楊曉波，胡珊珊

廢棄混凝土的再生利用與生態(tài)環(huán)境保護

楊曉波，胡珊珊

人類公路的發(fā)展史，就是保護生態(tài)環(huán)境的發(fā)展史，從生態(tài)平衡化的角度，合理利用生態(tài)資源，保證了生態(tài)資源永續(xù)，也為推進生態(tài)文明建設起到了保駕護航的作用。從加大發(fā)展循環(huán)經濟的視角和資源化再生利用的角度，進行了廢棄混凝土力學性能的試驗，通過電鏡掃描獲得不同骨料試驗的晶體照片，試驗發(fā)現，粗骨料取代率為50%的再生混凝土，彈性模量平均值可達到3.15Gpa，此時各項力學指標均滿足工程設計要求，工作性能和耐久性也能得到保證。

公路；生態(tài)環(huán)境；生態(tài)文明；力學性能；案例分析；廢棄混凝土

生態(tài)環(huán)境決定人居生活質量，交通發(fā)展決定國家發(fā)展水平。孤立追求發(fā)展必然導致經濟崩潰，孤立追求開發(fā)生態(tài)資源將導致生態(tài)環(huán)境的衰退。面對困擾人類環(huán)境與發(fā)展的兩大難題──生態(tài)環(huán)境與文明的沖突，當代人類最需要的文明知識就是生態(tài)智慧。當然，不同文化背景的人對“生態(tài)”的定義會有所不同。生態(tài)智慧的核心是“天人合一”。要做到“天人合一”就必須具有明智的環(huán)境意識──生態(tài)智慧。中國從大國轉為強國的生命線,就是完成內外部發(fā)展與生態(tài)資源均衡發(fā)展的關系。

隨著人口、資源、環(huán)境的壓力日益凸顯[1]，倡導生態(tài)文明建設，是黨中央“十八大”首次提出的重大戰(zhàn)略，創(chuàng)造性地回答了發(fā)展與生態(tài)文明關系的最新節(jié)點。生態(tài)環(huán)境與公路發(fā)展已成為反函數的關系。實踐不斷證明,協(xié)調好兩者之間關系,才是解決這反函數關系的唯一途徑。生態(tài)資源的浪費已發(fā)展到了生態(tài)環(huán)境要保護的階段[2]。

交通發(fā)展需要有度，生態(tài)資源用之有度則常足，取之無度則常不足。如果超過了這個度,將導致生態(tài)環(huán)境容納不下；生態(tài)環(huán)境支撐難以為繼，相信這是大家都不愿意看到的。水泥混凝土路面再生技術的應用,不僅解決了環(huán)境問題,而且節(jié)省了造價,節(jié)約了資源[3]。

廢棄混凝土是垃圾,垃圾再生是資源,資源索取力求環(huán)保,環(huán)保力求生態(tài)平衡。為保護生態(tài)環(huán)境,對資源化再生利用的理念,進行了試驗與案例剖析,驗證了再生砼做為公路中的路基是一種可行的方法,并印證了資源再生利用和生態(tài)環(huán)境關系的實踐依據,也為我國的生態(tài)文明建設奠定了堅實的理論基礎。

1 再生混凝土公路力學性能試驗

為落實生態(tài)立國,環(huán)保興國的發(fā)展戰(zhàn)略思想,為進一步探索廢舊混凝土公路垃圾的力學性能試驗迫在眉睫。我國水泥混凝土路面較多,且很大一部分由于修筑時間早出現損壞現象,水泥混凝土路面再生利用是一個有效處理這種問題的方式[4]。通過以下力學性能試驗來驗證理論,可以為今后設計提供一定認識理解。

1.1 基本性能設計

試驗采用的材料：水泥：42.5R,細骨料：中沙,粗骨料：再生粗骨料,外加劑：高效減水劑,拌合水：普通自來水。再生粗骨料,是由廢棄混凝土公路經過破碎,篩分之后得到的。與天然骨料相比，除了骨料的表面包裹著一層水泥砂漿外，還含有瓷磚、紅磚及木屑等廢棄建筑材料的成分。再生骨料與天然粗骨料試驗對比出的具體物理性能,詳見表1。通過對廢舊公路再生骨料與天然骨料試驗得知廢舊公路再生骨料有表觀密度較小、吸水率與含水率高,為實際公路建設提供了一定的參考數據。

