程歡 黃法禮 李化建 易忠來 王振 溫家馨 謝永江

1.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院研究生部，北京 100081；2.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司鐵道建筑研究所，北京 100081；3.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司高速鐵路軌道技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100081

我國(guó)鐵路工程建造技術(shù)位居世界前列，截至2020年底我國(guó)鐵路總里程達(dá)到14.6 萬km，其中高速鐵路里程達(dá)到3.9 萬km。混凝土是鐵路工程建設(shè)使用量最大的材料，每年產(chǎn)生的廢棄混凝土數(shù)量龐大。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)各工務(wù)段平均每年更換7 000~8 000 根混凝土軌枕，僅北京鐵路局每年更換的廢棄軌枕數(shù)量就高達(dá)100萬根，我國(guó)廢棄混凝土軌枕已達(dá)兩億根。韓國(guó)、荷蘭等國(guó)家同樣存在鐵路工程廢棄混凝土數(shù)量龐大的問題。韓國(guó)每年約產(chǎn)生20萬根廢棄混凝土軌枕，相當(dāng)于全國(guó)鐵路軌枕總量的1.4%，其中除少量用于建設(shè)停車場(chǎng)圍欄外，大部分被填埋在地下，回收利用率低［1-2］。由于泥漿沖刷、沉渣等原因，鐵路地基施工中灌注樁頂部往往出現(xiàn)夾雜泥團(tuán)、強(qiáng)度不足等問題。為保證樁身頂部混凝土質(zhì)量及樁基與承臺(tái)的有效連接，采取超灌混凝土再予以破除的方法處理樁基樁頭。鐵路橋梁段和路基段因截取樁基樁頭產(chǎn)生的廢棄混凝土每公里達(dá)到數(shù)百立方米。

實(shí)現(xiàn)廢棄混凝土資源化再利用，不僅可以解決因建筑廢棄混凝土露天堆放或填埋造成的侵占土地、污染環(huán)境、破壞土壤結(jié)構(gòu)的問題，還可以緩解當(dāng)前建筑材料短缺壓力，也是建筑材料行業(yè)碳減排、碳達(dá)峰的具體實(shí)踐。本文探討鐵路工程廢棄混凝土分類方法，分析鐵路工程廢棄混凝土的特點(diǎn)，闡述鐵路工程廢棄混凝土資源化再利用現(xiàn)狀及面臨的挑戰(zhàn)。

1 廢棄混凝土的分類

按照產(chǎn)生時(shí)段的不同，鐵路工程廢棄混凝土可分為建設(shè)期廢棄混凝土和運(yùn)營(yíng)期廢棄混凝土。

1）建設(shè)期廢棄混凝土

建設(shè)期廢棄混凝土主要指鐵路工程在建設(shè)過程中因必要的施工工藝?yán)速M(fèi)的混凝土，如樁頭混凝土、隧道噴射過程中回彈的混凝土等，也包括質(zhì)量不滿足設(shè)計(jì)要求的混凝土構(gòu)件。CFG（Cement Fly?ash Gravel）樁因其承載力高、穩(wěn)定性好，施工時(shí)振動(dòng)小、噪聲小等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于我國(guó)高速鐵路工程。高速鐵路樁基混凝土強(qiáng)度等級(jí)：路基段一般低于C30，橋梁段一般為C30~C50。超灌高度通常大于0.5 m，破除后的大量廢棄混凝土樁頭通常就地掩埋，未得到充分利用。

隧道施工過程中噴射混凝土操作簡(jiǎn)單，且混凝土水灰比較小和噴出速度較快，混凝土與圍巖之間黏結(jié)力較大，可抵抗不良地質(zhì)條件下隧洞變形、坍塌等破壞。近年來，隨著我國(guó)高速鐵路隧道工程量不斷攀升，噴射混凝土的應(yīng)用顯著增加，但應(yīng)用過程中普遍存在回彈率過高的問題。受噴射混凝土制備技術(shù)和施工工藝水平的影響，噴射混凝土回彈率在10% ~30%，最高可達(dá)40%以上［3-4］。噴射過程中回彈的混凝土因缺少適當(dāng)?shù)幕厥胀緩?，也造成一定程度的浪費(fèi)。

