装配式再生混凝土建筑发展研究

刘秋林，李蜀江，王良玉

（中国五冶集团有限公司，成都 610023）

混凝土的抗压性能好，是当代最主要的人造建筑材料。随着经济的迅速发展和城镇化持续推进，老城改造与新城建设同步实施，混凝土的消耗量也越来越大。另一方面，老旧建筑拆除，或因地震导致建筑坍塌引起废弃混凝土大量堆积。有学者提出，将废弃混凝土制成再生骨料取代砂石用于浇筑混凝土，称为再生混凝土[1]（Recycled Concrete）。再生混凝土的应用是实现建筑行业可持续发展的重要途径，这不单单可以解决建筑垃圾堆积造成的环境问题，还可以有效地减少砂石等天然资源的开采需求。因此，研究再生混凝土在建筑工程中的应用有着极为重要的经济价值和社会意义。

“中国建造”缔造“中国速度”。为了应对突如其来的新冠病毒感染疫情，火神山医院和雷神山医院从方案设计到交付使用仅耗时10 d。也正是在疫情的影响下，民众通过医院建设全过程的直播看到了装配式建筑在施工效率上有着巨大的优势。装配式建筑是以预制构件为基础，现场安装修建而成的建筑，因而有着施工效率高、场地适应性较强、建筑标准化程度高和节约劳动力等特点，通常用在工期要求短的应急建筑。随着建筑材料、施工技术和信息化技术的发展，装配式建筑已经运用于住宅、商业建筑等各类型的项目中。

目前装配式再生混凝土的研究已成为学者们关注的重要领域。Zhang 等[2]在总结了发达国家混凝土建筑垃圾回收利用措施的基础上，提出了建筑废弃混凝土的预制回收措施。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，但当再生混凝土与装配式技术相结合时，通过适当的措施可以使其性能比普通混凝土还好。段鹏飞等[4]指出预制装配式再生混凝土结构在低层和多层建筑中是可行的。文献[5-7]研究分析了装配式再生混凝土应用于实体工程项目。本文将围绕再生混凝土应用于装配式建筑的优势，针对现阶段装配式再生混凝土发展过程中强度不足、公信力不够、设计施工复杂和成本高等问题，从科研院校、政府部门和生产厂家三方视角就材料、技术、政策和经济4 个方面提出推动装配式再生混凝土发展的建议措施。

1 再生混凝土应用于装配式建筑的优势

1.1 有效保证预制构件质量

再生混凝土与装配式建筑相结合，工厂对再生混凝土预制构件进行精细化加工，通过精准控制再生混凝土的配比，保证再生骨料的质量和粒径级配，确保良好的搅拌、成型及养护的环境和时间，就能够保证再生混凝土构件达到设计的强度，保障预制构件满足投入工程使用的需求。

1.2 符合使用绿色建材的政策

为了实现促进经济社会发展全面绿色转型和“争取2060 年前实现碳中和”的目标，国家正在推动传统建筑材料向资源节约、环境友好的绿色建材方向发展。再生混凝土的发展是加快结构优化、产业转型的迫切需要，是促进建筑垃圾回收利用和建筑材料绿色发展的重要契机，是绿色建材和绿色建筑产业融合的必由之路。再生混凝土作为一种再生材料、绿色建材，推广到装配式建筑中使用，可以促进绿色建材的推广使用，扩大再生混凝土的消耗力度，起到良好的经济、环境及社会效益，符合我国正在积极倡导使用绿色建材及大力推行装配式建筑的国家政策。

1.3 简化施工流程

再生混凝土的生产需经过废弃混凝土的破碎、清洗和分级，然后按照一定比例和级配配制再生骨料，加入水和水泥等一系列工序。在建筑工地现场进行再生混凝土施工，工艺较为复杂，且生产再生骨料时，使用机械破碎废弃混凝土会造成噪音污染、粉尘飞扬，严重污染环境。清洗骨料则需要消耗大量的水，且废水不能直接排入城市地下管网，需要经过二次沉淀后才可以排入地下管网，否则会污染水资源。

将再生混凝土与装配式结合起来，使用工厂预制的再生混凝土构件进行现场安装，简化了施工流程，大大地加快了再生混凝土结构的施工效率。而预制工厂大多建在城郊地区，地方开阔，四周居民较少。在破碎废弃混凝土过程中产生的噪音对人们的生产生活影响较小，同时工厂附近设置围挡喷淋，有效地做好扬尘防治工作。不仅如此，在工厂进行构件预制可以将清洗再生混凝土的废水集中处理，避免污染地下水。

