得到很好的綜合利用。

　　污泥雖然有高塑性，但往往受到重金屬可能超標的影響。該研究項目還進行了重金屬固化試驗，試驗選用Cu、Cr、Pb三種重金屬，采用外摻的方法研究污泥燒結制品的重金屬環境特性，外摻重金屬源分別為:CuSO?、K?CrO?、Pb(NO?)?。 根據國家行業標椎HJ/T299-2007《固體廢物浸出毒性浸出方法一硫酸硝酸法》，在污泥摻量為18%情況下，分別測定燒結溫度在1050℃、保溫6h后浸出液中重金屬離子含量。證明燒結過程對重金屬起到了較好的固化作用。其中樣品Cu離子由燒結前的0.57mg減少到0.12mg,Cr離子由0.41mg減少到0.01mg;Pb離子由0.1mg減少到0.01mg。燒結后浸出濃度遠低于《危險廢物鑒別標準—浸出毒性鑒別》(GB5085.3-2007)中Cu離子濃度100mg、Cr離子濃度5mg和Pb離子濃度5mg的濃度要求。燒成溫度超過1050℃時，固化重金屬浸出濃度遠低于相關標準要求，可以放心使用。

　　(2)濟南大學材料學院、巨野縣科技中心的趙訓等4人進行了生活垃圾、煤矸石燒結磚的工藝與性能研究，提出了最佳配比：煤矸石為主要原料外，生活垃圾20%、頁巖5%、界面增強劑0.6%。煤矸石和生活垃圾燒結磚的密度為1123kg/m3，抗壓強度為13.4MPa,導熱系數為0.43W/(m·K)。該產品密度小、強度高，保溫、隔熱性能明顯高于普通燒結磚，并能滿足國家標準GB5101《燒結普通磚》中

的技術性能指標。導熱系數比普通黏土磚減少了43%，密度下降了69.7%，具有質輕、墻體熱工性能好等特點。所用原料為某村生活垃圾，經收集、分類、干燥、粉碎等處理，使其粒徑小于3mm。得出結論是：一是坯體強度隨擠出壓力增大而增大，抗變形能力也同樣隨擠出壓力增大而增強，燒結磚強度隨真空度增大而提高，最佳擠出壓力為2.5MPa，真空度-0.080MPa。二是燒結磚吸水率隨燒結溫度升高而降低，強度隨溫度升高而升高。從實驗得出的SEM圖看：1050℃下用生活垃圾和煤矸石焙燒的磚試樣，微觀結構孔隙變小，孔洞分布均勻，結構變得致密，產品性能最好。

　　(3)郭忠和在“影響廢渣燒結磚產品質量的因素探討[6]”一文中經實驗得出結論值得參考。實驗采用的主要原料松散密度、塑性指數、干燥敏感性系數分別為：①煤矸石松散密度1360kg/m3，塑性指數7.34，干燥敏感性系數0.61；②粉煤灰松散密度850kg/m3,③綠頁巖松散密度1450kg/m3,塑性指數12.3，干燥敏感性系數1.44；④油頁巖渣松散密度900kg/m3,塑性指數6.8;⑤混合料塑性指數8.7，干燥敏感性系數0.88。摻入粉煤灰后成品質量強度明顯提高。當摻入粉煤灰10%時，強度提高了20%~36%；摻入粉煤灰20%時，強度提高了50%%~82%。文章分析認為，加入粉煤灰后，混合料化學成分中SiO?和Al?O?含量提高，從而大幅提高了制品強度。

