大宗固废煤矸石和粉煤灰在我国墙体材料中的应用现状及研究创新进展（转载）
                              闫开放1，林永淳2，张军仓3

　　[转载自《砖瓦世界》2023.1](1.中国砖瓦工业协会专家委员会，陕西西安710061；2.陕西宝深机械（集团）有限公司，陕西眉县722300)
摘要：煤矸石大宗固废累计堆存约50亿吨，利用后年新增2亿多吨；粉煤灰大宗固废累计堆存约30亿吨，年排量6亿多吨。不仅占用大量土地资源,而且存在较大的生态环境安全隐患。为了推进煤矸石和粉煤灰固废减量化、资源化、无害化处理,国家发改委等十部委于2021年以发改环资(202138号联合发文,提出了《关于“十四五”大宗固体废弃物综合利用指导意见》。由于作者水平和掌握资料有限，本文仅就六大固废之首煤矸石和粉煤灰在我国墙体材料中的应用现状及未来研究创新发展方面进行了简要分析讨论。

关键词：大宗固废；墙材应用；发展思考

　　固体废渣是破坏生态环境、影响人民生命健康的主要因素之一。目前，各种大宗固体废弃物累计堆存约600亿吨，年新增堆存近30亿吨，其中，赤泥、磷石膏、钢渣等固废利用率仍较低。大宗固体废弃物不仅占用大量土地资源，而且存在较大的生态环境安全隐患。国家早在1995年发布了《中华人民共和国固体废物污染环境防治法》。为了加快固废综合利用，大力推进固废减量化、资源化、无害化处理，国家发改委等十部委于2021年以发改环资(2021)381号联合发文，提出了《关于“十四五”大宗固体废弃物综合利用指导意见》，中共中央、国务院又于2021年11月发布了《关于深入打好污染防治攻坚战的意见》，要求到2025年生态环境持续改善，固体废弃物和新污染物治理能力明显增强，到2035年，碳排放达峰后稳中有降，生态环境根本好转，美丽中国建设目标基本实现。墙体材料是固废利用的重要行业，但由于固废原料性能相差甚大，对墙体材料产品质量影响较大。文件列举的六大类固废，就是同类固废原料性能也完全不同。本文就大宗固废煤矸石和粉煤灰在我国墙体材料中的应用现状及未来研究创新发展方面进行了简要分析，与行业同仁一起探讨。
　　1 煤矸石和粉煤灰两大固体废渣排放概况

　　煤矸石和粉煤灰是与煤炭有关的两大固体废渣。煤矸石是采矿过程中和洗煤过程中排放的固体废物，是一种在成煤过程中与煤层伴生的一种含碳量较低、比煤坚硬的黑色矿石。煤矸石主要矿物含量为黏土岩类、砂石岩类、碳酸岩类、铝质岩类。按来源状态分为掘进、选洗和自然煤矸石。依据国家统计局统计的数据，我国煤炭产量2021年40.7亿t，2020年39亿t。在“十四五”末期控制在40亿t。我国是世界上最早发现煤炭的国家，也是煤矸石排放量最大的国家之一，储存量超过50亿t。煤矸石占原煤产量12%~18%，随着煤炭开采、洗选，综合利用后每年还要增加2亿多吨。

　　粉煤灰是燃煤火力发电厂发电过程中，细磨的煤矸石和细磨的煤粉，在1200~1700℃燃烧后产生的主要燃烧残留物。它是由于原煤和煤矸石中存在的各种无机物和有机物成分而产生的固体废弃物。我国是富煤、缺油、少气的国家，资源现状导致煤电长期以来一直占我国电力来源的主导地位。据统计,2020年全国发电量7.42万亿kWh。其中,火力发电5.28万亿kWh，占总发电量的75%。煤燃火力发电，在满足国家建设和人们生活需要的同时，也产生了大量固体废弃物粉煤灰。据环保微世界网2021年12月17日发布：2021年粉煤灰年排量约为6.0亿吨，历年堆存30亿吨。

　　煤矸石和粉煤灰两种大宗固体废物年排量约为12亿吨以上，高质量综合利用煤矸石和粉煤灰的任务十分繁重，国家发改委将其列为六大类固废综合利用之首。

2 煤矸石和粉煤灰两大固体废弃物的危害及综合利用简况

2.1 对生态环境的影响
    煤矸石堆积如山，对环境生态及人民生命安全造成严重危害。煤矸石的无机成分生要是硅、铝、铁、钙、镁的氧化物，但还有微量的重金属元素，如P、Hg、Sn、Cu、Zn、As、Cr等。大量煤矸石的堆存、不但占用大量的紧缺土地资源，而且会逸出硫化物污染环境、农田、地下水。日积月累的的大量堆存、其内部发热而温度升高，煤矸石堆场就会因自燃而出现浓烟密布，空气中放出大量的CO、CO₂、SO₂、H₂S、NO₃等有害气体，其中以SO₂为主。有害气体的大量排放，不仅危害周围环境和空气质量，影向矿区及附近民众的身体健康，而且会影响周边生态环境，造成树木生长缓慢，农作物严重减产，严重时树木和农作物死亡。除燃烧外，重金属元属经雨水淋蚀后而产生酸性水，流入河流或渗入土壤，造成地下水及土地污染。露天堆存的煤矸石还有一个特点是易风化碎裂。有的自燃后成灰分细颗粒，这种细颗粒经氧化、分解、脱氢、缩聚等一系列复杂反应而形成炭黑、飞灰与粒状悬浮物，形成雾霾，对当地环境和人们的健康造成直接影响。

