裝配式再生混凝土建筑發(fā)展研究

劉秋林，李蜀江，王良玉

（中國五冶集團有限公司，成都 610023）

混凝土的抗壓性能好，是當代最主要的人造建筑材料。隨著經(jīng)濟的迅速發(fā)展和城鎮(zhèn)化持續(xù)推進，老城改造與新城建設(shè)同步實施，混凝土的消耗量也越來越大。另一方面，老舊建筑拆除，或因地震導(dǎo)致建筑坍塌引起廢棄混凝土大量堆積。有學(xué)者提出，將廢棄混凝土制成再生骨料取代砂石用于澆筑混凝土，稱為再生混凝土[1]（Recycled Concrete）。再生混凝土的應(yīng)用是實現(xiàn)建筑行業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要途徑，這不單單可以解決建筑垃圾堆積造成的環(huán)境問題，還可以有效地減少砂石等天然資源的開采需求。因此，研究再生混凝土在建筑工程中的應(yīng)用有著極為重要的經(jīng)濟價值和社會意義。

“中國建造”締造“中國速度”。為了應(yīng)對突如其來的新冠病毒感染疫情，火神山醫(yī)院和雷神山醫(yī)院從方案設(shè)計到交付使用僅耗時10 d。也正是在疫情的影響下，民眾通過醫(yī)院建設(shè)全過程的直播看到了裝配式建筑在施工效率上有著巨大的優(yōu)勢。裝配式建筑是以預(yù)制構(gòu)件為基礎(chǔ)，現(xiàn)場安裝修建而成的建筑，因而有著施工效率高、場地適應(yīng)性較強、建筑標準化程度高和節(jié)約勞動力等特點，通常用在工期要求短的應(yīng)急建筑。隨著建筑材料、施工技術(shù)和信息化技術(shù)的發(fā)展，裝配式建筑已經(jīng)運用于住宅、商業(yè)建筑等各類型的項目中。

目前裝配式再生混凝土的研究已成為學(xué)者們關(guān)注的重要領(lǐng)域。Zhang 等[2]在總結(jié)了發(fā)達國家混凝土建筑垃圾回收利用措施的基礎(chǔ)上，提出了建筑廢棄混凝土的預(yù)制回收措施。MA 等[3]指出再生混凝土的性能在不同程度上劣于普通混凝土，但當再生混凝土與裝配式技術(shù)相結(jié)合時，通過適當?shù)拇胧┛梢允蛊湫阅鼙绕胀ɑ炷吝€好。段鵬飛等[4]指出預(yù)制裝配式再生混凝土結(jié)構(gòu)在低層和多層建筑中是可行的。文獻[5-7]研究分析了裝配式再生混凝土應(yīng)用于實體工程項目。本文將圍繞再生混凝土應(yīng)用于裝配式建筑的優(yōu)勢，針對現(xiàn)階段裝配式再生混凝土發(fā)展過程中強度不足、公信力不夠、設(shè)計施工復(fù)雜和成本高等問題，從科研院校、政府部門和生產(chǎn)廠家三方視角就材料、技術(shù)、政策和經(jīng)濟4 個方面提出推動裝配式再生混凝土發(fā)展的建議措施。

1 再生混凝土應(yīng)用于裝配式建筑的優(yōu)勢

1.1 有效保證預(yù)制構(gòu)件質(zhì)量

再生混凝土與裝配式建筑相結(jié)合，工廠對再生混凝土預(yù)制構(gòu)件進行精細化加工，通過精準控制再生混凝土的配比，保證再生骨料的質(zhì)量和粒徑級配，確保良好的攪拌、成型及養(yǎng)護的環(huán)境和時間，就能夠保證再生混凝土構(gòu)件達到設(shè)計的強度，保障預(yù)制構(gòu)件滿足投入工程使用的需求。

1.2 符合使用綠色建材的政策

為了實現(xiàn)促進經(jīng)濟社會發(fā)展全面綠色轉(zhuǎn)型和“爭取2060 年前實現(xiàn)碳中和”的目標，國家正在推動傳統(tǒng)建筑材料向資源節(jié)約、環(huán)境友好的綠色建材方向發(fā)展。再生混凝土的發(fā)展是加快結(jié)構(gòu)優(yōu)化、產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型的迫切需要，是促進建筑垃圾回收利用和建筑材料綠色發(fā)展的重要契機，是綠色建材和綠色建筑產(chǎn)業(yè)融合的必由之路。再生混凝土作為一種再生材料、綠色建材，推廣到裝配式建筑中使用，可以促進綠色建材的推廣使用，擴大再生混凝土的消耗力度，起到良好的經(jīng)濟、環(huán)境及社會效益，符合我國正在積極倡導(dǎo)使用綠色建材及大力推行裝配式建筑的國家政策。

