近10年以来，我国把资源综合利用纳入全面加强生态文明建设“五位一体”总体布局。随着生态文明建设的深入推进和环境保护要求的不断提高，大宗工业固废综合利用作为我国构建绿色低碳循环经济体系的重要组成部分，既是资源综合利用、全面提高资源利用效率的本质要求，更是助力实现碳达峰、碳中和、建设美丽中国的重要支撑。我国大宗工业固废以尾矿、粉煤灰、煤矸石、冶炼废渣、燃煤炉渣和脱硫石膏为主，其中尾矿[1]、粉煤灰[2]、冶炼废渣[3]、炉渣[4]产生量分别占重点调查企业总产生量的30.7%、14.1%、10.9%和10.2%，主要工业固废总量高达78.3%。与国外相比，我国大宗工业固废综合利用率较低。大部分尾矿以及少量煤矸石、粉煤灰、炉渣和冶炼废渣等被倾倒丢弃或以不同非环保形式贮存，不仅占用土地、污染环境，而且严重危害人类健康以及动植物生长与生存。
目前，大宗固废综合利用主要包括回收有价元素、充填采空区、改良土壤及生产建材等[5-7]。从消纳固废数量角度来看，可用于二次再选回收的固废数量有限，而且二次回收工艺要求高、难度大、成本高，回收后还会再次排放大量固废，无论是资源生产还是经济效益都不是固废利用的最佳途径。矿山采空区回填是消纳工业固废最直接有效的途径之一，但附加值较低，而且充填成本较高。利用工业固废作土壤改良剂常需采用一些特殊的强化措施才能形成整套的修复技术，高额的成本投入同样制约其进一步推广。目前，利用固废制备建材已经受到了越来越多的关注。国外一些发达国家对于固废制备建材工作起步较早，早在20世纪60年代，粉煤灰[8]、硅灰[9]以及稻壳灰[10]应用于建筑材料的研究工作就已经开展并持续至今。国外研究者通过对设备工艺的改进、研发，提高了固废在建材行业的综合利用率，同时各国通过颁布配套的法律法规，激发企业利用固废的热情，从而在一定程度上改善了工业固废对环境的冲击。与国外发达国家相比，我国大宗工业固废制备建材起步较晚，技术设备等严重落后，固废综合利用率也相差甚远。大力发展大宗工业固废制备建筑材料能够充分体现可持续发展战略，必将为我国工业固废综合利用开辟一条新的道路。
1 铁尾矿制备建筑材料现状
1.1 煅烧水泥熟料
铁尾矿中铁元素含量较为丰富，可以替代铁粉作为生产水泥熟料的原材料[11-12]。以石灰石、石英砂和铁尾矿为原材料烧制水泥熟料可以有效降低水泥的煅烧温度和成本，但是掺量受限，掺量过高会造成水泥强度显著降低[13]。ZHAO等[14]利用铁尾矿制备贝利特硫铝酸盐水泥，28d的抗压强度达52.5MPa，符合国家相关标准。我国学者对铁尾矿烧制水泥熟料研究甚少，一方面是由于铁尾矿掺量的限制，另一方面铁尾矿替代铁粉掺量难以控制，可能会引起水泥品质显著降低，无法满足国家标准。目前铁尾矿用于煅烧水泥熟料的掺量只有15%左右，亟需研发配套的新设备、新技术等，在提高铁尾矿掺量的同时保证水泥产品的质量。
1.2 混凝土骨料
铁尾矿较高硬度主要来源于内部的石英相，其粒径接近部分天然河沙和机制砂，可以作为骨料掺入混凝土中。利用粒径小于1mm的铁尾矿替代天然河沙作为细骨料可以制备出28d强度达到约40MPa的混凝土。基于对骨料级配的优化，铁尾矿和机制砂复合使用作骨料不但可以满足混凝土对材料的要求，而且稳定性要优于铁尾矿与天然河沙复合，更利于对混凝土质量的把控[15]。