　　(4)廈門市建筑科學研究院集團有限公司和廈門天潤錦龍建材有限公司在“市政污泥在煤矸石燒結磚中的應用研究”中認為，市政污泥摻入量大小對煤矸石磚強度影響較大。試驗采用廈門市某污水處理廠經脫水后的污泥餅，含水量約為45%，烘干破碎后配料，并混合攪拌均勻后壓制成φ77mm×50mm的圓柱體，然后烘干焙燒。污泥和煤矸石配比分別為5%和95%、10%和90%、15%和85%、20%和80%,產品抗壓強度分別為18.5MPa、14.4MPa、13.1MPa、9.9MPa。這一結果可以看出, 市政污泥摻入量從5%提高到20%，煤矸石磚強度降低了46.5%，說明在煤矸石磚生產線上大量摻入市政污泥是不可行的。對污泥和煤矸石固體廢渣原料燒制的磚產品，也進行了浸出液重金屬含量檢測，從實驗結果看，浸出液重金屬物質濃度遠低于標準規范的要求，安全可靠。再次說明經高溫焙燒后，有機物揮發，硅鋁酸鹽礦物玻璃化、晶體化，含有的重金屬物質將被固化于結構中，降低了污泥煤矸石磚的浸出毒性，這是其一；其二：污泥在焙燒過程中重金屬元素會發生復雜的物理化學反應，內部的重金屬轉化成化學性質不活躍的形態，其顆粒表面被新形成的晶體、玻璃質和聚合物所包裹，可以阻止重金屬的遷移、擴散，從而大大降低了重金屬的毒害程度；其三是煤矸石與污泥配比為8:2，焙燒溫度1050℃，可以制備出抗壓強度達到MU10等級的燒結普通磚，但原料隨污泥摻量升高而抗壓強度降低。

表1 浸出液重金屬實驗結果

　　(5)全煤矸石燒磚技術經多年總結完善已基本成熟，推廣應用也比較普遍。過去幾年里，主要在東北三省、山西、安徽等地建有全煤矸石磚和砌塊生產線，基本上實現了煤矸石自身具有的發熱量全利用。山西某煤矸石磚生產線，由于發熱量過高，將多余的熱量用來發電，解決了高熱量煤矸石超熱焙燒問題，制磚發電兩不誤。陜西近幾年煤矸石燒結磚也得到了較快發展，特別是咸陽市一些采煤企業，近年來竣工投產了多條不同規模和不同規格產品的煤矸石墻材生產線。投資額最大的是咸陽某煤礦，利用100%煤矸石，建成了陜西省規模最大、產品質量最好、機械自動化水平最高的一次碼燒生產線，設計年產量為1.5億塊。投資上億元，脫硫除塵投資也在三千萬以上。項目由寶深集團承包建成了省內最大的雙條內寬7.3m的組裝式隧道窯，日產量折標磚可達50萬塊，產品不僅有實心磚，而且可根據市場需求生產多孔磚、空心砌塊。礦區采煤和洗選后的矸石已全部利用，產品質量好。生產線大氣污染物排放不僅達標，而且實現了超低排放，其產品通過了綠色評定，產品銷售市場穩定，為采煤生產解決了煤矸石排放的后顧之憂。

3.2 燒結墻地磚制品

　　(1)高摻量粉煤灰和爐渣燒結鋪地磚在周忠華實驗研究得到證明，用粉煤灰研制無黑心存在的透水保水鋪路磚，是一項高摻量利用粉煤灰廢渣的好途經。原料配比試驗為(質量比)：粉煤灰細粉：爐渣：黏土:礦渣水泥=45~55:30~40:10:5,物理性能測定結果為:體積密度為1480~1500kg/m3;吸水率為16.5%~18.3%;吸水飽和度為91%~92%;抗彎強度為11.5~13.5MPa;透水系數為?6～13.5×10?3cm/s;?體積含水率為40.0%~40.5%。試件尺寸為300×300×30mm,成型水分為8%,成型壓力為200kg/cm2,輥道窯燒成溫度為1150℃,常溫至1000℃升溫速度為15℃/min,1000~1150℃之間升溫速度為5℃/min。該燒成機理屬一種全新燒結反應機理，粉煤灰和爐渣灰使用量高達85%，燒結的粉煤灰磚具有透水保水性和高強度。

