粉煤灰综合利用现状及其在装配式建筑中的应用

姚华彦，陈传明，刘文博，刘玉亭

（1.合肥工业大学土木与水利工程学院，合肥 230009；2.安徽省高迪环保股份有限公司，安徽 六安 237000）

粉煤灰是燃煤电厂发电过程中排放的主要固体废弃物，是一种人工火山灰材料，若不妥善处理，将会对大气、水源、土壤等产生污染。目前，我国仍然以煤电为主，燃煤发电导致粉煤灰排放量逐年增加，2010年约为3亿t，2015年已经超过6亿t。预计未来20年，我国粉煤灰的年排放量将维持在5亿～7亿t[1]。因此，粉煤灰仍是中国排量较大的工业废渣之一，给我国的生态环境和社会可持续发展带来巨大压力，开展其资源化综合利用意义重大。

目前，粉煤灰综合利用中用量最大、最主要的方式仍是建筑和建材方面，例如用于生产水泥或作为混凝土的掺合料等。但是，我国粉煤灰的体量大，分布范围广，其资源化利用仍面临较为严峻的形势，需要继续发展大体量和绿色利用潜力。本文首先分析了粉煤灰综合利用现状，并结合我国装配式建筑的发展趋势，探讨了粉煤灰如何大掺量应用于装配式建筑中。

1 粉煤灰综合利用现状

1.1 粉煤灰利用历史和发展概况

国际上，粉煤灰的研究和利用始于20世纪初[2]。1933年，人们开始针对粉煤灰在混凝土中的应用开展较为系统的研究。此后，粉煤灰的研究和应用越来越受到德国、美国等国的重视。

20世纪50年代，我国开始开展粉煤灰的科研和应用工作。截至目前，我国粉煤灰综合利用发展可以分为四个阶段。

1.1.1 以储存为主的阶段

20世纪50年代初，人们主要建立储灰场，以便储放粉煤灰[3]。

1.1.2 综合利用起步阶段

20世纪50年代后期，粉煤灰开始用于制作建筑材料[3]。其首先应用在砂浆中，以节约水泥，然后用于制作蒸养标准砖和砌块[4]。这个阶段，粉煤灰的应用范围小，利用率偏低。

1.1.3 综合利用发展阶段

从20世纪80年代开始，我国经济发展迅速，电力需求增大，新建了大量燃煤电厂，产生的粉煤灰逐年增多。因此，国家实时调整政策，扩大粉煤灰的利用范围。1994年，《粉煤灰综合利用管理办法》发布实施，确立了坚持“以用为主”的指导思想。粉煤灰综合利用项目在投资政策、建设资金方面得到国家层面的支持，因而粉煤灰综合利用率稳步增长，利用领域和范围不断拓展，利用水平也快速提升[5]。粉煤灰综合利用率在1980年仅为14%，1990年达到28%，1994年达到35%，2011年提高到68%[6-8]。除了用于生产建材、修筑道路，粉煤灰综合利用还延伸到冶金、化工、农业等多个领域，人们研发出新的高附加值利用技术，大量专业化粉煤灰综合利用企业涌现出来。

1.1.4 资源化综合利用阶段

2013年以来，为了平衡经济发展和环境保护要求，国家发布了一系列新的法规政策，加强粉煤灰的资源化利用。2013年，国家发展和改革委员会等10个部门联合发布了新修订的《粉煤灰综合利用管理办法》，进一步界定了粉煤灰和粉煤灰综合利用的概念，增加了全过程管理的要求，并鼓励对粉煤灰进行高附加值和大掺量利用。2018年底，《国务院办公厅关于印发“无废城市”建设试点工作方案的通知》发布，旨在推动大宗工业固体废物综合利用朝产业规模化、高值化、集约化发展。目前，国家正计划在2020年建设50个大宗固体废弃物综合利用基地。其中，粉煤灰作为一种主要的固体废弃物，是重点推进领域，其综合利用将进一步得到良性发展。2013年，粉煤灰综合利用率达到69%，2014年已经超过70%，局部发达地区已达到95%[9-10]。

1.2 粉煤灰利用的主要领域

20世纪80年代以前，粉煤灰主要用于生产水泥、混凝土及其他建材产品，这也是粉煤灰消耗量最大的利用方式。之后，粉煤灰的利用领域不断扩宽。为了对粉煤灰的利用进行引导，国家出台了《电厂粉煤灰渣排放与综合利用技术通则》（GB/T 15321—1994），将粉煤灰综合利用范围分成建材制品、筑路、混凝土及砌筑、回填、农业及养殖业、其他等六大类。