表1 公路粗骨料基本物理性能

混凝土路面在我國道路中占有很大的比重?；炷敛牧系呐浜媳仍O計,將直接影響公路再生混凝土的力學性能。材料間用量的比例關系,通?？捎萌齻€主要參數來表示：水灰比──水與水泥用量之比,水灰比是決定混凝土結構是否經久耐用的一項重要性能；砂率──與砂石(再生混凝土)用量之比；單位用水量──水泥凈漿與骨料(再生混凝土)之間對比關系,單位用(kg/m3)表示。水灰比、砂率、單位用水量的三個參數確定原則,見圖1所示。

圖1 再生混凝土公路配合比三個參數的確定原則

1.2 彈性模量設計

針對廢舊公路再生砼的彈性模量進行試驗。試驗中：選取六種不同再生骨料取代率(0%、10%、20%、30%、40%、50%)的再生混凝土。試驗設備：采用RMT─150C材料力學性能試驗機,來測試彈性模量。試件：選用直徑50mm、高100mm的圓柱體試塊,進行應力──應變試驗。公路再生砼在靜荷載作用下,應力與應變試驗測試結果,見表2,將為以后實際廢舊公路工程的應用提供參考數據。

表2 公路再生混凝土應力—應變試驗測試結果

試樣類型取代率/%應力峰值平均值彈性模量平均值變形模量平均值A028．94．783．25B1028．24．533．12C2027．14．512．99D3026．43．922．56

注：應力峰值平均值單位(MPa)；彈性模量平均值,變形模量平均值單位(GPa)。

根據表2中的試驗結果表明：隨著再生混凝土公路取代率的增加,再生砼的應力峰值平均值在減小,即其極限承載力也在減小.當取代率為0時,混凝土的應力峰值平均值為28.9MPa,而當取代率為50%時,其應力峰值平均值為25.1MPa.當再生骨料取代率增加,驗證出再生骨料具有良好的彈性性能,是可以應用在路基、路面中,做到了資源化再生利用,是符合生態(tài)平衡化的最佳模式,是一種可持續(xù)發(fā)展的綠色材料,也是今后廢舊砼再生利用的一個發(fā)展方向。

1.3 用掃描電子顯微鏡驗證應用可行性

通過采用掃描電子顯微鏡,對試件內部組織進行了微觀分析,獲得普通混凝土和再生粗骨料取代率為50%時,荷載破壞結晶晶體的SEM照片,見圖2、圖3(照片比例：5.0μm/1cm)。

圖2 普通混凝土照片

圖3 粗骨料取代率為50%時再生混凝土照片

從圖中荷載破壞形式觀察到,普通混凝土和再生骨料混凝土微觀晶體,有相同之處：都有氫氧化鈣定向結晶,都產生水化硅酸鈣晶體。但存在不同之處：再生混凝土的界面結構沒有普通混凝土密實,孔縫比較大,裂縫相對多,會給氫氧化鈣和鈣礬石晶體的生長,提供了一定的生長空間,能吸收一部分水份,有助于改善結構晶體的生長,可以提高再生骨料的抗壓強度。

實踐證明,通過圖2與圖3的掃描電子顯微鏡的微觀結果觀察,發(fā)現再生混凝土荷載破壞的結晶晶體形式來看,隨著廢舊砼中水泥用量的增加,黏聚性和保水性能良好,坍落度也在提高,再生混凝土砂漿強度也是可以增加的。

1.4 再生混凝土的耐久性

鋼筋銹蝕是引起鋼筋混凝土結構耐久性破壞的重要因素，而氯離子的侵入是造成鋼筋混凝土腐蝕的主要原因之一[5]。氯離子滲透性能是影響混凝土材料耐久性的一項重要指標。試驗采用NEL法測試再生粗骨料混凝土的氯離子滲透系數。NEL法是清華大學路新瀛教授基于離子擴散和電遷移理論提出的試驗方法，本質是飽鹽混凝土電導率法。它用真空抽吸的方法加速混凝土試件飽鹽，使之成為線性元件，然后用Nernst-Einstein方程確定混凝土中的氯離子擴散系數[6]。根據再生粗骨料不同取代率試件的試驗結果可知，氯離子擴散系數在20至22之內變化(單位：10-14cm2/s)，依據NEL法混凝土滲透性評價標準得出再生粗骨料混凝土試件的滲透性等級均為Ⅴ級，滲透性評價均為很低。

