无机化工固废高值化利用制备建筑材料的工艺创新与性能评价

一、引言

无机化工行业在生产过程中产生了大量的固体废弃物，如钢渣、矿渣、磷石膏、赤泥等。这些固废若处置不当，不仅占用大量土地资源，还可能对土壤、水体和大气造成污染。同时，建筑行业作为资源和能源消耗的大户，对原材料的需求持续增长。在此背景下，将无机化工固废高值化转化为建筑材料，具有显著的环境效益、经济效益和社会效益，是实现可持续发展的重要途径。

二、无机化工固废的来源与特性

2.1 常见无机化工固废的来源

钢渣是炼钢过程中产生的副产品，其产量与钢材产量密切相关；矿渣主要来自于冶金、电力等行业，如高炉炼铁过程中产生的高炉矿渣；磷石膏是湿法磷酸生产过程中的废渣；赤泥则是氧化铝生产过程中产生的废弃物。

2.2 固废的化学组成与物理特性

不同来源的无机化工固废具有独特的化学组成和物理特性。钢渣主要含有CaO、Fe2O3、SiO2 等成分，具有一定的胶凝性；矿渣富含活性 SiO2 和 Al2O3，在碱性激发剂作用下可产生胶凝性能；磷石膏主要成分为 CaSO4⋅2H2O ，其颗粒细小、亲水性强；赤泥含有大量的 Fe2O3、Al2O3、SiO2 等，具有较高的碱性。这些特性决定了固废在制备建筑材料过程中的反应活性和应用潜力。

三、工艺创新

3.1 预处理工艺

3.1.1 物理预处理

为了提高固废在建筑材料制备中的适用性，常采用物理预处理方法。通过破碎、筛分等工艺，将固废颗粒调整到合适的粒径范围，以便后续的混合与反应。对于一些含有磁性物质的固废，如钢渣，可采用磁选技术分离出其中的金属铁，提高固废的纯度，同时实现金属资源的回收利用。

3.1.2 化学预处理

化学预处理旨在激活固废中的潜在活性成分。对于矿渣等具有潜在胶凝活性的固废，常用碱激发剂（如氢氧化钠、硅酸钠等）进行处理，促使其发生化学反应，形成具有胶凝性能的物质。对于磷石膏，可通过煅烧处理，使其部分脱水转化为半水石膏或无水石膏，提高其胶凝活性。

3.2 制备工艺

3.2.1 胶凝材料制备工艺

以钢渣、矿渣为主要原料，配合适量的激发剂和辅助材料，通过混合粉磨等工艺制备固废基胶凝材料。研究表明，采用特定的粉磨时间和助磨剂，可显著提高固废的活性指数。如在粉磨钢渣时，加入三乙醇胺助磨剂，随粉磨时间延长，钢渣活性指数先增大后减小，在粉磨时间 2h 左右达到最大值，28 天活性指数可达到 76% 。同时，引入 AI 配比优化模型，可使材料性能离散系数降至 15% 以内，保证产品质量的稳定性。

3.2.2 建筑骨料制备工艺

对于建筑废弃物再生骨料，采用 “破碎 - 筛分 - 强化” 工艺处理。针对再生骨料孔隙率高、附着砂浆等问题，开发了多种强化方法。如物理法中的机械研磨、加热研磨，化学法中的酸处理、聚合物浸渍，以及生物法中的微生物矿化修复等。采用微波辅助处理和表面改性技术，可使再生骨料吸水率降低 30% 以上，压碎指标改善 20% 以上。利用固废制备轻骨料也是研究热点之一，如利用赤泥、电石渣等制备低碳轻骨料混凝土，通过适宜的热养护（ ）可显著提高其早期力学性能，且后期强度持续增长。

3.2.3 新型成型工艺

除了传统的成型方法，一些新型成型工艺也应用于固废基建筑材料的制备。如攀枝花学院研究团队开发的超高接触成型技术，将磷石膏与电石渣通过精准的 1:9 配比调控与 300MPa 超高压成型工艺，仅需 5 天自然养护即获得抗压强度达 105MPa（超普通混凝土 10 倍）、吸水率低至 3.2% 、软化系数接近 1 的超级建材，为固废协同处置和高附加值资源化利用提供了新思路。

