泥沙資源化利用技術研究進展*

汪欣林，馬 鑫，梅銳鋒，楊麗艷，李春全，孫志明

(1.中國礦業大學(北京) 化學與環境工程學院，北京 100083；2.內蒙古水利科學研究院，內蒙古 呼和浩特 010018)

0 引言

自然界中，泥沙主要是指在水流中運動或經風力、重力等作用沉積而產生的肉眼可見的固體顆粒集合體。泥沙主要有危害性和資源性兩大屬性，其危害性主要體現在：龐大體量的泥沙會以泥石流、洪水泛濫、污染的形式給生態環境和人類社會帶來危害，還會致使水庫淤積，從而影響河流的泄洪及通航、農業生產以及水利工程[1]；其資源性主要體現在：泥沙中含有營養元素、有機質及石英、長石、黏土等硅鋁酸鹽礦物，使其在建筑材料、土壤修復、環境保護等方面具備良好的應用潛力[2-7]。目前，細顆粒泥沙的大量堆存不僅占用了寶貴的土地資源，而且還帶來了嚴重的生態環境和安全問題。隨著國家環保政策愈發嚴格，如何實現泥沙的大規模資源化利用，已成為本研究領域的重點與難點。所謂的“資源化”，指的是通過一定的技術手段實現廢物的充分利用，這也是循環經濟的重要內容。泥沙作為一種天然資源，在充分認識其資源性的基礎上，發揮泥沙資源屬性并有效實現其最大化利用，已成為我國建設資源節約型、環境友好型社會和實現循環經濟的基本要求。

近年來，泥沙資源化利用技術以及泥沙在陶瓷、板材、磚、備防石、固化土、混凝土等建筑材料以及在土壤修復、環境治理、采空區充填等方面的應用研究取得了諸多進展?；谀嗌迟Y源化利用的主要方向，本文系統總結了泥沙資源化利用技術研究進展，并對現有技術的發展前景與存在的問題進行了分析，以期為未來泥沙資源化利用新技術的開發及深入研究提供參考。

1 泥沙在建筑材料中的應用

1.1 泥沙制備陶瓷及微晶玻璃

陶瓷主要是指以黏土等無機非金屬礦物為原料經混勻、成形、煅燒而成的各種制品。泥沙中的成分適宜用于制備陶瓷材料，并且可在不影響陶瓷產品各項主要指標的同時有效降低生產成本。但是，泥沙中含有的Fe2O3、有機質等會使陶瓷制品的顏色呈磚紅色并產生針孔、溶洞等缺陷，需要通過釉面裝飾、涂刷化妝土或配方調整等方式進行改善。目前，利用泥沙制備陶瓷的類型主要集中在陶瓷磚[8]、發泡陶瓷材料[9-10]、建筑陶瓷[11]等。吳建鋒等[8]以黃河泥沙為主要原料，采用擠出成型法制備了黃河泥沙質陶瓷清水磚，性能測試結果表明，黃河泥沙添加量為60%的配方H-2，經1 100 ℃燒成樣品的吸水率為7.84%，抗壓強度為15.67 MPa，符合國家標準的要求；徐曉虹等[10]利用黃河泥沙(摻量30%～70%)和赤泥(摻量10%～50%)成分的互補性制備了發泡陶瓷隔熱保溫板，通過調節陶瓷高溫熔體的黏度，形成大量不連通的獨立小氣泡(直徑0.1～3.0 mm)，具有輕質高強(抗壓強度≥1.5 MPa)、防火阻燃、抗老化性好的優點。泥沙在陶瓷制備領域的研究現狀如表1所示。微晶玻璃是一種玻璃相分布均勻、由基礎玻璃晶化而成的微晶體材料，具有機械強度高、低膨脹、化學性能好等優點，是一種新型綠色裝飾材料[14]。王雙華等[15]以鄭州花園口黃河泥沙為主要原料，采用整體析晶法，經1 200 ℃、2 h熔融后，得到均勻基礎玻璃，然后經過1 050 ℃、0.5 h熱處理，最終得到具有良好力學性能的微晶玻璃，其內部晶體和玻璃相互交錯并結合緊密，沒有明顯的微裂紋等缺陷，展現出了良好的應用前景。