　　粉煤灰和煤矸石一样，在许多地方大量堆存、也比较普遍。遇到大风，煤灰满天飞，是许多地方迫切需要解决的突出环境污染问题。我国已经变为全球范围内产煤大国和最多煤炭消费的国家、也是使用煤炭产生废料粉煤灰最大的国家。由于火力发电产生的粉煤灰已变成工业固体废料的最大污染根源，放置粉煤灰也同样要使用大面积的土地、形成土地资源浪费，而且会对四周的空气和水质及土壤产生恶劣的影响。

2.2 综合利用简况
    煤矸石和粉煤灰大量堆积产生的危害，引起了历届党和国家及各级政府部门的高度重视，特别是习近平主席“绿水青山就是金山银山”理念，成为国人的共识。大量征地或在山沟排放煤矸石和粉煤灰将会成为历史，它的出路就是资源化利用。近20多年来，国家为推动煤矸石的综合利用，发布了不少法规、文件和政策，在财税等方面给予强有力的支持，固废综合利用率不断提高。2019年大综固废综合利用率达到55%，比2015年提高了5个百分点，其中煤矸石和粉煤灰综合利用率分别达到70%和78%[1]。虽然取得了令人满意的结果，但与一些发达国家相比，仍存在较大差距。据中国建材工业规划研究院、华经产业研究院网上资料介绍：日本煤矸石和粉煤灰利用率非常高。以粉煤灰为例，2011年就高达98.3%，利用的附加值也较高，其中水泥为主导,占67.13%;土木工程占13.58%;建筑板材、轻骨料及其他占17.59%。2016年，欧洲粉煤灰利用率83.4%，不但利用率高，而且利用途径多元化。到2016年，欧洲粉煤灰基本上得到利用，其中40.8%用于混凝土掺合料；17.0%代替混凝土中的水泥；16.4%用于道路材料；5.5%用于混凝土砌块；3.7%用于其他。70年代初，德国、法国等综合利用煤矸石率达30%~50%。60年代，日本就利用煤矸石烧结轻骨料用于建筑领域，建筑重量降低20%，对轻质墙体的贡献显得尤为重要。

2.3 墙体材料行业中的应用

　　从发达国家讲，早在60年代初，德国、法国和日本等，综合利用煤矸石和粉煤灰制作各种墙体材料，并大量用于建筑工程。我国从60年代引入煤矸石和粉煤灰内燃烧砖技术，当时的目的就是为了节煤和降低成本。进入70年代，煤矸石和粉煤灰已成为主要内燃料，逐步发展到以煤矸石和粉煤灰内燃为主，外投煤为辅。在发展煤矸石和粉煤灰内燃烧砖过程中，原建材部举办各种形式的煤矸石和粉煤灰制作各种墙体材料的学习班和成果推广交流活动。1980年前，墙材砖瓦企业以国有为主，众多国营砖厂创造了许多煤矸石和粉煤灰内燃烧砖的技术经验和实用成果。以煤矸石利用为例，在1973年原四川内江市机制砖瓦厂建成了一座设计能力为1500万块煤矸石砖生产线。

　　如果说20世纪60年代前后煤矸石和粉煤灰仅做为内燃原料，利用量很少的话，那么70年代后才真正开始了大量利用煤矸石和粉煤灰为主要原料生产墙材制品，产品以实心砖为主，也有多孔砖和空心砖及空心砌块。最早试制成功煤矸石砖的是四川永荣矿务局，高明市石鼓煤矿也在70年代建成了年产1500万块煤矸石砖生产线。进入80年代，煤矸石和粉煤灰墙材制品得到了较快发展。随着煤矸石和粉煤灰烧结墙材制品技术上的不断完善，生产规模不断扩大，装备水平就显得跟不上煤矸石和粉煤灰砖产品发展需要。80年代后期，我国开始了引进、创新、再提高发展阶段。山西、山东、宁夏、安徽、黑龙江等省从美国、德国、意大利等引进了煤矸石和粉煤灰制作墙材制品设备。经原国家经贸委批准[2]，在黑龙江省双鸭山市引进了一条年产6000万块煤矸石空心砖生产线，技术上要求全煤矸石制砖，组装式隧道窑超内燃焙烧，产品质量为空心砖和多孔承重清水墙砖，真正做到“制砖不用土，烧砖不用煤”，产品上档次。这一引进项目得到了相关中央部委的大力支持和高度认同，在行业内引起强烈反响。该煤矸石生产线为一次码烧工艺，超内燃煤矸石烧结砖工艺。其装备和凯装式隧道窑及超内燃焙烧技术得到了充分消化再创新，研究开发成果获得国家科技进步二等奖，并在国内得到普遍推广应用，为我国煤矸石在墙材行业的综合利用做出了重要贡献。有煤矸石的省市，基本上成功建成了生产线，使全国煤矸石墙体材料砖年产量迅速达到2000亿块标砖以上。我国墙材行业烧结制品年产量8100多亿块[3]，其中煤矸石和粉煤灰等大宗固废、环保等新型墙材产品近年来快速发展，年产量近6000亿块，成为我国最大的固体废弃物综合利用行业，年利用固体废弃物已超过1.35亿t以上，年节约能源3200万t标煤。烧结砖瓦产品用的主要燃料为煤矸石和粉煤灰等大宗固体废弃物，外用化石能源煤和天然气很少，废弃的煤矸石和粉煤灰等能源占80%以上，而燃煤和天然气仅占80%以下，对整个建材工业固体废弃物综合利用和节能降碳做出了贡献。
    根据煤燃烧后产生粉煤灰统计计算[4]，每燃烧1t煤,将产生250-300kg左右粉煤灰,每发1度电, 耗煤315-325g,将产生100g左右粉煤灰,每千瓦装机量年产生近1t的粉煤灰，推广使用节电设备，也是减少煤耗和粉煤灰排量的有效途径之一。以蒸压加气混凝土为例，据介绍：蒸压加气混凝土配比通常为:粉煤灰65%-75%,石灰18%-25%,水泥6%-15%,石膏2%-5%。就配比而言,粉煤灰成为加气混凝土生产的主要原料，每生产1万m³蒸压粉煤灰加气混凝土，就可以消纳4500t粉煤灰[5]，减少粉煤灰堆放场地2.4亩，减少CO₂排放1244t，减少SO₂排放9.28t。由此可见，发展蒸压粉煤灰加气混凝土产品，不仅实现固体废弃物综合利用，大量消纳粉煤灰的重要的途径之一，也是墙体材料行业减少环境污染和降低碳排放的重要方面。

