在人类社会的不断发展、工农业产品不断丰富的同时,大量的工农业废弃物也在不断地产生。这些废弃物,不仅占用了大量的土地,也对生态环境造成了严重污染。想要可持续发展,就要为它们找到合适的归宿,使其“变废为宝”。而工程建设,在其中就发挥着重要的作用。究竟有哪些废弃物呢?它们又是如何被利用起来的?让我们一起来了解一下。

粉煤灰

Flyash

粉煤灰(Flyash)是燃料(一般为煤炭)燃烧过程中产生的细小灰粒,一般呈灰白色至灰黑色,又被称作“飞灰”或“烟灰”。其主要成分为二氧化硅(SiO₂)、氧化铝(Al₂O₃)和氧化铁(Fe2O3),还含有一定量的氧化钙(CaO)和氧化镁(MgO)以及其它物质,颗粒大小一般在0.5~200μm不等。由于在燃烧后的冷却过程中受到表面张力作用,其形态一般呈圆球状。部分因互相碰撞粘连,成为蜂窝状的组合粒子。

废弃建筑垃圾变废为宝(竟可以在工程建设中)(1)

图1 显微镜下的粉煤灰颗粒,呈圆球状。(图片来源:Wikimedia Commons)

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图2 粉煤灰颗粒,在形成过程中因碰撞粘连,呈蜂窝状。(图片来源:Wikimedia Commons)

作为世界上最大的煤炭产出国和消费国,我国每年产生粉煤灰约8~9亿吨,而目前的利用率却只有70%左右。大量粉煤灰长期堆积在电厂周围,进入大气和水中,对生态环境和人类健康造成严重危害[1]。截至2021年,我国粉煤灰累计堆积量已达31亿吨,加大利用力度,迫在眉睫。

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图3 粉煤灰进入大气,造成空气污染。(图片来源:Wikimedia Commons)

其实,作为燃料燃烧后的产物,粉煤灰本身具有很多优良性质,可以利用于工农业生产、工程建设等各个方面。其疏松多孔,比表面积大,因此吸附能力强,保温耐火性强。例如,将粉煤灰压实制作的粉煤灰砖,质量轻、强度高,保温耐火,是建筑工程的绝佳材料。利用粉煤灰作为路基和建筑填料,不仅充填性好,也具有较高的强度。

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图4 粉煤灰砖(图片来源:Wikimedia Commons)

粉煤灰可以作为水泥、混凝土等材料的添加剂,提高材料性能。其中含有的多种活性物质,在与水泥、石灰等拌合后生成胶凝物质,大大提高材料的强度和抗渗性能。在混凝土中加入粉煤灰,可以减少混凝土拌合的用水量,显著降低混凝土在凝固过程中的放热,从而避免胀缩裂缝的产生。这尤其适用于大体积混凝土工程的建设,例如,举世闻名的三峡大坝工程,就消耗了170多万吨粉煤灰,使得大坝固若金汤,在建设后几乎没有出现开裂。

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图5 三峡工程(The three Gorges Project)建设中使用了大量粉煤灰,有效地防止了混凝土冷却过程中的开裂。(图片来源:Wikimedia Commons)

磷石膏

Phosphogypsum/ardealite

磷石膏是湿法工艺生产磷酸过程的副产物,为灰白色至灰黑色的粉状固体颗粒,晶体呈针状、板状或柱状。其主要成分为二水硫酸钙(CaSO4·2H2O),同时也含有重金属元素、氟类、有机质、放射性元素等大量有害物质。

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图6 磷石膏显微图像,其主要成分为二水硫酸钙(CaSO4·2H2O),以板状晶体为主。(图片来源:Wikimedia Commons)

磷石膏的产量大,每生产1吨磷酸就会产生4~6吨的磷石膏,我国每年产量超过7800万吨。但利用率低,我国的综合利用率仅40%左右,堆存量高达8亿吨。作为一种固体废弃物,其大量堆存将造成重金属污染、水体富营养化、大气污染等一系列问题。堆积的磷石膏,高度可达数十米,随时也有发生滑坡灾害的风险。

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图7 佛罗里达州米德堡(Florida, Fort Meade)附近,磷肥工厂外堆积的磷石膏。(图片来源:Wikimedia Commons)

磷石膏中含有大量杂质,利用前需要进行净化除杂,降低其危险性。在用途上,磷石膏目前主要用于建筑工程领域。例如,磷石膏可以代替天然石膏用作水泥缓凝剂,延缓水泥凝固,为混凝土拌合、浇筑争取时间;可以用来生产粉刷石膏、制作石膏板材等建筑材料,也可以用于路基回填、边坡防护等[2]。

