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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。
图1 显微镜下的粉煤灰颗粒，呈圆球状。（图片来源：Wikimedia Commons）
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。
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。
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。
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。
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。
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]。
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]）
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]）
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。
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。
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。
图13 煤矸石砖（图片来源：文献[3]）
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]。
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）
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）
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。
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）
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]。
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]。
图22 使用再生塑料制作的购物袋。（图片来源：Wikipedia）
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]。
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。
图25 废轮胎的主要循环利用方法。（图片来源：文献[9]）
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）
图27 将轮胎用于边坡，固土植草（图片来源：文献[10]）
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。
图29 农场上遍布着成捆的秸秆（图片来源：Wikipedia）
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]。
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。
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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美编：许宏玺
校对：姜雪蛟 刘淇郡