就目前的选矿工艺而言，为了提高金属回收率，铁尾矿颗粒越来越细，难以达到粗骨料标准应用于普通混凝土中。目前我国铁尾矿砂在高性能混凝土中替代细骨料的最佳比例为30%~50%，无法实现大掺量应用，主要受限于铁尾矿砂掺量过高影响材料的流动性、力学性能和施工性能，通过建模结合骨料处理工序探究最优铁尾矿形态将成为铁尾矿100%替代骨料的关键。此外，学者基于最紧密堆积理论对铁尾矿制备超高性能混凝土开展了一系列研究[16]。铁尾矿的颗粒形态对超高性能混凝土流动性存在不利影响，主要由于颗粒棱角较多并且易叠加产生空隙，ZHANG等[17]利用铁尾矿颗粒叠加产生空隙的特点制备出性能良好的保温隔热隔声板，可以使声能转化成热能最后被消耗。
1.3 混凝土矿物掺合料
矿物掺合料主要由无定型的硅质、钙质及铝质材料组成，对提高混凝土的密实度、抗渗性、耐久性具有重要作用，在减少水泥消耗的同时能够降低水化热，因此寻找新的矿物掺合料对水泥行业可持续发展具有重要意义。铁尾矿中主要矿物相通常为石英，天然状态下几乎不具有火山灰活性，如何提高铁尾矿的“火山灰活性”已经成为当前科研人员研究的主要课题。
机械粉磨作为铁尾矿活化的最常用方法之一，可以降低铁尾矿的活化能，产生更多的晶格缺陷和塑性变形[18]。研究表明[19]，机械粉磨可以激发铁尾矿中典型矿物相的“火山灰活性”。石英等随机械粉磨时间延长，矿物颗粒粒径减小，可以与水泥浆中的Ca(OH)2发生水化反应，生成无定形水化硅酸钙凝胶和钙矾石晶体等水化产物。研究表明[20-21]，机械粉磨大于40min时，铁尾矿的尖锐角明显减少，表现出更多的小球形颗粒，均匀性逐步提高。在硬石膏-铁尾矿-氧化钙体系下，机械粉磨40min的硅质铁尾矿可掺入30%制备32.5水泥[22]。在低水胶比情况下，细铁尾矿粉可显著促进复合水泥浆体中的早期水化作用，使砂浆的孔结构更致密，早期强度得到提高。铁尾矿比表面积的增加对提高其活性指数效果并不明显；改变养护温度可显著提高其早期（7d）活性指数，但对后期（28d）活性指数提高影响不大[23]。对于铁尾矿-矿渣复合体系，可以通过改善粉磨机制提高其活性指数，进而改善混凝土的耐久性。减水剂的合理使用可以使普通混凝土中铁尾矿掺量从30%增加到40%[24]。铁尾矿梯级粉磨可以通过自身的“微磨球”效应提高粉磨效率，从而激发铁尾矿的火山灰活性。通过优化铁尾矿-矿渣-熟料-石膏复合胶凝材料的配比及梯级粉磨时间，可以制备出性能满足国家标准的超高性能混凝土[25]。
2 粉煤灰制备建筑材料现状
2.1 混凝土矿物掺合料
粉煤灰在混凝土中的掺量通常可以达到胶凝材料质量的15%~50%，主要用于大型工程结构（如地基和大坝）以控制混凝土的温度上升[26]。虽然粉煤灰在混凝土中的大掺量引起了一些担忧，但近几十年的研究表明，粉煤灰掺量达到60%依然可以满足所需混凝土的相关性能[27]。不同品质粉煤灰混凝土力学强度试验、平板热流计试验及早期抗裂试验表明，掺入一定量的粉煤灰对混凝土早期抗裂性能具有良好促进作用。此外，掺入20%高钙粉煤灰可降低骨料膨胀率，从而有效抑制混凝土碱骨料反应[28]。然而，对自密实粉煤灰混凝土而言，粉煤灰掺量对混凝土早期强度影响较小，对后期强度影响较大。
2.2 制备地质聚合物
高钙粉煤灰地质聚合物早期强度的敏感因素主要有养护温度、CaO掺量、水玻璃掺量、水玻璃模数[29]。适当提高养护温度和延长养护时间可显著提高粉煤灰地聚物强度，最佳覆膜养护固化温度为80℃。研究者们以粉煤灰（FA）和硅灰（SF）为主要原料制备地质聚合物胶凝材料，研究SF与FA的质量比及不同碱激发剂（NaOH和KOH）对SF-FA地质聚合物砂浆力学性能及微观结构的影响。结果表明，随SF/FA掺量的增大，SF-FA地聚物抗压强度和抗折强度逐渐增大，最高分别达到23.89MPa和6.60MPa，NaOH的激发效果强于KOH。反应产物中新生成了菱沸石相和无定形N—A—S—H凝胶相。然而由于FA和SF反应不完全，结构中仍存在未反应的FA及SF颗粒。FTIR结果表明，SF-FA地质聚合物中[AlO6]9-八面体和[AlO4]5-四面体发生了结构重组，配位状态进一步完善，且T-O-Si（T=Al，Si）发生了聚合，致使其强度逐渐提高[30-31]。