1.3 簡化施工流程

再生混凝土的生產(chǎn)需經(jīng)過廢棄混凝土的破碎、清洗和分級，然后按照一定比例和級配配制再生骨料，加入水和水泥等一系列工序。在建筑工地現(xiàn)場進行再生混凝土施工，工藝較為復(fù)雜，且生產(chǎn)再生骨料時，使用機械破碎廢棄混凝土?xí)斐稍胍粑廴尽⒎蹓m飛揚，嚴重污染環(huán)境。清洗骨料則需要消耗大量的水，且廢水不能直接排入城市地下管網(wǎng)，需要經(jīng)過二次沉淀后才可以排入地下管網(wǎng)，否則會污染水資源。

將再生混凝土與裝配式結(jié)合起來，使用工廠預(yù)制的再生混凝土構(gòu)件進行現(xiàn)場安裝，簡化了施工流程，大大地加快了再生混凝土結(jié)構(gòu)的施工效率。而預(yù)制工廠大多建在城郊地區(qū)，地方開闊，四周居民較少。在破碎廢棄混凝土過程中產(chǎn)生的噪音對人們的生產(chǎn)生活影響較小，同時工廠附近設(shè)置圍擋噴淋，有效地做好揚塵防治工作。不僅如此，在工廠進行構(gòu)件預(yù)制可以將清洗再生混凝土的廢水集中處理，避免污染地下水。

2 裝配式再生混凝土發(fā)展面臨的問題

2.1 再生混凝土強度不足

再生混凝土是利用建筑垃圾中的廢棄混凝土制成的再生粗、細骨料代替砂石澆筑而成的。目前我國建筑廢棄混凝土大多都是中檔或低檔的混凝土，由此制備的再生骨料本身強度就不高。此外，廢棄混凝土的破碎過程會使得骨料表面硬化水泥砂漿和其內(nèi)部產(chǎn)生大量微裂紋，造成再生骨料的壓碎指標、吸水率和空隙率等均增大，從而導(dǎo)致再生混凝土在承受荷載時，骨料自身先于水泥結(jié)合面發(fā)生破壞，造成混凝土強度下降。

2.2 公眾認可度不夠

有關(guān)行業(yè)協(xié)會研究表明，我國建筑垃圾總體回收利用率不足10%，與日本、韓國的95%和歐美發(fā)達國家的90%仍相距甚遠。我國對建筑垃圾資源化的重視程度遠遠不夠，各地方政府對建筑垃圾資源化的管理缺乏統(tǒng)一規(guī)劃，再生混凝土等沒有被納入城市建筑材料名錄庫，相關(guān)補貼不到位，嚴重影響建筑垃圾回收再利用企業(yè)的生產(chǎn)積極性。同時，由于近年來越來越多的豆腐渣工程曝光在公眾的面前，消費者對建筑企業(yè)的信任度不足。我國對再生混凝土的宣傳力度不足，加之再生混凝土在國內(nèi)尚未廣泛應(yīng)用，公眾對使用建筑垃圾生產(chǎn)再生混凝土仍心存疑慮，貿(mào)然使用再生混凝土建設(shè)工程項目，可能會適得其反。

2.3 設(shè)計復(fù)雜和施工要求高

盡管我國正在大力推廣裝配式建筑的使用，裝配式建筑在發(fā)展過程中依然存在一定的問題，其中最大問題就是設(shè)計人員對裝配式建筑的生產(chǎn)及施工全過程了解不透徹，缺乏系統(tǒng)性的設(shè)計思維，造成對裝配式的設(shè)計深度不足。裝配式建筑與現(xiàn)澆建筑的設(shè)計有著一定的差距，而設(shè)計深度不達標、設(shè)計圖不夠詳細等都會制約裝配式建筑的發(fā)展，因此目前的裝配式結(jié)構(gòu)大都由構(gòu)件廠家或施工單位完成深化設(shè)計。而且目前我國建筑行業(yè)仍存在勞動密集型和機械化水平低的情況，建筑工人老齡化嚴重，文化素質(zhì)普遍偏低，產(chǎn)業(yè)工人嚴重缺失，目前尚不滿足精細化程度較高的現(xiàn)代化裝配式施工方式的要求。