　　发展粉煤灰加气混凝土产品，历年来受到了各级主管政府部门的高度重视，经众多科研人员和企业不断努力，取得了令人满意的业绩。早在20世纪50年代就开始了燃煤电厂粉煤灰加气混凝土的研究试验，1964年在上海建设了一条小型试验线。进入70年代，哈尔滨硅酸盐制品厂、武汉第五砖厂、北京加气混凝土厂、湖北建筑工程学院、北京市建筑材料研究所等单位，研究试制了蒸压加气混凝土。为了借鉴国外先进技术，发展我国加气混凝土工业，引进了重多的先进工艺技术和装备，促进和加快了我国粉煤灰加气墙材的发展。粉煤灰加气混凝土产品经历了开创、推广、大发展三个主要阶段[4]。迄今为止，我国先后建成了不同规模的粉煤灰加气混凝土砌块和板材生产线，使我国成为世界利用粉煤灰等材料生产加气混凝土企业最多、规模最大、应用面最广、普及程度最高的国家，其生产规模已远远超过世界上所有加气混凝土的总和。2021年,加气混凝土企业2070家[5],生产能力3.05亿m³,总产量达1.92亿m³。

　　煤矸石综合利用除了生产烧结实心砖、空心砖、保温砌块外，也扩展到耐火材料、装饰外墙、透水砖、道路广场砖、轻骨料等。由于采煤过程中产生的煤矸石性能相差甚远，各地应对当地的煤矸石进行系统的实验和分析研究，结合市场需求，确定最终综合利用煤矸石的产品发展方向。初体燃烧后的低碳灰，与煤矸石比，具有有机物少、含硫量低等特点，广泛用于各种硅酸盐墙材制品中。粉煤灰不仅生产加气混凝土，也可以用来生产粉煤灰砖、砌块、陶粒、耐火材料等。应该认识到，粉煤灰虽然具有火山灰性质，活性好但塑性差，用于烧结产品挤出成型，高掺配受到限制。近几年，发展高科技含量和高附加值的墙材制品受到关注。如发泡陶瓷墙体材料，不仅具有轻质、保温、隔热、不燃、防水性能好，而且具有防潮、防腐蚀等功能，市场前景看好。有的企业使用35%的煤矸石和40%的粉煤灰，并添加发泡剂，在1180℃高温下，得到性能优异的发泡陶瓷。其体积密度为503kg/m³，抗压强度为8.35MPa,孔隙率为65.3%。个别企业以煤矸石、铝矾土为原料，添加石灰石、长石气泡剂，成型后在1200℃烧结，制得泡沫陶瓷板。完全满足了JG/T511—2017《建筑用发泡陶瓷保温板》中的技术指标要求。

3 煤矸石和粉煤灰墙体材料综合利用研究创新的进展

　　虽然在煤矸石和粉煤灰墙体材料综合利用中取得了不少成绩，但在高掺配率、高质量、高附加值、产品多样化、节能减排、绿色低碳、煤矸石和粉煤灰改性等方面还有进一步研究创新发展的空间。现简要整理阐述如下。

3.1 烧结砖墙体材料

　　(1)淄博市墙改办、武汉理工大学硅酸盐建筑材料国家重点实验室两单位发表了苏雷、邵伟、马保国“基于污泥-煤矸石-页岩三元体系制备烧结砖性能分析”(山东省住房城乡建设科技项目计划，2016-041-B)的论文，利用山东淄博某污水处理厂的污泥，将煤矸石与页岩粉磨后过0.84mm筛，然后与污泥按比例混合，加水10%反复搅拌，充分混合均匀化，在经过24h陈化后压制成型。混合料塑性指数为:①页岩100%时,液限20.6%,塑限14.8%,塑性指为5.8;②30%页岩+70%煤矸石混合料,液限10.5%,塑限7.3%,塑性指数为3.2;③30%页岩+60%煤矸石+13%污泥混合料,液限18.2%,塑限11.9%,塑性指数为6.3;④30%页岩+55%煤矸石+