2 装配式再生混凝土发展面临的问题

2.1 再生混凝土强度不足

再生混凝土是利用建筑垃圾中的废弃混凝土制成的再生粗、细骨料代替砂石浇筑而成的。目前我国建筑废弃混凝土大多都是中档或低档的混凝土，由此制备的再生骨料本身强度就不高。此外，废弃混凝土的破碎过程会使得骨料表面硬化水泥砂浆和其内部产生大量微裂纹，造成再生骨料的压碎指标、吸水率和空隙率等均增大，从而导致再生混凝土在承受荷载时，骨料自身先于水泥结合面发生破坏，造成混凝土强度下降。

2.2 公众认可度不够

有关行业协会研究表明，我国建筑垃圾总体回收利用率不足10%，与日本、韩国的95%和欧美发达国家的90%仍相距甚远。我国对建筑垃圾资源化的重视程度远远不够，各地方政府对建筑垃圾资源化的管理缺乏统一规划，再生混凝土等没有被纳入城市建筑材料名录库，相关补贴不到位，严重影响建筑垃圾回收再利用企业的生产积极性。同时，由于近年来越来越多的豆腐渣工程曝光在公众的面前，消费者对建筑企业的信任度不足。我国对再生混凝土的宣传力度不足，加之再生混凝土在国内尚未广泛应用，公众对使用建筑垃圾生产再生混凝土仍心存疑虑，贸然使用再生混凝土建设工程项目，可能会适得其反。

2.3 设计复杂和施工要求高

尽管我国正在大力推广装配式建筑的使用，装配式建筑在发展过程中依然存在一定的问题，其中最大问题就是设计人员对装配式建筑的生产及施工全过程了解不透彻，缺乏系统性的设计思维，造成对装配式的设计深度不足。装配式建筑与现浇建筑的设计有着一定的差距，而设计深度不达标、设计图不够详细等都会制约装配式建筑的发展，因此目前的装配式结构大都由构件厂家或施工单位完成深化设计。而且目前我国建筑行业仍存在劳动密集型和机械化水平低的情况，建筑工人老龄化严重，文化素质普遍偏低，产业工人严重缺失，目前尚不满足精细化程度较高的现代化装配式施工方式的要求。

2.4 装配式成本高

毫无疑问，“成本”成为了制约中国装配式建筑发展的最重要原因之一。传统的现浇式施工方式和装配式施工都必须按照国家和行业规范来实行，单单从前期图纸和相关资料进行工程预算的话，装配式建筑的成本应当低于现浇式，而在实际工程中却截然不同。通过工程应用案例的对比研究[8]，发现装配式的成本普遍比现浇式结构成本每平米高300～900 元，这是由于传统施工技术已经成熟，市场已经规模化、标准化，各项费用相对透明化、固定化，而装配式目前发展还不算成熟，行业标准还不够统一，导致各地区、企业在费用上仍然存在争议，建设成本无法有效控制。

3 推动装配式再生混凝土发展的建议措施

3.1 材料方面

再生骨料的性能劣于天然骨料，导致再生混凝土的承载能力和耐久性能都相对较差。而通过改善再生骨料的性能，能有效提高再生混凝土的强度，例如使用磨圆机器去除粘附在骨料表面的水泥砂浆；酸溶液与氢氧化钙等水泥水化物反应；使用化学试剂浸泡和干燥处理再生骨料来改善再生骨料的空隙结构；利用水玻璃填充再生骨料的空隙；等等。使用火山灰对再生骨料进行预处理，不仅能够有效提高再生骨料的性能，而且成本低廉、工艺简单。在制作再生混凝土构件的过程中，粉煤灰等掺合料的加入有助于提高预制构件的延性、刚度和承载能力。微生物碳酸盐沉积也是节能环保的再生混凝土改性技术之一。除此以外，由于再生混凝土的性能离散性很大，研究人员应当在高强、高性能的再生混凝土方面做深入研究。

3.2 技术方面

一方面，企业应当引进国际先进的再生混凝土生产线，优化再生骨料生产工艺，提高建筑垃圾回收再利用的比率，同时应当加强在建筑垃圾减量化和资源化方面的新技术、新设备和新产品的创新和研发。不仅如此，还可以基于互联网平台建立校企产研同盟和研发—生产—施工合作交流平台，如图1 所示，促进协同解决技术难题和科研成果产业化发展，以高校强劲的科研能力促进企业技术革新，以企业优势加强高效人才实践能力培养，形成良性发展。