2）運(yùn)營(yíng)期廢棄混凝土

運(yùn)營(yíng)期廢棄混凝土主要指在服役過程中性能逐漸劣化，不能滿足服役要求的混凝土結(jié)構(gòu)。TB 10005—2010《鐵路混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)規(guī)范》中規(guī)定：防護(hù)砌塊、欄桿等設(shè)計(jì)使用壽命為30年；路基排水結(jié)構(gòu)、接觸網(wǎng)支柱等設(shè)計(jì)使用壽命為60 年；橋梁、隧道等主體結(jié)構(gòu)、無砟軌道道床板、底座板等設(shè)計(jì)使用壽命為100 年。隨著服役年限的增加，必然會(huì)有一部分混凝土結(jié)構(gòu)因達(dá)到服役壽命被更換。此外，鐵路工程混凝土在露天環(huán)境下承受周期性的疲勞荷載，決定了其劣化機(jī)理的復(fù)雜性和不確定性。因此，少量混凝土結(jié)構(gòu)在未達(dá)到設(shè)計(jì)使用年限就出現(xiàn)性能劣化而被更換，成為廢棄混凝土。

鐵路工程混凝土結(jié)構(gòu)形式多樣，服役環(huán)境復(fù)雜，工程不同部位混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使用年限不一，造成混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度的差異化與多元化。由于設(shè)計(jì)強(qiáng)度不同，混凝土在原材料選擇，膠凝材料用量、水膠比等方面也存在較大差異。因此可根據(jù)原混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)強(qiáng)度對(duì)其進(jìn)行分類，見表1。

表1 鐵路混凝土強(qiáng)度等級(jí)分類

2 廢棄混凝土的特點(diǎn)

1）鐵路廢棄混凝土分散，分布范圍廣。鐵路工程呈條帶狀分布，跨越區(qū)域大，形成了鐵路工程特有的“一線多點(diǎn)”模式，即一條鐵路的建設(shè)需要多個(gè)標(biāo)段來共同完成，一條鐵路的運(yùn)營(yíng)也需要多個(gè)鐵路局或工務(wù)段共同承擔(dān)。造成鐵路工程建設(shè)期與運(yùn)營(yíng)期廢棄混凝土的回收主體相對(duì)分散，各單位管轄范圍內(nèi)混凝土回收量相對(duì)較小。

2）鐵路廢棄混凝土強(qiáng)度等級(jí)高，回收價(jià)值大。為保障我國(guó)高速鐵路高平順性、高安全性、高舒適性，鐵路工程主體混凝土結(jié)構(gòu)采用中高強(qiáng)度?；炷翉?qiáng)度等級(jí)越高，則漿體體積分?jǐn)?shù)越大，未反應(yīng)的水泥顆粒和堿性硅鈣化合物就越多［5］。當(dāng)再生骨料再次應(yīng)用于水泥混凝土中時(shí)，未水化的水泥顆粒將繼續(xù)參與水化反應(yīng)，堿性硅鈣化合物為水泥水化早期提供足夠的鈣離子，提高了再生混凝土的水化潛力。Evangelista等［6］對(duì)比分析了再生骨料混凝土與普通混凝土強(qiáng)度的發(fā)展過程，發(fā)現(xiàn)普通混凝土強(qiáng)度趨于穩(wěn)定時(shí)，再生骨料混凝土的強(qiáng)度仍處于上升階段。

3）清潔度高，可溯源。鐵路工程混凝土結(jié)構(gòu)多以鋼筋混凝土為主，不含石膏、涂料及泡沫板類材料，組分較為單一。此外，鐵路工程混凝土通常以自建拌和站的模式供給，隨著鐵路工程混凝土拌合站標(biāo)準(zhǔn)化、信息化的實(shí)施，混凝土原材料、配合比、施工時(shí)間、施工數(shù)量等信息均可及時(shí)保存和查詢，為廢棄混凝土建設(shè)期關(guān)鍵數(shù)據(jù)的溯源提供了條件。