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

　　从塑性指数分析，单一原料页岩塑性指数仅为5.8，属于低塑性原料，在加强原料细碎和均化处理的前提下，可以采用高压力和高真空度挤出成型。掺入70%煤矸石和30%页岩后，混合料测得塑性指数仅为3.2，无法挤出成型。但分别外加入了13%、18%和23%的污泥后,塑性指数分别为6.3、9.5和12.5，满足了挤出成型的要求。这一研究结果给我们的启示，当煤矸石塑性指数过小时，不能实现高掺量，可以通过加入高塑性的污泥来提高塑性指数，从而满足混合料真空挤出成型的要求，使不可用的煤矸石也得到很好的综合利用。

　　污泥虽然有高塑性，但往往受到重金属可能超标的影响。该研究项目还进行了重金属固化试验，试验选用Cu、Cr、Pb三种重金属，采用外掺的方法研究污泥烧结制品的重金属环境特性，外掺重金属源分别为:CuSO₄、K₂CrO₄、Pb(NO₃)₂。 根据国家行业标椎HJ/T299-2007《固体废物浸出毒性浸出方法一硫酸硝酸法》，在污泥掺量为18%情况下，分别测定烧结温度在1050℃、保温6h后浸出液中重金属离子含量。证明烧结过程对重金属起到了较好的固化作用。其中样品Cu离子由烧结前的0.57mg减少到0.12mg,Cr离子由0.41mg减少到0.01mg;Pb离子由0.1mg减少到0.01mg。烧结后浸出浓度远低于《危险废物鉴别标准—浸出毒性鉴别》(GB5085.3-2007)中Cu离子浓度100mg、Cr离子浓度5mg和Pb离子浓度5mg的浓度要求。烧成温度超过1050℃时，固化重金属浸出浓度远低于相关标准要求，可以放心使用。

　　(2)济南大学材料学院、巨野县科技中心的赵训等4人进行了生活垃圾、煤矸石烧结砖的工艺与性能研究，提出了最佳配比：煤矸石为主要原料外，生活垃圾20%、页岩5%、界面增强剂0.6%。煤矸石和生活垃圾烧结砖的密度为1123kg/m³，抗压强度为13.4MPa,导热系数为0.43W/(m·K)。该产品密度小、强度高，保温、隔热性能明显高于普通烧结砖，并能满足国家标准GB5101《烧结普通砖》中

的技术性能指标。导热系数比普通黏土砖减少了43%，密度下降了69.7%，具有质轻、墙体热工性能好等特点。所用原料为某村生活垃圾，经收集、分类、干燥、粉碎等处理，使其粒径小于3mm。得出结论是：一是坯体强度随挤出压力增大而增大，抗变形能力也同样随挤出压力增大而增强，烧结砖强度随真空度增大而提高，最佳挤出压力为2.5MPa，真空度-0.080MPa。二是烧结砖吸水率随烧结温度升高而降低，强度随温度升高而升高。从实验得出的SEM图看：1050℃下用生活垃圾和煤矸石焙烧的砖试样，微观结构孔隙变小，孔洞分布均匀，结构变得致密，产品性能最好。

　　(3)郭忠和在“影响废渣烧结砖产品质量的因素探讨[6]”一文中经实验得出结论值得参考。实验采用的主要原料松散密度、塑性指数、干燥敏感性系数分别为：①煤矸石松散密度1360kg/m³，塑性指数7.34，干燥敏感性系数0.61；②粉煤灰松散密度850kg/m³,③绿页岩松散密度1450kg/m³,塑性指数12.3，干燥敏感性系数1.44；④油页岩渣松散密度900kg/m³,塑性指数6.8;⑤混合料塑性指数8.7，干燥敏感性系数0.88。掺入粉煤灰后成品质量强度明显提高。当掺入粉煤灰10%时，强度提高了20%~36%；掺入粉煤灰20%时，强度提高了50%%~82%。文章分析认为，加入粉煤灰后，混合料化学成分中SiO₂和Al₂O₃含量提高，从而大幅提高了制品强度。

　　(4)厦门市建筑科学研究院集团有限公司和厦门天润锦龙建材有限公司在“市政污泥在煤矸石烧结砖中的应用研究”中认为，市政污泥掺入量大小对煤矸石砖强度影响较大。试验采用厦门市某污水处理厂经脱水后的污泥饼，含水量约为45%，烘干破碎后配料，并混合搅拌均匀后压制成φ77mm×50mm的圆柱体，然后烘干焙烧。污泥和煤矸石配比分别为5%和95%、10%和90%、15%和85%、20%和80%,产品抗压强度分别为18.5MPa、14.4MPa、13.1MPa、9.9MPa。这一结果可以看出, 市政污泥掺入量从5%提高到20%，煤矸石砖强度降低了46.5%，说明在煤矸石砖生产线上大量掺入市政污泥是不可行的。对污泥和煤矸石固体废渣原料烧制的砖产品，也进行了浸出液重金属含量检测，从实验结果看，浸出液重金属物质浓度远低于标准规范的要求，安全可靠。再次说明经高温焙烧后，有机物挥发，硅铝酸盐矿物玻璃化、晶体化，含有的重金属物质将被固化于结构中，降低了污泥煤矸石砖的浸出毒性，这是其一；其二：污泥在焙烧过程中重金属元素会发生复杂的物理化学反应，内部的重金属转化成化学性质不活跃的形态，其颗粒表面被新形成的晶体、玻璃质和聚合物所包裹，可以阻止重金属的迁移、扩散，从而大大降低了重金属的毒害程度；其三是煤矸石与污泥配比为8:2，焙烧温度1050℃，可以制备出抗压强度达到MU10等级的烧结普通砖，但原料随污泥掺量升高而抗压强度降低。

