國內廢棄混凝土資源化研究文獻綜述

(重慶交通大學材料科學與工程學院 重慶 400074)

前言

近年來，隨著科學技術的飛速發展，世界人口的增加，人類面對著日益嚴峻的資源枯竭，環境破壞的困境，人類的生存受到威脅。環境保護的法律和標準越來越嚴苛，資源回收利用領域愈發受到人們的重視。僅在建筑領域，全球每年因舊建筑拆除、工程項目施工、戰爭以及火災地震等原因產生的建筑垃圾數量驚人。一方面，生產大量商品混凝土需要消耗大量的骨料，水，能源等資源，對環境造成了破壞。另一方面，廢棄混凝土需要占用大量土地，未經處理的建筑垃圾會影響空氣質量，污染水資源和土地資源[1]。廢棄混凝土的資源化研究，兼具經濟效益和社會效益，有利于長遠發展。

一、國內廢棄混凝土概況

中國每年的商品混凝土產量位居世界第一位，與此同時混凝土消費量也名列世界之首。因此很多相關聯的產業如水泥、砂石骨料等產能均在世界前列，據統計，2016年我國總共生產了179200萬m3商品混凝土，占世界產量的一半左右。

廢棄混凝土，是指因建筑物拆除、道路施工修理、混凝土制造過程中的殘次品、工程施工或其他狀況下產生的廢混凝土塊。我國廢棄混凝土排放量也居世界前列，然而根據《中國建筑垃圾資源化產業發展報告(2014年度)》的調查研究，我國建筑廢棄物的回收利用率僅為5%左右。絕大多數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境中會發生反應，對周邊的土質，水體，空氣產生負面影響。廢棄混凝土處置的研究迫在眉睫，是關乎社會環境的新的熱點問題。

(一)廢棄混凝土的來源

廢棄混凝土的來源廣泛，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生的大量報廢的混凝土，其來源主要有以下幾個方面：

(1)重大基礎設施或市政工程建設和維修維護產生的廢棄混凝土。如公路修復擴建和改造，道路路面和機場路面的維修和更換，水利工程等，因為其規模龐大，廢舊混凝土排放量也相對較大。2015全國公路總長為457.73萬公里，其中一半左右為水泥混凝土路面，相當部分老舊水泥商品混凝土路面即將到維修期。因此，未來五年里，混凝土路面大修維護會產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程中的廢棄混凝土，其數量較大。

(4)科研機構或工地試驗室等進行科研活動或者檢測活動使用后的廢棄混凝土，數量相對較少。

(5)因自然災害如地震、火災、颶風臺風等或因戰爭造成的建筑物損毀產生的廢棄混凝土。

其中增速最快的是建筑垃圾中的廢棄混凝土。混凝土建筑物由于各種原因如危樓拆除，舊房改造改建，土地用途變更等而被拆除所產生的建筑垃圾中，廢棄混凝土占比一半以上。根據《中國建筑垃圾資源化產業發展報告》顯示，中國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加工工藝流程簡要分為初級資源化和次級資源化。初級資源化是讓廢棄物經回收再利用成為重新利用的同類型產品；次級資源化是指通過處理手段讓廢棄物成為其他產品的生產原料或其他種類產品等。

一般而言，現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軟質土質地基的加固。二是進行次級資源化處理，形成工程建筑所需墻體材料、砂漿等其他產品。三是可以將廢棄混凝土進行破碎處理，形成粗細骨料。

混凝土加工工藝流程有幾個階段。一階段是人工篩選出經大型重錘機械裝置破碎后的大塊木材、塑料、鋼筋等材料；二階段是顎破初級破碎的集料，經沖洗、磁選、烘干、風力分離過程，實現水灰分離、分離出鐵屑等金屬材質與小型木料、塑料的其他雜質；第三環節是細化篩分環節，采用不同等級網狀分篩機，同步完成5mm到40mm粒徑的再生骨料篩分，大于40mm的骨料重復篩分。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)國內外廢棄混凝土資源化現狀

發達國家早在上世紀中期就已經開始建筑垃圾資源化的研究，經歷了半個多世紀的研究和政府政策推動，現在已經有了完整的建筑垃圾資源化產業鏈和完善的法律法規。

早在1997年，丹麥廢棄混凝土資源化回收率高達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要采用可回收的建筑材料和方法，做到建造零排放[2]。通過精細化的設備處理和科學的回收處理方式，提升再生集料的品質。日本在再生骨料和再生骨料混凝土方面的技術處于領先地位[3]。其再生骨料的加工設備和工序都十分先進和齊全，保障了再生骨料的力學性能。

我國建筑垃圾資源化研究起步較晚，但隨著我國經濟建設的不斷進步，建筑垃圾資源化發展有了長足的發展。在國家層面，政府高度重視發展循環經濟，《中華人民共和國循環經濟促進法》在2009年9月1日起實施，“發展循環經濟”已寫入“十三五”規劃綱要。交通運輸部新版《公路路面基層施工技術細則JTG/T F20—2015》已經發布，標準中明確了“再生材料可以用于低于原路結構層位或原路等級的公路建設”。而在技術層面，因為砂石等天然骨料資源的開采，對環境產生巨大破壞。國內研究最為集中的是廢棄混凝土再生骨料替代天然砂石粗、細骨料。大量學者研究了不同摻量條件下再生骨料對整體強度，耐久性等其他性能指標的影響。已經有少量試驗段或實驗項目運用了再生骨料或再生混凝土墻體材料。目前我國已具備建筑垃圾資源化的技術條件，但仍處于實驗室驗證階段，并未過多的涉及推廣和市場化研究，產業化發展進度很不成熟。