3 廢棄混凝土再利用現(xiàn)狀

3.1 路基填料

路基承受由路面?zhèn)鱽淼能囕v荷載，對(duì)建設(shè)過程中的填料和后期路面加寬材料都有較嚴(yán)格的要求。尤其是鐵路加寬過程中須考慮新老路基材料性能不同而導(dǎo)致的路基沉降和銜接處開裂問題。當(dāng)前路基填料一般為砂、黏土和碎石的混合料。廢棄混凝土強(qiáng)度高、抗環(huán)境侵蝕能力強(qiáng)，破碎至一定粒級(jí)后作為路基填料，其彈性模量?jī)?yōu)于黏土且具有一定的自膠結(jié)性能，是路基填料的優(yōu)質(zhì)原料［7-8］。Chi 等［9］研究發(fā)現(xiàn)，利用再生骨料和破碎黏土磚制備出的基層材料中再生細(xì)骨料更易受水分變化影響，因此需嚴(yán)格控制破碎混凝土的最小粒級(jí)。王軍龍等［10］以石灰、粉煤灰和再生骨料為原料，使用靜壓法制備出一種新型的無機(jī)結(jié)合料，可滿足鐵路路基填料的要求。宮寶汝［11］測(cè)試了新建時(shí)期合安鐵路工程中廢棄混凝土再生骨料的化學(xué)組分以及硫酸鹽浸泡后的壓碎指標(biāo)，測(cè)試結(jié)果均滿足鐵路基床的路用要求。趙笠君［12］將廢棄混凝土軌枕替代片石用作路肩小擋墻，與原有材料相比，采用廢棄軌枕每公里可節(jié)省3萬元，并在全局推廣。

3.2 路基邊坡防護(hù)材料

隨行車密度和速度的不斷提高，在雨雪等惡劣天氣下高速鐵路和公路的路基高邊坡易發(fā)生泥石流、滑坡等地質(zhì)災(zāi)害［5］。目前，路基邊坡防護(hù)的主要技術(shù)措施有植被防護(hù)、噴射混凝土防護(hù)、護(hù)面墻防護(hù)、砌石防護(hù)等。廢棄軌枕強(qiáng)度高、耐久性好，切割后的廢棄軌枕易于運(yùn)輸且外表美觀，是極好的防護(hù)支擋材料，如圖1所示。

圖1 廢棄軌枕用于路基邊坡防護(hù)

廢棄軌枕的切割技術(shù)發(fā)展較為迅速，現(xiàn)在有鋸片切割、繩鋸切割等方式。而廢棄軌枕內(nèi)部多為強(qiáng)度較高的巖石骨料且配筋密集，常規(guī)切割方法效率低且刀片易損壞。一般采用特殊合金鋼材料的刀具對(duì)廢棄軌枕進(jìn)行切割。徐永等［13］發(fā)明了一種高壓水切割刀，其用于廢棄軌枕切割效率高。

3.3 再生骨料在砂漿/混凝土中的應(yīng)用

再生骨料是解決天然骨料短缺和廢棄混凝土堆存問題，緩解環(huán)境壓力，降低建筑成本的最佳方法。廢棄混凝土可作為再生骨料使用。目前我國(guó)建筑固體廢棄物回收利用率在5%左右，而在比利時(shí)、丹麥、荷蘭等國(guó)家回收率已接近95%［14-15］。與天然粗骨料相比，再生粗骨料表面黏附砂漿，顆粒級(jí)配差，吸水率大，從而導(dǎo)致再生混凝土坍落度損失大、漿體-再生骨料界面黏結(jié)性差、空隙率高等問題［16］。