表1 泥沙在陶瓷制備領域的研究現狀

1.2 泥沙制備板材

泥沙制備板材是泥沙資源化的重要途徑之一，且泥沙類型適用范圍廣，如尾礦泥沙、黃河泥沙和淤泥等均可得到有效利用。

代霞[16]發明了一種利用金屬礦選礦所產生的尾礦制備隔墻板材的技術，該隔墻板結構簡單、隔熱隔音、防火性能好、使用壽命長，且較傳統混凝土結構更輕。該技術有效解決了此類尾礦處理的難題，同時降低了傳統板材的生產成本。

趙保華等[17]以黃河泥沙為主要原料(摻量40%～75%)，摻入碳酸鈣粉、白云石、透輝石、純堿等輔料生產微晶板材，結構主晶相摻量為30%～90%(主要是微小β-硅灰石等)，板材吸水率<0.05%，耐酸率>98%，耐堿率>96%；該技術降低了金屬氧化物添加量，適宜連續生產，且生產效率高，節省能源，有效降低了板材的生產成本。趙保華等[18]還發明了一種同樣利用黃河泥沙為原料(摻量50%～78%)制備的微晶泡沫保溫板材，結構主晶相摻量15%～50%(主要是β-硅灰石等)，這種板材輕質高強、節能環保，適合應用于新型裝配式建筑。

李曉生等[19]以淤泥(摻量30%)、爐灰渣(摻量40%)和廢玻璃(摻量30%)為原料，加入秸稈為造孔劑在1 150 ℃的燒結溫度下，制備出了一種多孔建筑板材。

1.3 泥沙制磚

相比底泥、淤泥等泥沙類型，河流泥沙因蘊含大量的沙/砂質資源，在建材領域常作為原料制磚或保溫隔熱材料，并已得到推廣應用，具體應用情況如表2所示。

表2 泥沙在建材領域的應用現狀

李珉安等[23]使用泥沙篩分設備將黃河泥沙除雜分級后分為3個等級：上層沙粒徑≥40～60目，用于商用混凝土或鑄造行業；中層沙粒徑在40～60目與80～120目之間，用于制作加氣混凝土磚或外墻保溫用材料；下層沙粒徑≤80～120目，用于制作加氣混凝土磚。該工藝充分利用泥沙中不同粒度的沙/砂質資源，且生產工藝簡單，已成為泥沙資源化利用中最常見的手段，而且泥沙磚在建筑、道路等領域已展現出了良好的應用潛力。泥沙磚在達到國家對于墻體材料的強度要求的同時，還具有耐火、減重、抗震、抗剪切和節能等優點。此外，由于“禁實”(禁止黏土類實心磚)政策的落地，傳統黏土磚在原料、應用等方面受到諸多限制，這使得泥沙磚的開發與應用更符合當前市場對于新型墻體材料的需求[24-25]。