二、我國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，我國對廢棄混凝土最常見的再利用方法，是將廢棄混凝土破碎后作為建筑物基礎墊層或者道路基層[4]。這種方法技術含量低，易于操作和施工，只用簡單的破碎篩分工具，就可以得到再生骨料。但再生骨料品質品質、產地等難以保障。

李飛對低強度再生骨料，高強度再生骨料和天然骨料制備二灰碎石的性能研究[5]。其結果表明骨料類型對二灰碎石間接抗拉強度有一定的影響，在28天強度時，使用C40等級廢棄混凝土骨料二灰碎石間接抗拉強度要高于C20等級廢棄混凝土骨料二灰碎石和天然骨料二灰碎石。

云南某集團用再生骨料制備水泥穩定層用于市政項目[6]。在保證工程質量的前提下，大大降低了施工成本(降低了材料成本，節省了大量垃圾清理和處理費用)，節約資源保護生態環境。

上海滬太公路(A20公路—省界)拓寬改建工程中[7]，全長19.966千米，厚度為30厘米的穩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，其孔隙率，吸水率，粗糙程度均高于天然骨料。但總體成本相對較低，目前再生骨料主要用于二級及二級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、礦粉而制成的標準磚[8,9]。而混凝土空心砌塊等墻體材料普遍強度不高，因此制作再生混凝土小型空心砌塊性能完全符合各項技術指標，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、節省造價、抗震抗裂、熱工性能優良等特點[10]。

郭樟根，孫偉民等[11]，進行了再生混凝土空心砌塊砌體受壓變形性能試驗,認為再生混凝土空心砌塊的彈性模量及軸心抗壓強度可采用《砌體結構設計規范》[12]計算。郝彤等[13]研究了砂漿強度對再生混凝土砌塊力學性能的影響。結果表明砂漿強度對標準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骨料玻化微珠摻量和水膠比對再生混凝土砌塊抗凍性、耐久性的影響[14]。結果表明再生混凝土砌塊在一定配比下其強度達標可做承重外墻。卓玲等[15]通過實驗確定基準配合比，再驗證其抗壓抗拉性能，在再生細骨料取代率100%，再生粗骨料取代率85%時，制作出抗壓強度等級達到MU5.0的再生混凝土砌塊。

綜合目前的研究，可以發現在再生混凝土空心砌塊研究方面，力學方面，熱能方面研究較多，但在水穩定，抗腐蝕，耐久度和實際工程應用方面研究較少。目前，再生混凝土砌塊主要用于非承載結構的填充墻部分，可制成墻體或柱體。在承重結構如承重墻、柱體方面應用較少。

(三)再生混凝土

再生混凝土，是將廢棄混凝土塊經過破碎、清洗、分級篩分后，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[16]。由于建筑工程基礎中對混凝土的強度要求不是很嚴格，可以使用再生混凝土。再生混凝土在建筑工程基礎中不僅可以用于條形基礎，也可以用于樁基[17]。

周靜海等[18]針對結構式再生混凝土墻，研究其結構的受力狀況。通過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，通過數值分析等手段證明該結構抗震性能良好。彭春元[19]在不同的流動性前提下，研究了再生細骨料取代率對混凝土工作性的影響。認為再生細骨料的存在提高了水膠比，但其28天力學性能優于天然細骨料標準混凝土。羅素蓉等研究了不同取代率的再生粗骨料對混凝土徐變性能的影響[20]。結果表明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，研究了高溫后混凝土軸心抗壓強度[21]。結果表明混凝土高溫對碎石粗骨料影響較大，凝土高溫后的力學性能且與再生粗骨料多少無關。

朱慈勉、李壇[22]，將廢棄混凝土破碎為粒徑較大的級配加入到混凝土的拌制中。通過測試各種不同摻量的力學性能，發現在大粒徑再生骨料摻量為30%時兼顧強度與工作性，同時，因為大粒徑骨料成本更低，有著顯著的經濟效益。

目前再生骨料混凝土技術已經較完善，國內外學者對其強度，工作性方面進行了大量研究。再生骨料混凝土與相同配比的標準混凝土相比，強度有所降低，因此可以用于低一等級的工程項目中，其耐久性在摻加其他外加劑改良后耐久性甚至可優于普通混凝土。但目前再生骨料破碎篩分市場成本較高，塊狀混凝土回收利用是一個可以研究的發展方向。

三、總結

廢棄混凝土的資源化研究，是解決建筑垃圾問題的有效途徑，可以改善目前垃圾處理面臨的“垃圾圍城”的問題。廢棄混凝土可以代替現有的天然砂石骨料，減少國家對砂石骨料的消耗，廢棄混凝土取代粗細骨料即可保護環境可持續發展，又可以進一步提升產能。國家目前對廢棄混凝土資源化的法律法規已趨于完善，但缺乏有效的市場運作，沒有形成簡單高效利益分配良好的產業鏈。目前科學研究主要研究再生骨料或混凝土摻量和其他參數對性能的影響，并沒有過多的涉及產業化企業化的大規模集中生產的研究和改善加工工藝。另一方面，再生骨料的價格連年上漲，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。廢棄混凝土資源化研究，從實驗室走向全國各個工地，還有很長的路要走。