Isabel 等［17］通過試驗(yàn)研究了再生粗骨料替代率對(duì)混凝土力學(xué)性能的影響，發(fā)現(xiàn)混凝土的力學(xué)性能隨粗骨料替代率提高而下降，替代率達(dá)到100%時(shí)混凝土抗壓強(qiáng)度下降20%~30%，彈性模量下降30%~40%。馮超朋［18］研究了再生粗骨料替代率對(duì)混凝土抗凍融循環(huán)性能的影響，發(fā)現(xiàn)再生粗骨料中砂漿-骨料界面的存在導(dǎo)致再生混凝土抗凍融性能較差，且在凍融循環(huán)次數(shù)較多時(shí)混凝土質(zhì)量損失率隨再生粗骨料替代率提高而增大。Juan 等［19］研究再生粗骨料黏附砂漿含量對(duì)骨料性能的影響發(fā)現(xiàn)，隨著黏附砂漿含量提高，再生粗骨料的吸水率增大，密度以及耐磨性能降低，再生粗骨料黏附砂漿含量在44%以下時(shí)其吸水率以及耐磨性較好。

以廢棄軌枕為代表的預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，其內(nèi)部密集的橫豎向鋼筋限制了常規(guī)破碎設(shè)備的直接使用。一般先使用破碎機(jī)將廢棄軌枕初步破碎，收集其中的鋼筋等材料，然后將處理后的混凝土塊進(jìn)一步加工為再生骨料。西班牙Valoria Residuos 廢料處理廠和中國(guó)武漢鐵路局各研發(fā)了一體化的軌枕破碎裝置，可在破碎過程中分離鋼筋和混凝土?；诖罅繌U舊軌枕堆存的現(xiàn)狀，Barbosa等［20］提出了將廢棄軌枕破碎后制備再生軌枕的想法。隨后Corominas 等［21］將舊軌枕破碎后作為粗骨料，制備再生混凝土軌枕，在滿足歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN 13230?2：2009 的前提下，再生粗骨料的替代率可達(dá)到100%。Sainz等［22］使用破碎的廢棄軌枕制備自密實(shí)混凝土軌道板，實(shí)現(xiàn)了鐵路工程混凝土的循環(huán)再利用。2020年瑞士的Vigier Rail 公司設(shè)立了采用廢棄軌枕制備再生軌枕項(xiàng)目。武漢鐵路局也設(shè)立了廢棄軌枕再生利用的課題。

與再生粗骨料相比，再生砂粉中含有一定比例的石粉、泥土、舊砂漿等成分，且其顆粒級(jí)配難以滿足要求，故其再利用難度更大。Vegas 等［23］采用再生砂粉替代河砂制備砂漿時(shí)發(fā)現(xiàn)，隨著替代率提高，砂漿吸水率增大，力學(xué)性能下降，替代率不能超過25%。李貞等［24］研究了水中預(yù)浸泡的再生砂粉對(duì)砂漿收縮性能的影響，結(jié)果表明，高吸水率的再生砂粉在漿體內(nèi)部相對(duì)濕度較低時(shí)能夠釋放更多內(nèi)養(yǎng)護(hù)水，隨著再生砂粉自身吸水率增大，砂漿的自收縮減小。Li 等［25］使用回彈強(qiáng)度在25~35 MPa的廢棄混凝土制備再生砂粉，并使用其中粒徑小于75 μm 的顆粒替代30%的水泥，制備的砂漿收縮率增大、抗凍融能力降低，且降幅隨著顆粒粒徑增加而增大。Li 等［26］采用不同粒徑再生砂粉制備混凝土?xí)r發(fā)現(xiàn)，隨著再生砂粉粒徑減小，混凝土早期強(qiáng)度增長(zhǎng)速度、吸水率、抗收縮性能均降低。由于再生材料高吸水率以及低硬度導(dǎo)致砂漿體積穩(wěn)定性差，Gon?alves 等［27］采用再生砂粉制備砂漿時(shí)使用活性氧化鎂替代水泥，發(fā)現(xiàn)替代率為15% ~20%時(shí)活性氧化鎂水化反應(yīng)產(chǎn)物氫氧化鈣產(chǎn)生的膨脹可以完全抵消再生砂粉高吸水率導(dǎo)致的砂漿收縮。再生砂粉的再利用也存在限制，Carrión 等［28］使用廢棄混凝土軌枕破碎而成的再生砂粉制備聚合物混凝土，發(fā)現(xiàn)過多細(xì)小顆粒會(huì)導(dǎo)致聚合物難以充分滲透到混凝土結(jié)構(gòu)中，因此須嚴(yán)格控制再生砂粉中細(xì)小顆粒的含量。也有研究者采用廢棄砂粉中的細(xì)小顆粒制備膠結(jié)材料用作地基填料，得出粒徑小于0.125 mm 的顆粒在濕養(yǎng)護(hù)條件下制備的灌漿材料力學(xué)性能優(yōu)于干養(yǎng)護(hù)［29］。部分研究者通過對(duì)再生砂粉進(jìn)行預(yù)處理以提升其性能，Chinzoright 等［30］先將再生砂粉浸泡后置于二氧化碳環(huán)境中處理，然后再進(jìn)行混凝土的制備，發(fā)現(xiàn)二氧化碳可與再生砂粉中的氫氧化鈣和水化硅酸鈣反應(yīng)生成碳酸鈣填充孔隙，降低了再生砂粉吸水率，提高了整體密實(shí)度，再生混凝土28 d 抗壓強(qiáng)度比采用二氧化碳處理前提高了8%。Salahuddin 等［31］采用廢棄混凝土軌枕制備的再生砂粉替代天然砂制備混凝土?xí)r發(fā)現(xiàn)，再生砂粉替代率為75%時(shí)，在90 ℃熱水中養(yǎng)護(hù)48 h 的再生混凝土28 d 齡期抗壓強(qiáng)度比直接常溫養(yǎng)護(hù)提高15%。

