(重慶交通大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院 重慶 400074)

前言

近年來(lái)，隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，世界人口的增加，人類面對(duì)著日益嚴(yán)峻的資源枯竭，環(huán)境破壞的困境，人類的生存受到威脅。環(huán)境保護(hù)的法律和標(biāo)準(zhǔn)越來(lái)越嚴(yán)苛，資源回收利用領(lǐng)域愈發(fā)受到人們的重視。僅在建筑領(lǐng)域，全球每年因舊建筑拆除、工程項(xiàng)目施工、戰(zhàn)爭(zhēng)以及火災(zāi)地震等原因產(chǎn)生的建筑垃圾數(shù)量驚人。一方面，生產(chǎn)大量商品混凝土需要消耗大量的骨料，水，能源等資源，對(duì)環(huán)境造成了破壞。另一方面，廢棄混凝土需要占用大量土地，未經(jīng)處理的建筑垃圾會(huì)影響空氣質(zhì)量，污染水資源和土地資源[1]。廢棄混凝土的資源化研究，兼具經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，有利于長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展。

一、國(guó)內(nèi)廢棄混凝土概況

中國(guó)每年的商品混凝土產(chǎn)量位居世界第一位，與此同時(shí)混凝土消費(fèi)量也名列世界之首。因此很多相關(guān)聯(lián)的產(chǎn)業(yè)如水泥、砂石骨料等產(chǎn)能均在世界前列，據(jù)統(tǒng)計(jì)，2016年我國(guó)總共生產(chǎn)了179200萬(wàn)m3商品混凝土，占世界產(chǎn)量的一半左右。

廢棄混凝土，是指因建筑物拆除、道路施工修理、混凝土制造過(guò)程中的殘次品、工程施工或其他狀況下產(chǎn)生的廢混凝土塊。我國(guó)廢棄混凝土排放量也居世界前列，然而根據(jù)《中國(guó)建筑垃圾資源化產(chǎn)業(yè)發(fā)展報(bào)告(2014年度)》的調(diào)查研究，我國(guó)建筑廢棄物的回收利用率僅為5%左右。絕大多數(shù)廢棄混凝土被垃圾處理廠收集填埋，有的甚至直接棄置，而極少量的被回收利用制作一些墻體材料。棄置的廢棄混凝土在自然環(huán)境中會(huì)發(fā)生反應(yīng)，對(duì)周邊的土質(zhì)，水體，空氣產(chǎn)生負(fù)面影響。廢棄混凝土處置的研究迫在眉睫，是關(guān)乎社會(huì)環(huán)境的新的熱點(diǎn)問(wèn)題。

(一)廢棄混凝土的來(lái)源

廢棄混凝土的來(lái)源廣泛，除了建筑垃圾中的廢棄混凝土之外，還有橋梁、道路、水工混凝土工程新建或維修中產(chǎn)生的大量報(bào)廢的混凝土，其來(lái)源主要有以下幾個(gè)方面：

(1)重大基礎(chǔ)設(shè)施或市政工程建設(shè)和維修維護(hù)產(chǎn)生的廢棄混凝土。如公路修復(fù)擴(kuò)建和改造，道路路面和機(jī)場(chǎng)路面的維修和更換，水利工程等，因?yàn)槠湟?guī)模龐大，廢舊混凝土排放量也相對(duì)較大。2015全國(guó)公路總長(zhǎng)為457.73萬(wàn)公里，其中一半左右為水泥混凝土路面，相當(dāng)部分老舊水泥商品混凝土路面即將到維修期。因此，未來(lái)五年里，混凝土路面大修維護(hù)會(huì)產(chǎn)生大量的廢棄混凝土。

(2)混凝土廠和其他混凝土再加工工廠生產(chǎn)工作中的殘次品或因其他原因廢棄的混凝土制品。

(3)老舊建筑物拆除、改造或新建筑物施工裝修過(guò)程中的廢棄混凝土，其數(shù)量較大。

(4)科研機(jī)構(gòu)或工地試驗(yàn)室等進(jìn)行科研活動(dòng)或者檢測(cè)活動(dòng)使用后的廢棄混凝土，數(shù)量相對(duì)較少。

(5)因自然災(zāi)害如地震、火災(zāi)、颶風(fēng)臺(tái)風(fēng)等或因戰(zhàn)爭(zhēng)造成的建筑物損毀產(chǎn)生的廢棄混凝土。