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图8 2015-2020年我国磷石膏生存利用情况及其用途。可以看出,大多数磷石膏都被应用于工程领域。(图片来源:文献[2]

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图9 磷石膏制作的各种建筑材料:(a)磷石膏建筑条板;(b)磷石膏基自流平砂浆;(c)磷石膏做高分子材料的填料;(d)磷石膏纸面石膏板;(e)磷石膏建筑砌块;(f)石膏模盒(磷石膏制)。( 图片来源:文献[3]

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图10 将磷石膏与土拌合,用于边坡工程。(图片来源:作者摄)

煤矸石

Coal refuse/Coal waste

煤矸石是煤炭的一种伴生矿物,产生于煤炭的开采和洗选加工过程。相比于普通煤炭,煤矸石具有含碳量低、热值低、质地坚硬的特点。一般以堆存的方式存放。目前,我国的煤矸石堆存量已达七十亿吨。大量的堆积,会造成自燃、酸雨、地下渗透、淤塞河道、光化学烟雾和泥石流等灾害。

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图11 位于宾夕法尼亚州特雷沃顿(Trevorton,Pennsylvania)西部的煤矸石堆。(图片来源:Wiki media Commons)

作为煤炭开采中与煤层伴生的一种岩石,煤矸石中也含有一定量的可燃炭以及金属和非金属矿物。通过把煤矸石破碎成小颗粒,可以回收煤炭、提取矿物材料。利用煤矸石的燃烧热量,也可以发电。

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图12 山西晋华宫煤矿,人们正在煤矸石中挑选可用的燃煤。(图片来源:Wikimedia Commons)

在建筑工程上,煤矸石具有广泛的用途。煤矸石本身就是一种石材,因此可以作为混凝土的骨料,用于制砖、生产空心砌块等。在利用煤矸石烧砖的过程中,煤矸石本身就可以燃烧发热,因此可以节约燃料。此外,煤矸石也可以作为填料使用,用于煤矿回填,可以防止采空塌陷,以及用于路基回填等。

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图13 煤矸石砖(图片来源:文献[3])

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图14 用煤矸石进行路基填筑。(图片来源:文献[4])

矿渣

Slag

矿渣是高炉炼铁过程中,铁矿石中含有的二氧化硅(SiO2)、氧化铝(Al2O)等杂质与溶剂中的氧化钙(CaO)、氧化镁(MgO)等反应生成的硅酸盐熔融物,经急冷处理后,呈现出多孔无定型状结构。根据矿石品位不同,每冶炼一吨钢铁约产生0.5~0.9吨矿渣。目前,我国每年金属冶炼产生矿渣约7.35亿吨,但利用率仅有69%左右,矿渣储量超过50亿吨[3 5]。

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图15、16 矿渣在熔融中急速冷却,呈现多孔结构,形态各异。(图片来源:Wikimedia Commons)

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图17 冶炼厂将熔融的炉渣倾倒在垃圾场中。(图片来源:Wikimedia Commons)

在工程领域上,矿渣具有广泛的应用。将矿渣粉碎制成的高炉矿渣微粉(Ground granulated blast-furnace slag,GGBS),可以用作水泥和混凝土的添加剂。将矿渣粉添加到水泥和混凝土中,不仅可以减少水泥用量节约资源,也可以提高其强度和耐久性。但是,也存在早期强度较低的缺陷。(Wiki)

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图18 矿渣经磨粉等处理后生产的矿渣微粉,在建筑中有广泛应用。(图片来源:Wikimedia Commons)

在矿渣中加入胶凝材料,压制生产的矿渣砖,强度高,是良好的建材,其利用历史已经超过一百年;矿渣经融化、高速离心或吹喷制成的矿渣棉,质量轻,耐腐蚀,抗冻防火,是优良的砌筑、隔音、保温材料。

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图19 瑞典哈瑟尔福什(Hasselfors, Sweden)郊外一处建于二十世纪初级的废弃房屋,使用了附近钢铁厂的蓝色矿渣制成的砖块。(图片来源:Wikimedia Commons)

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图20 使用矿渣制成的矿物棉。(图片来源:Wikimedia Commons)

除此之外,高炉矿渣的应用仍在进一步开拓中。由于矿渣含有大量硅酸盐矿物,用矿渣生产微晶玻璃、耐磨地坪材料和多孔陶瓷材料等,具有广泛的前景[5]。

高分子废物

Polymer waste

高分子废物,是一种结构复杂的、由高分子有机物组成的废弃物,典型的有:废塑料、废橡胶、废油漆油墨、沥青、动植物纤维和蛋白、脂肪等。这些废物的大量堆积,会对环境造成严重污染。而在工程领域,它们也有着诸多用途。

