“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到200多億噸，每年還在持續(xù)產生10億噸以上，煤電工業(yè)固廢大概每年產出3000萬噸以上。然而，這個地區(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行基礎設施和住房建設，因為京津冀地區(qū)是全國建設密度最高的地區(qū)之一。2014年，京津冀地區(qū)產生的水渣和鋼渣加在一起就有9000多萬噸，因為這一地區(qū)的鋼產量占全國1/3還要多。”北京科技大學教授倪文日前在接受筆者采訪時表示，一方面我們要進行開山炸石來獲取建筑材料，不僅破壞了環(huán)境，而且?guī)砹藝乐匚廴?，開山炸石產生的污染物對PM2.5的形成有很大貢獻。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，同樣對環(huán)境造成嚴重污染。如果能將二者進行替代，則可產生非常大的經濟效益、社會效益和環(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：炸藥當中含有大量的硝基，占比高達60.76%，開山炸石除了產生粉塵之外，所產生的氮氧化物是重要的污染源。目前京津冀地區(qū)開山炸石生產建筑用砂石料每年6億噸到8億噸，產生的潛在PM2.5形成物，相當于64萬輛到640萬輛機動車排放的尾氣總量。
　　2013年，京津冀地區(qū)共有3000多處采石場，因開山炸石生產建設用砂石造成的植被破壞面積達到20萬畝，巨量尾礦和廢石的堆存，使水源地也遭到嚴重破壞。現(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)空氣質量進一步惡化的主要工業(yè)污染源之一。
　　還有一個問題需要我們特別關注，京津冀地區(qū)總人口數(shù)相當于日本總人口的68%，人口密度是日本的2.6倍，而日本人均GDP是我國京津冀地區(qū)的3.95倍。如果未來20年這一地區(qū)的人均GDP要達到日本目前的水平，必須大幅度降低單位GDP的排放強度，必須進行產業(yè)結構、能源結構的深度調整，實施更有效的節(jié)能減排措施。為了避免京津冀地區(qū)重大環(huán)境災難的發(fā)生，以技術創(chuàng)新驅動該地區(qū)的產業(yè)結構和能源結構進行深度調整，已成為我們必須面對的迫切任務。
　　在尾礦綜合利用產業(yè)技術創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟的支持下，我們做了一個國家“863”項目——尾礦制備綠色環(huán)保新型建筑材料關鍵技術與示范，取得了重大成果。該項成果證明了京津冀地區(qū)每年開山炸石所生產的6億噸至8億噸建設用砂石料能夠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)同利用進一步取代，最高比例可以達到99%。如果進一步從科學層面、技術層面、產業(yè)化層面和技術標準、施工規(guī)范等方面深化成果，可實現(xiàn)未來20年在京津冀地區(qū)實現(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，累計利用尾礦和廢石超過3.6億噸。
　　為了將尾礦和廢石進行充分利用，從而實現(xiàn)京津冀地區(qū)全面停止開山炸石，開展了哪些工作？
　　倪文：在尾礦綜合利用產業(yè)技術創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟的推動下，北京科技大學、首鋼集團、金隅集團、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高質量建設用砂和混凝土粗骨料的技術。密云冶金礦山公司下屬的5家礦山應用該技術，2013年采用尾礦和廢石生產混凝土粗細骨料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預拌泵送混凝土技術，得到推廣應用，目前累計生產預拌混凝土約1.8億立方米，利用尾礦和廢石3.6億噸，并經歷了12年的應用考驗。實踐證明，大幅度降低水泥用量的全尾礦廢石骨料預拌泵送混凝土的力學性能和流動性能非常優(yōu)良，抗壓強度、塌落度等各項指標均達到較高水平。我們應用膠凝材料中的水泥比例比通用方案降低40%，完成了12個大型桿塔基礎的施工，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混凝土預制件技術，生產出高質量的C60-C80鐵路軌枕、管樁等高端產品，并得到大量工程應用。生產出符合標準的預應力混凝土軌枕210萬根，其中新開發(fā)的C60預應力混凝土軌枕的膠凝材料比例，與應用傳統(tǒng)工藝生產的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，完成國家海洋局重大公益項目“基于生產系統(tǒng)的海洋牧場研究與示范”，并通過驗收。
　　我們研制成功尾礦微粉生產技術，并建立起年產60萬噸的尾礦微粉生產線，實現(xiàn)批量生產和應用。所生產的尾礦微粉不僅能夠用于水泥和混凝土，還對改善混凝土的流動性和耐久性具有顯著作用。實施企業(yè)福建省新創(chuàng)化建科技有限公司，被國家發(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行最安全、環(huán)保、經濟的利用？
　　倪文：以往，我們對大宗工業(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特征沒有被深入研究和充分利用。
　　我們經過實驗研究證明，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。我國年產水淬高爐礦渣近3億噸，將其進一步高效利用的潛力還很大。
　　C-S-H凝膠是對混凝土強度貢獻最大的物相之一，是由硅（鋁）氧四面體連接而成的鏈狀構造硅酸鹽。水淬高爐礦渣在形成C-S-H凝膠的過程中，對硅氧四面體和鋁氧四面體貢獻潛力比水泥熟料大2倍到3倍。
　　100多年來的理論與實踐充分證明，所有納米、亞微米顆粒的緊密聚集，都對混凝土強度產生貢獻，而貢獻最大的是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鍵。
　　另外，粉磨技術的進步，使應用礦渣生產水泥的電力成本大幅降低，為該技術的產業(yè)化提供了技術支撐。
　　目前該項目在技術上還存在哪些問題？
　　倪文：北京市累計利用尾礦和廢石已超過3.6億噸，并經受了10多年的應用考驗。但在京津冀地區(qū)和全國大規(guī)模推廣還存在提高品質、降低成本、降碳降耗和補齊產業(yè)鏈等若干重大共性關鍵技術難題。
　　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反應，大幅度提高破磨效率，降低成本；通過破磨過程中實時回收有價組分，進一步降低成本；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、硅和四配位同構化效應和復鹽效應，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。
　　今后的科研目標與任務是什么？
　　倪文：今后的總體目標是：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)競爭力的固廢比例在90%~100%的高性能混凝土大規(guī)模制備和應用技術，固廢比例為100%的地下采礦膠結充填料的大規(guī)模制備與應用技術，為未來20年在京津冀地區(qū)100%停止開山炸石和關停90%以上的水泥窯提供理論和技術基礎支撐。
　　重點任務包括：磁鐵石英巖型尾礦和廢石表面硅（鋁）氧斷鍵重新鍵合機理與調控技術研究，水淬高爐礦渣中硅（鋁）氧四面體的深度活化與再聚合機理及調控技術研究，典型地區(qū)鐵尾礦和廢石資源中有價組分回收與優(yōu)質建材原料協(xié)同優(yōu)化清潔生產技術研究，以實時循環(huán)回收金屬鐵為核心的鋼渣高效粉磨技術研究，冶金塵泥全組分高效回收利用關鍵技術研究與示范，S120級礦渣微粉低成本制備及大規(guī)模工業(yè)化生產技術研究，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研究，冶金與煤電工業(yè)固廢全產業(yè)鏈協(xié)同利用關鍵技術標準與規(guī)范研究等等。
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