2.3 制备陶粒
粉煤灰与脱硫灰在蒸气养护条件下可以制备出免烧种植陶粒。学者们发现影响免烧种植陶粒性能的主要因素有蒸养时间、温度、n（SiO2）/n（Na2O）、脱硫灰掺量和发泡剂掺量。学者们针对这些影响因素进行了优化研究，结果表明，在蒸养8h、温度80℃、n（SiO2）/n（Na2O）=5.0、脱硫灰掺量5%、发泡剂掺量0.75%时，可制备出筒压强度为3.56MPa、吸水率为19.95%、堆积密度为931kg/m3的种植陶粒。此外，所制备的种植陶粒表面光滑，内部孔隙结构发达，吸水能力较强，富含Si、Ca和S等元素，适合植物生长需要。
以粉煤灰、膨润土和凝灰岩为主要原料，加入适量的发泡剂碳化硅和助熔剂氧化镁，在1200℃高温下可制成表观密度小、抗压碎强度高的陶粒。针对发泡剂和助熔剂用量、球磨时间等因素对陶粒性能的影响；利用X射线衍射仪对陶粒原料和成品进行物相分析。结果表明，当m（粉煤灰）∶m（膨润土）∶m（凝灰岩）=30∶12.5∶25、球磨时间为50min、碳化硅用量为0.5%、氧化镁用量为2%时，所制备的陶粒性能最优；此时，陶粒密度为0.711g/cm3，抗压碎强度为0.925N，1h吸水率为0.59%，24h吸水率为1.03%[32]。
以粉煤灰陶粒为轻骨料、环氧树脂作为黏合剂，混合制备聚合物-粉煤灰陶粒多孔降噪材料，采用声学级配理论推导出适合公路交通噪声集中频率范围内的最佳粉煤灰陶粒粒径范围，并采用阻抗管测试系统进行试验验证。采用单因素试验方法研究环氧树脂与粉煤灰陶粒的最佳配合比，并考察了试件厚度、复合级配、表面切割、掺加材料、背后空腔、模拟雨淋和冻融循环等因素对聚合物-粉煤灰陶粒声屏障材料的力学性能和吸隔声性能的影响规律。结果表明：试验验证与理论推导的最佳陶粒粒径基本一致，均在1.0~3.0mm范围内，环氧树脂与粉煤灰陶粒的配合比为1∶5时材料吸声系数、力学性能最优；试件厚度的增大可明显改善材料中低频（1000Hz以下）吸声性能，在1000~1600Hz范围内，随着厚度增大，吸声系数呈现降低趋势；复合级配较单一级配第1共振吸声峰值向低频方向移动，500～1000Hz时吸声系数有明显降低趋势，400Hz以内吸声系数有所增大；掺加橡胶粉可改善中高频吸声系数，对隔声性能的影响较小；空腔增大可明显提高材料中低频的吸声系数，但影响有限；表面切割可提升试件高频吸声系数，其影响规律与减小材料厚度相似；模拟雨淋以及冻融循环对材料吸声性能和力学性能影响均不明显[33-34]。
3 冶炼渣制备建筑材料现状
3.1 高炉渣制备建材
高炉渣为高炉炼铁副产品，主要化学组成与天然矿石相似。通过水淬急速冷却处理得到多孔无定形的亚稳态化合物，再经粉磨得到高炉渣。高炉渣在水淬过程中，没有释放的热能以化学能储存在物质中，使其具有潜在活性，在水泥水化或活化剂作用下表现出较高活性。
高炉渣在建筑材料领域主要用于水泥混合材、混凝土掺合料以及道路修筑等方面。高炉渣不仅活性高，而且对混凝土工作性能及耐久性能具有改善作用[35]。将高炉渣与钢渣按一定比例复掺可以促进水泥的早期水化[36]，并且高炉渣中的活性物质又可减弱钢渣中f-CaO、f-MgO的不利影响。学者们利用高炉渣、石灰石粉和黏土制备出二元、三元和四元复合胶凝材料，结果表明，掺入高炉渣的四元复合胶凝材料不仅可以有效降低碳排放，而且其耐久性更好，应用前景更广阔[37]。