图1 再生混凝土的研发—生产—施工合作交流平台

另一方面，要加强设计人员培训，不断提高设计人员水平，推动创新性“增强型”装配式节点设计研究，简化装配式的施工流程，优化装配式的施工工艺，进一步保障装配式建筑满足抗震设计要求。

3.3 政策方面

政府应当针对建筑垃圾综合治理问题设置相关管理部门，建立健全建筑垃圾规范化管理体系，全面提升建筑废弃物综合治理能力。在多个城市或地区开展建筑垃圾回收利用试点工作，旨在为废弃混凝土资源化和减量化创造试点条件，为实现建筑垃圾综合处理产业化打好基础。管控天然砂石的开采，优化砂石开发布局、加强非法采砂综合管理，积极推进砂石替代资源的研究，鼓励使用固体废弃资源制造再生骨料。对企业在工程项目建设过程中使用建筑垃圾生产的再生建筑材料比例提出强制性要求，从而反推再生混凝土的消耗。加大对建筑废弃物再生处理的宣传力度，引导媒体和公众对使用建筑垃圾制备建筑材料认知发生转变，让民众接受再生混凝土等“可再生建材”。

3.4 经济方面

目前社会公众对再生混凝土的认可度不足，且再生混凝土与传统混凝土相比成本优势不够明显。政府应当加大资金和技术投入，坚持创新驱动发展战略，调动施工单位与再生混凝土企业发展的内在动力，优化再生混凝土生产新工艺、研发新设备，扩大建筑废弃物再生制品业务，从而降低再生混凝土的生产成本，同时允许符合资质的再生建材制造企业通过特许经营协议进入市场，率先与大型国企达成合作，增强中小企业的获利信心，提高可再生建材在建材行业的吸引能力。基于互联网建设“黑进绿出”的建筑垃圾回收服务平台，不断吸纳再生建材商家和施工企业入驻，营造一种“建筑废弃物由从施工单位直接流向再生建材制造工厂，绿色建材由建材工厂直接流向施工单位”的双赢局面。对资源化企业和使用再生建材的施工单位给予财政支持和补贴，在投资等方面给予一定的政策优惠。

同时，国家还需要进一步加强市场干预和整顿，完善装配式建筑设计标准，统一装配式建筑设计规范和构件的质量衡量标准，对材料和构件等方面做出具体规定，从而降低预制构件的生产成本。

4 结束语

我国住宅建筑的产业化和现代化发展已成必然趋势，国家正在大力推进装配式结构体系建设。本文围绕装配式再生混凝土这一新型建筑模式进行了分析，阐述了再生混凝土的发展及应用于装配式建筑的优势，通过分析装配式再生混凝土结构发展过程中遇到的问题，从材料、技术、政策和经济方面提供了针对性的措施和建议。从科研院校、再生混凝土预制构件生产厂家、政府三方视角（图2）作出如下结论。

图2 装配式再生混凝土发展利益相关方的关系图

1）科研院校应在高强高性能再生混凝土方面做深入研究，以保证建筑材料的可靠性；加强装配式设计人员培训，着力于“增强型”装配式新型节点设计研究，从而确保建筑结构的安全性；校企协同解决技术难题，为再生混凝土生产厂家和施工单位提供技术支持，培养和输送专业技术人才。

2）再生混凝土预制构件生产厂家通过使用物理、化学和生物方法改善再生骨料性能和外加掺合料的方法以提高再生混凝土的强度，保证预制构件出厂质量；引进国外先进产业技术和设备，优化再生混凝土制备流程，提高建筑垃圾资源化比率，降低再生混凝土预制构件的生产成本。

3）政府应当建立健全相关的法律法规，通过管控砂石资源的开采、鼓励使用建筑垃圾替代砂石资源生产建筑材料和对施工单位使用再生建材提出强制性要求等方式促进再生混凝土的发展；加大宣传力度，引导媒体和公众对再生混凝土认识转变；建立“研发—生产—施工”三方协作交流平台，加大资金投入鼓励科研院校研发新技术、新材料和新设备，对建筑垃圾资源化生产企业和使用再生建材的施工单位给予财政补贴；通过干预和整顿市场，完善装配式设计标准和统一构件的质量衡量标准，从而降低装配式建筑生产成本。