利用尾矿废石骨料生产混凝土技术潜力巨大

  我国是全球尾矿和废石堆存量最大的国家，2013年尾矿产生量16.49亿吨，金属矿采矿废石总产生量为49.47亿吨，其中仅铁尾矿产生量就超过8.39亿吨，产生铁矿废石超过40亿吨。我国尾矿和废石的堆存总量超过610亿吨。

  目前京津冀地区开山炸石生产建筑用砂石料所产生的潜在PM2.5形成物，约相当于640万辆机动车的总排放量，超过北京市全部机动车的排放总量。

  全尾矿废石骨料生产混凝土技术在北京市约创造产值1278亿元，总利润约66亿元。

  选用一级掺粉煤灰和S105矿渣粉进行复掺配合比，减少水泥用量40%，约减排二氧化碳32%。

  极低水泥熟料混凝土用于生产人工鱼礁，采用1%水泥熟料，胶凝材料99%由超细矿渣粉、钢渣粉和脱硫石膏代替，比普通人工鱼礁混凝土减排二氧化碳90%以上。

  “如果能将钢渣粉磨成微米级细粉，并与高炉水淬矿渣微粉、尾矿微粉和脱硫石膏微粉协同作用，可制成高性能的混凝土和用于地下充填采矿的充填料。如果全国的高炉矿渣、钢渣、尾矿粉、脱硫石膏与尾矿和废石制成的砂石料能够实现良好的全产业链协同利用，每年不仅能节省5亿吨至10亿吨的水泥熟料，还能减少数十亿吨的开山炸石。开山炸石所取得每立方米砂石料约向大气中排放54.2克粒径小于1微米的粉尘。同时，每吨炸药爆炸，约向大气中排放150公斤~300公斤的氮氧化物。目前京津冀地区开山炸石生产建筑用砂石料所产生的潜在PM2.5形成物，约相当于640万辆机动车的总排放量，超过北京市全部机动车的排放总量。”

  目前，京津冀雾霾成为人们关注的焦点，北京科技大学博士生导师、中国循环经济协会首席专家、尾矿联盟副秘书长倪文教授日前对记者表示，通过科技创新，我们一方面要减少开山炸石及其带来的严重污染，另一方面，将庞大的“尾矿和废石山”利用起来，实现从源头上减排PM2.5。

  倪文教授长期从事矿物材料和固体废弃物资源化的研究工作。他说，以往，我们对大宗工业固废的综合利用研究，对单种固废的考虑较多，多种固废全产业链协同利用的研究较少，再加上行业壁垒的束缚，对硅酸盐类尾矿和废石的特性没有深入研究和充分利用。

  尾矿和废石及钢铁冶金渣是巨大的资源宝库

  倪文教授介绍，高炉水淬矿渣中具有潜在水硬活性的硅氧四面体是水泥熟料的2倍~3倍，但目前无论是作为水泥混合材料还是作为混凝土掺合料，或是作为胶结充填采矿胶结剂的主要成分，只有15%~30%在发挥作用。我国年产水淬高炉矿渣近3亿吨，这种粗犷的利用方式是一种潜在的浪费。

  大部分钢厂经过充分选铁后，钢尾渣中还有3%左右的残余金属铁，并含有比水泥熟料更高的钙、镁、铁二价金属离子。我国年产钢渣近1亿吨，累积堆存近10亿吨，是一个巨大的钙镁铁资源库。

  倪文教授指出，令人头疼的雾霾问题，是由于粒径小于1微米的超细固体颗粒物、氮氧化物和硫化物向大气中排放造成的。京津冀地区每年建筑用砂石料的总消耗量约6亿吨，大部分是由开山炸石来取得。

  一方面是资源的大量浪费，伴随着产生大量污染，而另一方面，倪教授给出的数字更让我们震惊：“我国是全球尾矿和废石堆存量最大的国家，2013年尾矿产生量16.49亿吨，金属矿采矿废石总产生量为49.47亿吨，其中仅铁尾矿产生量就超过8.39亿吨，产生铁矿废石超过40亿吨。我国尾矿和废石的堆存总量超过610亿吨，相当于满载的重载列车绕地球200圈。”