3.2 钢渣制备绿色建材
钢渣中含有C3S、C2S等矿物成分，与硅酸盐水泥成分相似，具有潜在胶凝活性。钢渣具有密度大、强度高、耐磨性强等特点，经过一定处理后可以用于道路铺设垫层和基层。钢渣成分中含有植物生长所需的化学元素，可以用于农业肥料。此外，钢渣还可应用于沥青混凝土、污水处理、土壤改良等领域。但是，钢渣用于制备绿色建材可以更好地实现高值化利用[38]。
钢渣内部晶体发育完整，缺陷少，导致其胶凝活性较低。但是钢渣具有与水泥熟料相似的化学成分并具有潜在胶凝活性，采取适当的改性方法，能够有效提高钢渣胶凝活性[39]。机械活化可以引起钢渣晶格错位、增加晶体缺陷，从而使其活性显著提高。通过湿磨技术对钢渣进行处理，增加湿磨钢渣掺量可以延长钢渣-水泥的初凝和终凝时间，湿磨钢渣在CO2排放和成本方面均低于水泥[40]。钢渣化学活化主要利用化学试剂提供适当的碱性环境促使钢渣中Si—O键和AI—O键发生断裂，并与溶液中的Ca2+、Na+等金属阳离子发应生成类沸石水化产物。不同的化学活化剂对钢渣具有不同活化作用，采用柠檬酸钾化学活化转炉钢渣，可以显著降低浆体的需水量，能够生产出低孔隙率、高强度的胶凝材料[41]。然而，单一化学活化剂激发效果有限，开发钢渣基复合化学活化剂是未来研究的重要方向。
钢渣内部含有的较多小孔隙使其具有较好的吸水性，钢渣中的f-CaO、f-MgO容易与水发生水解反应，导致其体积膨胀明显。针对钢渣体积稳定性差的问题，适当陈化处理可以提高体积稳定性[42]。此外，钢渣具有较强的CO2封存能力，在富CO2环境中可以消耗膨胀组分并形成碳化产物[43]。钢渣碳酸化处理制备建筑材料是钢渣资源化利用的一种新途径，也是促进钢铁行业实现碳中和探索的新趋势。
3.3 铁合金渣制备建材
不同铁合金在冶炼过程中原料及冶炼工艺均存在显著差别，导致其物理化学性质差异明显。水淬的硅锰渣，玻璃相含量较高，具有较高的胶凝活性，可用于渗水砖、微晶玻璃、混凝土掺合料等。然而氧化锰含量过高限制了其广泛应用，综合利用率远低于高炉矿渣。相比电炉镍铁渣，高炉镍铁渣CaO和Al2O3含量较高，具有一定的胶凝活性。高炉镍铁渣含氧化铁较高，可用作水泥制备原材中铁质校正原料。铬铁渣中的中低碳铬铁渣的活性相对较高，高碳铬铁渣经过处理后可用作混凝土细骨料。
目前，我国对铁合金渣的利用主要集中于水泥和混凝土制品。用粒状硅锰渣部分替代高炉矿渣制备硅酸盐水泥，与纯矿渣水泥相比，硅锰渣矿渣水泥早期水化反应较慢，后期水化速度加快，28d抗压强度几乎持平。硅锰渣掺量可以达到40%，是一种潜在的可替代高炉矿渣的原料[44]。镍铁渣含有较多的活性物质，可应用于水泥混合材和混凝土掺合料。根据现有研究[45]，控制比表面积在350~550m2/kg时，镍铁渣掺量应控制在30%以内。铬铁渣可以用作混凝土粗细骨料并且作为骨料其物理力学性能优于普通天然骨料。然而，铬铁渣中含有大量有害元素，还需进一步探究铬铁渣混凝土力学性能、耐久性及长期安全性等问题[46]。
4 煤矸石制备建筑材料现状
4.1 用于生产水泥
生产混合水泥熟料是各类工业固体废弃物综合利用的主要方式。煤矸石中以黏土矿物为主，其中SiO2、A12O3和Fe2O3等总含量一般在80%以上，可以替代或部分替代黏土作为水泥生产原材料[47]。煤矸石与生石灰和其他的原材料按照一定比例进行研磨，经煅烧后形成水泥矿物。由于煤矸石中含有一定量残留的碳，在煅烧过程中可以持续放出热量，有效降低水泥生产能耗[48]。研究表明，煤矸石的加入可以使水泥煅烧温度下降50~100℃。然而，煤矸石中也含有大量的石英，其反应活性远低于黏土材料中的活性硅铝酸盐，严重制约着煤矸石作为黏土替代品在建筑行业的应用。
