王 歡 康 玲 牟廷敏 周孝軍 鄒 圻
(1.四川省公路規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司,四川 成都 610041;2.西華大學(xué),四川 成都 610039)
隨著城市化進(jìn)程的不斷加快,大量廢舊建筑面臨拆除,同時(shí)市政、公路等工程項(xiàng)目也逐年增多,產(chǎn)生大量建筑廢渣和工程棄土。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì),每年我國產(chǎn)生的建筑垃圾超過15.5~24億t,且呈現(xiàn)上升趨勢。據(jù)估算[1],每拆除1×104m2建筑會(huì)產(chǎn)生建筑垃圾0.7×108~1.2×108t,體量如此巨大的建筑垃圾如何處理是目前面臨的重大問題。
大多數(shù)建筑垃圾采用露天堆放、簡易填埋、混合焚燒的處理手段,固廢材料中的潛在資源未得到充分利用,而砂石資源是最不可再生的有限礦產(chǎn)資源,資源稀缺與固廢材料資源浪費(fèi)之間矛盾加劇,與環(huán)境保護(hù)政策和可持續(xù)發(fā)展背道而馳,制約產(chǎn)業(yè)發(fā)展。建筑固廢資源化再生利用對(duì)解決這一矛盾成為可能,可減少對(duì)自然資源占用,滿足建設(shè)資源節(jié)約型與環(huán)境友好型社會(huì)的需求。
“雙碳”戰(zhàn)略背景下,為解決我國建筑廢渣體量大而利用率差的現(xiàn)狀,本文總結(jié)建筑固廢資源化再生利用的研究現(xiàn)狀,探討合理的建筑廢渣應(yīng)用方向,為砂石資源稀缺背景下的公路工程建造提供大量可靠的材料來源,促進(jìn)公路工程建設(shè)高質(zhì)量可持續(xù)發(fā)展。
建筑固廢是指新建、改擴(kuò)建和拆除各類建筑物、構(gòu)筑物、管網(wǎng)等以及居民裝飾裝修房屋過程中所產(chǎn)生的渣土、棄土、棄料、余泥及其他廢棄物。按照來源分類,可細(xì)分為道路開挖垃圾、土地開挖垃圾、建筑施工垃圾、建材生產(chǎn)垃圾、舊建筑物拆除垃圾等五類,其中主要為建筑施工和舊建筑物拆除垃圾。
建筑固廢90%以上均為無污染的無機(jī)物(包括泥土、石塊、混凝土塊、碎磚等),具有耐酸堿、耐水、不易變形等特點(diǎn),化學(xué)和物理性質(zhì)比較穩(wěn)定,決定了其經(jīng)過處理可成為良好的再生利用材料。建筑固廢在城市垃圾中屬相對(duì)較清潔的垃圾,經(jīng)合理處理將達(dá)到“變廢為寶”的效果,具有較大的應(yīng)用潛力。建筑固廢污染特征及利用形式見表1。
表1 建筑固廢污染特征及利用形式
建筑固廢組成復(fù)雜,再生利用之前要進(jìn)行預(yù)處理,包含破碎、篩分和分選工序。肖建莊等[2]分析國內(nèi)外再生骨料的生產(chǎn)工藝,設(shè)計(jì)了一套適用于我國建筑固廢預(yù)處理的工藝流程(如圖1所示)。該流程利用我國的勞動(dòng)力資源優(yōu)勢,選擇人工法對(duì)廢棄混凝土塊進(jìn)行分選。當(dāng)前,勞動(dòng)力資源日益稀缺,人工分選效率低下、自動(dòng)化程度不高,工業(yè)過程領(lǐng)域需要提質(zhì)增效,應(yīng)結(jié)合信息化、自動(dòng)化技術(shù),加強(qiáng)智能篩分系統(tǒng)研發(fā)。