目前，泥沙制磚技術主要包括焙燒與免燒(蒸養或自然養護)兩種工藝。泥沙在制磚領域的研究現狀如表3所示。

表3 泥沙在制磚領域的研究現狀

由表3可知，燒結磚中泥沙摻量為70%～90%，高于免燒磚中20%～43%的泥沙摻量；泥沙磚的強度等級大多能達到MU10，能夠滿足承重墻體的要求，甚至部分燒結磚抗壓強度能達到20 MPa，可以取代傳統的黏土磚。此外，相比于黏土磚，泥沙磚在保證強度的前提下具有更輕的質量和良好的保溫隔熱功能。以淤泥沙的多孔磚為例，其所砌墻體較黏土實心磚墻體質量減少約13.2%；不僅減少了基礎荷載，更有利于抗震多孔磚砌體“銷鍵”的存在，大大提高了多孔磚砌體的抗剪強度，改善了墻體的抗震性能[24]；由于多孔磚存在一定的孔隙結構，其導熱系數較普通的實心磚大幅降低，可達到建筑節能的目的。但是，泥沙制磚技術仍面臨著產品廢品率高、能耗與生產成本較高、質量不穩定等問題，還需加強生產技術改造與培訓、提高生產技術水平并進一步降低應用成本[25,32]。相比燒結工藝，以泥沙為主要原料通過免燒工藝制備的泥沙磚具有設備投資少、能耗低、綠色環保等優勢，目前已成為泥沙制磚領域的研究熱點。陳穎等[33]以福州市晉安河淤泥為主要原料，研究了相關因素對淤泥固化免燒磚性能的影響，試驗結果表明，所用河道淤泥的最佳含水率為20%～25%，當水泥摻量為8%、土壤固化劑摻量為0.02%、在10 MPa壓力下成型時，淤泥固化免燒磚的強度等級可達MU10；劉繼狀等[30]采用石灰激發、增強相雙相復摻、加入少量防水劑的方法，在蒸養條件下制備出了同時滿足強度、耐水性能、抗凍性能要求的免燒磚，其中淤泥、石灰、粉煤灰、水泥、防水劑(外摻)的最佳質量比為43∶32∶20∶5∶5。

1.4 泥沙制備人工備防石

以泥沙為主要原料制備人工備防石，可滿足防汛石材的強度要求，從而代替天然石材用于防汛搶險，在保護生態環境的同時實現了泥沙的資源化利用。王萍等[34]以天然淤泥為主要原料制備了人工備防石，實現了原材料免淘洗且制備工藝簡單環保，產品在密度、強度(28 d抗壓強度7.3 MPa)和耐久性等方面的指標均滿足抗洪搶險的要求，具有單塊質量大、適合機械化施工的特點，并能較好地解決根石走失難題。張金升等[35]研發出了核殼結構黃河沙芯鋼筋混凝土復合結構備防石，其中的黃河泥沙、紅土、水、稻草梗的質量比為3∶1∶0.5∶0.1，并加入了高強度鋼絲纖維網和防滲劑，產品制作工藝簡單，設備投資少。宋萬增等[36]研發出了利用黃河泥沙制造人工防汛石材的成套設備，確定了振動時間30～45 s、物料含水率12%～14%為優化振動加壓成型條件。鄧雙等[37]以赤泥、黃河泥沙為主要原料生產了防汛石材，當赤泥和黃河泥沙摻入質量份均為400時，經養護后赤泥/黃河泥沙地聚物材料抗壓強度為49.4 MPa。綜上，將泥沙制成人工備防石并用于防汛搶險，可實現泥沙的直接資源化利用，并且大大降低了天然石材開采造成的環境損害，具有重要的環保意義和較好的工程應用前景。

1.5 泥沙制備膠凝材料

1.5.1 三合土、生土材料

所謂的“三合土”是指由石灰、黏土和砂組成的一種應用廣泛的建筑用膠凝材料，其具有密實堅固、不易透水、取材容易、耐久安全等優點。古代常用于地基、炮臺等設施的建設，如今三合土也廣泛用于公路工程、建筑地基處理等領域。泥沙主要含有沙/砂質與黏土成分，輔以石灰及其他組分，即可滿足制備三合土的原料要求，是泥沙資源化的有效途徑。張秉堅[38]在黃河泥沙摻量達57.30%時，通過添加5份預糊化糯米粉和1份減水劑，成功制備了一種灌注用糯米三合土，且與傳統工藝相比，其28 d抗壓強度得到了顯著提高，并大大降低了生產成本。彭紅濤等[39]在細砂體積分數為20%時，通過在每33 m3土料中摻入1 L派酶(生物酶液體制劑，無毒，微甜)的方式，使得產品28 d無側限抗壓強度達到9～10 MPa，其機理是：派酶的摻入有效增加了土體中的細小孔隙，從而增大了土體顆粒間的凝聚力和相互作用力。