4.2 混凝土矿物掺合料
煤矸石虽然化学结构相对稳定，但由于其内部含有黏土类矿物，需借助一定的物理和化学方法改变其结构状态，进而提高其反应活性用于混凝土矿物掺合料[49]。当煅烧温度为750℃、保温时间为4h时，热活化后的煤矸石-水泥体系水化反应程度较高，表明这一煅烧温度下煤矸石的活性最高。然而对于煤矸石的最优煅烧温度，不同学者研究结果也存在一定争议；FRÍAS等[50]将煤矸石在650℃的电炉中煅烧2h后，混凝土强度却发生显著降低。机械活化后进一步热活化可以有效地提高煤矸石的活性，混凝土抗压和抗折强度都得到小幅提高；郭伟等[51-52]讨论了不同煅烧温度和机械活化对煤矸石水泥早期水化强度的影响，结果表明，700℃的煅烧温度下煤矸石水泥的早期水化最快，产生的水化凝胶产物多，抗压强度高，总孔隙率低。随着煤矸石比表面积的增大，复合水泥的水化加速期放热速率降低，水化减速期放热速率升高。
4.3 混凝土骨料
以长石和石英为主要矿物的煤矸石具有优异的强度，因此利用煤矸石作为骨料制备混凝土建材是一种很有前途的综合利用方式[53]。张大明等[54]分别用碱性干粉和氢氧化钠溶液作为激发剂制备煤矸石混凝土，结果表明，利用煤矸石和激发剂制备的混凝土抗压和抗折强度分别比普通混凝土高27.9%和21.3%，主要缘于碱性活化剂中的NaOH可以促进硅铝相的溶出，与Ca(OH)2反应形成硅酸钙和铝酸盐，而利用碱性干粉激发剂制备的混凝土强度要优于氢氧化钠溶液制备的混凝土。此外，煤矸石中残留的碳及有机质在混凝土长期的养护过程中会持续发生氧化反应放出热量，容易导致混凝土开裂等问题。
4.4 烧制陶粒
用轻集料配制混凝土具有质量轻、强度高、隔热保温效果好等诸多优点。煤矸石烧制轻质陶粒已有大半个世纪的历史[55-56]，我国自20世纪80年代开始对煤矸石烧制陶粒及混凝土制备进行研究。邱继生等[57-60]长期开展对煤矸石烧制陶粒的相关研究，结果表明煤矸石陶粒的掺入有助于改善混凝土的微观孔隙结构，掺量达到40%时，抗压强度最优。邱景平等[61]利用煤矸石陶粒制备轻质混凝土，降低了混凝土收缩率，提高了混凝土产品的稳定性。目前，由于轻质混凝土存在性能优异、施工成本低等优点，烧制陶粒成为煤矸石综合利用的主要方向之一。
4.5 制备烧结砖
煤矸石中含有丰富的高岭土、长石等硅铝酸盐类矿物，这些矿物与烧结砖所使用的黏土成分类似，因此为煤矸石作为主要原材料用于制备烧结砖提供了可行性。在制备工艺中，煤矸石中剩余的碳、有机物等成分在高温作用下发生氧化反应，放出热量，起到降低烧结温度的作用。研究表明，在1200℃的温度下，利用煤矸石烧结出的砖具有最优的性能[62]。XU等[63]利用煤矸石和粉煤灰作为主要原材料制备烧结砖，结果表明，当粉煤灰和煤矸石各自比例为60%和35%时，烧结砖可达到MU30水平。金彪等[64]利用10%污泥、40%煤矸石和50%页岩，经1050℃烧结制备出强度等级达MU15的烧结砖；尹青亚等[65]利用煤矸石和赤泥烧制多孔砖，二者的总掺量达到75%，强度等级达到MU18。然而，烧结砖在建筑材料中应用范围较狭窄，因此该方式制约着煤矸石的高效综合利用。
5 炉渣制备建筑材料现状
5.1 混凝土轻质骨料