庫躍東[3]開發(fā)了一套建筑固廢分揀機(jī)器人代替人工撿拾臺(tái),提高了回收純度和效率。劉鋼洋[4]利用機(jī)器視覺、機(jī)器學(xué)習(xí)和深度學(xué)習(xí)等技術(shù),實(shí)現(xiàn)對(duì)建筑固廢的智能化分選。邱葉強(qiáng)[5]基于計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)提出三維點(diǎn)云分割算法,完成建筑固廢空間、幾何、紋理等特征的三維點(diǎn)云識(shí)別,實(shí)現(xiàn)自動(dòng)分揀。
已有研究論證了建筑固廢資源化再生利用的可行性。與其他城市垃圾相比,建筑固廢具備體量儲(chǔ)備大、無毒無害、可回收利用、區(qū)域分布范圍均衡且運(yùn)輸條件好的優(yōu)點(diǎn);在公路工程領(lǐng)域,建筑固廢經(jīng)預(yù)處理后,可應(yīng)用于路基填料、道路基層集料和再生混凝土等。
建筑廢固材料經(jīng)篩分、碾壓等工序后應(yīng)用于道路路基填料,已有研究和工程應(yīng)用表明,回彈模量、彎沉值等指標(biāo)均滿足路基要求,具有可行性。趙紀(jì)飛[6]對(duì)建筑垃圾開展了系列試驗(yàn)測試和數(shù)值計(jì)算,提出建筑固廢作為路基填料的適用條件。姚志雄[7]對(duì)建筑渣土的顆粒組成、組分特性、擊實(shí)特性和CBR值等開展了試驗(yàn)研究,提出能滿足路基填料各指標(biāo)要求。馮碩[8]將建筑渣土應(yīng)用于路基填土材料,提出建筑渣土經(jīng)石灰改性作為路基填料的適應(yīng)性,并總結(jié)形成系統(tǒng)的改性方法。
建筑廢渣再生集料表面孔隙多、密度小,吸水率大、強(qiáng)度低,與傳統(tǒng)的道路基層材料混摻或摻加固化劑,可作為再生材料應(yīng)用于路面基層。科學(xué)的固化技術(shù)、合理的配合比是研究的重難點(diǎn)和關(guān)鍵技術(shù)。毛靜民等[9]將建筑廢渣與基于聚合物的沙土固化劑結(jié)合,研究其作為路面基層材料的性能,論證了固化后的建筑廢渣應(yīng)用到城市快速路的可行性。劉琦[10]基于鋼渣-赤泥-電解錳渣等多種固廢材料,協(xié)同制備路面基層材料,各項(xiàng)性能均滿足一級(jí)公路及高速公路要求。
建筑固廢經(jīng)破碎、清潔、分級(jí)篩選后,全部或部分代替砂石等集料,與水泥、粉煤灰等膠體材料以及水混合,可配置再生混凝土。大量研究表明:建筑固廢在長期運(yùn)營使用或在破碎處理過程中,內(nèi)部存在微小裂紋,生產(chǎn)出來的再生骨料壓碎和磨耗指標(biāo)值高,拌合出來的再生混凝土強(qiáng)度和耐久性難以滿足工程需求;其次,再生骨料密度小、吸水率高、強(qiáng)度小,配置的混凝土用水量大、水膠比大,力學(xué)性能難以保證,應(yīng)用場景大多局限于非承重結(jié)構(gòu),如填充墻、砌塊等。
現(xiàn)有研究大多趨向于提高再生骨料強(qiáng)度。王松巖等[11]基于試驗(yàn)研究和精細(xì)化計(jì)算,研究強(qiáng)化后的再生混凝土抗震性能。肖建莊等[12]研究再生混凝土框架結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng),提出在不同破壞狀態(tài)下的性能指標(biāo)。王志佳等[13]采用再生混凝土骨料替換包裹碎石樁的碎石芯料,提出再生混凝土骨料包裹樁。
