铁路工程废弃混凝土资源化再利用现状

2021-03-14程欢黄法礼李化建易忠来王振温家馨谢永江

铁道建筑 2021年11期

程欢黄法礼李化建易忠来王振温家馨谢永江

1.中国铁道科学研究院研究生部，北京 100081；2.中国铁道科学研究院集团有限公司铁道建筑研究所，北京 100081；3.中国铁道科学研究院集团有限公司高速铁路轨道技术国家重点实验室，北京 100081

我国铁路工程建造技术位居世界前列，截至2020年底我国铁路总里程达到14.6 万km，其中高速铁路里程达到3.9 万km。混凝土是铁路工程建设使用量最大的材料，每年产生的废弃混凝土数量庞大。据统计，我国各工务段平均每年更换7 000~8 000 根混凝土轨枕，仅北京铁路局每年更换的废弃轨枕数量就高达100万根，我国废弃混凝土轨枕已达两亿根。韩国、荷兰等国家同样存在铁路工程废弃混凝土数量庞大的问题。韩国每年约产生20万根废弃混凝土轨枕，相当于全国铁路轨枕总量的1.4%，其中除少量用于建设停车场围栏外，大部分被填埋在地下，回收利用率低［1-2］。由于泥浆冲刷、沉渣等原因，铁路地基施工中灌注桩顶部往往出现夹杂泥团、强度不足等问题。为保证桩身顶部混凝土质量及桩基与承台的有效连接，采取超灌混凝土再予以破除的方法处理桩基桩头。铁路桥梁段和路基段因截取桩基桩头产生的废弃混凝土每公里达到数百立方米。

实现废弃混凝土资源化再利用，不仅可以解决因建筑废弃混凝土露天堆放或填埋造成的侵占土地、污染环境、破坏土壤结构的问题，还可以缓解当前建筑材料短缺压力，也是建筑材料行业碳减排、碳达峰的具体实践。本文探讨铁路工程废弃混凝土分类方法，分析铁路工程废弃混凝土的特点，阐述铁路工程废弃混凝土资源化再利用现状及面临的挑战。

1 废弃混凝土的分类

按照产生时段的不同，铁路工程废弃混凝土可分为建设期废弃混凝土和运营期废弃混凝土。

1）建设期废弃混凝土

建设期废弃混凝土主要指铁路工程在建设过程中因必要的施工工艺浪费的混凝土，如桩头混凝土、隧道喷射过程中回弹的混凝土等，也包括质量不满足设计要求的混凝土构件。CFG（Cement Fly⁃ash Gravel）桩因其承载力高、稳定性好，施工时振动小、噪声小等优点，被广泛应用于我国高速铁路工程。高速铁路桩基混凝土强度等级：路基段一般低于C30，桥梁段一般为C30~C50。超灌高度通常大于0.5 m，破除后的大量废弃混凝土桩头通常就地掩埋，未得到充分利用。

隧道施工过程中喷射混凝土操作简单，且混凝土水灰比较小和喷出速度较快，混凝土与围岩之间黏结力较大，可抵抗不良地质条件下隧洞变形、坍塌等破坏。近年来，随着我国高速铁路隧道工程量不断攀升，喷射混凝土的应用显著增加，但应用过程中普遍存在回弹率过高的问题。受喷射混凝土制备技术和施工工艺水平的影响，喷射混凝土回弹率在10% ~30%，最高可达40%以上［3-4］。喷射过程中回弹的混凝土因缺少适当的回收途径，也造成一定程度的浪费。

2）运营期废弃混凝土

运营期废弃混凝土主要指在服役过程中性能逐渐劣化，不能满足服役要求的混凝土结构。TB 10005—2010《铁路混凝土结构耐久性设计规范》中规定：防护砌块、栏杆等设计使用寿命为30年；路基排水结构、接触网支柱等设计使用寿命为60 年；桥梁、隧道等主体结构、无砟轨道道床板、底座板等设计使用寿命为100 年。随着服役年限的增加，必然会有一部分混凝土结构因达到服役寿命被更换。此外，铁路工程混凝土在露天环境下承受周期性的疲劳荷载，决定了其劣化机理的复杂性和不确定性。因此，少量混凝土结构在未达到设计使用年限就出现性能劣化而被更换，成为废弃混凝土。

铁路工程混凝土结构形式多样，服役环境复杂，工程不同部位混凝土结构设计使用年限不一，造成混凝土设计强度的差异化与多元化。由于设计强度不同，混凝土在原材料选择，胶凝材料用量、水胶比等方面也存在较大差异。因此可根据原混凝土结构设计强度对其进行分类，见表1。

表1 铁路混凝土强度等级分类

2 废弃混凝土的特点

1）铁路废弃混凝土分散，分布范围广。铁路工程呈条带状分布，跨越区域大，形成了铁路工程特有的“一线多点”模式，即一条铁路的建设需要多个标段来共同完成，一条铁路的运营也需要多个铁路局或工务段共同承担。造成铁路工程建设期与运营期废弃混凝土的回收主体相对分散，各单位管辖范围内混凝土回收量相对较小。