燃煤炉渣经破碎、调整级配后，可作为轻质骨料，配制容重低于1800kg/m3的轻质混凝土[66]。现阶段，采用燃煤炉渣作为轻质骨料，经试配后可以制备出满足JGJ/T 283—2012要求的密度为1645.5kg/m3的自密实轻骨料混凝土，养护28d后抗压、抗折强度分别为16.3MPa、2.2MPa[67]。还可以制备掺杂纤维的自密实轻骨料混凝土，当水胶比0.42，玄武岩掺量1.5kg/m3时，28d抗压强度为21.89MPa、抗折强度为2.61MPa，符合轻集料混凝土隔墙条板的强度[68]。燃煤炉渣经机械加工后制备的再生粗骨料，掺量可达30%~50%且符合《自保温混凝土复合砌块》（JG/T407—2013）标准。燃煤炉渣再生骨料的掺入虽然会降低砌块的强度，但是可以显著提高砌块的保温性能[69]。此外，采用燃煤炉渣与粉煤灰、脱硫石膏，掺加少量的水泥和石灰可制备出表观密度为1.370~1.617g/cm3的绿色轻质建筑砂浆[70]。
5.2 混凝土矿物掺合料
燃煤炉渣经机械粉磨可以激发其部分活性应用于混凝土掺合料中。混凝土抗压强度随燃煤炉渣掺量增加，呈先增大后减小趋势，最优掺量在20%~30%，抗压强度最高可达80MPa[71-73]。在质量分数为3.5%的NaCl溶液中浸泡一定时间后，混凝土表面氯离子浓度随着燃煤炉渣粉掺量升高呈现先增大后减小趋势。当燃煤炉渣掺量30%时，混凝土表面氯离子浓度值达到最低[74]。
翟祥军等[75]通过试验证明了炉渣作为大体积混凝土掺合料的可行性，磨细后的炉渣化学组成、颗粒形状等与粉煤灰基本一致且具有一定活性，具有作为大体积混凝土掺合料的潜力。SMARZEWSKI等[76]分析了添加燃煤炉渣和铸造废砂的高性能混凝土的力学性能和耐久性，结果表明，燃煤炉渣和铸造废砂的使用可以使高性能混凝土具有不同的润湿性和粘附性，同时可以提高其抗盐结晶的能力，然而抗冻融性能却显著降低。燃煤炉渣须经过机械活化等方式充分激发自身活性才能更好地应用于混凝土掺合料，这也是限制燃煤炉渣作为掺合料大规模使用的原因之一，如何克服燃煤炉渣自身活性较低的缺点需要进一步探索。
5.3 制备陶瓷产品
燃煤炉渣与粉煤灰具有相似的物理性质、化学组成，两者主要成分均为石英、钙长石、方解石、莫来石、磁铁矿等，并以Si、Al、Ca、Fe等为主要化学元素组成，因此可以借鉴粉煤灰在陶瓷产品方面的应用，采用燃煤炉渣制备陶瓷产品。葛雪祥等[77-78]以燃煤炉渣为主要原料，采用燃煤炉渣协同多种固体废弃物制备高强度发泡陶瓷，并阐释了高强发泡陶瓷的设计原理和制备方法，系统总结了炉渣发泡陶瓷组成-孔结构-性能的相互关系以及发泡陶瓷的孔结构及其形成机制与影响因素。此外，CHEN、GLYMOND等[79-80]对燃煤炉渣制备陶瓷砖进行了较为深入的探索，分析了烧结温度、黏土掺入量等因素对于陶瓷砖性能的影响。陶瓷产品具有良好的发展前景，将燃煤炉渣应用于制备陶瓷产品将是一个具有发展潜力的方向。
6 脱硫石膏制备建筑材料现状
6.1 生产硫铝酸盐水泥
硫铝酸盐水泥是石灰石、矾土和石膏在1250~1350℃条件下煅烧形成的以无水硫铝酸钙和硅酸二钙为主要矿物组成的熟料，再添加适量石膏共同粉磨制成的水硬性胶凝材料。脱硫石膏可以替代天然石膏烧制硫铝酸盐水泥熟料，也可以替代少量石膏与熟料共同粉磨。
由于脱硫石膏替代天然石膏的主要作用是提供SO3，因此作为原材料烧制硫铝酸盐水泥熟料时，其用量需控制在20%~35%。目前，为了提高脱硫石膏的掺量，研究者们采用了不同的方法，较早的一种方法是将其与铝相、钙相固废材料混合烧制硫铝酸盐水泥熟料，例如采用煤矸石、铝渣、电石渣和脱硫石膏混合烧制硫铝酸盐水泥熟料[81]，这种方法可以进一步降低烧制熟料的原材料成本，但脱硫石膏使用量仍受原材料比例的控制，用量提升幅度较小；另一种较新颖的方法是在脱硫石膏替换天然石膏的基础上再度替代石灰石，即利用脱硫石膏同时提供原材料中的SO3和CaO，这一方法可使脱硫石膏在硫铝酸盐水泥熟料原材料中的总用量达70%以上[82]。未来仍需更多系统研究来确定原材料配合比例和优化烧制工艺。