　　(2)利用粉煤灰生產多色性燒結磚[7]，通過不斷試驗，調整原料種類及其配比和焙燒條件，燒制出色調變化豐富的多色性能和強度高、抗凍性能好、吸水率低的墻地磚。要求粉煤灰平均粒徑為50μm，但最佳為20μm以下。原料配比：粉煤灰:低質瓷石:黏土=33~55:25~50:10~40(質量比)。均勻混合后加入水分，采用濕法擠出或半干壓成型，擠出拌和成型水分為15%~30%，半干壓成型含水率為5%~10%。擠出成型的樣品尺寸：45mm×100mm×50mm試塊。樣品室內干燥一晝夜,焙燒爐以10℃/min升溫到1200℃,焙燒2h,焙燒溫度1100~1300℃,致密高強磚要求1200℃左右,多孔磚、空心磚1100℃左右。多色性燒結磚，抗壓強度39MPa,抗彎強度4.5MPa。表色系Lab(L-亮度；a-紅色至綠色的范圍；b-籃色至黃色的)和吸水率結果：隨原料配方和燒成溫度不同而不同，L值最大值為71.14，其配方為粉煤灰40%，低質瓷粉為60%,燒成溫度為1200℃;a值最大為15.79,其配比為粉煤灰35%，黏土為17%，石粉為48%，燒成溫度為1100℃;b值最大為18.94,其配比為粉煤灰35%,低質瓷粉為30%,石粉為35%,燒成溫度為1100℃。吸水率是反映產品耐久性能和抗凍性能的主要指標，從試驗得出的數據看，燒成溫度高時吸水率低。在燒成允許變形范圍內，盡可能提高燒成溫度，對提高產品性能有利。而地磚顏色范圍、亮度可通過調整原料配方和燒成制度來實現。

　　(3)利用粉煤灰和赤泥等[8]工業廢棄物制備高性能的清水裝飾磚，其氣孔率為40%-50%，抗折強度可達到50-80MPa,燒成溫度范圍在1110-1140℃,樣品的性能和結果均可達標。不但節能、利廢，還具又質輕、保溫、隔音等特點。

　　(4)利用70%以上的煤矸石、粉煤灰、石墨尾礦、垃圾焚燒灰[9]等工業廢渣制造出環境生態磚，其工藝為：黏土、長石等原料細磨→加入工業廢渣→混合→造粒→壓制成型→干燥→燒成，其制品性能達到了國家標準要求。

3.4 非燒結墻地磚制品

　　(1)丁小龍、劉品德[10]在研究利用魯麗鋼廠鋼渣制備蒸壓磚時，粉煤灰摻到了48%，成功試制出了蒸壓粉煤灰磚。山東魯麗鋼廠鋼渣化學成分：CaO為42.44%、Fe2O3為20.30%、Al2O?為3.51%、SiO?為3.51%、MgO為6.02%,水泥為32.5復合硅酸鹽水泥，石子最大粒徑為5mm。配方試驗：粉煤灰50%~10%,鋼渣10%~50%,水泥和石子分別為15%和25%。原料混合后加9%水拌和均勻，用壓力機壓制成標磚試塊，先放入70℃養護箱中靜置4h,再放入蒸壓釜,按照升溫4h到180℃,恒溫4h 后自然冷卻養護,并按照JC/T239—2014《蒸壓粉煤灰磚》標準方法進行抗壓強度測試。在鋼渣為12%、粉煤灰為48%、水泥和石子不變的情況下，同等養護制度下其抗壓強度為12.32MPa。還有一點是提高鋼渣細度，可大大提高粉煤灰和鋼渣摻量。

　　(2)東北石油大學土木建筑工程學院的祝庭，沙東，在“再生混凝士抗壓強度試驗研究”時，分別摻入水泥用量為20%的粉煤灰和聚丙烯纖維(摻入量為1.2kg/m3)，均提高了再生混凝士的抗壓強度，而且效果明顯。其配比及性能為：廢棄的混疑土再生骨料粗和細料各為1194kg/m3和643kg/m3。配比試