1.5 其它方面

再生骨料混凝土的工作性(和易性)低于普通混凝土。通過《普通混凝土拌合物性能試驗方法標準》(GB/T50080-2011)對再生骨料混凝土拌合物的坍落度和擴展度進行測試發(fā)現，隨著再生骨料取代率的增大，再生骨料混凝土的坍落度和擴展度均呈現先減小后增大的規(guī)律；當再生粗骨料的取代率為50%時，再生粗骨料混凝土的坍落度和擴展度達到最低值。

再生骨料混凝土的各項力學強度指標均隨再生粗骨料取代率的增加呈現降低趨勢。試驗按照《普通混凝土力學性能試驗方法標準》(GB/T50081-2016)中的方法[7]測試再生粗骨料混凝土的抗壓強度、抗拉強度和抗折強度等各項強度指標，以分析不同取代率的再生粗骨料對再生粗骨料混凝土力學性能的影響。試驗發(fā)現，當再生骨料完全取代天然骨料制作再生粗骨料混凝土時，再生骨料混凝土的立方體抗壓強度和劈裂抗拉強度均下降40%左右，抗折強度和軸心抗壓強分別下降36.1%和20.1%。

2 維護生態(tài)材料廢舊公路再生利用

生態(tài)平衡是從保護生態(tài)環(huán)境到科學發(fā)展之間的一座橋。橋沒了,人類生存與發(fā)展的平衡根基也沒了,后果不堪設想。從保護生態(tài)平衡的角度出發(fā),大力發(fā)展廢舊資源的再生循環(huán)利用,才是解決社會發(fā)展與生態(tài)平衡矛盾的唯一出路。

2.1 保護生態(tài)材料循環(huán)利用資源

生態(tài)材料與公路建設一樣,都是有生命周期的.當今我國早期建設的混凝土公路,大多快達到使用年限,路面已產生了開裂,板邊緣、接縫產生了破碎,大修重建的任務在不斷加重。隨著城市化進程的不斷加快,這些地區(qū)空間生態(tài)不平衡性將更加嚴重,生態(tài)環(huán)境問題需引起足夠關注[8]。

當今建筑工程,幾乎找不到沒有使用混凝土材料的建筑物。廢棄混凝土材料的循環(huán)再生利用,已日益成為人類關注的重要話題,符合環(huán)境保護與可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的一個最重要因素。水泥材料是一種水硬性膠凝材料,是建材中的最重要組成部分。

圖4 中國三年消耗水泥與美國整個二十世紀用量比較

目前,國內外無一種材料可以替代它的地位。有關資料顯示我國水泥產值約占建材工業(yè)的40%,水泥總產量自1985年以來一直位居世界第一。中國三年消耗水泥超過美國整個二十世紀用量[9],美國100年(1901―2000年期間)消耗水泥45億噸,中國3年(2011―2013年期間)消耗水泥66億噸,見下圖4。據歐洲水泥協(xié)會的數據顯示：2013年,全球水泥產量已達到40億噸,其中,中國為24.2億噸,占全球總產量的58.6%[10],而美國僅占全球總產量的1.9%。水泥作為建設的基本材料,如果建設發(fā)展與生態(tài)資源一直沖突不斷,又何談未來國家的改革與發(fā)展呢。面臨著生態(tài)環(huán)境、資源和社會發(fā)展失衡的嚴峻挑戰(zhàn),我們只有積極地推進資源再生,不斷減少對生態(tài)環(huán)境平衡的破壞,才能給中國永恒發(fā)展注入新的活力。

2.2 案例分析

案例1：在我國南京都市廢棄物綜合利用開發(fā)公司,進行了再生道路試驗.他們首先,把運來的廢棄混凝土,再加上石灰和特種添加劑,生產二灰結石,用這種材料作為道路“基層”,完全可以滿足道路承載的能力[11]。

案例2：國道310線,開蘭(開封至蘭考)公路水泥混凝土路面的大修工程中,將破損混凝土重新回收利用。開蘭混凝土公路修復工程竣工后,經過了有關交通部門的竣工驗收,并被評為國家優(yōu)良工程。

案例3：湖南長沙機場的改建工程的道面、道肩及平行公路上,使用了再生混凝土技術,施工總面積達5000多平方米,使用7年后,經回訪考察,使用狀況較好,符合國家機場使用標準.工程實踐表明,廢棄混凝土再生利用對于保護環(huán)境、減少資源與能源浪費以及實現可持續(xù)發(fā)展具有重要意義[12]。