其中增速最快的是建筑垃圾中的廢棄混凝土?；炷两ㄖ镉捎诟鞣N原因如危樓拆除，舊房改造改建，土地用途變更等而被拆除所產(chǎn)生的建筑垃圾中，廢棄混凝土占比一半以上。根據(jù)《中國(guó)建筑垃圾資源化產(chǎn)業(yè)發(fā)展報(bào)告》顯示，中國(guó)每年建筑垃圾的排放總量約為15.5億噸至24億噸之間，占城市垃圾總量的比例約為40%。

(二)廢棄混凝土資源化工藝流程

廢棄混凝土資源化可根據(jù)加工工藝流程簡(jiǎn)要分為初級(jí)資源化和次級(jí)資源化。初級(jí)資源化是讓廢棄物經(jīng)回收再利用成為重新利用的同類型產(chǎn)品；次級(jí)資源化是指通過(guò)處理手段讓廢棄物成為其他產(chǎn)品的生產(chǎn)原料或其他種類產(chǎn)品等。

一般而言，現(xiàn)階段廢棄混凝土的處理方式主要有三類：一是作為填充材料，直接完成土石方回填或者實(shí)軟質(zhì)土質(zhì)地基的加固。二是進(jìn)行次級(jí)資源化處理，形成工程建筑所需墻體材料、砂漿等其他產(chǎn)品。三是可以將廢棄混凝土進(jìn)行破碎處理，形成粗細(xì)骨料。

混凝土加工工藝流程有幾個(gè)階段。一階段是人工篩選出經(jīng)大型重錘機(jī)械裝置破碎后的大塊木材、塑料、鋼筋等材料；二階段是顎破初級(jí)破碎的集料，經(jīng)沖洗、磁選、烘干、風(fēng)力分離過(guò)程，實(shí)現(xiàn)水灰分離、分離出鐵屑等金屬材質(zhì)與小型木料、塑料的其他雜質(zhì)；第三環(huán)節(jié)是細(xì)化篩分環(huán)節(jié)，采用不同等級(jí)網(wǎng)狀分篩機(jī)，同步完成5mm到40mm粒徑的再生骨料篩分，大于40mm的骨料重復(fù)篩分。此外，歷次沖洗中得到的泥漿也可作為水泥煅燒中原料使用。

(三)國(guó)內(nèi)外廢棄混凝土資源化現(xiàn)狀

發(fā)達(dá)國(guó)家早在上世紀(jì)中期就已經(jīng)開(kāi)始建筑垃圾資源化的研究，經(jīng)歷了半個(gè)多世紀(jì)的研究和政府政策推動(dòng)，現(xiàn)在已經(jīng)有了完整的建筑垃圾資源化產(chǎn)業(yè)鏈和完善的法律法規(guī)。

早在1997年，丹麥廢棄混凝土資源化回收率高達(dá)97%。荷蘭建筑垃圾資源化水平位居世界第一，幾乎百分之百回收再利用(97%經(jīng)破碎用作路基墊層集料，約3%破碎后用作再生集料)。在日本，政府要求建造者在建造時(shí)要采用可回收的建筑材料和方法，做到建造零排放[2]。通過(guò)精細(xì)化的設(shè)備處理和科學(xué)的回收處理方式，提升再生集料的品質(zhì)。日本在再生骨料和再生骨料混凝土方面的技術(shù)處于領(lǐng)先地位[3]。其再生骨料的加工設(shè)備和工序都十分先進(jìn)和齊全，保障了再生骨料的力學(xué)性能。

我國(guó)建筑垃圾資源化研究起步較晚，但隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)建設(shè)的不斷進(jìn)步，建筑垃圾資源化發(fā)展有了長(zhǎng)足的發(fā)展。在國(guó)家層面，政府高度重視發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì)，《中華人民共和國(guó)循環(huán)經(jīng)濟(jì)促進(jìn)法》在2009年9月1日起實(shí)施，“發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì)”已寫(xiě)入“十三五”規(guī)劃綱要。交通運(yùn)輸部新版《公路路面基層施工技術(shù)細(xì)則JTG/T F20—2015》已經(jīng)發(fā)布，標(biāo)準(zhǔn)中明確了“再生材料可以用于低于原路結(jié)構(gòu)層位或原路等級(jí)的公路建設(shè)”。而在技術(shù)層面，因?yàn)樯笆忍烊还橇腺Y源的開(kāi)采，對(duì)環(huán)境產(chǎn)生巨大破壞。國(guó)內(nèi)研究最為集中的是廢棄混凝土再生骨料替代天然砂石粗、細(xì)骨料。大量學(xué)者研究了不同摻量條件下再生骨料對(duì)整體強(qiáng)度，耐久性等其他性能指標(biāo)的影響。已經(jīng)有少量試驗(yàn)段或?qū)嶒?yàn)項(xiàng)目運(yùn)用了再生骨料或再生混凝土墻體材料。目前我國(guó)已具備建筑垃圾資源化的技術(shù)條件，但仍處于實(shí)驗(yàn)室驗(yàn)證階段，并未過(guò)多的涉及推廣和市場(chǎng)化研究，產(chǎn)業(yè)化發(fā)展進(jìn)度很不成熟。