表1 浸出液重金属实验结果

　　(5)全煤矸石烧砖技术经多年总结完善已基本成熟，推广应用也比较普遍。过去几年里，主要在东北三省、山西、安徽等地建有全煤矸石砖和砌块生产线，基本上实现了煤矸石自身具有的发热量全利用。山西某煤矸石砖生产线，由于发热量过高，将多余的热量用来发电，解决了高热量煤矸石超热焙烧问题，制砖发电两不误。陕西近几年煤矸石烧结砖也得到了较快发展，特别是咸阳市一些采煤企业，近年来竣工投产了多条不同规模和不同规格产品的煤矸石墙材生产线。投资额最大的是咸阳某煤矿，利用100%煤矸石，建成了陕西省规模最大、产品质量最好、机械自动化水平最高的一次码烧生产线，设计年产量为1.5亿块。投资上亿元，脱硫除尘投资也在三千万以上。项目由宝深集团承包建成了省内最大的双条内宽7.3m的组装式隧道窑，日产量折标砖可达50万块，产品不仅有实心砖，而且可根据市场需求生产多孔砖、空心砌块。矿区采煤和洗选后的矸石已全部利用，产品质量好。生产线大气污染物排放不仅达标，而且实现了超低排放，其产品通过了绿色评定，产品销售市场稳定，为采煤生产解决了煤矸石排放的后顾之忧。

3.2 烧结墙地砖制品

　　(1)高掺量粉煤灰和炉渣烧结铺地砖在周忠华实验研究得到证明，用粉煤灰研制无黑心存在的透水保水铺路砖，是一项高掺量利用粉煤灰废渣的好途经。原料配比试验为(质量比)：粉煤灰细粉：炉渣：黏土:矿渣水泥=45~55:30~40:10:5,物理性能测定结果为:体积密度为1480~1500kg/m³;吸水率为16.5%~18.3%;吸水饱和度为91%~92%;抗弯强度为11.5~13.5MPa;透水系数为⁤6∼13.5×10⁻³cm/s;⁤体积含水率为40.0%~40.5%。试件尺寸为300×300×30mm,成型水分为8%,成型压力为200kg/cm²,辊道窑烧成温度为1150℃,常温至1000℃升温速度为15℃/min,1000~1150℃之间升温速度为5℃/min。该烧成机理属一种全新烧结反应机理，粉煤灰和炉渣灰使用量高达85%，烧结的粉煤灰砖具有透水保水性和高强度。

　　(2)利用粉煤灰生产多色性烧结砖[7]，通过不断试验，调整原料种类及其配比和焙烧条件，烧制出色调变化丰富的多色性能和强度高、抗冻性能好、吸水率低的墙地砖。要求粉煤灰平均粒径为50μm，但最佳为20μm以下。原料配比：粉煤灰:低质瓷石:黏土=33~55:25~50:10~40(质量比)。均匀混合后加入水分，采用湿法挤出或半干压成型，挤出拌和成型水分为15%~30%，半干压成型含水率为5%~10%。挤出成型的样品尺寸：45mm×100mm×50mm试块。样品室内干燥一昼夜,焙烧炉以10℃/min升温到1200℃,焙烧2h,焙烧温度1100~1300℃,致密高强砖要求1200℃左右,多孔砖、空心砖1100℃左右。多色性烧结砖，抗压强度39MPa,抗弯强度4.5MPa。表色系Lab(L-亮度；a-红色至绿色的范围；b-篮色至黄色的)和吸水率结果：随原料配方和烧成温度不同而不同，L值最大值为71.14，其配方为粉煤灰40%，低质瓷粉为60%,烧成温度为1200℃;a值最大为15.79,其配比为粉煤灰35%，黏土为17%，石粉为48%，烧成温度为1100℃;b值最大为18.94,其配比为粉煤灰35%,低质瓷粉为30%,石粉为35%,烧成温度为1100℃。吸水率是反映产品耐久性能和抗冻性能的主要指标，从试验得出的数据看，烧成温度高时吸水率低。在烧成允许变形范围内，尽可能提高烧成温度，对提高产品性能有利。而地砖颜色范围、亮度可通过调整原料配方和烧成制度来实现。

　　(3)利用粉煤灰和赤泥等[8]工业废弃物制备高性能的清水装饰砖，其气孔率为40%-50%，抗折强度可达到50-80MPa,烧成温度范围在1110-1140℃,样品的性能和结果均可达标。不但节能、利废，还具又质轻、保温、隔音等特点。

　　(4)利用70%以上的煤矸石、粉煤灰、石墨尾矿、垃圾焚烧灰[9]等工业废渣制造出环境生态砖，其工艺为：黏土、长石等原料细磨→加入工业废渣→混合→造粒→压制成型→干燥→烧成，其制品性能达到了国家标准要求。