從以上成功的案例,推廣了再生資源廣泛的應用領域,不僅推進了綠色發(fā)展、循環(huán)發(fā)展,也是落實黨中央“十三五”規(guī)劃提出的國家發(fā)展、保護好生態(tài)環(huán)境的具體表現。

2.3 維護生態(tài)環(huán)境平衡保護生態(tài)資源

當今,人與生態(tài)環(huán)境的關系出現了緊張和對立,面對出現的生態(tài)失衡,保持好生態(tài)平衡,保護好地球環(huán)境這個今日學術界所關注的焦點。在公路發(fā)展過程中,不少單位重開發(fā)輕環(huán)保,重建設輕文明。面對資源采取掠奪式的開發(fā)利用,如,砂、石等生態(tài)資源被大量的消耗掉,生態(tài)資源日益匱泛,也帶來了一系列環(huán)境污染,其后果將產生生態(tài)環(huán)境失衡。所以,保護生態(tài)平衡就是要在合理利用資源中求發(fā)展,又要在發(fā)展中保護生態(tài)環(huán)境的平衡,才能實現老百姓過去“盼生存”,現在“盼生態(tài)環(huán)境”的夢想。

我國是一個資源匱乏的國家,經濟的增長越來越受到資源和環(huán)境的約束,廢棄混凝土的資源再利用十分必要[13]。為提供生態(tài)化的發(fā)展空間,為讓生態(tài)資源不再垂危,實踐證明,交通發(fā)展與生態(tài)環(huán)境失衡,給我們敲響了一個警鐘：從構建生態(tài)環(huán)境平衡角度出發(fā),提出樹立公路建設是發(fā)展,保護生態(tài)環(huán)境平衡的建設也是發(fā)展,而且是更為重要的發(fā)展。

3 詮釋生態(tài)文明“1+1=1”的新模式

基于一個極簡單的公式“1+1=1”的銓譯,展開了生態(tài)與發(fā)展共同提升的“1+1”的“加法”的闡述,進行了一種全新的生態(tài)文明“=1”的擴展分析。生態(tài)沒有國界,環(huán)保不分民族,再生資源、生態(tài)環(huán)境是照亮生態(tài)文明的通道；也是對世界生態(tài)文明建設與維護全球生態(tài)環(huán)境做出的積極貢獻.生態(tài)水泥的再生發(fā)展是實施可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的重要組成部分[14],為解決日益惡化的生態(tài)環(huán)境、再生資源的挑戰(zhàn),中國必須開辟一條全新的現代化生態(tài)水泥的再生發(fā)展的道路,必須用一種嶄新的生態(tài)文明逐步地取而代之,也是“1+1=1”(一條發(fā)展道路+一個生態(tài)水泥再生發(fā)展=一種新的生態(tài)文明)。

總之,生態(tài)文明已成為引領21世紀發(fā)展的新方向,重新審視中國的現代化的發(fā)展道路,也是“1+1=1”(一切生態(tài)環(huán)境+一個現代化發(fā)展=一部組成完整的中華民族生態(tài)文明建設的巨著)。21世紀地球和人類都面臨著嚴重的資源、環(huán)境的危機,研究表明,廢舊混凝土經加工形成的再生集料具有良好的路用性能[15],開展“1+1=1”的模式的研究,就是采取行動保護我們賴以生存的生態(tài)環(huán)境,也將為世界生態(tài)文明建設與資源再生起到一定垂范作用。

4 結論

環(huán)境與發(fā)展的關鍵就是抓生態(tài)文明。為了更好的與生態(tài)文明一起走得更遠,必須以生態(tài)環(huán)境為研究視角,提出全新的生態(tài)概念,進行了“1+1=1”的詮釋：生態(tài)平衡是保護環(huán)境之基,生態(tài)環(huán)境是人類生存之根,生態(tài)資源是交通永續(xù)發(fā)展之本。當務之急是找到生態(tài)資源的平衡點。這個平衡點,就是公路資源開發(fā)的重點轉向到資源化的再生利用,不僅深化了社會效益與生態(tài)環(huán)境效益同步提升的新理論,也為人類保護生態(tài)材料作出積極的貢獻。