  目前在京津冀及周边的燕山和太行山区，就堆存有200亿吨以上的磁铁石英岩型铁尾矿和废石，并具有广泛分布的特征。

  “十二五”期间，倪教授带领他的团队，开展了“典型尾矿资源清洁高效利用技术及装备”项目的研究工作，对 “尾矿制备绿色环保新型建筑材料关键技术与示范”课题进行了深入研究。他们采用磁铁石英岩型铁矿的尾矿和废石制备建筑用砂石骨料，代替开山炸石所生产的砂石料，在北京地区已取得初步成功，北京市累计利用尾矿和废石已超过3.6亿吨。但是在京津冀地区和全国大规模推广，还存在进一步提高品质、降低成本、降碳降耗和补齐产业链等若干重大共性关键技术难题。

  协同利用技术取得重大突破

  “尾矿综合利用产业技术创新战略联盟成立4年多来，每年通过举办培训班和现场交流会等方式推广先进适用技术。其中全尾矿废石骨料C30和C40预拌泵送混凝土生产技术在北京市得到大范围推广应用，并开始辐射河北、辽宁、天津等省市。”倪教授举了几个例子。

  根据密云冶金矿山公司提供的用户意见显示，仅该公司下属的5家矿山企业在2013年就生产尾矿、废石骨料2800万吨，95%以上销售给北京市的混凝土搅拌站或预制件厂。由此可以计算，这些尾矿和废石骨料可以生产混凝土1200万立方米，总产值可达40多亿元。该技术在北京市自2006年到2013年8年间逐步推广扩散，约创造产值1278亿元，总利润约66亿元。

  “我们对磁铁石英岩型铁尾矿生产建设用砂及废石生产混凝土粗骨料进行了研究。磁铁石英岩型铁矿每年的开采量占全国铁矿石开采量的70%，其产生的尾矿和废石约占全国所有金属矿尾矿和废石总量的40%左右。我们以北京威克冶金公司的铁尾矿全尾砂为原料，经过湿法筛分后，作为商品建设用砂。经检测，产品级配符合标准要求，放射性限量符合国家标准。混凝土粗骨料经过北京建设工程质量第一检测所有限公司检测，级配和放射性限量均符合指标要求。”

  倪教授介绍，在减排二氧化碳方面，本项目成果中最新完成的大掺量矿物掺合料，C30和C40预拌泵送混凝土的胶凝材料中，水泥、粉煤灰和矿渣粉的比例达到了30∶35∶35，比目前普遍应用技术中的水泥用量降低了40%以上，而且已经制备出高性能的混凝土。据测算，本项目的新成果比传统技术减少水泥用量40%，可以减排二氧化碳约32%。

  “我们还对‘100%采用磁铁石英岩型铁矿的尾矿和废石骨料，作为配制C30至C80预拌泵送混凝土技术’进行了研究，选用一级掺粉煤灰和S105矿渣粉进行复掺配合比，胶凝材料组分比为水泥、粉煤灰、矿渣粉的比例为30∶35∶35，水泥比例比通用方案降低了40%，完成了12个大型杆塔基础的施工（600立方米），抗压强度、塌落度均超过设计强度。全尾矿废石骨料高性能混凝土应用于浦项中心AB座商务办公楼工程项目和北京CBD核心区地下公共空间市政交通基础设施项目工程中，C60、C80混凝土性能优良，达到工程设计的各项要求。”

  “由北京科技大学联合武汉理工大学、北京丰怀轨枕厂和北京威克冶金有限公司等单位开发出100%采用磁铁石英岩型铁矿的尾矿和废石生产C60至C80预应力混凝土铁路轨枕技术，已成功投产3年，生产出符合标准的预应力混凝土轨枕210万根，其中新研制的C60预应力混凝土轨枕的水泥用量从90%下降到30%以下，比原来的技术减排二氧化碳约48%。”

  倪教授认为，100多年来的水泥和混凝土化学的理论与实践充分证明：所有纳米、亚微米颗粒的紧密聚集，都对混凝土强度产生贡献。因此，利用固体废弃物为混凝土体系提供可解聚和再聚合的硅（铝)氧四面体，是降低水泥用量、制备高耐久性绿色混凝土的关键。

  高炉水淬矿渣是目前发现的活性最好的混凝土掺合料，其提供硅（铝）四面体的潜力是水泥熟料的2倍至3倍。大部分尾矿提供硅（铝）四面体的潜力是水泥熟料的3倍至4倍，但活性不容易被激发出来。充分利用多种固体废弃物的协同效应，把它们提供硅（铝）四面体的潜力充分释放出来，是大幅度降低水泥用量、制备绿色高性能混凝土的重要发展方向。