2）铁路废弃混凝土强度等级高，回收价值大。为保障我国高速铁路高平顺性、高安全性、高舒适性，铁路工程主体混凝土结构采用中高强度。混凝土强度等级越高，则浆体体积分数越大，未反应的水泥颗粒和碱性硅钙化合物就越多［5］。当再生骨料再次应用于水泥混凝土中时，未水化的水泥颗粒将继续参与水化反应，碱性硅钙化合物为水泥水化早期提供足够的钙离子，提高了再生混凝土的水化潜力。Evangelista等［6］对比分析了再生骨料混凝土与普通混凝土强度的发展过程，发现普通混凝土强度趋于稳定时，再生骨料混凝土的强度仍处于上升阶段。

3）清洁度高，可溯源。铁路工程混凝土结构多以钢筋混凝土为主，不含石膏、涂料及泡沫板类材料，组分较为单一。此外，铁路工程混凝土通常以自建拌和站的模式供给，随着铁路工程混凝土拌合站标准化、信息化的实施，混凝土原材料、配合比、施工时间、施工数量等信息均可及时保存和查询，为废弃混凝土建设期关键数据的溯源提供了条件。

3 废弃混凝土再利用现状

3.1 路基填料

路基承受由路面传来的车辆荷载，对建设过程中的填料和后期路面加宽材料都有较严格的要求。尤其是铁路加宽过程中须考虑新老路基材料性能不同而导致的路基沉降和衔接处开裂问题。当前路基填料一般为砂、黏土和碎石的混合料。废弃混凝土强度高、抗环境侵蚀能力强，破碎至一定粒级后作为路基填料，其弹性模量优于黏土且具有一定的自胶结性能，是路基填料的优质原料［7-8］。Chi 等［9］研究发现，利用再生骨料和破碎黏土砖制备出的基层材料中再生细骨料更易受水分变化影响，因此需严格控制破碎混凝土的最小粒级。王军龙等［10］以石灰、粉煤灰和再生骨料为原料，使用静压法制备出一种新型的无机结合料，可满足铁路路基填料的要求。宫宝汝［11］测试了新建时期合安铁路工程中废弃混凝土再生骨料的化学组分以及硫酸盐浸泡后的压碎指标，测试结果均满足铁路基床的路用要求。赵笠君［12］将废弃混凝土轨枕替代片石用作路肩小挡墙，与原有材料相比，采用废弃轨枕每公里可节省3万元，并在全局推广。

3.2 路基边坡防护材料

随行车密度和速度的不断提高，在雨雪等恶劣天气下高速铁路和公路的路基高边坡易发生泥石流、滑坡等地质灾害［5］。目前，路基边坡防护的主要技术措施有植被防护、喷射混凝土防护、护面墙防护、砌石防护等。废弃轨枕强度高、耐久性好，切割后的废弃轨枕易于运输且外表美观，是极好的防护支挡材料，如图1所示。

图1 废弃轨枕用于路基边坡防护

废弃轨枕的切割技术发展较为迅速，现在有锯片切割、绳锯切割等方式。而废弃轨枕内部多为强度较高的岩石骨料且配筋密集，常规切割方法效率低且刀片易损坏。一般采用特殊合金钢材料的刀具对废弃轨枕进行切割。徐永等［13］发明了一种高压水切割刀，其用于废弃轨枕切割效率高。

3.3 再生骨料在砂浆/混凝土中的应用

再生骨料是解决天然骨料短缺和废弃混凝土堆存问题，缓解环境压力，降低建筑成本的最佳方法。废弃混凝土可作为再生骨料使用。目前我国建筑固体废弃物回收利用率在5%左右，而在比利时、丹麦、荷兰等国家回收率已接近95%［14-15］。与天然粗骨料相比，再生粗骨料表面黏附砂浆，颗粒级配差，吸水率大，从而导致再生混凝土坍落度损失大、浆体-再生骨料界面黏结性差、空隙率高等问题［16］。

Isabel 等［17］通过试验研究了再生粗骨料替代率对混凝土力学性能的影响，发现混凝土的力学性能随粗骨料替代率提高而下降，替代率达到100%时混凝土抗压强度下降20%~30%，弹性模量下降30%~40%。冯超朋［18］研究了再生粗骨料替代率对混凝土抗冻融循环性能的影响，发现再生粗骨料中砂浆-骨料界面的存在导致再生混凝土抗冻融性能较差，且在冻融循环次数较多时混凝土质量损失率随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浆含量对骨料性能的影响发现，随着黏附砂浆含量提高，再生粗骨料的吸水率增大，密度以及耐磨性能降低，再生粗骨料黏附砂浆含量在44%以下时其吸水率以及耐磨性较好。

