我国是全球第一大铸件生产国，其中使用硅砂的黑色铸造仍是最主要的方面。按铸造生产用砂与铸件1:1计算，2018全国铸造旧砂可达4 935万t。这些旧砂如直接丢弃，则成为了铸造废砂（waste foundry sand，WFS），作为固体废物对环境有较大影响。加之近年砂开采受限，铸造用新砂资源紧缺，因此越来越多企业已经摒弃了传统的用后即扔的做法，开始关注旧砂循环再生。然而，循环是有极限的，在实际生产中铸造废砂仍大量存在。目前，铸造企业和砂处理、再生设备生产企业多数只关注再生砂性能、可再生比例及效率、循环次数等指标，很少考虑这部分不可避免的废砂应当如何处置。与此同时，现有的相关法规、政策及文件中，对不能再循环的铸造废砂的去向，也鲜有提及。铸造废砂是具有一定价值的固体废物，同时也存在一定的环境影响隐患，其合理处理处置，迫在眉睫。

1  铸造废砂

1.1  铸造用砂的生命周期

铸造用砂是铸造生产中最主要的一种辅助材料，其生命周期一般自离开自然界始，到彻底废弃为止。砂资源从自然界被开采出，经过一定的分选、处理后，成为符合铸造生产需求的铸造用砂。这一阶段一般由向铸造企业销售新砂的企业及其上游企业完成。

砂进入铸造企业后，首先经过一定的处理，根据具体工艺不同添加各种黏结剂及助剂等进行混砂，调至所需的成分比例后用于造型或制芯，经过浇注、凝固冷却、落砂，取出所需铸件毛坯后，所余旧砂经收集，可能直接丢弃，也可能加以回用。其中，性状改变不大的部分散砂可直接回用至混砂环节，而发生固化、结块等物化性质改变较大的部分则有必要经过砂再生工序（例如机械破碎、高温焙烧等），才能回用。铸造工艺在我国源远流长，因此传统工艺（黏土砂工艺）已发展出了多次循环用砂的技术，由于成分相对简单稳定，可实现大部分砂不需再生直接回用，多数黏土砂企业也有多次用砂的习惯；但对水玻璃砂、树脂砂等新兴铸造工艺，由于化学黏结剂的加入，落砂后的旧砂大部分很难直接回用，通常必须进行砂再生，否则只能全部丢弃。

一方面，循环从来都不可能是无限的，多次使用后铸造用砂必然性能下降，如需保证使用性能，通常最可行或最经济的方法就是排出部分旧砂并补充一定量新砂，这一部分排出的旧砂则成为了废砂。另一方面，砂再生设备在技术上和经济上都不能实现100%完全再生，因此也需要排出一部分无法再生的旧砂，成为废砂。此外，还存在部分企业粗放生产，不考虑砂再生和砂回用，直接丢弃旧砂的做法。这三方面来源的废砂，则需要进行必要的处理处置。这一阶段通常已经离开了铸造企业，由固废处理处置企业及其下游企业完成。废砂如果能够被资源化再利用，则进入一个新的、属于其他产品生命周期；如果直接废弃进行最终处置，则为其生命周期的终点。

图1  铸造用砂的生命周期
Fig.1 Life cycle of foundry sand

1.2  铸造废砂的成分及性质

目前铸造生产常用的型砂工艺，主要有黏土砂、树脂砂和水玻璃砂三种。根据混砂时添加的成分不同，其废砂可能含有的主要成分，及各类废砂的性质，见表1。铸造废砂的成分和性质直接决定了所需的后续处理、可能的处置手段和资源化利用的可能性。黏土砂废砂成分相对简单，较新砂的主要区别在于颗粒细且粒径分布不均匀，且灰分含量高。因此，在对粒径分布和灰分含量要求不高时，使用部分黏土砂废砂替代天然砂是可行的。水玻璃砂和树脂砂由于添加了化学黏结剂（水玻璃或树脂），其废砂一方面成分较为复杂，另一方面落砂后多数仍呈结块状、具有较高的机械强度，而一般仅机械破碎处理很难恢复使用性能（水玻璃砂水洗、树脂砂高温焙烧后，能获得较好再生效果），因此与天然砂差别较大，更难资源化利用。

表1  不同铸造废砂可能含有的成分及性质
Tab.1 Composition and properties of different foundry waste sand

1.3  铸造废砂的处置思路

一般固体废物的处置思路有两种，其一是进行最终处置，一般为陆地填埋，这是材料和产品生命周期的终点；其二是进行处理后资源化利用，转化成其他形式的材料或产品，继续留存在人类社会物质循环中，进入新的生命周期。铸造用砂主要成分是无机物二氧化硅，耐高温耐腐蚀，因此填埋处置是可行的。但填埋不仅占用土地资源、存在卫生和污染隐患，而且对固体废物所含有的价值是极大的浪费。目前，各行各业已有越来越多的大型制造业企业提出了“零填埋”的口号，追求固体废物的全部资源化利用。因此，对铸造废砂进行资源化利用，是较为理想的处置思路。

2  国内外铸造废砂的资源化利用研究及实践

2.1  用于基础建设

由于铸造用砂本质是掺有少量杂质且物理性质发生了变化的天然砂，因此取代天然砂用于基础建设，是最常见的资源化利用思路，也是国内外主要研究方向。例如混制水泥，控制性低强度回填材料（或称“流填料”），替代沥青中的部分添加物，生产预制建筑砌块，等等，无论黏土砂或树脂砂废砂均有报道。其中，研究较多的是铸造废砂用于部分替代细集料混制水泥。大量研究表明，将一定比例的天然砂替换为铸造废砂是可行的做法，不同混制水泥实验中可行的天然砂替代比例见表2。