废塑料(Plastic)

当前,塑料污染已经成为仅次于气候变化的全球第二大焦点环境问题。其产量大、难以降解的特性,使得其对生态环境产生了巨大影响。据联合国环境规划署2021年统计,1950-2017年间,全球累计生产约92亿吨塑料,到2050年,预计产量将增长到340亿吨,平均每年将产生3亿吨废弃塑料[6]。

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图21 加纳的阿克拉海滩(Accra Beach, Ghana)上,遍布着塑料垃圾。(图片来源:Wikimedia Commons)

大量的废塑料,如果处理得当,也可以变废为宝。利用废塑料,可以生产再生塑料、制作燃油、合成氨、粘合剂等化工产品,废塑料本身也可以作为燃料进行发电。而在工程领域,废塑料也可以用来生产建筑材料,如,工业废PVC可以用于生产轻质混凝土,废泡沫塑料可以制成水泥减水剂,废聚乙烯和聚苯乙烯混合,可以制作塑料枕木用于铁路铺设等[7]。

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图22 使用再生塑料制作的购物袋。(图片来源:Wikipedia)

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图23 用废弃塑料制作的枕木。(图片来源:Wikipedia)

废橡胶(Rubber)

我国是橡胶利用大国,橡胶消耗量约占世界消耗总量的30%左右,连续多年稳居世界首位。在使用橡胶的同时,也产生了大量废橡胶,而废橡胶总量的70%来源于废旧的汽车轮胎。2020年,我国废旧轮胎产量为1390万吨。大量的废橡胶堆积在一起,不仅占用土地、污染环境、而且还有诱发火灾的风险[8]。

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图24 堆积如山的废轮胎。(图片来源:Wikimedia Commons)

如同废塑料一样,橡胶的循环利用,也有翻新或加工后再利用、生产再生橡胶、作为燃料、分解后生产化工产品等一系列用法。工程上,主要利用了废橡胶本身弹性好、性质稳定的特点,将废橡胶简单加工后,用于工程建设中。例如,使用废轮胎加工的橡胶颗粒,弹性好,可以作为人工草坪的缓冲物,也可以用于路基填筑;将橡胶打碎研磨制成的胶粉,可以用于生产再生橡胶及防水卷材;在边坡防护上,将废轮胎用于坡面土体固定以及落石滚石的缓冲物,具有良好的效果。

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图25 废轮胎的主要循环利用方法。(图片来源:文献[9])

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图26 使用废橡胶制作的橡胶粒,用作人工草坪的缓冲物(图片来源:Wikipedia)

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图27 将轮胎用于边坡,固土植草(图片来源:文献[10])

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图28 使用废旧轮胎作为挡墙前的缓存物,用以缓冲滚落碎石的能力,减少破坏。(图片来源:文献[14])

天然纤维(Natural Fibers)

秸秆、芭蕉、椰丝、竹子、棕榈等植物纤维,在每年的农业生产中大量产出,其处置常常成为让人们头疼的问题。传统农业常常使用的焚烧处理,会产生大量烟雾污染空气;而若采用堆填处理,则不仅占有土地,也有发生火灾的风险。实际上,天然植物纤维拥有巨大的利用价值,被广泛的利用在各个领域。

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图29 农场上遍布着成捆的秸秆(图片来源:Wikipedia)

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图30 椰丝纤维及其制品(图片来源:Wikipedia)

利用天然植物纤维,可以生产一系列产品。如,秸秆等纤维经过微生物分解后,可以用于生产饲料;压制炭化后,可以生产生物质炭作为燃料;而造纸、生产布料、制成板材等更不必说,相信大家在日常生活中早已有所体会[11]。

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图31 利用香蕉纤维(香蕉茎秆加工而成)制造的纸张。(图片来源:Wikipedia Commons)

工程上,用天然纤维代替人造纤维作为加筋材料,已经被广泛的应用。在土壤中加入麦秸秆等纤维,可以大大提高土体的强度,且不会对土壤造成任何污染;在水泥和混凝土、石灰土中添加植物纤维,也具有同样的效果[12]。这些成果被广泛的应用在道路、地基、桥隧等工程建设中。

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图32 添加麦秸秆的纤维土(图片来源:文献[13])

参考文献

References

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[14]殷跃平主编, 中国典型滑坡[M],北京:中国大地出版社,2007.12:14

美编:许宏玺

校对:姜雪蛟 刘淇郡

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