驗為三組,水膠比分別為0.5、0.55、0.6。在試驗中分別摻入了水泥、粉煤灰、聚丙烯纖維，并對15組150mm×150mm×150mm立方體試件進行了抗壓強度試驗。摻粉煤灰和摻聚丙烯纖維比無外摻A組中的2組和3組分別提高1.2MPa和2.1MPa,B組中的2組和3組分別提高了0.3MPa和1.2MPa,C組中的2組和3組分別提高了8.9MPa和14.9MPa。增加水會大大減小試塊抗壓強度。實驗認為：C30再生混凝土的合理水膠比在0.5~0.55之間，立方體抗壓強度達到35MPa，滿足規范要求。

3.5 蒸壓粉煤灰墻體制品

　　福建龍凈環保股份有限公司的邱振中，在利用干法脫硫灰制備加氣混凝土砌塊的試驗研究中，除大量摻入粉煤灰外，而且添加了20%干脫硫灰。干法脫硫工藝最先起源于歐美地區，尤其是德國和美國。在霧霾日益嚴重的形勢下，干法脫硫已成為煙氣脫硫的主要工藝之一，具有一次性投資低、節水、節能、占地面積少、沒有廢水排放等優點，近年來在國內外迅速發展并廣泛應用。干法脫硫國內應用主要包括火力發電廠、鋼鐵廠燒結機、循環硫化床鍋爐及工業窯爐，產生的脫硫灰量逐年增加。充分利用脫硫灰的有效成分，最大程度發揮脫硫灰在蒸壓加氣混凝土生產中的作用，顯得迫切和有意義。研究脫硫灰蒸壓加氣混凝土的原料為南京某鋼廠燒結機煙氣干法脫硫灰，其他原料為粉煤灰、生石灰、水泥、添加劑、鋁粉等。水料比在0.55-0.65之間，通過調整配比和生產工藝技術參數，可以生產符合標準密度等級為06、強度為A3.5加氣混凝土砌塊，產品符合標準GB/T11968《蒸壓加氣混凝土砌塊》，重金屬浸出低于標準規定。

3.6 陶粒和泡沫陶瓷

　　(1)粉煤灰陶粒應用廣泛，是制作各種墻材制品，特別是陶粒保溫輕質砌塊和陶粒墻板等產品的重要原材料。粉煤灰陶粒是以粉煤灰為主要原料，外摻一定量的粘結劑，如黏土、江河湖淤泥、城市污泥等，有較高的塑性指數。和固體燃料以及其他外加劑，經制粒后焙燒而成，其粒徑一般在3-15mm。它滿足陶粒混凝土所有特征，特點是輕質、高強、耐火、耐高溫，化學性能穩定，耐久性和保溫隔熱性好，尤其抗壓強度較高。具有良好的經濟效益與社會效益。粉煤灰陶粒的配比及工藝[11]：燒結機工藝粉煤灰摻量可達到80%-90%，陶粒堆積密度630-750kg/m3,筒壓強度4-6MPa,熱耗低于回轉窯，電耗高于回轉窯。回轉窯工藝粉煤灰摻量最高可達到80%，既可生產超輕陶粒，也可生產高強陶粒，設備投資較大，要求粉煤灰中SiO?含量在45%-60%、Al?O?含量<24%等,生產能耗較高,國內熱耗850kcal/kg。

　　(2)天津市建筑材料科學研究院、天津市發展散裝水泥管理辦公室、天津市彤泰成科技有限公司，合作完成了“污水廠污泥與河道淤泥聯合燒制陶粒的技術研究”課題(住房城鄉建設部2016年科學技術項目計劃,編號:2016-K1-036,天津市企業博士后創新項目資助)，利用污泥、淤泥、粉煤灰三種固體廢渣，混合均勻后造粒，經高溫焙燒、分揀制得各種規格的陶粒。原料配比為：污泥30%、淤泥50%和粉煤灰20%混合，燒制升溫速度10℃/min，燒制溫度1225℃，保溫時間5min。燒制的陶粒密度、筒壓強度和1h吸水率達到了國家標準GB17431.1-2010《輕集料及其試驗方法第一部分：輕集料》標準中對工業廢渣輕得料的要求。