2.4 裝配式成本高

毫無疑問，“成本”成為了制約中國裝配式建筑發(fā)展的最重要原因之一。傳統(tǒng)的現(xiàn)澆式施工方式和裝配式施工都必須按照國家和行業(yè)規(guī)范來實行，單單從前期圖紙和相關(guān)資料進行工程預(yù)算的話，裝配式建筑的成本應(yīng)當?shù)陀诂F(xiàn)澆式，而在實際工程中卻截然不同。通過工程應(yīng)用案例的對比研究[8]，發(fā)現(xiàn)裝配式的成本普遍比現(xiàn)澆式結(jié)構(gòu)成本每平米高300～900 元，這是由于傳統(tǒng)施工技術(shù)已經(jīng)成熟，市場已經(jīng)規(guī)模化、標準化，各項費用相對透明化、固定化，而裝配式目前發(fā)展還不算成熟，行業(yè)標準還不夠統(tǒng)一，導(dǎo)致各地區(qū)、企業(yè)在費用上仍然存在爭議，建設(shè)成本無法有效控制。

3 推動裝配式再生混凝土發(fā)展的建議措施

3.1 材料方面

再生骨料的性能劣于天然骨料，導(dǎo)致再生混凝土的承載能力和耐久性能都相對較差。而通過改善再生骨料的性能，能有效提高再生混凝土的強度，例如使用磨圓機器去除粘附在骨料表面的水泥砂漿；酸溶液與氫氧化鈣等水泥水化物反應(yīng)；使用化學(xué)試劑浸泡和干燥處理再生骨料來改善再生骨料的空隙結(jié)構(gòu)；利用水玻璃填充再生骨料的空隙；等等。使用火山灰對再生骨料進行預(yù)處理，不僅能夠有效提高再生骨料的性能，而且成本低廉、工藝簡單。在制作再生混凝土構(gòu)件的過程中，粉煤灰等摻合料的加入有助于提高預(yù)制構(gòu)件的延性、剛度和承載能力。微生物碳酸鹽沉積也是節(jié)能環(huán)保的再生混凝土改性技術(shù)之一。除此以外，由于再生混凝土的性能離散性很大，研究人員應(yīng)當在高強、高性能的再生混凝土方面做深入研究。

3.2 技術(shù)方面

一方面，企業(yè)應(yīng)當引進國際先進的再生混凝土生產(chǎn)線，優(yōu)化再生骨料生產(chǎn)工藝，提高建筑垃圾回收再利用的比率，同時應(yīng)當加強在建筑垃圾減量化和資源化方面的新技術(shù)、新設(shè)備和新產(chǎn)品的創(chuàng)新和研發(fā)。不僅如此，還可以基于互聯(lián)網(wǎng)平臺建立校企產(chǎn)研同盟和研發(fā)—生產(chǎn)—施工合作交流平臺，如圖1 所示，促進協(xié)同解決技術(shù)難題和科研成果產(chǎn)業(yè)化發(fā)展，以高校強勁的科研能力促進企業(yè)技術(shù)革新，以企業(yè)優(yōu)勢加強高效人才實踐能力培養(yǎng)，形成良性發(fā)展。

圖1 再生混凝土的研發(fā)—生產(chǎn)—施工合作交流平臺

另一方面，要加強設(shè)計人員培訓(xùn)，不斷提高設(shè)計人員水平，推動創(chuàng)新性“增強型”裝配式節(jié)點設(shè)計研究，簡化裝配式的施工流程，優(yōu)化裝配式的施工工藝，進一步保障裝配式建筑滿足抗震設(shè)計要求。

3.3 政策方面

政府應(yīng)當針對建筑垃圾綜合治理問題設(shè)置相關(guān)管理部門，建立健全建筑垃圾規(guī)范化管理體系，全面提升建筑廢棄物綜合治理能力。在多個城市或地區(qū)開展建筑垃圾回收利用試點工作，旨在為廢棄混凝土資源化和減量化創(chuàng)造試點條件，為實現(xiàn)建筑垃圾綜合處理產(chǎn)業(yè)化打好基礎(chǔ)。管控天然砂石的開采，優(yōu)化砂石開發(fā)布局、加強非法采砂綜合管理，積極推進砂石替代資源的研究，鼓勵使用固體廢棄資源制造再生骨料。對企業(yè)在工程項目建設(shè)過程中使用建筑垃圾生產(chǎn)的再生建筑材料比例提出強制性要求，從而反推再生混凝土的消耗。加大對建筑廢棄物再生處理的宣傳力度，引導(dǎo)媒體和公眾對使用建筑垃圾制備建筑材料認知發(fā)生轉(zhuǎn)變，讓民眾接受再生混凝土等“可再生建材”。

