“目前，在京津冀周邊的燕山和太行山區(qū)，堆存的尾礦和廢石總量達(dá)到200多億噸，每年還在持續(xù)產(chǎn)生10億噸以上，煤電工業(yè)固廢大概每年產(chǎn)出3000萬噸以上。然而，這個(gè)地區(qū)每年要消耗6億噸到8億噸的天然礦物原料，也就是通過開山炸石來獲取建材材料；需要消耗9000萬噸的水泥熟料進(jìn)行基礎(chǔ)設(shè)施和住房建設(shè)，因?yàn)榫┙蚣降貐^(qū)是全國(guó)建設(shè)密度最高的地區(qū)之一。2014年，京津冀地區(qū)產(chǎn)生的水渣和鋼渣加在一起就有9000多萬噸，因?yàn)檫@一地區(qū)的鋼產(chǎn)量占全國(guó)1/3還要多。”北京科技大學(xué)教授倪文日前在接受筆者采訪時(shí)表示，一方面我們要進(jìn)行開山炸石來獲取建筑材料，不僅破壞了環(huán)境，而且?guī)砹藝?yán)重污染，開山炸石產(chǎn)生的污染物對(duì)PM2.5的形成有很大貢獻(xiàn)。而另一方面，在京津冀地區(qū)堆存的巨量固廢也在占用著大量土地，同樣對(duì)環(huán)境造成嚴(yán)重污染。如果能將二者進(jìn)行替代，則可產(chǎn)生非常大的經(jīng)濟(jì)效益、社會(huì)效益和環(huán)境效益。
　　用尾礦和廢石等代替水泥熟料和建筑用砂，具有什么意義？
　　倪文：炸藥當(dāng)中含有大量的硝基，占比高達(dá)60.76%，開山炸石除了產(chǎn)生粉塵之外，所產(chǎn)生的氮氧化物是重要的污染源。目前京津冀地區(qū)開山炸石生產(chǎn)建筑用砂石料每年6億噸到8億噸，產(chǎn)生的潛在PM2.5形成物，相當(dāng)于64萬輛到640萬輛機(jī)動(dòng)車排放的尾氣總量。
　　2013年，京津冀地區(qū)共有3000多處采石場(chǎng)，因開山炸石生產(chǎn)建設(shè)用砂石造成的植被破壞面積達(dá)到20萬畝，巨量尾礦和廢石的堆存，使水源地也遭到嚴(yán)重破壞?，F(xiàn)在中央提倡，要增大生態(tài)容量空間。該地區(qū)每年消耗的9000萬噸水泥熟料，除了每年向大氣中排放7000萬噸二氧化碳外，也排放粉塵和硫化物、氮氧化物等，是京津冀地區(qū)空氣質(zhì)量進(jìn)一步惡化的主要工業(yè)污染源之一。
　　還有一個(gè)問題需要我們特別關(guān)注，京津冀地區(qū)總?cè)丝跀?shù)相當(dāng)于日本總?cè)丝诘?8%，人口密度是日本的2.6倍，而日本人均GDP是我國(guó)京津冀地區(qū)的3.95倍。如果未來20年這一地區(qū)的人均GDP要達(dá)到日本目前的水平，必須大幅度降低單位GDP的排放強(qiáng)度，必須進(jìn)行產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、能源結(jié)構(gòu)的深度調(diào)整，實(shí)施更有效的節(jié)能減排措施。為了避免京津冀地區(qū)重大環(huán)境災(zāi)難的發(fā)生，以技術(shù)創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)該地區(qū)的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)和能源結(jié)構(gòu)進(jìn)行深度調(diào)整，已成為我們必須面對(duì)的迫切任務(wù)。
　　在尾礦綜合利用產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟的支持下，我們做了一個(gè)國(guó)家“863”項(xiàng)目——尾礦制備綠色環(huán)保新型建筑材料關(guān)鍵技術(shù)與示范，取得了重大成果。該項(xiàng)成果證明了京津冀地區(qū)每年開山炸石所生產(chǎn)的6億噸至8億噸建設(shè)用砂石料能夠100%由鐵尾礦和廢石來代替，每年消耗的9000萬噸水泥熟料可以被水淬高爐礦渣、鋼渣、脫硫石膏、粉煤灰和尾礦微粉等多種固廢的協(xié)同利用進(jìn)一步取代，最高比例可以達(dá)到99%。如果進(jìn)一步從科學(xué)層面、技術(shù)層面、產(chǎn)業(yè)化層面和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、施工規(guī)范等方面深化成果，可實(shí)現(xiàn)未來20年在京津冀地區(qū)實(shí)現(xiàn)100%停止開山炸石和減少90%以上的水泥熟料消耗。