3.4 非烧结墙地砖制品

　　(1)丁小龙、刘品德[10]在研究利用鲁丽钢厂钢渣制备蒸压砖时，粉煤灰掺到了48%，成功试制出了蒸压粉煤灰砖。山东鲁丽钢厂钢渣化学成分：CaO为42.44%、Fe2O3为20.30%、Al2O₃为3.51%、SiO₂为3.51%、MgO为6.02%,水泥为32.5复合硅酸盐水泥，石子最大粒径为5mm。配方试验：粉煤灰50%~10%,钢渣10%~50%,水泥和石子分别为15%和25%。原料混合后加9%水拌和均匀，用压力机压制成标砖试块，先放入70℃养护箱中静置4h,再放入蒸压釜,按照升温4h到180℃,恒温4h 后自然冷却养护,并按照JC/T239—2014《蒸压粉煤灰砖》标准方法进行抗压强度测试。在钢渣为12%、粉煤灰为48%、水泥和石子不变的情况下，同等养护制度下其抗压强度为12.32MPa。还有一点是提高钢渣细度，可大大提高粉煤灰和钢渣掺量。

　　(2)东北石油大学土木建筑工程学院的祝庭，沙东，在“再生混凝士抗压强度试验研究”时，分别掺入水泥用量为20%的粉煤灰和聚丙烯纤维(掺入量为1.2kg/m³)，均提高了再生混凝士的抗压强度，而且效果明显。其配比及性能为：废弃的混疑土再生骨料粗和细料各为1194kg/m³和643kg/m³。配比试

验为三组,水胶比分别为0.5、0.55、0.6。在试验中分别掺入了水泥、粉煤灰、聚丙烯纤维，并对15组150mm×150mm×150mm立方体试件进行了抗压强度试验。掺粉煤灰和掺聚丙烯纤维比无外掺A组中的2组和3组分别提高1.2MPa和2.1MPa,B组中的2组和3组分别提高了0.3MPa和1.2MPa,C组中的2组和3组分别提高了8.9MPa和14.9MPa。增加水会大大减小试块抗压强度。实验认为：C30再生混凝土的合理水胶比在0.5~0.55之间，立方体抗压强度达到35MPa，满足规范要求。

3.5 蒸压粉煤灰墙体制品

　　福建龙净环保股份有限公司的邱振中，在利用干法脱硫灰制备加气混凝土砌块的试验研究中，除大量掺入粉煤灰外，而且添加了20%干脱硫灰。干法脱硫工艺最先起源于欧美地区，尤其是德国和美国。在雾霾日益严重的形势下，干法脱硫已成为烟气脱硫的主要工艺之一，具有一次性投资低、节水、节能、占地面积少、没有废水排放等优点，近年来在国内外迅速发展并广泛应用。干法脱硫国内应用主要包括火力发电厂、钢铁厂烧结机、循环硫化床锅炉及工业窑炉，产生的脱硫灰量逐年增加。充分利用脱硫灰的有效成分，最大程度发挥脱硫灰在蒸压加气混凝土生产中的作用，显得迫切和有意义。研究脱硫灰蒸压加气混凝土的原料为南京某钢厂烧结机烟气干法脱硫灰，其他原料为粉煤灰、生石灰、水泥、添加剂、铝粉等。水料比在0.55-0.65之间，通过调整配比和生产工艺技术参数，可以生产符合标准密度等级为06、强度为A3.5加气混凝土砌块，产品符合标准GB/T11968《蒸压加气混凝土砌块》，重金属浸出低于标准规定。

3.6 陶粒和泡沫陶瓷

　　(1)粉煤灰陶粒应用广泛，是制作各种墙材制品，特别是陶粒保温轻质砌块和陶粒墙板等产品的重要原材料。粉煤灰陶粒是以粉煤灰为主要原料，外掺一定量的粘结剂，如黏土、江河湖淤泥、城市污泥等，有较高的塑性指数。和固体燃料以及其他外加剂，经制粒后焙烧而成，其粒径一般在3-15mm。它满足陶粒混凝土所有特征，特点是轻质、高强、耐火、耐高温，化学性能稳定，耐久性和保温隔热性好，尤其抗压强度较高。具有良好的经济效益与社会效益。粉煤灰陶粒的配比及工艺[11]：烧结机工艺粉煤灰掺量可达到80%-90%，陶粒堆积密度630-750kg/m³,筒压强度4-6MPa,热耗低于回转窑，电耗高于回转窑。回转窑工艺粉煤灰掺量最高可达到80%，既可生产超轻陶粒，也可生产高强陶粒，设备投资较大，要求粉煤灰中SiO₂含量在45%-60%、Al₂O₃含量<24%等,生产能耗较高,国内热耗850kcal/kg。

　　(2)天津市建筑材料科学研究院、天津市发展散装水泥管理办公室、天津市彤泰成科技有限公司，合作完成了“污水厂污泥与河道淤泥联合烧制陶粒的技术研究”课题(住房城乡建设部2016年科学技术项目计划,编号:2016-K1-036,天津市企业博士后创新项目资助)，利用污泥、淤泥、粉煤灰三种固体废渣，混合均匀后造粒，经高温焙烧、分拣制得各种规格的陶粒。原料配比为：污泥30%、淤泥50%和粉煤灰20%混合，烧制升温速度10℃/min，烧制温度1225℃，保温时间5min。烧制的陶粒密度、筒压强度和1h吸水率达到了国家标准GB17431.1-2010《轻集料及其试验方法第一部分：轻集料》标准中对工业废渣轻得料的要求。