二、我國(guó)廢棄混凝土資源化主要途徑

(一)再生骨料用于道路基層和底基層

目前，我國(guó)對(duì)廢棄混凝土最常見(jiàn)的再利用方法，是將廢棄混凝土破碎后作為建筑物基礎(chǔ)墊層或者道路基層[4]。這種方法技術(shù)含量低，易于操作和施工，只用簡(jiǎn)單的破碎篩分工具，就可以得到再生骨料。但再生骨料品質(zhì)品質(zhì)、產(chǎn)地等難以保障。

李飛對(duì)低強(qiáng)度再生骨料，高強(qiáng)度再生骨料和天然骨料制備二灰碎石的性能研究[5]。其結(jié)果表明骨料類型對(duì)二灰碎石間接抗拉強(qiáng)度有一定的影響，在28天強(qiáng)度時(shí)，使用C40等級(jí)廢棄混凝土骨料二灰碎石間接抗拉強(qiáng)度要高于C20等級(jí)廢棄混凝土骨料二灰碎石和天然骨料二灰碎石。

云南某集團(tuán)用再生骨料制備水泥穩(wěn)定層用于市政項(xiàng)目[6]。在保證工程質(zhì)量的前提下，大大降低了施工成本(降低了材料成本，節(jié)省了大量垃圾清理和處理費(fèi)用)，節(jié)約資源保護(hù)生態(tài)環(huán)境。

上海滬太公路(A20公路—省界)拓寬改建工程中[7]，全長(zhǎng)19.966千米，厚度為30厘米的穩(wěn)定層中摻有再生骨料，其中再生骨料占骨料總量總比值的56%。

再生骨料因其附有之前施工的舊砂漿等其他物質(zhì)，其孔隙率，吸水率，粗糙程度均高于天然骨料。但總體成本相對(duì)較低，目前再生骨料主要用于二級(jí)及二級(jí)以下公路基層與底基層。

(二)新型墻體材料

混凝土再生磚，是以建筑垃圾破碎篩分后的再生骨料和水泥為主要原料，加入少量天然砂、粉煤灰、礦粉而制成的標(biāo)準(zhǔn)磚[8,9]。而混凝土空心砌塊等墻體材料普遍強(qiáng)度不高，因此制作再生混凝土小型空心砌塊性能完全符合各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)，可取代黏土磚。再生混凝土空心砌塊作為一種新型墻體材料，它具有自重輕、方便施工、節(jié)省造價(jià)、抗震抗裂、熱工性能優(yōu)良等特點(diǎn)[10]。

郭樟根，孫偉民等[11]，進(jìn)行了再生混凝土空心砌塊砌體受壓變形性能試驗(yàn),認(rèn)為再生混凝土空心砌塊的彈性模量及軸心抗壓強(qiáng)度可采用《砌體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》[12]計(jì)算。郝彤等[13]研究了砂漿強(qiáng)度對(duì)再生混凝土砌塊力學(xué)性能的影響。結(jié)果表明砂漿強(qiáng)度對(duì)標(biāo)準(zhǔn)混凝土和再生骨料混凝土有著相同的影響。謝靜靜等研究了再生粗細(xì)骨料?；⒅閾搅亢退z比對(duì)再生混凝土砌塊抗凍性、耐久性的影響[14]。結(jié)果表明再生混凝土砌塊在一定配比下其強(qiáng)度達(dá)標(biāo)可做承重外墻。卓玲等[15]通過(guò)實(shí)驗(yàn)確定基準(zhǔn)配合比，再驗(yàn)證其抗壓抗拉性能，在再生細(xì)骨料取代率100%，再生粗骨料取代率85%時(shí)，制作出抗壓強(qiáng)度等級(jí)達(dá)到MU5.0的再生混凝土砌塊。

綜合目前的研究，可以發(fā)現(xiàn)在再生混凝土空心砌塊研究方面，力學(xué)方面，熱能方面研究較多，但在水穩(wěn)定，抗腐蝕，耐久度和實(shí)際工程應(yīng)用方面研究較少。目前，再生混凝土砌塊主要用于非承載結(jié)構(gòu)的填充墻部分，可制成墻體或柱體。在承重結(jié)構(gòu)如承重墻、柱體方面應(yīng)用較少。