随着粉煤灰相关科学研究的不断深入，其利用领域已经有新的突破，如表1所示[10-16]。但是，我国的粉煤灰总量依然很大，仍需要拓展应用深度和广度，推进其利用的产业化和现代化。

表1 粉煤灰主要利用领域和形式

1.3 粉煤灰利用的相关标准体系

粉煤灰属于典型工业固体废弃物，其开发利用首先需要规范技术指标，制定相应的标准体系确保产品或工程质量。粉煤灰综合利用标准体系包括粉煤灰材料质量标准和以粉煤灰产品质量标准。

在粉煤灰质量标准方面，我国于1979年颁布了《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》（GB 1596—1979），对粉煤灰的分级及相应质量标准进行规定，确保了粉煤灰利用过程中的工程质量。随着对粉煤灰性能认识的不断深入，粉煤灰的利用已经从节约水泥的角度转变为粉煤灰是水泥和混凝土的重要组分，因此该标准在1991年、2005年、2017年进行了修订。另外，《电厂粉煤灰渣排放与综合利用技术通则》（GB/T 15321—1994）对电厂粉煤灰综合利用评价指标、利用类别和管理要求进行了规定，《硅酸盐建筑制品用粉煤灰》（JC/T 409—2016）对用于硅酸盐建筑制品用粉煤灰的技术要求等做了规定。

以粉煤灰为原料的产品方面，国家和行业层面针对不同的应用出台了不同的标准。例如，《矿渣火山灰粉煤灰硅酸盐水泥》（GB 1344—1999）、《通用硅酸盐水泥》（GB 175—2007）对粉煤灰水泥的强度、技术要求做了规定。《粉煤灰混凝土应用技术规范》（GB/T 50146—2014）、《用于耐腐蚀水泥制品的碱矿渣粉煤灰混凝土》（GB/T 29423—2012）等对混凝土合理应用粉煤灰提出了具体要求，以节约水泥，提高工程质量。粉煤灰可以用于生产建材制品，相关标准有包括《蒸压粉煤灰多孔砖》（GB 26541—2011）、《蒸压粉煤灰空心砖和空心砌块》（GB/T 36535—2018）、《粉煤灰混凝土小型空心砌块》（JC/T 862—2008）等。此外，一些行业和省份根据需要，制定了粉煤灰用于建材及其制品的标准。

除了建筑行业外，其他领域也有一些标准规程。例如，《水工混凝土掺用粉煤灰技术规范》（DL/T 5055—2007）对各类水电水利工程掺用粉煤灰的混凝土进行规定；山西省地方标准《粉煤灰与煤矸石混合生态填充技术规范》（DB14/T 1217—2016）对粉煤灰用于露天矿坑和沟壑填充以及生态恢复提出了要求。内蒙古地方标准《硅钙渣粉煤灰稳定材料路面基层应用规范》（DB15/T 1225—2017）促进了粉煤灰应用于道路工程中。《石油企业粉煤灰综合利用技术要求》（SY/T 7290-2016）对石油企业的粉煤灰排放、储存、运输和综合利用进行了规定。另外，在冶金领域，《氧化铝生产用粉煤灰标准样品》（GSB 04-3263—2015）促进了粉煤灰的精细化和高值化利用。

总体而言，目前主要的标准或规程集中在建材及其制品方面，其他领域相对较少。除了水泥、混凝土及砌块等制品外，粉煤灰的其他很多利用途径还没有标准可依，制约了粉煤灰综合利用水平的提升。

1.4 粉煤灰利用的相关法规及政策

粉煤灰的综合利用不仅要以上述标准体系作为技术基础，还需要国家在经济政策方面给予扶持和引导。20世纪80年代以来，国家就开始制定和颁发了一系列推进粉煤灰综合利用的政策法规。1985年，原国家经济贸易委员会颁发《国家经委关于开展资源综合利用若干问题的暂行规定》，并印发《资源综合利用目录》，对企业积极开展包括粉煤灰在内的资源综合进行鼓励，并提出了利用措施和优惠政策。原国家计划委员会于1989年成立了全国粉煤灰综合利用协调领导小组，领导和组织协调粉煤灰综合利用工作，并于1991年发出《关于印发〈中国粉煤灰综合利用技术改革及其实施要点〉的通知》，对已成熟的技术如粉煤灰黏土烧结砖等进行推广，对粉煤灰特殊回填技术和高强混凝土技术进行完善，将大掺量粉煤灰制品研发作为新的重点课题[17]。