　　(3)泡沫陶瓷板的優異性能受到了墻材行業高度關注。耿震崗等在研究泡沫陶瓷外墻外保溫系統應用技術的同時，開展了利用陶土尾礦、煤矸石、粉煤灰、陶瓷碎片、廢玻璃及其他添加劑制備泡沫陶瓷板的試驗，其工藝流程：多種固廢計量混合→粉碎→球磨→噴霧干燥→材料入缽→高溫焙燒發泡→冷卻定型→切割→成品等工藝過程，制成高氣孔率的閉孔發泡陶瓷制品。其中的泡沫陶瓷板制品可廣泛用于組裝式建筑，其主要特點：一是利用各種固體廢渣制成的發泡陶瓷板附加值較高，應用領域廣泛，適應內外隔墻板、各種組裝式墻體、建筑節能效果顯著，用于外墻具有良好的隔熱保溫性能；二是經1200℃燒成后不燃防火，燃燒性能為A1級；三是無機保溫材料與水泥砂漿黏結可靠，熱膨脹冷縮下不開裂、不變形、無質量通病，不老化、耐久性好、與建筑同壽命；四是熱傳導低，導熱系數為0.05-0.06W/(m·K),絕熱性能好,與普通墻體材料比，不但建筑節能效果好，而且顯著降低了墻體自重；五是吸水率小于3%，砌筑裝好后不空鼓，外貼面磚牢固安全，在陽光暴曬、冷熱劇變、風雪雨淋等惡劣氣候條件下，不變形、不老化、不開裂、性能穩定；六是可以定型切割成多種規格尺寸用于組裝式建筑墻板、吊頂板、屋面板等；七是泡沫陶瓷板應用的國家住建部標準JG/T511-2017《建筑用泡沫陶瓷保溫板》、工程建設標準化協會GECS480-2017《發泡陶瓷保溫板工程技術規程》等標準和技術規程完整配套，推廣應用無障礙，發展前景看好。

3.7 其他方面

　　發展高科技含量高附加值產品。低鐵含量的煤矸石，只要其他礦物含量沒問題，深加工后可以生產煤系高嶺土材料，制作高檔墻地磚裝飾產品；高鐵含量的煤矸石(含鐵量超過10%以上)，可以制作鐵紅材料用于原材料調色來生產各種墻材制品；高鋁含量的煤矸石和粉煤灰可以制作耐火材料或深加工成耐高溫耐火保溫材料；一些煤矸石和粉煤灰可用于[12]內墻釉面磚、外墻裝飾劈開磚，也可用于陶瓷坯釉料；粉煤灰內部具有硅氧和鋁氧四面體的網狀結構，顆粒細、活性高，有利于在恒溫熔融結晶的特點，可以用于生產微晶玻璃，將硅酸鹽粉煤灰廢料轉換為有用的微晶玻璃產品，可以成功實現社會效益和企業經濟利益雙豐收。粉煤灰還具有火山灰活性，但由于煤質地不同，收集到地粉煤灰性質差異較大，分析研究后作為混凝土加工中礦物添加劑，能達到改善混凝土變形性、耐久性，提高強度，降低干燥收縮等目的，用于輕質墻板或混凝土砌塊的生產技術上沒有問題。