　　近年來，我們開展了大量工作，采用鐵尾礦和廢石代替開山炸石用于制備混凝土，取得了初步成功，累計(jì)利用尾礦和廢石超過3.6億噸。
　　為了將尾礦和廢石進(jìn)行充分利用，從而實(shí)現(xiàn)京津冀地區(qū)全面停止開山炸石，開展了哪些工作？
　　倪文：在尾礦綜合利用產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟的推動(dòng)下，北京科技大學(xué)、首鋼集團(tuán)、金隅集團(tuán)、密云冶金礦山公司等數(shù)十家單位聯(lián)合，研發(fā)成功采用鐵礦尾礦和廢石全濕法清潔生產(chǎn)高質(zhì)量建設(shè)用砂和混凝土粗骨料的技術(shù)。密云冶金礦山公司下屬的5家礦山應(yīng)用該技術(shù)，2013年采用尾礦和廢石生產(chǎn)混凝土粗細(xì)骨料2800萬噸。
　　我們研制成功100%采用鐵礦尾礦和廢石作為骨料，配制C30-C80預(yù)拌泵送混凝土技術(shù)，得到推廣應(yīng)用，目前累計(jì)生產(chǎn)預(yù)拌混凝土約1.8億立方米，利用尾礦和廢石3.6億噸，并經(jīng)歷了12年的應(yīng)用考驗(yàn)。實(shí)踐證明，大幅度降低水泥用量的全尾礦廢石骨料預(yù)拌泵送混凝土的力學(xué)性能和流動(dòng)性能非常優(yōu)良，抗壓強(qiáng)度、塌落度等各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到較高水平。我們應(yīng)用膠凝材料中的水泥比例比通用方案降低40%，完成了12個(gè)大型桿塔基礎(chǔ)的施工，約合600立方米。
　　我們還研發(fā)成功了100%采用磁鐵石英巖型鐵礦的尾礦和廢石作為骨料生產(chǎn)混凝土預(yù)制件技術(shù)，生產(chǎn)出高質(zhì)量的C60-C80鐵路軌枕、管樁等高端產(chǎn)品，并得到大量工程應(yīng)用。生產(chǎn)出符合標(biāo)準(zhǔn)的預(yù)應(yīng)力混凝土軌枕210萬根，其中新開發(fā)的C60預(yù)應(yīng)力混凝土軌枕的膠凝材料比例，與應(yīng)用傳統(tǒng)工藝生產(chǎn)的C60混凝土軌枕相比，水泥用量從90%下降到30%以下。
　　我們研究成功了C40極低水泥熟料人工魚礁混凝土，其骨料100%采用尾礦和廢石，采用1%水泥熟料，膠凝材料99%由超細(xì)礦渣粉、鋼渣粉和脫硫石膏代替，混凝土中重金屬含量低于海底沉積物。目前已投入大連獐子島海域3000立方米，完成國(guó)家海洋局重大公益項(xiàng)目“基于生產(chǎn)系統(tǒng)的海洋牧場(chǎng)研究與示范”，并通過驗(yàn)收。
　　我們研制成功尾礦微粉生產(chǎn)技術(shù)，并建立起年產(chǎn)60萬噸的尾礦微粉生產(chǎn)線，實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)和應(yīng)用。所生產(chǎn)的尾礦微粉不僅能夠用于水泥和混凝土，還對(duì)改善混凝土的流動(dòng)性和耐久性具有顯著作用。實(shí)施企業(yè)福建省新創(chuàng)化建科技有限公司，被國(guó)家發(fā)改委列為首批“雙百工程”骨干企業(yè)。
　　如何才能將尾礦和廢石進(jìn)行最安全、環(huán)保、經(jīng)濟(jì)的利用？
　　倪文：以往，我們對(duì)大宗工業(yè)固廢的綜合利用研究，單種固廢的考慮較多，多種固廢全產(chǎn)業(yè)鏈協(xié)同利用的研究較少，再加上行業(yè)壁壘的束縛，尾礦和廢石的硅酸鹽屬性表面有大量的硅氧斷鍵和鋁氧斷鍵這個(gè)特征沒有被深入研究和充分利用。
　　我們經(jīng)過實(shí)驗(yàn)研究證明，這些大量的硅氧斷鍵和鋁氧斷鍵在較低鈣硅比和較低水膠比的膠凝材料體系中能夠重新鍵合，形成硅（鋁）氧四面體的重新鏈接；在高鈣硅比和高水膠比的膠凝材料體系中不容易重新鍵合，不容易形成硅（鋁）氧四面體的重新鏈接。