泥沙制備三合土的研究現狀如表4所示。由表4可知，三合土中的泥沙質量分數為12.5%～57.3%，且其大多是通過在河沙中添加石灰和黏土混合制成。在三合土的制備工藝研究中，不同產品的28 d抗壓強度有較大差別，其關鍵在于固化劑的選擇與復配、減水劑和偏高嶺土等活性物質的引入[38-41]。針對三合土抗壓強度偏低的問題，可對泥沙進行活性激發(如采用NaHSO4、CaCl2、水玻璃等[42-43]活性激發劑)以提高產品的抗壓強度與軟化系數。生土材料是指未經焙燒而直接對原生土進行簡單加工并直接使用的建筑材料，在我國傳統的農村建筑中普遍存在。目前普通生土材料在力學性能、耐久性等方面存在諸多弊端，難以大規模應用。劉俊霞等[44]采用傳統的振搗成型自然養護工藝，活化泥沙、無機膠凝材料、砂的質量比為65∶25∶10，再摻入1.8%(占材料總質量)的聚丙烯酸鈣和0.8%的(占材料總體積)黃麻纖維，制備出了抗壓強度達13.9 MPa、軟化系數為0.88的生土材料；該生土材料通過無機水化產物、有機聚合物和植物纖維的協同固化作用，形成了連續、半連續和互相搭接的3套網絡結構體系。上述研究表明，將黃河泥沙固化并應用于生土材料具有可行性，是泥沙資源化利用的一種有效途徑。

表4 泥沙在三合土領域的研究現狀

1.5.2 固化土、混凝土

所謂的“固化土”指的是土壤固化劑與各類土壤發生化學或生物作用，改變土的結構、親水性等，從而使土壤具有一定的承載能力、抗滲能力和耐久性[45]。泥沙制備固化土，一般是將各類固化劑單摻或混摻入泥沙中，將其固化成具有一定強度的固化土產品，其強度往往低于混凝土，常用于對強度要求不高的工程領域。泥沙在固化土方面的研究現狀如表5所示。由表5可知，常用固化劑有傳統固化劑(如石灰、水泥、礦渣等)和新型固化劑(如聚丙烯纖維、A-5型土體固化劑、HAS高強耐水土壤固化劑H400等)；固化劑的摻量一般在2%～40%，其隨固化劑類型不同而有所差異，但固化后土壤強度差別較大。未來應對固化劑用量、種類、品種復配等進行深入研究，從而實現泥沙在固化土方面的大規模利用。

表5 泥沙在固化土領域的研究現狀

以泥沙為原料制備混凝土，可有效增強產品的密實性，并減少對天然資源的依賴。泥沙在混凝土領域的研究現狀如表6所示。由表6可知，泥沙在混凝土中的摻量在22%～86%，多用于塑性混凝土、加氣混凝土等，產品28 d抗壓強度在5.6～53.0 MPa，應用領域包括建筑、建材、防滲、生態建設等。根據現有研究成果，未來應結合工程實際，在保證產品性能和經濟效益的基礎上尋求最佳原料配比，并盡量提高泥沙用量，以實現經濟效益與環境效益的最大化。