熟料烧制完成后替代部分天然石膏共同粉磨也是利用脱硫石膏的有效途径之一。脱硫石膏的加入与无水石膏类似，均能促进硫铝酸盐水泥的早期强度，且少量的脱硫石膏（约10%）更有利于钙矾石的形成[83]。硫铝酸盐水泥的煅烧温度比硅酸盐水泥低，烧制时的CO2排放量也明显减少。我国硫铝酸盐水泥的生产量呈逐年增长的趋势，脱硫石膏在生产硫铝酸盐水泥中的应用前景广阔。若能将脱硫石膏同时替换烧制熟料时的石灰石、天然石膏以及后掺用于共同粉磨，那么脱硫石膏在生产硫铝酸盐水泥中的利用率还能进一步提高。
6.2 硅酸盐水泥缓凝剂
硅酸盐水泥熟料一般需要与适量的天然石膏混合制成水泥，这是由于熟料中的铝酸三钙与水反应后会立即硬化，石膏的加入可减缓铝酸三钙与水之间的快速反应，一般天然石膏的用量在3%~5%，受石膏纯度影响还会有一定的变化[84]。
利用脱硫石膏替代天然石膏作为硅酸盐水泥熟料中的缓凝剂是降低天然石膏使用量和资源化利用脱硫石膏的有效方法之一。与天然石膏相比，脱硫石膏作为水泥缓凝剂时可使凝结时间延长1h左右，但其用量要比天然石膏多，主要由于脱硫石膏中含有水分和杂质，且其中水分和杂质还会影响水泥的和易性[85-86]。脱硫石膏的水分和杂质含量是影响水泥缓凝效果和水泥质量的重要因素，因此提升脱硫石膏的缓凝效果和水泥的品质的关键是有效去除脱硫石膏中的水分和杂质，即提纯脱色过程[87]。现阶段，脱硫石膏脱色提纯的工艺由物理提纯方法逐渐变为物理-化学结合的方法，脱色提纯后纯度可达96%，但仍需探索更环保、成本更低的提纯方法，以降低脱硫石膏的资源化利用成本。
6.3 混凝土矿物掺合料
脱硫石膏用于混凝土掺合料的掺量一般在10%以下，过多的脱硫石膏会使胶凝材料硬化后期生成较多钙矾石，致使胶凝材料硬化体膨胀开裂[88]。热活化方法可以提高脱硫石膏在胶凝体系中的掺量，经800℃活化后，脱硫石膏掺量约18%时，胶凝体系28d强度与水泥净浆持平，体积稳定性也满足要求[89]。热活化方法可以提升脱硫石膏掺量，但提升幅度有限。另一种可以显著提升脱硫石膏在胶凝体系中掺量的方法是采用先静置消化后湿热养护加自然养护的养护制度，即先消化18h、后在60℃条件下蒸养21h，可在提升胶凝体系强度的基础上将脱硫石膏的掺量提升至40%左右[90]。
脱硫石膏复合胶凝材料已有一些应用研究，例如：脱硫石膏-二级粉煤灰-水泥体系的脱硫石膏用于砌块填充墙体[91]、脱硫石膏复合胶凝材料用于自流平砂浆[92]和注浆加固浆液[93]、脱硫石膏轻质改性填充材料用于冷弯型钢组合墙体[94]等。总体来看，脱硫石膏作为复合胶凝材料时，胶凝材料早期强度一般小于水泥净浆，但其优势在于强度的长期增长。脱硫石膏与水化产物进一步反应生成的钙矾石晶体虽对强度有利，但同时增加了材料开裂的几率，如何平衡脱硫石膏掺量和体积稳定性将是脱硫石膏作为复合胶凝材料的关键问题。
7 结论与展望
（1）铁尾矿用于制备绿色低碳建筑材料是目前铁尾矿综合利用的主流方向。铁尾矿用于煅烧水泥熟料的掺量仅15%左右，需要研发新设备、新技术等，并在提高铁尾矿掺量的同时保证水泥产品的质量；铁尾矿废石用于骨料时，需探索新型骨料整形工艺和设备；铁尾矿作水泥掺合料时，为了可以低成本、高掺量进行使用，需优化设计高效提高铁尾矿活性的方法。目前铁尾矿通过研磨、煅烧等活化方式可以促使非活性物质从晶态向非晶态转变从而用于辅助胶凝材料，然而研磨和煅烧耗能过高，同时最佳活化时间难以把控。未来需要以低能耗、高效益为目标，深入系统地研究铁尾矿的最优活化方案设计。