3.4 經(jīng)濟方面

目前社會公眾對再生混凝土的認可度不足，且再生混凝土與傳統(tǒng)混凝土相比成本優(yōu)勢不夠明顯。政府應(yīng)當加大資金和技術(shù)投入，堅持創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展戰(zhàn)略，調(diào)動施工單位與再生混凝土企業(yè)發(fā)展的內(nèi)在動力，優(yōu)化再生混凝土生產(chǎn)新工藝、研發(fā)新設(shè)備，擴大建筑廢棄物再生制品業(yè)務(wù)，從而降低再生混凝土的生產(chǎn)成本，同時允許符合資質(zhì)的再生建材制造企業(yè)通過特許經(jīng)營協(xié)議進入市場，率先與大型國企達成合作，增強中小企業(yè)的獲利信心，提高可再生建材在建材行業(yè)的吸引能力。基于互聯(lián)網(wǎng)建設(shè)“黑進綠出”的建筑垃圾回收服務(wù)平臺，不斷吸納再生建材商家和施工企業(yè)入駐，營造一種“建筑廢棄物由從施工單位直接流向再生建材制造工廠，綠色建材由建材工廠直接流向施工單位”的雙贏局面。對資源化企業(yè)和使用再生建材的施工單位給予財政支持和補貼，在投資等方面給予一定的政策優(yōu)惠。

同時，國家還需要進一步加強市場干預(yù)和整頓，完善裝配式建筑設(shè)計標準，統(tǒng)一裝配式建筑設(shè)計規(guī)范和構(gòu)件的質(zhì)量衡量標準，對材料和構(gòu)件等方面做出具體規(guī)定，從而降低預(yù)制構(gòu)件的生產(chǎn)成本。

4 結(jié)束語

我國住宅建筑的產(chǎn)業(yè)化和現(xiàn)代化發(fā)展已成必然趨勢，國家正在大力推進裝配式結(jié)構(gòu)體系建設(shè)。本文圍繞裝配式再生混凝土這一新型建筑模式進行了分析，闡述了再生混凝土的發(fā)展及應(yīng)用于裝配式建筑的優(yōu)勢，通過分析裝配式再生混凝土結(jié)構(gòu)發(fā)展過程中遇到的問題，從材料、技術(shù)、政策和經(jīng)濟方面提供了針對性的措施和建議。從科研院校、再生混凝土預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)廠家、政府三方視角（圖2）作出如下結(jié)論。

圖2 裝配式再生混凝土發(fā)展利益相關(guān)方的關(guān)系圖

1）科研院校應(yīng)在高強高性能再生混凝土方面做深入研究，以保證建筑材料的可靠性；加強裝配式設(shè)計人員培訓(xùn)，著力于“增強型”裝配式新型節(jié)點設(shè)計研究，從而確保建筑結(jié)構(gòu)的安全性；校企協(xié)同解決技術(shù)難題，為再生混凝土生產(chǎn)廠家和施工單位提供技術(shù)支持，培養(yǎng)和輸送專業(yè)技術(shù)人才。

2）再生混凝土預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)廠家通過使用物理、化學(xué)和生物方法改善再生骨料性能和外加摻合料的方法以提高再生混凝土的強度，保證預(yù)制構(gòu)件出廠質(zhì)量；引進國外先進產(chǎn)業(yè)技術(shù)和設(shè)備，優(yōu)化再生混凝土制備流程，提高建筑垃圾資源化比率，降低再生混凝土預(yù)制構(gòu)件的生產(chǎn)成本。

3）政府應(yīng)當建立健全相關(guān)的法律法規(guī)，通過管控砂石資源的開采、鼓勵使用建筑垃圾替代砂石資源生產(chǎn)建筑材料和對施工單位使用再生建材提出強制性要求等方式促進再生混凝土的發(fā)展；加大宣傳力度，引導(dǎo)媒體和公眾對再生混凝土認識轉(zhuǎn)變；建立“研發(fā)—生產(chǎn)—施工”三方協(xié)作交流平臺，加大資金投入鼓勵科研院校研發(fā)新技術(shù)、新材料和新設(shè)備，對建筑垃圾資源化生產(chǎn)企業(yè)和使用再生建材的施工單位給予財政補貼；通過干預(yù)和整頓市場，完善裝配式設(shè)計標準和統(tǒng)一構(gòu)件的質(zhì)量衡量標準，從而降低裝配式建筑生產(chǎn)成本。