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）

0 引言

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解決這一矛盾成為可能，可減少對自然資源占用，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。

1 建筑固廢的概念

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

2 建筑固廢預(yù)處理工藝成套技術(shù)

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力資源優(yōu)勢，選擇人工法對廢棄混凝土塊進(jìn)行分選。當(dāng)前，勞動力資源日益稀缺，人工分選效率低下、自動化程度不高，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，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)云識別，實(shí)現(xiàn)自動分揀。

3 建筑固廢的應(yīng)用方向

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。

3.1 應(yīng)用于路基填料

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。

3.2 應(yīng)用于道路基層

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)性能均滿足一級公路及高速公路要求。

3.3 應(yīng)用于再生混凝土

建筑固廢經(jīng)破碎、清潔、分級篩選后，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。

4 案例應(yīng)用

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，且會對周邊環(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，通過顆粒化磷石膏集料替代碎石，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。

5 結(jié)束語

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。