（2）粉煤灰建材化利用需要研发新工艺以提高粉煤灰的利用率，降低粉煤灰堆积带来的环境影响。大掺量粉煤灰制备混凝土（掺量≥50%）正受到科研人员的关注，攻克大掺量粉煤灰制备的混凝土前期强度不够这一难题是稳定粉煤灰利用率的关键；同时应进一步探索粉煤灰活化方式，特别是粉煤灰多固废耦合利用的协同效应，粉煤灰纳米改性、生物改性等可行途径。在粉煤灰制备陶粒方面，目前还以焙烧为主，免烧陶粒尚处于研制阶段，可从多孔免烧陶粒的外加剂选择、工艺和环境安全性等方面进行深入研究。此外，利用粉煤灰地质聚合物制备建筑材料时会存在反碱问题，这个问题严重制约了粉煤灰地聚物材料的广泛应用，应进一步深入研究。
（3）高炉矿渣在建材领域广泛应用使得高活性高炉矿渣供应不足，基于多固废协同作用，将矿渣与其他固废混合制备复合掺合料，开发新型矿渣基复合掺合料，实现低活性掺合料替代矿渣的目的，有利于矿渣的高值化利用。钢渣难以规模利用在于其活性低及体积稳定性问题，对钢渣开展复合化学活化剂及碳酸化处理是提高钢渣利用率的有效途径。铁合金渣在生产水泥和混凝土中的应用是其主要的利用途径，其活性激发及长期安全性问题是未来的研究重点。
（4）煤矸石在建筑材料领域的综合利用方式主要取决于其矿物组成。对于以高岭土等黏土类为主要矿物成分的煤矸石，由于其含有丰富的潜在活性硅铝酸盐，可以作为天然黏土的替代品生产水泥原材料或烧制陶粒等，同时，这些具有潜在活性的硅铝酸盐矿物成分经活化后也可以作为掺合料，制备煤矸石水泥，然而存在反应活性不足无法完全替代黏土的问题。以长石等矿物为主的煤矸石，由于其潜在活性较低，可以直接或破碎后作为粗细骨料用于砂浆、混凝土等建材的生产。
（5）目前采用燃煤炉渣主要应用于混凝土及砂浆骨料、混凝土掺合料以及制备陶瓷产品。混凝土及砂浆骨料方面，主要采用燃煤炉渣作为轻骨料使用；混凝土掺合料方面，需要先将燃煤炉渣采用机械活化的方式磨细，充分激发其活性，然后替代部分水泥使用；陶瓷产品方面，主要借助其丰富的钙铝硅资源制备陶瓷产品。燃煤炉渣具有与粉煤灰相似的物理性质，化学组成，但燃煤炉渣宽泛的粒径分布和疏松多孔的颗粒结构，难以像粉煤灰一样直接应用于建材。针对燃煤炉渣进行高效机械活化方案设计是提高其综合利用的有效途径。
（6）脱硫石膏用于生产硫铝酸盐水泥已实现70%以上的掺量，而且仍有提高的空间；用于硅酸盐水泥缓凝剂时，可完全替代天然石膏；用作混凝土掺合料时，其掺量最高可达40%左右，且复合胶凝材料已有一定的基础研究和应用研究成果。总体来看，将脱硫石膏用于建材是完全可行的，应用前景广阔。但是，目前仍需突破脱硫石膏的高效低成本提纯工艺和大掺量条件下胶凝体系的体积稳定性。脱硫石膏中含有水分和杂质，影响其纯度，进而影响其应用效果，所以脱硫石膏的脱色提纯工艺是决定其高值化利用的关键因素；脱硫石膏在掺量较大时易产生体积不稳定，利用脱硫石膏在激发、缓凝、加速强度增长等方面优势时，需平衡体积稳定性的影响。
（7）大宗工业固废制备绿色建材是确保我国工业可持续发展的一项长远战略方针，要想提高大宗工业固废综合利用水平，需因地制宜地选择适当的工业固废处置和利用方式。在现有的政策基础上，科研单位和相关企业要进一步加强技术创新和模式创新，探索工业固废跨行业的协同处置和利用方法，调动工业固废综合利用企业的项目建设积极性，为逐步实现大宗工业固体废物综合利用的规模化和高值化发展，进一步提高我国的大宗工业固废综合利用水平提供合理参考。
作者丨顾晓薇，张延年，张伟峰，赵昀奇，李晓慧，王宏宇
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