表6 泥沙在混凝土領域的研究現狀

2 泥沙在環保領域的應用

2.1 泥沙在土壤修復中的應用

以泥沙為原料直接或經過處理后加入土壤中，可有效改善土壤的理化性質(有機質含量、植物必需營養元素含量、陽離子交換量、土壤孔隙度、土壤含水率等)，實現土壤(如鹽堿土、礦山廢棄地土壤等)的改良與生態修復。近年來，泥沙在土壤修復領域的研究進展如表7所示。由表7可知，在土壤修復中可以利用的泥沙類型有底泥、淤泥、黃河泥沙等，泥沙摻量可達25.0%～99.8%，常用配料包括氧化鈣、生物炭、蛭石等。以黃河泥沙為代表的河道泥沙在改造鹽堿地[22,54-56]方面已有了廣泛應用，而淤泥和底泥則因富含有機質和營養元素主要應用于土壤修復。劉科等[57]將河道淤泥初步篩分除雜后，添加0.1%(占淤泥質量)的高活性氧化鈣，攪拌均勻后靜置30 h，并添加0.1%(占淤泥質量)的有機肥發酵劑，混合均勻后發酵5 d，溫度為65 ℃左右時進行翻堆、降溫，最終制得了滿足CJ/T 340-2016《綠化種植土壤》要求的有機肥。和苗苗等[58]以河道底泥、菇渣、中藥渣等為原料堆肥生產三類土壤改良劑，結果表明：土壤有機碳質量分數增加的同時，酸性土壤改良劑使土壤pH由5.58提高到7.04；重金屬污染土壤改良劑使土壤中重金屬Cd的有效態總質量分數從77%降至59%，重金屬Pb的有效態總質量分數從30%降至22%；板結土壤改良劑使土壤孔隙度從47%提高到52%，土壤有機碳質量分數從15.27 g/kg提高到21.79 g/kg。

表7 泥沙在土壤修復領域的研究現狀

2.2 泥沙在環境治理中的應用

直接利用泥沙或利用泥沙為原料制備環保材料，可實現對水體、沙漠、危廢等的治理。泥沙在環境治理領域的研究現狀如表8所示。由表8可知，泥沙摻量為14.63%～100%，主要配料隨應用目的而有所差異。李品等[61]通過淤泥層內部和表層的電位差得到400 mV以上的電壓，串聯得到使LED發光的電壓和電流，實現淤泥原位利用的同時可有效改善河道水質。夏建新等[62]利用天然泥沙的吸附作用去除水體中重金屬，并分析了相關影響因素對去除率(K)的作用規律，結果顯示：污染物初始濃度、泥沙顆粒粒徑、離子強度越大，K越低；pH越大、泥沙含量越高(存在最佳泥沙含量)，K越高；K隨溫度的升高呈線性增大。

表8 泥沙在環境治理領域的研究現狀

3 泥沙在其他方面的應用

3.1 充填采空區

煤炭是中國的主要能源，其開采方式多為井工開采，常造成采煤區沉陷，導致大量土地被損毀。目前在塌陷土地復墾中，煤矸石、粉煤灰等工業廢棄物是主要的塌陷充填物，但因采空區巨大，因而往往還需要其他填充物來彌補充填物料的不足。泥沙充填采煤塌陷區，不僅解決了充填物來源的問題，而且還可有效改善土壤肥力。潘莊灌區利用引黃泥沙對邱集煤礦采煤塌陷地進行了淤改復墾，成為國內首個利用黃河淤沙治理采煤塌陷區的實踐項目[66]。項目建成后，土地生產力和產出率得到了有效提高，糧食產量增加860 t，產值增加1 624萬元，人均純收入增加420元，吸收安置剩余勞動力460人。劉廣柱[67]指出黃河泥沙恢復煤田沉陷區的方式包括機淤(管道水力輸送)方式、公路運輸方式、皮帶機輸送方式、引黃自流輸送和機淤聯合方式，且以聯合方式對巨野煤田沉陷區進行了治理，結果表明，該方式運行費用低、管理方便、過程污染小、干擾小、損耗少。胡振琪等[68]提出了引入黃河底層沉淀泥沙對采煤塌陷區進行充填，并利用動態沉陷來預計開采工作面地表下沉的速度和范圍，提前對可能出現塌陷的采煤沉陷地進行動態復墾，實現高潛水位平原礦區的煤炭開采與土地保護。