以废弃轨枕为代表的预应力钢筋混凝土结构，其内部密集的横竖向钢筋限制了常规破碎设备的直接使用。一般先使用破碎机将废弃轨枕初步破碎，收集其中的钢筋等材料，然后将处理后的混凝土块进一步加工为再生骨料。西班牙Valoria Residuos 废料处理厂和中国武汉铁路局各研发了一体化的轨枕破碎装置，可在破碎过程中分离钢筋和混凝土。基于大量废旧轨枕堆存的现状，Barbosa等［20］提出了将废弃轨枕破碎后制备再生轨枕的想法。随后Corominas 等［21］将旧轨枕破碎后作为粗骨料，制备再生混凝土轨枕，在满足欧洲标准EN 13230⁃2：2009 的前提下，再生粗骨料的替代率可达到100%。Sainz等［22］使用破碎的废弃轨枕制备自密实混凝土轨道板，实现了铁路工程混凝土的循环再利用。2020年瑞士的Vigier Rail 公司设立了采用废弃轨枕制备再生轨枕项目。武汉铁路局也设立了废弃轨枕再生利用的课题。

与再生粗骨料相比，再生砂粉中含有一定比例的石粉、泥土、旧砂浆等成分，且其颗粒级配难以满足要求，故其再利用难度更大。Vegas 等［23］采用再生砂粉替代河砂制备砂浆时发现，随着替代率提高，砂浆吸水率增大，力学性能下降，替代率不能超过25%。李贞等［24］研究了水中预浸泡的再生砂粉对砂浆收缩性能的影响，结果表明，高吸水率的再生砂粉在浆体内部相对湿度较低时能够释放更多内养护水，随着再生砂粉自身吸水率增大，砂浆的自收缩减小。Li 等［25］使用回弹强度在25~35 MPa的废弃混凝土制备再生砂粉，并使用其中粒径小于75 μm 的颗粒替代30%的水泥，制备的砂浆收缩率增大、抗冻融能力降低，且降幅随着颗粒粒径增加而增大。Li 等［26］采用不同粒径再生砂粉制备混凝土时发现，随着再生砂粉粒径减小，混凝土早期强度增长速度、吸水率、抗收缩性能均降低。由于再生材料高吸水率以及低硬度导致砂浆体积稳定性差，Gonçalves 等［27］采用再生砂粉制备砂浆时使用活性氧化镁替代水泥，发现替代率为15% ~20%时活性氧化镁水化反应产物氢氧化钙产生的膨胀可以完全抵消再生砂粉高吸水率导致的砂浆收缩。再生砂粉的再利用也存在限制，Carrión 等［28］使用废弃混凝土轨枕破碎而成的再生砂粉制备聚合物混凝土，发现过多细小颗粒会导致聚合物难以充分渗透到混凝土结构中，因此须严格控制再生砂粉中细小颗粒的含量。也有研究者采用废弃砂粉中的细小颗粒制备胶结材料用作地基填料，得出粒径小于0.125 mm 的颗粒在湿养护条件下制备的灌浆材料力学性能优于干养护［29］。部分研究者通过对再生砂粉进行预处理以提升其性能，Chinzoright 等［30］先将再生砂粉浸泡后置于二氧化碳环境中处理，然后再进行混凝土的制备，发现二氧化碳可与再生砂粉中的氢氧化钙和水化硅酸钙反应生成碳酸钙填充孔隙，降低了再生砂粉吸水率，提高了整体密实度，再生混凝土28 d 抗压强度比采用二氧化碳处理前提高了8%。Salahuddin 等［31］采用废弃混凝土轨枕制备的再生砂粉替代天然砂制备混凝土时发现，再生砂粉替代率为75%时，在90 ℃热水中养护48 h 的再生混凝土28 d 龄期抗压强度比直接常温养护提高15%。

4 存在的问题

1）废弃混凝土回收成本高，市场竞争力差。铁路工程条带状分布的结构特点决定了铁路工程废弃混凝土的回收与再利用费用相对较高。为提升其工程适用性还需经过特殊工艺工装对废弃混凝土予以加工，从而产生一定的附加费用。因此，废弃混凝土再生资源成本可能比原生资源高。在缺少相关法律法规保障、政府财政扶持和政策干预的条件下难以体现其经济效益，从而影响废弃混凝土资源化再利用的积极性。

2）当前废弃混凝土的资源化再利用仍处于较低水平。尽管国内外学者已经针对废弃混凝土破碎加工成混凝土骨料及其对混凝土工作性能、力学性能和耐久性能的影响开展了大量研究工作，但受再生骨料成本、再生骨料混凝土工程应用技术水平普遍较低等多方面因素限制，当前废弃混凝土的回收再利用仍主要用于路基填筑和边坡防护中。

3）缺少废弃混凝土再利用技术标准体系。尽管铁路工程废弃混凝土存在设计强度等级高、清洁度高、来源可溯性好等优点，但因其在服役过程中受外部环境、列车荷载等多重因素的交互影响，铁路工程废弃混凝土的具体劣化机制尚不清晰。因此，须以其实时的性能指标作为再利用的判定依据，亟需建立废弃混凝土再利用技术标准体系。