　　(3)泡沫陶瓷板的优异性能受到了墙材行业高度关注。耿震岗等在研究泡沫陶瓷外墙外保温系统应用技术的同时，开展了利用陶土尾矿、煤矸石、粉煤灰、陶瓷碎片、废玻璃及其他添加剂制备泡沫陶瓷板的试验，其工艺流程：多种固废计量混合→粉碎→球磨→喷雾干燥→材料入钵→高温焙烧发泡→冷却定型→切割→成品等工艺过程，制成高气孔率的闭孔发泡陶瓷制品。其中的泡沫陶瓷板制品可广泛用于组装式建筑，其主要特点：一是利用各种固体废渣制成的发泡陶瓷板附加值较高，应用领域广泛，适应内外隔墙板、各种组装式墙体、建筑节能效果显著，用于外墙具有良好的隔热保温性能；二是经1200℃烧成后不燃防火，燃烧性能为A1级；三是无机保温材料与水泥砂浆黏结可靠，热膨胀冷缩下不开裂、不变形、无质量通病，不老化、耐久性好、与建筑同寿命；四是热传导低，导热系数为0.05-0.06W/(m·K),绝热性能好,与普通墙体材料比，不但建筑节能效果好，而且显著降低了墙体自重；五是吸水率小于3%，砌筑装好后不空鼓，外贴面砖牢固安全，在阳光暴晒、冷热剧变、风雪雨淋等恶劣气候条件下，不变形、不老化、不开裂、性能稳定；六是可以定型切割成多种规格尺寸用于组装式建筑墙板、吊顶板、屋面板等；七是泡沫陶瓷板应用的国家住建部标准JG/T511-2017《建筑用泡沫陶瓷保温板》、工程建设标准化协会GECS480-2017《发泡陶瓷保温板工程技术规程》等标准和技术规程完整配套，推广应用无障碍，发展前景看好。

3.7 其他方面

　　发展高科技含量高附加值产品。低铁含量的煤矸石，只要其他矿物含量没问题，深加工后可以生产煤系高岭土材料，制作高档墙地砖装饰产品；高铁含量的煤矸石(含铁量超过10%以上)，可以制作铁红材料用于原材料调色来生产各种墙材制品；高铝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温耐火保温材料；一些煤矸石和粉煤灰可用于[12]内墙釉面砖、外墙装饰劈开砖，也可用于陶瓷坯釉料；粉煤灰内部具有硅氧和铝氧四面体的网状结构，颗粒细、活性高，有利于在恒温熔融结晶的特点，可以用于生产微晶玻璃，将硅酸盐粉煤灰废料转换为有用的微晶玻璃产品，可以成功实现社会效益和企业经济利益双丰收。粉煤灰还具有火山灰活性，但由于煤质地不同，收集到地粉煤灰性质差异较大，分析研究后作为混凝土加工中矿物添加剂，能达到改善混凝土变形性、耐久性，提高强度，降低干燥收缩等目的，用于轻质墙板或混凝土砌块的生产技术上没有问题。

4 煤矸石和粉煤灰废渣墙材制品技术推广应注意的问题

　　前面介绍了煤矸石和粉煤灰在墙体材料行业中研究应用的情况。应该说，成果不少，创新点多，但实际应用滞后。一些研究项目推向市场应用效果好，但有个别项目往往研究结束，成果就多年无人问津。出现这一现象的主要原因是：其一，项目研究的深度还不够，推广应用前技术上还需要进一步完善；其二，产品的市场不稳定，认可度不高，造成人们心里障碍，不愿接受新事物；其三，利用煤矸石和粉煤灰项目，同一产品往往投资大于传统工艺项目，担心效益受到影响。除此之外，鼓励使用大宗固废的政策落实不到位。项目刚开始，政府重视，废渣给予少量补贴或免费使用。当综合利用变为原料资料后，虽然不明着收费，但采取了变相收费，如帮装车、运送等方式加价收费，造成企业经营困难，难以生存。个别环保部门看不到企业利用煤矸石和粉煤灰工业废渣保护环境的大势，而是抓住企业某个排放缺陷而限制企业正常生产。只会看到企业生产影响环保的小问题，看不到不用废渣而堆积污染的大问题。所以说，创新研究的墙材新项目，推广应用还是要加大支持力度，完善项目技术条件和推广应用标准规范，综合利用的政策不打折扣。否则，科研项目会长期停留在原有的小试验和理论研究成果中。

　　煤矸石和粉煤灰要发展哪种墙材产品？个人认为，应该做好认真的分析研究后再决策，首先要做好以下三项试验分析工作。一是煤矸石和粉煤灰或炉渣灰，要做好发热量的测试，确定发展烧结墙材产品还是非烧结产品。高热值煤矸石和粉煤灰，不宜发展非烧结制品，应首先选择发展烧结制品，生产过程不用煤或少用煤。低热值或相对无发热量，可用于非烧结制品。高热量煤矸石和粉煤灰直接用于非烧结墙材产品，由于炭的存在，不但浪费了热量，而且产品强度、抗冻性能和耐久性受到较大影响。二是化学成分试验，特别关注二氧化硅(SiO₂)、三氧化二铝( (Al2O₃)、 三氧化二铁(Fe2O₃)、氧化钙(CaO)和三氧化硫SO₃含量。二氧化硅过高或过低最终会影响产品质量；三氧化二铁含量高可考虑用于调整产品颜色，低于1%可用于陶瓷墙地砖的生产配料；氧化钙含量超标容易引起烧结墙材产品石灰爆裂，用于建筑存在墙体爆裂而酥解的安全隐患，需要调整煤矸石和粉煤灰原料处理和烧成工艺技术参数。但生产非烧结加气混凝土墙材制品，氧化钙适当含量高一些却是有益的；氧化硫过高，会增加烧结制品大气污染物硫气体的排放，增加脱硫材料消耗，企业生产成本明显上升。三是塑性指数，过低无法挤出成型，过高会增大干燥收缩，产品易出现应力裂纹。粉煤灰无塑性，但通过物理化学和生物改性，改善它的使用功能，这对非烧结制品显得尤为重要。发展哪种产品，原料是基础，不能为了固废利用而放弃产品质量，也不能因为过高追求不现实的高质量和高附加值，从而影响大宗固废煤矸石和粉煤灰利用的进程和效率。