表2  不同混制水泥实验中可行的天然砂替代比例
Tab.2 Feasible replacement ratio of natural sand in different cement mixing experiments

在欧洲和美国的一些地区，铸造废砂用于路政建设已受到认可并已有相关制度，因此铸造废砂用于基础建设的实际应用国外有较多研究报道，例如用作挡土墙回填料^[8]，用于铺设路基^[9]或公路护堤^[10]。国内实际应用研究相对较少，有研究尝试使用铸造废砂替代沥青混合料的细料铺筑了试验路段并连续三年对试验路段进行钻芯取样，结果表明废铸砂沥青路面较普通沥青路面的压实度更高、空隙率更低，使用寿命较更长^[11]。

2.2  用于制造砖等材料

同样是用铸造废砂代替天然砂的资源化利用思路，可将铸造废砂用于制砖。国外有使用电弧炉炉渣和铸造废砂混合物替代30%原料烧制黏土砖（红砖）的实验取得了成功，成品性能与常规红砖差别不大，且没有显著环境问题^[12]。国内也已有使用铸造废砂制砖的报道^[13]，例如制作蒸压砖^[14]，免蒸砖^[15]等。利用铸造废砂、熔炼水渣加水泥等材料，经适当处理并施加高压制步道砖也已取得了成功^[16]。

2.3  用于制造陶瓷或玻璃类材料

此外，另一种铸造废砂资源化的思路是利用其主要成分是二氧化硅的特性，用于生产同样含有二氧化硅成分的其他产品，例如陶瓷材料^[17]，烧结型玻璃制品^[18]，CBC（化学键合陶瓷，chemically bonded ceramics）结构类型的新材料^[19]，等等。

2.4  用于制造其他新材料

还有一些对铸造废砂的创新应用处在研究阶段，例如将铸造废砂作为人工土壤的添加成分之一用于农业生产^[20]，用作复相光触媒骨料降解染料废水^[21]，或制成陶珠引发光芬顿反应降解难降解有机物^[22]，用于化工原料堇青石（Mg₂Al₄Si₅O₁₈）的合成^[23]，等等。

2.5  小结

（1）铸造废砂混制混凝土（掺混水泥、沥青等），替代天然砂比例在10%~30%是可行的，这是目前铸造废砂最主要的资源化利用途径，也是近年来最重要的研究方向。

（2）用于制砖也是一种可行的方法。

（3）与其他固废混合或联合，用于混制混凝土（掺混水泥、沥青等）也是可行的。

（4）铸造废砂用于混制混凝土（掺混水泥、沥青等）及制砖目前都已有部分实际生产应用案例，但生产陶瓷或玻璃类材料及其他创新应用则都还在实验室研究阶段。

3  铸造废砂资源化利用的环境影响

目前，用于基础建设或制砖等建材是铸造废砂最主要的资源化利用方向，因此存在较多与土壤、地表水或地下水接触的可能性。铸造废砂主要成分是相对稳定的二氧化硅，对环境几乎没有影响；但其中含有的极少量来自黏结剂和添加剂的具有化学活性、浸出性或毒性的成分，则有可能产生一定的环境影响。其可能的环境影响主要包括重金属污染、强碱性及腐蚀性（水玻璃砂）、有毒有害有机物（树脂砂），等等。

目前国外已有相关研究，结论不一。有美国研究认为，铸造废砂浸出的锌、铅、铬和铁元素含量可能超标（USEPA标准），但仍在可接受范围内^[24]。在法国，管理部门要求铸造废砂浸出实验结果酚类含量低于5 mg/kg才可以用于路政建设，且铸造废砂不得用于可能与水有接触的坝或护坡。一项跟踪研究显示，法国勃艮第一条使用铸造废砂铺设的公路在两年后仍呈现出良好的使用性能，且没有产生环境问题^[25]。另有使用高达75%铸造废砂制铺路砖（混凝土砖块）的实验结果表明，这些砖块通过了分别使用模式植物和模式动物的毒性实验，渗出液的重金属毒性也并不显著^[26]。但也有不同观点，例如已有学者开始着手研究铸造废砂资源化利用之前潜在毒性物质（potentially toxic elements，PTEs）的化学去除方法^[27]。还有研究对废砂及含废砂混凝土进行生物处理（使用真菌），以去除重金属^[28]。

4  总结与建议

砂是铸造生产最重要的辅料，在经历了售砂企业开采销售和铸造企业的多次使用之后，最终会被淘汰进入固废处理处置企业，成为铸造废砂。铸造废砂的资源化利用迫在眉睫。废砂本质是掺有少量杂质且物理性质发生了变化的天然砂，国内外大量研究表明，替代10%~30%天然砂混制混凝土（掺混水泥、沥青等），是目前铸造废砂最主要的资源化利用途径和研究方向。此外，还可用于制砖、制陶瓷或玻璃类材料等。铸造废砂资源化利用是否存在潜在环境污染隐患，目前仍没有定论。

建议我国广大铸造企业在关注旧砂再生率提升的同时，也要重视铸造废砂的处理处置问题，积极在当地寻求淘汰废砂的资源化利用途径。也希望有关部门尽快出台铸造废砂处置方面的法律法规和技术指南文件，健全铸造废砂资源化利用的渠道和产业链，为我国铸造行业的铸造废砂问题指明一条出路。