  人工鱼礁减排二氧化碳90%

  倪文教授介绍，他还主持完成了国家海洋公益性重大项目“基于生态系统的海洋牧场关键技术研究与示范”中“生态型中性凝石混凝土人工鱼礁研究及工程示范”子项目。倪教授介绍，人工鱼礁就是模仿天然珊瑚礁的功能给鱼搭窝，不仅具有聚鱼效果，还具有显著的净化海水、恢复海岸带生态系统的功能。为了进一步降低人工鱼礁混凝土的原料成本，促进节能减排，他们研究了一种极低水泥熟料人工鱼礁混凝土。该人工鱼礁采用1%水泥熟料，胶凝材料99%由超细矿渣粉、钢渣粉和脱硫石膏代替，比普通人工鱼礁混凝土减排90%以上的二氧化碳。目前，项目组已完成国家海洋局重大公益项目“基于生态系统的海洋牧场研究与示范”，并通过验收。极低水泥熟料绿色人工鱼礁混凝土潜在生态危害指数较低，重金属危害程度远远低于长江口海域、南海南澳海岛海域沉积物重金属生态风险指数。

  倪文教授负责研究的国家自然科学基金项目“复盐矿物在赤泥-矿渣高性能充填料中的形成机理及调控机制研究”也取得了较大进展。倪文介绍，以超细水淬高炉矿渣为主要原料，以钢渣和脱硫石膏做激发剂可配制出地下固化有色工业废弃物的胶结充填胶结剂，并发生“复盐效应与硅的四配位同构化效应”，使砷和重金属得到原子级固化。

  “十三五”再展宏图

  倪教授介绍，“十三五”期间，他们还将围绕铁尾矿与废石资源进行重点研究，主要开展以下项目的研究工作：

  ——“典型地区铁尾矿和废石资源中有价组分回收与优质建材原料协同优化清洁生产技术”研究，重点研发有价组分回高效回收与优质建材原料生产的协同技术、粉尘污染高效低成本控制技术、废水高效回用技术、超细尾矿泥（粉）高效回收与利用技术等。

  ——“以实时循环除铁为核心的钢渣高效粉磨技术”，重点研发钢渣中微米级金属铁微粒的实时循环去除与钢渣微粉生产的协同技术、钢渣微粉的粒级控制技术、铁微粒的特性控制和高附加值利用技术等。

  ——“S120级矿渣微粉低成本制备及大规模工业化生产技术”，重点研发矿渣入磨前的高效除铁技术、矿渣粉磨过程中金属铁微粒的实时循环去除与矿渣微粉生产的协同优化技术、单线能力100万吨/年的S120级矿渣微粉低成本制备协同优化成套装备技术等。

  ——“无水泥微膨胀胶结充填料专用胶凝材料生产技术”，重点研究充填料水化硬化过程中硅的四配位同构化效应和复盐效应调控技术、钢渣微粉在矿渣微粉与脱硫石膏的协同作用下微粒微膨胀高效利用技术、提高充填料的可控性及强度发展规律对采矿工艺的适应性技术等。

  ——“尾矿充填过程中大规模高效浓缩、充填料制备、输送和充填的成套装备与技术”，重点研发尾矿高效浓缩、充填料成套工艺技术，新一代尾矿充填智能控制系统，形成大规模井下采场充填监控、参数反馈与质量自动控制系统。

  ——“100%废弃物低碳人工鱼礁混凝土生产技术与应用”，重点研究海洋环境下100%废弃物低碳人工鱼礁混凝土系统的海洋生态相容性评价方法，并形成评价标准；研究基于尾矿和废石与主要冶金渣全产业链协同利用的人工鱼礁混凝土对净化海水和优化海洋生态有益组分活性调控技术。

  “我们计划到‘十三五’末期，带动京津冀及周边地区减排PM2.5每年达到3万吨，新增消纳尾矿废石每年达到3亿吨，为在京津冀地区全面停止开山炸石提供具有国际领先水平的成套技术和示范工程；支撑全国胶结充填采矿生产成本平均降低30%，尾矿充填采空区消纳尾矿总量从现在的1.6亿吨增加到3亿吨以上。

  倪文教授每天马不停蹄地行走在科技的前沿，不遗余力地将研制出的创新技术与实践零距离接轨、融入，在为社会、为企业创造巨大经济效益的同时，更是为减少尾矿、减少污染，为经济社会可持续发展做出了巨大的贡献。