1994年，原国家经济贸易委员会等六部委联合发布实施了《粉煤灰综合利用管理办法》，在投资政策、建设资金、税收减免等方面对粉煤灰综合利用给予支持。2011年，国家发展和改革委员会下发《关于加强高铝粉煤灰资源开发利用的指导意见》，对高铝粉煤灰资源的有序开发利用工作进行鼓励和引导。2013年，国家发展和改革委员会等10个部门联合发布了新修订的《粉煤灰综合利用管理办法》，进一步提出了粉煤灰利用的综合管理要求和鼓励扶持的重点，对大掺量粉煤灰新型墙体材料等技术进行支持，鼓励利用粉煤灰作为混凝土掺合料。2013年，国务院印发了《循环经济发展战略及近期行动计划》，引导人们将粉煤灰建材产品推广并应用于市政建设、筑路等工程中，并从高铝粉煤灰中提取氧化铝，支持粉煤灰应用于造纸、橡胶生产中，进一步拓展了粉煤灰的利用途径。2016年，工业和信息化部等四部委发布《绿色制造工程实施指南（2016-2020年）》，支持粉煤灰生产建材、提取有价组分、生产家居装饰材料。2018年，我国开始施行《工业固体废物资源综合利用评价管理暂行办法》和《国家工业固体废物资源综合利用产品目录》。

此外，为推进包括粉煤灰在内的工业资源综合利用产业规模化、高值化、集约化发展，2011年，工业和信息化部组织开展了工业固体废物综合利用基地建设试点工作。2016年，国务院印发《“十三五”节能减排综合工作方案》，强调推动粉煤灰等工业固体废弃物综合利用，开展大宗产业废弃物综合利用示范基地建设。2019年初，国家发展和改革委员会与工业和信息化部联合印发了《关于推进大宗固体废弃物综合利用产业集聚发展的通知》，计划2020年建设50个大宗固体废弃物综合利用基地。

税收方面，为推动资源综合利用，财政部、国家税务总局等部门先后发布《资源综合利用企业所得税优惠目录（2008年版）》《资源综合利用产品和劳务增值税优惠目录》，对资源综合利用企业和产品实施所得税、增值税减免等优惠政策。

从环境保护角度来看，粉煤灰也是国家重点关注的对象。2018年12月，国务院印发《“无废城市”建设试点工作方案》，指导地方开展“无废城市”建设试点工作。生态环境部于2019年5月制定了《“无废城市”建设试点实施方案编制指南》和《“无废城市”建设指标体系（试行）》，对粉煤灰的资源化利用提出了新的指标要求。

一些地方政府也制定相应的政策，例如，2018年，内蒙古自治区锡林郭勒盟行政公署印发《粉煤灰综合利用管理暂行办法》。2019年7月，淮南市发布《淮南市煤电固废物综合利用发展规划（2019-2021）》，将粉煤灰作为重点研发的煤系固废物之一，促进其产业化、大宗化、高附加值利用。

另外，国家也制定了一些法律法规对粉煤灰的利用进行规范。2018年10月，第十三届全国人民代表大会常务委员会修订了《中华人民共和国循环经济促进法》，从法律层面明确规定企业应当对生产过程中产生的粉煤灰等工业废物进行综合利用。2018年，《中华人民共和国环境保护税法》《中华人民共和国环境保护税法实施条例》开始实施，对粉煤灰等固体废物排放和综合利用税收进行了规定。

这些政策和法规的实施，对鼓励和支持企业开展粉煤灰资源综合利用，促进相关产业的规模化、绿色化和可持续发展起到了非常显著的作用。

2 粉煤灰在装配式建筑中的应用分析

2.1 装配式建筑发展概况

装配式建筑是主要采用工厂预制的部品部件在施工现场装配而成的建筑。其施工速度快，建设周期短，其施工方法目前已遍及全世界。20世纪50年代以来，我国也开展了一些装配式建筑的研究和生产实践，但总体发展水平较低，直至2016年才开始有较快的发展[18]。

2016年2月，国务院发布《关于进一步加强城市规划建设管理工作的若干意见》，提出力争用10年左右时间，使我国装配式建筑占新建建筑的比例达到30%。2017年，住房和城乡建设部制定了《“十三五”装配式建筑行动方案》，全面推进装配式建筑发展，提出了到2020年全国装配式建筑占新建建筑的比例达到15%的目标。同时，开展装配式建筑示范城市和建筑产业化基地建设，北京、杭州、广安等30个城市认定为第一批装配式建筑示范城市，195个企业认定为装配式建筑产业化基地[19]。