4 煤矸石和粉煤灰廢渣墻材制品技術推廣應注意的問題

　　前面介紹了煤矸石和粉煤灰在墻體材料行業中研究應用的情況。應該說，成果不少，創新點多，但實際應用滯后。一些研究項目推向市場應用效果好，但有個別項目往往研究結束，成果就多年無人問津。出現這一現象的主要原因是：其一，項目研究的深度還不夠，推廣應用前技術上還需要進一步完善；其二，產品的市場不穩定，認可度不高，造成人們心里障礙，不愿接受新事物；其三，利用煤矸石和粉煤灰項目，同一產品往往投資大于傳統工藝項目，擔心效益受到影響。除此之外，鼓勵使用大宗固廢的政策落實不到位。項目剛開始，政府重視，廢渣給予少量補貼或免費使用。當綜合利用變為原料資料后，雖然不明著收費，但采取了變相收費，如幫裝車、運送等方式加價收費，造成企業經營困難，難以生存。個別環保部門看不到企業利用煤矸石和粉煤灰工業廢渣保護環境的大勢，而是抓住企業某個排放缺陷而限制企業正常生產。只會看到企業生產影響環保的小問題，看不到不用廢渣而堆積污染的大問題。所以說，創新研究的墻材新項目，推廣應用還是要加大支持力度，完善項目技術條件和推廣應用標準規范，綜合利用的政策不打折扣。否則，科研項目會長期停留在原有的小試驗和理論研究成果中。

　　煤矸石和粉煤灰要發展哪種墻材產品？個人認為，應該做好認真的分析研究后再決策，首先要做好以下三項試驗分析工作。一是煤矸石和粉煤灰或爐渣灰，要做好發熱量的測試，確定發展燒結墻材產品還是非燒結產品。高熱值煤矸石和粉煤灰，不宜發展非燒結制品，應首先選擇發展燒結制品，生產過程不用煤或少用煤。低熱值或相對無發熱量，可用于非燒結制品。高熱量煤矸石和粉煤灰直接用于非燒結墻材產品，由于炭的存在，不但浪費了熱量，而且產品強度、抗凍性能和耐久性受到較大影響。二是化學成分試驗，特別關注二氧化硅(SiO?)、三氧化二鋁( (Al2O?)、 三氧化二鐵(Fe2O?)、氧化鈣(CaO)和三氧化硫SO?含量。二氧化硅過高或過低最終會影響產品質量；三氧化二鐵含量高可考慮用于調整產品顏色，低于1%可用于陶瓷墻地磚的生產配料；氧化鈣含量超標容易引起燒結墻材產品石灰爆裂，用于建筑存在墻體爆裂而酥解的安全隱患，需要調整煤矸石和粉煤灰原料處理和燒成工藝技術參數。但生產非燒結加氣混凝土墻材制品，氧化鈣適當含量高一些卻是有益的；氧化硫過高，會增加燒結制品大氣污染物硫氣體的排放，增加脫硫材料消耗，企業生產成本明顯上升。三是塑性指數，過低無法擠出成型，過高會增大干燥收縮，產品易出現應力裂紋。粉煤灰無塑性，但通過物理化學和生物改性，改善它的使用功能，這對非燒結制品顯得尤為重要。發展哪種產品，原料是基礎，不能為了固廢利用而放棄產品質量，也不能因為過高追求不現實的高質量和高附加值，從而影響大宗固廢煤矸石和粉煤灰利用的進程和效率。

5 總結與建議

　　煤矸石和粉煤灰兩大宗固廢用來制造墻體材料是最好的綜合利用途徑，應放在優先發展的主要位置。有較大發熱量的煤矸石，應發展全煤矸石或大摻量(超過70%以上)內燃和超內燃燒結制品。優質的煤矸石應探討發展裝飾用的陶瓷墻地磚、道路廣場磚、陶瓷泡沫制品、煤系高嶺土等高品質的產品，既節約了好煤，又改善了環境生態，降低了碳排放，煤矸石和粉煤灰各自的特性得到了充分利用。相對來說，對于沒有發熱量或很低發熱量的粉煤灰或爐渣來說，用于生產墻體材料產品發展方向可以重點放在蒸壓制品上，特別是加氣混凝土砌塊和板材及蒸壓磚等產品。應用和開發研究的重點也應放在這些產品。只追求高大上的理論研究，與市場應用和產品發展方向脫節，很難實現研究成果轉化為生產力。兩大廢渣應突出應用技術的集成創新和研究開發，才能更好地推動行業煤矸石和粉煤灰固廢的利用技術不斷進步，體現利用技術的價值，為社會和企業創造更高的利潤。建議應做好以下幾點：