生態(tài)與交通的關鍵就是抓材料資源再生。試驗結果表明：合理選擇再生混凝土配合比參數,粗骨料取代率為50%的再生混凝土,彈性模量平均值可以達到3.15Gpa。通過SEM照片分析：再生混凝土中有未盡水化的水泥顆粒,可以進一步地產生晶體反應.從SEM照片中還可以發(fā)現,再生骨料表面結構晶體粗糙,產生的空間較大,可以使配合比中的水灰比降低,為實際公路資源再生利用提供了一定的參考數據。

在探索生態(tài)文明的道路中,生態(tài)資源環(huán)境與生態(tài)文明的辨證關系,逐漸得到了舉國上下的關注。針對我國再生混凝土的應用與生態(tài)之間存在的問題，不斷開展再生砼與生態(tài)水泥粘結后的強度問題,推廣生態(tài)水泥的再生利用范圍,使生態(tài)資源保護,步入良性持續(xù)發(fā)展的軌道,把它用在災區(qū)震后重建,高速公路與高鐵重建的問題,是今后進一步的研究方向。

[1] 邵高峰.我國節(jié)能建筑技術與政策現狀及“十五”展望[J].磚瓦世界,2015,32(2):7-16.

[2] 李楊.道路交通的廢舊混凝土再生利用研究[J].黑龍江交通科技,2011,18(3):45-46.

[3] 趙之杰,趙美玲,劉紅艷等.公路水泥混凝土路面再生利用技術探討[J].交通標準,2014,34(6):5-8.

[4] 袁建常.水泥混凝土路面再生利用關鍵技術[J].科技視界, 2012,2(22):332-333.

[5] 鐘小平，金偉良．鋼筋混凝土結構基于耐久性的可靠度設計方法[J]．土木工程學報，2016，49(5)：32-39．

[6] 李梅，溫勇，等．礦物摻合料對混凝土抗氯離子滲透性的影響綜述[J] 材料導報，2013，27(11)：107-110．

[7] 劉立新，葉燕華．混凝土結構原理(第2版) [M]．武漢：武漢理工大學出版社，2012．

[8] 劉東,封志明,楊艷昭.基于生態(tài)足跡的中國生態(tài)承力供需平衡分析[J].自然資源學報,2012,27(4):614-624.

[9] 比爾·蓋茨.中國三年消耗水泥超過美國百年用量[DB/OL].觀察者.(2014-12-09)[2016-10-18].http:// www.guancha.cn/Project/2014_12_09_302854.shtml.

[10] 中國水泥網信息中心.2013年全球水泥產量40億噸中國占比58.6%[DB/OL].中國混凝土與水泥制品網(2014-7-31)[2016-10-12].http://www.concrete365.com/news/content/ 7538953450084.html.

[11] 周衛(wèi)峰.再生粗骨料在混凝土中的應用研究[J].混凝土,2013, 33(04):64-66.

[12] 王程,施惠生.廢棄混凝土再生利用技術的研究進展[J].材料導報,2010,24(1):120-124.

[13] 范小平.廢棄混凝土再生利用技術及其研究現狀[J].建筑技術開發(fā),2013,40(5):88-90.

[14] 耿春雷,顧軍.以生活垃圾和污泥替代水泥原燃料生產生態(tài)水泥的研究進展[J].材料導報,2011,25(19): 147-149.

[15] 董春平. 瀝青路面冷再生基層材料疲勞壽命試驗研究[J].滁州學院學報,2009,11(6): 122-124.

責任編輯：劉海濤

A Study on the Recycling of Waste Concrete fromthe Perspective of Ecological Environment

Yang Xiaobo , Hu Shanshan

The history of human development is the history of the development of highway, the protection of the ecological environment, ecological balance from the perspective of rational use of ecological resources, to ensure the ecological resources sustainable and to promote ecological civilization construction. From the perspective of the development of circular economy and resources recycling angle, tested mechanical performance of waste concrete, crystal photo, different aggregate test by scanning electron microscopy experiments found that, coarse aggregate replacement ratio of recycled concrete is 50%, the average elastic modulus can reach 3.15Gpa, the various mechanical indexes meet the engineering design requirements, work performance and durability can be guaranteed.

highway; ecological environment; ecological civilization; mechanical property; case analysis; waste concrete

TU501

A

1673-1794(2017)02-0035-05

楊曉波，蚌埠學院機械與車輛工程學院講師，碩士(安徽 蚌埠 233030)；胡珊珊，六安職業(yè)技術學院建筑工程系(安徽 六安237020)。

安徽省質量工程項目:土木工程專業(yè)綜合改革試點 (2016zy052)

2016-05-24