3.2 制備陶粒

陶粒是一種在高溫燒結或免燒條件下發生化學反應并產生膨脹制得的具有多孔結構、粒徑5～25 mm的顆粒材料。陶粒具有良好的物化特性(孔隙率高、輕質高強、保溫吸附等)，可用于建材、耐火保溫材料、化工、水處理、石油等領域[69-70]。傳統的陶粒制備原料主要是黏土、頁巖等礦產資源，目前的發展趨勢是原料逐漸轉向具有相似成分的粉煤灰、污泥、河道泥沙、廢石與尾礦等資源。目前國內此類陶粒在建材和污水處理等方面均已有應用。在建材方面，淤泥陶?；炷了目讟前遢^普通混凝土樓板具有減重和降低成本的優勢，其200 mm的淤泥陶粒外墻較混凝土墻體強度增加1倍，成本下降10%；在水處理方面，周顏等[71]以疏浚底泥制備了免燒陶粒，在凈水試驗中，22 d穩定后對COD、NH3-N、SS和TP的去除率分別達到了55%、65%、78%和50%，而經過磁改性后去除率能分別穩定在65%、69%、79%和51%。

泥沙制備陶粒技術的研究現狀如表9所示。由表9可知，在泥沙中摻加粉煤灰、膨潤土和黏土等配料，并采用合適的設備、流程以及燒結制度，可制備出性能優異、適用于不同領域的陶粒。但是，污泥、底泥等常含有病原菌、重金屬和難降解有機物等有害成分[72-73]，將其作為陶粒的原料時需妥善處理，如以底泥作原料時可對其中的污染物進行清除和固化，從而減少環境污染。

表9 泥沙在制備陶粒領域的研究現狀

4 結論與展望

隨著社會可持續發展理念與環保意識的不斷增強，泥沙的資源屬性日益得到人們的重視。近年來，泥沙的資源化、減量化及無害化處置已得到國內外學者的廣泛關注。泥沙資源化不僅符合泥沙治理開發的重大需求，也是國家實施可持續發展戰略與踐行循環經濟理念的必然選擇。目前，泥沙資源化應用研究主要集中在建材與環保領域，取得了一定的研究進展，但其大規模應用依然面臨諸多問題與挑戰：

a.泥沙作為一種廉價原料，其在陶瓷領域的規模化應用不僅有利于保護優質陶瓷原料，還可以降低生產成本，具有較大的應用潛力與發展前景，未來應重點研究泥沙制備陶瓷新工藝、新技術及泥沙陶瓷的應用，并進一步提高泥沙利用率。

b.泥沙制磚是泥沙資源化利用的重要途徑，在建筑、道路等領域具有較大的發展潛力與應用前景。相比于傳統黏土磚，采用免燒技術制備的泥沙磚往往自重更輕，具有良好的保溫隔熱性能與抗震性能，更符合市場對于新型墻體材料的發展需求。目前傳統高溫燒制的泥沙磚面臨著能耗及成本較高、廢品率高等問題，仍需進一步開發低成本、高性能的泥沙免燒磚制備工藝。

c.泥沙制備的膠凝材料可廣泛應用于建筑、防滲、公路工程、生態修復等領域，市場潛力巨大。但如何提高泥沙在混凝土中的用量、降低生產成本是本領域的研究難題。未來應進一步從原料配比出發，結合工程實際需求，在保證產品性能和經濟效益的基礎上尋求最佳配比，盡可能提高泥沙資源利用率。

d.利用泥沙可實現對水體及土壤污染的修復治理，具有廣闊的應用前景，但目前大規模利用仍存在諸多挑戰。未來應針對不同類型泥沙的理化特性，結合水體或土壤中的污染類型，開發具有針對性、效果穩定的水污染治理或土壤修復材料，并進一步降低產品應用成本。

e.泥沙陶粒具有輕質高強、保溫隔熱、良好的化學穩定性等特點，可廣泛應用于建材與環保領域。但目前泥沙制備陶粒技術仍存在能耗與生產成本較高的問題，限制了其規?；茫磥響M一步研究新型助熔原料、燒結制度、造粒與煅燒裝備等，從而制備出性能優異且價格低廉的泥沙陶粒產品。

f.目前泥沙資源化利用技術多集中在傳統建材領域，缺乏創新性應用技術，針對泥沙資源量大、綜合利用率低的問題，未來仍需開發大規模、高效率、高效益利用泥沙資源的新途徑，拓寬泥沙產品應用領域，進一步降低產品生產成本，不斷提高泥沙產品的市場競爭力。