5 总结与建议

　　煤矸石和粉煤灰两大宗固废用来制造墙体材料是最好的综合利用途径，应放在优先发展的主要位置。有较大发热量的煤矸石，应发展全煤矸石或大掺量(超过70%以上)内燃和超内燃烧结制品。优质的煤矸石应探讨发展装饰用的陶瓷墙地砖、道路广场砖、陶瓷泡沫制品、煤系高岭土等高品质的产品，既节约了好煤，又改善了环境生态，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。相对来说，对于沒有发热量或很低发热量的粉煤灰或炉渣来说，用于生产墙体材料产品发展方向可以重点放在蒸压制品上，特别是加气混凝土砌块和板材及蒸压砖等产品。应用和开发研究的重点也应放在这些产品。只追求高大上的理论研究，与市场应用和产品发展方向脱节，很难实现研究成果转化为生产力。两大废渣应突出应用技术的集成创新和研究开发，才能更好地推动行业煤矸石和粉煤灰固废的利用技术不断进步，体现利用技术的价值，为社会和企业创造更高的利润。建议应做好以下几点：

　　(1)煤炭开采和火力发电企业要充分认识到煤矸石和粉煤灰固废对当地环境生态和对人们健康的影响，各地主管政府部门应切实采取有效措施，对任意乱排、乱倒违规企业，加重区域环境的恶化的企业单位或个人应加大打击处罚力度。要认真制定两大固废的利用途径，落实利用固废的财政补贴政策和排放企业补偿办法，或自行综合利用措施，把利用的目标落到实处，不断推进煤矸石和粉煤灰的利用深度，扩大利用范围，消纳存量，控制增量，最终基本实现两大固废的全部利用。

　　(2)加强现有墙材企业的技术改造，减少非固体废渣的生产量。特别是墙材产品，有煤矸石和粉煤灰存在的区域，应逐步禁止非固废墙材产品。煤矸石和粉煤灰两大固废生产墙材产品，对原料处理要求高，工艺技术难度大，生产成本大，政府应在核定企业成本的基础上，给予合理的补贴，使企业有适当合理的利润空间，保障综合利用煤矸石和粉煤灰生产墙材产品的企业持续、健康、稳定发展，从而实现煤矸石和粉煤灰减量化、资源化、无害化处理及综合利用的最大化。

　(3)墙材企业和科研单位，要不断开发新技术、新产品、新工艺、新装备，不断提高产品质量，为市场提供放心的优质产品。不能用了煤矸石和粉煤灰废渣，生产难度大而降低了产品质量，这对利废墙材企业来说是一票否决的硬指标。

　(4)创新大宗固废综合利用的关键技术，加大现有煤矸石和粉煤灰墙材生产技术的总结和多年科研成果的集成创新，按照不同产品，组织制定系统的利用技术方案加以推广，从而实现高质量的快速发展。要继续完善标准和规范应用体系，发挥示范企业引领作用和财政经济政策支持力度，从而调动全社会利用固废和保护环境的积极性。

　　(5)加强煤矸石和粉煤灰排放企业、墙材利用企业、行业协会、政府主管和环保部门的协调，对原有企业技术改造和新建企业用地和投资贷款等方面，积极主动给予协调和落实好相关的优惠政策，并在项目审批上给予更多的便利。

　　煤矸石和粉煤灰是大宗固废的重要组成部分。为了提升砖瓦行业低碳无害化大宗固体废弃物综合利用水平，推进“无废城市”建设，推动资源综合利用产业节能降碳，实现行业的碳达峰碳中和，中国砖瓦工业协会于2022年10月20日发出文件，决定“十四五”期间在全行业全面开展低碳无害化大宗固体废弃物综合利用示范产业园区建设和培育低碳无害化综合利用骨干企业工作。只要我们遵循文件指导思想，按照生态文明建设的总体要求，以集聚化、产业化、市场化、生态化、无害化为导向，以提高资源利用效率为核心，着力技术创新和制度创新，推动行业大宗固体废弃物由“低效、分散利用”向“高效、规模利用”转变，带动行业资源综合利用水平的全面提升，推动行业资源综合利用的高质量可持续发展。过去的墙材企业在煤矸石和粉煤灰固废的减量化、资源化利用上做了大量的工作，只要我们继续按照相关文件的总体要求，坚定不移的贯彻新发展理念，不断促进煤矸石和粉煤灰大宗固废向绿色、高效、高质量、高附加值、规模化利用水平方向发展，墙体材料行业一定能为环境生态文明做出应有的贡献。

　　
    参考文献：
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