四、性能评价

4.1 力学性能

固废基建筑材料的力学性能是其应用的关键指标。对于固废基胶凝材料，主要测试其抗压强度、抗折强度等。如由 80% 矿渣和 20% 脱硫石膏制备的碱激发胶凝材料，28 天抗压强度可达 50MPa 以上。对于再生骨料混凝土等建筑材料，需测试其立方体抗压强度、轴心抗压强度、抗拉强度、抗折强度等。研究表明，低碳轻骨料混凝土较普通骨料混凝土有更优异的轴心抗压性能和更高的拉压比，其中 28 天轴心抗压强度、抗拉强度和抗折强度分别达到立方体抗压强度的 87.8-91.8% ， 10.3-11.0% ， 10.2-11.2% 。通过统计回归可建立各项力学性能之间的定量关系，为材料设计和工程应用提供依据。

4.2 耐久性

耐久性是衡量建筑材料使用寿命的重要指标。固废基建筑材料在耐久性方面具有一定优势，如通常具有更好的耐化学腐蚀性能。为进一步提高其耐久性，可采用多种措施。通过引入有机硅防水剂增强抗渗性；采用膨胀剂或内养护技术降低干燥收缩。在实际工程应用中，需对材料的抗硫酸盐侵蚀能力、抗氯离子渗透能力等进行测试。研究发现，全固废混凝土抗硫酸盐侵蚀能力比同标号普通混凝土提高大于 10% ，抗氯离子渗透能力比同标号普通混凝土提高大于5% 。

4.3 环保性能

从环保角度评价固废基建筑材料，主要关注其在生产和使用过程中的碳排放、固废消纳量以及是否存在有害物质释放等问题。生命周期评估（LCA）显示，与传统材料相比，固废基胶凝材料碳足迹可减少 60%-80% ，再生骨料混凝土可减少 30%-50% 的碳排放。某些工业废渣（如钢渣、磷石膏）在碳化养护条件下可主动吸收 CO2，形成稳定的碳酸盐，每立方米固废基材料可封存 10-50kgCO2 。同时，通过检测材料的浸出毒性等指标，确保其符合相关环保标准，如利用磷石膏和电石渣制备的建材浸出毒性符合中国地表水 Ⅲ 类标准。

五、应用案例

5.1 工程实例介绍

在多个实际工程中，固废基建筑材料已得到成功应用。在涉县清漳水泥制造有限公司，利用钢渣、矿渣、冶金脱硫灰等固体废弃物为原料制备固废基胶凝材料，并配以矿山尾矿和废石为骨料，生产预拌泵送混凝土、干混砂浆等产品。项目一期建设年产 40 万吨的固废基胶凝材料生产线，二期扩建至年产 100万吨固废基胶凝材料，以及配套的混凝土和砂浆生产线，形成年产 200 立方米混凝土的生产能力。所生产的产品已正常投入市场使用超过 5 年，辐射范围为邯郸市及周边地区，市场反应良好。

在达州市开江县淙城街道等地的农房改建工程中，四川农业大学 “固废重生” 团队研发的固废地质聚合物建材被用于房屋建设，其优异的保温性能和力学性能获得了四川城普建设工程集团的高度认可。在北京城市副中心建设中，使用了 30 万吨建筑垃圾再生骨料；上海某生态园区采用 100% 再生骨料混凝土；武钢将钢渣骨料用于厂区道路基层等，这些案例充分展示了固废基建筑材料在不同工程领域的应用潜力。

5.2 应用效果分析

通过对实际工程应用效果的分析，发现固废基建筑材料在满足工程性能要求的同时，还带来了显著的经济效益和环境效益。从经济效益看，由于固废基胶凝材料生产成本比普通硅酸盐水泥降低 50% 左右，使用固废基胶凝材料生产C30 预拌混凝土，比传统水泥基 C30 预拌混凝土成本降低 27 元 / 方。对于固废基建筑材料生产厂家，年产 100 万吨冶金固废基胶凝材料可实现销售额 3 亿元，获得毛利润 1.26 - 1.36 亿元。从环境效益看，大量消纳工业固废和建筑垃圾，减少了废弃物对环境的污染，降低了对天然资源的开采，有利于生态环境保护。

六、结论

无机化工固废高值化利用制备建筑材料在工艺创新和性能方面取得了显著进展。通过物理和化学预处理工艺，可有效提高固废的活性和适用性；在制备工艺上，开发了多种创新方法，制备出具有良好力学性能、耐久性和环保性能的建筑材料。实际工程应用案例表明，固废基建筑材料具有广阔的市场前景和显著的综合效益。

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