　　(1)煤炭開采和火力發電企業要充分認識到煤矸石和粉煤灰固廢對當地環境生態和對人們健康的影響，各地主管政府部門應切實采取有效措施，對任意亂排、亂倒違規企業，加重區域環境的惡化的企業單位或個人應加大打擊處罰力度。要認真制定兩大固廢的利用途徑，落實利用固廢的財政補貼政策和排放企業補償辦法，或自行綜合利用措施，把利用的目標落到實處，不斷推進煤矸石和粉煤灰的利用深度，擴大利用范圍，消納存量，控制增量，最終基本實現兩大固廢的全部利用。

　　(2)加強現有墻材企業的技術改造，減少非固體廢渣的生產量。特別是墻材產品，有煤矸石和粉煤灰存在的區域，應逐步禁止非固廢墻材產品。煤矸石和粉煤灰兩大固廢生產墻材產品，對原料處理要求高，工藝技術難度大，生產成本大，政府應在核定企業成本的基礎上，給予合理的補貼，使企業有適當合理的利潤空間，保障綜合利用煤矸石和粉煤灰生產墻材產品的企業持續、健康、穩定發展，從而實現煤矸石和粉煤灰減量化、資源化、無害化處理及綜合利用的最大化。

　(3)墻材企業和科研單位，要不斷開發新技術、新產品、新工藝、新裝備，不斷提高產品質量，為市場提供放心的優質產品。不能用了煤矸石和粉煤灰廢渣，生產難度大而降低了產品質量，這對利廢墻材企業來說是一票否決的硬指標。

　(4)創新大宗固廢綜合利用的關鍵技術，加大現有煤矸石和粉煤灰墻材生產技術的總結和多年科研成果的集成創新，按照不同產品，組織制定系統的利用技術方案加以推廣，從而實現高質量的快速發展。要繼續完善標準和規范應用體系，發揮示范企業引領作用和財政經濟政策支持力度，從而調動全社會利用固廢和保護環境的積極性。

　　(5)加強煤矸石和粉煤灰排放企業、墻材利用企業、行業協會、政府主管和環保部門的協調，對原有企業技術改造和新建企業用地和投資貸款等方面，積極主動給予協調和落實好相關的優惠政策，并在項目審批上給予更多的便利。

　　煤矸石和粉煤灰是大宗固廢的重要組成部分。為了提升磚瓦行業低碳無害化大宗固體廢棄物綜合利用水平，推進“無廢城市”建設，推動資源綜合利用產業節能降碳，實現行業的碳達峰碳中和，中國磚瓦工業協會于2022年10月20日發出文件，決定“十四五”期間在全行業全面開展低碳無害化大宗固體廢棄物綜合利用示范產業園區建設和培育低碳無害化綜合利用骨干企業工作。只要我們遵循文件指導思想，按照生態文明建設的總體要求，以集聚化、產業化、市場化、生態化、無害化為導向，以提高資源利用效率為核心，著力技術創新和制度創新，推動行業大宗固體廢棄物由“低效、分散利用”向“高效、規模利用”轉變，帶動行業資源綜合利用水平的全面提升，推動行業資源綜合利用的高質量可持續發展。過去的墻材企業在煤矸石和粉煤灰固廢的減量化、資源化利用上做了大量的工作，只要我們繼續按照相關文件的總體要求，堅定不移的貫徹新發展理念，不斷促進煤矸石和粉煤灰大宗固廢向綠色、高效、高質量、高附加值、規模化利用水平方向發展，墻體材料行業一定能為環境生態文明做出應有的貢獻。

　　
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