4 存在的問題

1）廢棄混凝土回收成本高，市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力差。鐵路工程條帶狀分布的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)決定了鐵路工程廢棄混凝土的回收與再利用費(fèi)用相對(duì)較高。為提升其工程適用性還需經(jīng)過特殊工藝工裝對(duì)廢棄混凝土予以加工，從而產(chǎn)生一定的附加費(fèi)用。因此，廢棄混凝土再生資源成本可能比原生資源高。在缺少相關(guān)法律法規(guī)保障、政府財(cái)政扶持和政策干預(yù)的條件下難以體現(xiàn)其經(jīng)濟(jì)效益，從而影響廢棄混凝土資源化再利用的積極性。

2）當(dāng)前廢棄混凝土的資源化再利用仍處于較低水平。盡管國(guó)內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)針對(duì)廢棄混凝土破碎加工成混凝土骨料及其對(duì)混凝土工作性能、力學(xué)性能和耐久性能的影響開展了大量研究工作，但受再生骨料成本、再生骨料混凝土工程應(yīng)用技術(shù)水平普遍較低等多方面因素限制，當(dāng)前廢棄混凝土的回收再利用仍主要用于路基填筑和邊坡防護(hù)中。

3）缺少?gòu)U棄混凝土再利用技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系。盡管鐵路工程廢棄混凝土存在設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)高、清潔度高、來源可溯性好等優(yōu)點(diǎn)，但因其在服役過程中受外部環(huán)境、列車荷載等多重因素的交互影響，鐵路工程廢棄混凝土的具體劣化機(jī)制尚不清晰。因此，須以其實(shí)時(shí)的性能指標(biāo)作為再利用的判定依據(jù)，亟需建立廢棄混凝土再利用技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系。

5 結(jié)論與建議

1）鐵路工程在建設(shè)及運(yùn)營(yíng)時(shí)期產(chǎn)生了大量廢棄混凝土。與城鎮(zhèn)建筑廢棄混凝土相比，鐵路廢棄混凝土無論是作為路基填料、邊坡防護(hù)材料還是加工為再生骨料制備砂漿∕混凝土均具有顯著的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性和質(zhì)量可控性。

2）建議構(gòu)建鐵路廢棄混凝土再利用技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系，以指導(dǎo)和規(guī)范廢棄混凝土的資源化再利用；建立鐵路工程廢棄混凝土的智慧管控平臺(tái)，對(duì)廢棄混凝土的來源、回收、再利用全過程進(jìn)行跟蹤管理，實(shí)現(xiàn)廢棄混凝土的多途徑、高質(zhì)化利用；對(duì)鐵路廢棄混凝土的再利用給予政策支持，使其再生產(chǎn)品具有市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。