　　我們還發(fā)現(xiàn)，水淬高爐礦渣中具有潛在水硬活性的硅（鋁）氧四面體是水泥熟料的2倍到3倍，但目前無論是作為水泥混合材料還是作為混凝土摻合料，只有不到30%的硅（鋁）氧四面體在發(fā)揮作用。我國(guó)年產(chǎn)水淬高爐礦渣近3億噸，將其進(jìn)一步高效利用的潛力還很大。
　　C-S-H凝膠是對(duì)混凝土強(qiáng)度貢獻(xiàn)最大的物相之一，是由硅（鋁）氧四面體連接而成的鏈狀構(gòu)造硅酸鹽。水淬高爐礦渣在形成C-S-H凝膠的過程中，對(duì)硅氧四面體和鋁氧四面體貢獻(xiàn)潛力比水泥熟料大2倍到3倍。
　　100多年來的理論與實(shí)踐充分證明，所有納米、亞微米顆粒的緊密聚集，都對(duì)混凝土強(qiáng)度產(chǎn)生貢獻(xiàn)，而貢獻(xiàn)最大的是C-S-H凝膠、類沸石相和具有納米直徑的針棒狀復(fù)鹽礦物。C-S-H凝膠和類沸石相都是由硅（鋁）氧四面體的解聚和再聚合形成的。因此，利用固體廢棄物為混凝土體系提供可解聚和再聚合的硅（鋁）氧四面體，是降低水泥用量、制備高耐久性綠色混凝土的關(guān)鍵。
　　另外，粉磨技術(shù)的進(jìn)步，使應(yīng)用礦渣生產(chǎn)水泥的電力成本大幅降低，為該技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化提供了技術(shù)支撐。
　　目前該項(xiàng)目在技術(shù)上還存在哪些問題？
　　倪文：北京市累計(jì)利用尾礦和廢石已超過3.6億噸，并經(jīng)受了10多年的應(yīng)用考驗(yàn)。但在京津冀地區(qū)和全國(guó)大規(guī)模推廣還存在提高品質(zhì)、降低成本、降碳降耗和補(bǔ)齊產(chǎn)業(yè)鏈等若干重大共性關(guān)鍵技術(shù)難題。
　　我們需要通過研究各種尾礦和廢石與主要冶金渣破碎與粉磨過程中的多尺度物理及其化學(xué)反應(yīng)，大幅度提高破磨效率，降低成本；通過破磨過程中實(shí)時(shí)回收有價(jià)組分，進(jìn)一步降低成本；通過研究尾礦和廢石表面硅氧斷鍵和鋁氧斷鍵與C-S-H凝膠和類沸石相重新鍵合的作用、硅和四配位同構(gòu)化效應(yīng)和復(fù)鹽效應(yīng)，大幅度降低混凝土中水泥熟料的用量，并提高性能，為下游用戶降低成本。
　　今后的科研目標(biāo)與任務(wù)是什么？
　　倪文：今后的總體目標(biāo)是：充分發(fā)揮尾礦、廢石、水淬高爐渣、鋼渣、脫硫石膏、粉煤灰等多種固廢的協(xié)同作用，開發(fā)出具有商業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力的固廢比例在90%~100%的高性能混凝土大規(guī)模制備和應(yīng)用技術(shù)，固廢比例為100%的地下采礦膠結(jié)充填料的大規(guī)模制備與應(yīng)用技術(shù)，為未來20年在京津冀地區(qū)100%停止開山炸石和關(guān)停90%以上的水泥窯提供理論和技術(shù)基礎(chǔ)支撐。
　　重點(diǎn)任務(wù)包括：磁鐵石英巖型尾礦和廢石表面硅（鋁）氧斷鍵重新鍵合機(jī)理與調(diào)控技術(shù)研究，水淬高爐礦渣中硅（鋁）氧四面體的深度活化與再聚合機(jī)理及調(diào)控技術(shù)研究，典型地區(qū)鐵尾礦和廢石資源中有價(jià)組分回收與優(yōu)質(zhì)建材原料協(xié)同優(yōu)化清潔生產(chǎn)技術(shù)研究，以實(shí)時(shí)循環(huán)回收金屬鐵為核心的鋼渣高效粉磨技術(shù)研究，冶金塵泥全組分高效回收利用關(guān)鍵技術(shù)研究與示范，S120級(jí)礦渣微粉低成本制備及大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)技術(shù)研究，尾礦充填過程中大規(guī)模高效濃縮、充填料制備、輸送和充填的成套裝備與技術(shù)研究，冶金與煤電工業(yè)固廢全產(chǎn)業(yè)鏈協(xié)同利用關(guān)鍵技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范研究等等。
　　（趙京燕）