目前，全国各个省市也出台了发展装配式建筑的指导意见和相关配套措施，包括相关补贴政策。在各方共同推动下，装配式建筑正有序快速发展。

2.2 粉煤灰大掺量制备装配式预制构件的发展趋势

混凝土掺加粉煤灰，可以有效代替部分水泥、砂石等自然资源，在节约不可再生资源的同时，改善混凝土拌和物的和易性、可泵性，减少了混凝土的徐变、水化热、膨胀性等，其各项指标显著提高。

尽管粉煤灰已经被大量应用于建材及其制品中，但粉煤灰在建筑产业化和现代化仍然有更大的发展潜力[20-22]。粉煤灰凭借其独特的性能，非常适用于开发装配式建筑墙材等产品。装配式轻质隔墙板以其轻质、高强等特点在建筑中广受青睐。在节能环保的形势下，粉煤灰已经成为砖石水泥等材料的替代品。采用粉煤灰及轻质材料等制作而成的轻质隔墙板可代替传统的黏土砖，节约砖石生产使用的土地资源，减少砖石及水泥等生产过程中的粉煤排放。

粉煤灰密度低，细度小，可以降低墙体重量，填充墙材结构孔隙，提高密实度和耐久性。粉煤灰具有良好的胶凝性能，可提高墙材的强度。粉煤灰大多数为球状的玻璃体，具有很好的保温防火性能。近年来，粉煤灰已经大量应用在装配式住宅的墙板中[23]。装配式住宅产业化是未来建筑发展的趋势，粉煤灰以其优异的性能可降低成本且节能减排，在装配式建筑产业化的发展中大有可为。

早在2001年，原国家经济贸易委员会就发布了《墙体材料革新“十五”规划》，对粉煤灰等新型墙体材料在政策、税收、设计和推广等方面给予大力支持。为了适应装配式建筑发展需要，2017年2月，国家发展和改革委员会与工业和信息化信部发布了《新型墙材推广应用行动方案》，将适用于装配式建筑的围护结构体系作为发展重点。

一些地方政府也出台了一些鼓励粉煤灰应用于装配式建筑的政策。例如，毕节市绿色制造三年行动实施方案（2018-2020年）鼓励利用电厂粉煤灰等工业废弃物发展新型建材，支持装配式建筑、环保新型建材、绿色轻工等产业发展。

3 粉煤灰大掺量制备装配式预制构件的问题与对策分析

目前，粉煤灰已广泛应用于混凝土、水泥、砂浆和各种砌块的建筑材料中，但是受制于技术条件和综合成本的因素，混凝土中粉煤灰的掺入量一般仅占水泥用量的10%～20%，综合利用率较低。

《用于水泥和混凝土的粉煤灰》（GB/T 1596—2017）将粉煤灰分为Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ三个等级。Ⅰ级粉煤灰在活性激发混凝土各项指标的功能上效果最为明显，掺和比例最大，但是技术难度大，加工成本高，除高铁、水坝、特大桥梁等特大工程外，一般的混凝土工程用量有限。我国燃煤电厂产生的粉煤灰能够达到Ⅰ、Ⅱ级别的比较少。将粉煤灰大掺量应用到装配式建筑产业中，其关键是解决粉煤灰的细度和活性激发问题。

3.1 细度问题

《用于水泥和混凝土的粉煤灰》（GB/T 1596—2017）规定，I级粉煤灰细度≤12%（0.045 mm方孔筛筛余），对于电厂的Ⅱ和Ⅲ级粉煤灰，人们要研发批量化生产出优于国家I级标准的超细、高性能粉煤灰制备技术。超细粉煤灰制备工艺研发主要结合现有生产I级粉煤灰的生产经验，采用不同材质、不同粒径配比的钢球、钢锻等研磨材料，在滚筒中对粉煤灰进行超细研磨，对研磨时间、介质配比、出入灰量等工艺参数进行优化设计，形成成熟、高效的超细粉煤灰制备工艺。

3.2 活性激发问题

粉煤灰活性差是制约高性能粉煤灰制备工艺研发的重要因素[24]。人们可以利用矿渣和化工材料激发并提升粉煤灰的活性，使其快速溶解水化、分解，提高混凝土构件的各项性能指标。此外，要优化活性激发工艺，降低生产成本。