四川是農(nóng)業(yè)大省,磷復(fù)肥需求量大,產(chǎn)生了大量磷石膏,主要分布在邛崍、樂山馬邊、雅安石棉、德陽什邡等地,庫存量占長江經(jīng)濟(jì)帶7省磷庫存的30%。磷石膏是用硫酸處理磷礦石制取磷酸的工業(yè)廢渣,主要成分為硫酸鈣(CaSO4·2H2O),含有磷、氟化物、鎘、汞等污染物。磷酸是生產(chǎn)高濃度磷復(fù)肥的主要原料之一,制取1t 磷酸(以100%P2O5計(jì))約產(chǎn)生5t磷石膏。絕大多數(shù)磷石膏采用“堆放”形式處理,不僅占用土地資源,且會(huì)對(duì)周邊環(huán)境和地下水造成嚴(yán)重污染,其大規(guī)模資源化利用迫在眉睫。
2020年四川省磷石膏綜合利用率達(dá)100.2%,主要消納途徑有:
(1)超硫水泥,經(jīng)濟(jì)效益好,但市場容量有限;
(2)水泥緩凝劑,影響水泥凝結(jié)時(shí)間和早期強(qiáng)度;
(3)石膏建筑制品,但成本高、消耗量低。
總體來看磷石膏固廢的綜合應(yīng)用場景還很有限。四川省公路工程建設(shè)規(guī)模巨大,需要大量砂石材料,若能將磷石膏用于制備混凝土與路面基層材料,實(shí)現(xiàn)資源化利用,經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益巨大。
利用磷石膏固廢制備高性能混凝土與路基填料,研究重點(diǎn)集中于磷石膏原材料性能、集料制備、混凝土配合比設(shè)計(jì)、路基填料制備等方面。
(1)磷石膏原材料的基本物理、化學(xué)性能。磷石膏物理性能包括粒徑及級(jí)配組成、含水率、密度、膨脹系數(shù)等,磷石膏化學(xué)組成測試包括磷石膏主要化學(xué)成分分析及有害性物質(zhì)的測定,以及放射性測試,以評(píng)判其作為建筑材料使用的可行性。
(2)磷石膏制備集料。利用磷石膏制備集料,需要探究不同磷石膏預(yù)處理(粉碎、陳化等)方式、磷石膏和超細(xì)活性摻合料種類及摻量對(duì)集料性能的影響規(guī)律。
(3)磷石膏高性能混凝土制備與應(yīng)用。將磷石膏與水泥、粉煤灰等共同組成磷石膏基復(fù)合膠凝材料,再結(jié)合砂石和水配制高性能混凝土,其關(guān)鍵在于研究各組成材料摻量、減水劑用量與外加劑配比等因素對(duì)膠凝材料凝結(jié)時(shí)間與抗壓強(qiáng)度的影響,以及磷石膏摻量、砂率、水膠比等對(duì)混凝土工作性能、力學(xué)性能與體積穩(wěn)定性、耐久性的影響。
(4)磷石膏路基填料制備與應(yīng)用。路面基層強(qiáng)度要求低,可采用磷石膏粉取代部分水泥,通過顆?;资嗉咸娲槭?,通過配合比設(shè)計(jì),進(jìn)一步提高磷石膏粉摻量,降低生產(chǎn)成本、實(shí)現(xiàn)固廢資源化利用。
綜上所述,實(shí)現(xiàn)建筑固廢的大規(guī)模資源化再生利用,促進(jìn)產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)與應(yīng)用,可有效解決現(xiàn)今砂石等材料資源短缺的問題。本文開展建筑固廢資源化再生利用的研究現(xiàn)狀分析,系統(tǒng)總結(jié)了建筑固廢的現(xiàn)存體量和環(huán)境污染問題,并進(jìn)一步對(duì)其定義和分類進(jìn)行詳細(xì)分析,闡述其在公路工程的應(yīng)用方向和可行性,并總結(jié)建筑廢固材料的預(yù)處理工藝成套技術(shù),為建筑廢固材料資源化再生利用提供參考。