(三)再生混凝土

再生混凝土，是將廢棄混凝土塊經(jīng)過(guò)破碎、清洗、分級(jí)篩分后，按一定比例形成再生骨料，部分或全部代替天然骨料配制新型混凝土的技術(shù)[16]。由于建筑工程基礎(chǔ)中對(duì)混凝土的強(qiáng)度要求不是很嚴(yán)格，可以使用再生混凝土。再生混凝土在建筑工程基礎(chǔ)中不僅可以用于條形基礎(chǔ)，也可以用于樁基[17]。

周靜海等[18]針對(duì)結(jié)構(gòu)式再生混凝土墻，研究其結(jié)構(gòu)的受力狀況。通過(guò)研究不同高寬比再生混凝土試件在力與位移混合加載作用下的極限承載力、位移，通過(guò)數(shù)值分析等手段證明該結(jié)構(gòu)抗震性能良好。彭春元[19]在不同的流動(dòng)性前提下，研究了再生細(xì)骨料取代率對(duì)混凝土工作性的影響。認(rèn)為再生細(xì)骨料的存在提高了水膠比，但其28天力學(xué)性能優(yōu)于天然細(xì)骨料標(biāo)準(zhǔn)混凝土。羅素蓉等研究了不同取代率的再生粗骨料對(duì)混凝土徐變性能的影響[20]。結(jié)果表明100%替代的再生粗骨料混凝土與普通混凝土相比，150d載荷徐變較普通混凝土增加53%，但使用摻硅灰凈漿裹石法預(yù)處理骨料，再生混凝土徐變度降低20%以上。

陳宗平等人,以粗骨料取代率、粗骨料類型等為變化參數(shù)，研究了高溫后混凝土軸心抗壓強(qiáng)度[21]。結(jié)果表明混凝土高溫對(duì)碎石粗骨料影響較大，凝土高溫后的力學(xué)性能且與再生粗骨料多少無(wú)關(guān)。

朱慈勉、李壇[22]，將廢棄混凝土破碎為粒徑較大的級(jí)配加入到混凝土的拌制中。通過(guò)測(cè)試各種不同摻量的力學(xué)性能，發(fā)現(xiàn)在大粒徑再生骨料摻量為30%時(shí)兼顧強(qiáng)度與工作性，同時(shí)，因?yàn)榇罅焦橇铣杀靖停兄@著的經(jīng)濟(jì)效益。

目前再生骨料混凝土技術(shù)已經(jīng)較完善，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)其強(qiáng)度，工作性方面進(jìn)行了大量研究。再生骨料混凝土與相同配比的標(biāo)準(zhǔn)混凝土相比，強(qiáng)度有所降低，因此可以用于低一等級(jí)的工程項(xiàng)目中，其耐久性在摻加其他外加劑改良后耐久性甚至可優(yōu)于普通混凝土。但目前再生骨料破碎篩分市場(chǎng)成本較高，塊狀混凝土回收利用是一個(gè)可以研究的發(fā)展方向。

三、總結(jié)

廢棄混凝土的資源化研究，是解決建筑垃圾問(wèn)題的有效途徑，可以改善目前垃圾處理面臨的“垃圾圍城”的問(wèn)題。廢棄混凝土可以代替現(xiàn)有的天然砂石骨料，減少國(guó)家對(duì)砂石骨料的消耗，廢棄混凝土取代粗細(xì)骨料即可保護(hù)環(huán)境可持續(xù)發(fā)展，又可以進(jìn)一步提升產(chǎn)能。國(guó)家目前對(duì)廢棄混凝土資源化的法律法規(guī)已趨于完善，但缺乏有效的市場(chǎng)運(yùn)作，沒(méi)有形成簡(jiǎn)單高效利益分配良好的產(chǎn)業(yè)鏈。目前科學(xué)研究主要研究再生骨料或混凝土摻量和其他參數(shù)對(duì)性能的影響，并沒(méi)有過(guò)多的涉及產(chǎn)業(yè)化企業(yè)化的大規(guī)模集中生產(chǎn)的研究和改善加工工藝。另一方面，再生骨料的價(jià)格連年上漲，怎樣更為直接的利用大粒徑甚至塊狀混凝土的研究比較少見(jiàn)。廢棄混凝土資源化研究，從實(shí)驗(yàn)室走向全國(guó)各個(gè)工地，還有很長(zhǎng)的路要走。