关于废弃混凝土回收利用处理方法的探讨

2023-06-29曾镜容王睿朱清华范思怡郭宇

四川建筑 2023年2期

曾镜容王睿朱清华范思怡郭宇

通过查阅国内外关于处理废弃混凝土方法的资料，综述了目前废弃混凝土回收利用的常用方法，并将其分为两大类：次级资源化方法和原级资源化方法。其中重点介绍了再生水泥和再生骨料的一些具体处理方法，并探讨了各个方法的优缺点，介绍了再生混凝土可运用的领域。

废弃混凝土；资源化利用；再生骨料；再生水泥；可持续发展

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［定稿日期］2022-03-11

［基金项目］四川省大学生创新创业训练项目（项目编号：20210636088）

［作者简介］曾镜容（2001—），女，在读本科，研究方向为工程造价。

［通信作者］王睿（1988—），女，博士，讲师，主要从事土木工程病害方面的研究。

1 废弃混凝土

随着混凝土的施工工艺与品种的不断发展，其应用越来越广泛，推动了我国建筑行业的发展。与此同时，随着我国城镇建设的规划与发展，大量旧建筑物被拆除，导致废弃混凝土的数量急剧增加。此外，例如市政工程的建设和更新；自然灾害如洪水、地震等对建筑物造成巨大的破坏；以及预制混凝土结构的厂家生产出的不合格的混凝土产品和科研单位实验后的混凝土构件等也将产生大量废弃混凝土［1］。据相关数据显示，我国每年产生的废弃混凝土已超过2亿t［2］。在处理废弃混凝土的过程中不仅需要消耗大量资源，也会对土壤、空气、水域等造成严重的污染。混凝土原料的过度消耗，导致资源短缺问题日趋严重。而废弃混凝土作为再生建筑资源的重要部分，如果废弃混凝土的循环利用能被实现，将会带来显著的经济、环境效益，是实现建筑行业可持续性发展的重要途径之一，也是混凝土未来发展的方向。因此，人们开始着力探索废弃混凝土的可持续性发展。

目前，我国对废弃混凝土的处理方式普遍分为3种：一是作为基础充填材料用于路基加固等工程中；二是制备再生粗集料和细集料，三是运往郊外堆放或者直接填埋。前两者进行了简单的利用，第三种处理方式会造成严重的环境污染，这与我国的建筑资源环境可持续发展战略不相符。在国外，很多欧盟国家的废弃混凝土的资源化利用率即再生利用率已超过90%。尤其是荷兰，从2010年起建筑废弃混凝土资源化利用率就达到了100%。此外，韩国、日本建筑废弃混凝土资源化利用率也已经达到97%以上［3］，且随着近年来资源化技术的持续创新，再生混凝土在环境和经济方面带来了明显的效益。

在废弃混凝土资源化方面，我国与国际水平还存在很大的差距。主要体现在：方法的局限性、制度的欠缺性、技术的落后性3个方面。基于此，本项目在已有研究的基础上，综述了各种废弃混凝土处理方法的优缺点，并提出本领域可研究方向，目的在于提高国内废弃混凝土回收利用率，为研究相关领域的学者提供参考。

2 处理方法

我国处理废弃混凝土的方法除了上述直接填埋和作为回填料外，还有简单处理得到再生骨料、再生水泥等方法，但回收利用率和资源化利用率都不高。由于方法众多，主要可以分为两大类：次级资源化和原级资源化处理方法。下面就次级资源化与原级资源化的具体处理方法做简要介绍。

2.1 次级资源化

次级资源化是将废弃物变成不同类型的新产品。目前，我国次级资源化处理方式比较单一，主要是将废弃混凝土简单破碎、筛分后运用在道路和建筑中。主要的运用领域有：①作为基础填充材料用于路基建设、楼体基层加固等工程中，如图1所示；②制作大型混凝土块填充在构件内，如图2所示。

现阶段这几种利用方式工艺都比较简单、成本低廉、运用广泛。但是直接将废弃混凝土通过次级资源化方法实现再利用的资源化利用率太低，尚不足5%［4］，与我国所提倡的绿色发展理念不相符，原级资源化利用才是可持续发展的方向。

2.2 原级资源化

原级资源化是目前各国最提倡的处理方法，也是可持续发展的方向。原级资源化处理方法主要是通过一系列物理、化学方法将废弃混凝土回收利用，主要生产为再生水泥和再生骨料两大方面。相比于次级资源化处理方法，原级资源化处理方法资源利用率高，在形成产品中可以减少 20%～50%［5］的原生材料用量。下面分别就原级资源化处理方法中运用最多的再生水泥与再生骨料的具体方法做简要介绍。

2.2.1 再生水泥

再生水泥处理方法从施工工艺、密度、用途、性能等方面都不尽相同。因此，按掺入水泥熟料的物质分类，可以分为4种［6］。下面分别就再生水泥的具体方法做简要介绍。

2.2.1.1 大颗粒再生水泥熟料

大顆粒再生水泥熟料是将废弃混凝土中石灰石粉磨后掺和砂岩、铁粉和石灰石制成水泥熟料大颗粒，可以替代部分天然石灰石。该方法操作简便，但利用率一般，且废弃混凝土取代量的增加会导致生产出的水泥熟料质量降低，因此，工程上常用的的取代量是60%左右。

2.2.1.2 粉体再生水泥熟料

粉体再生水泥熟料是利用废弃混凝土处理后所得的微粉、水泥石粉或者砂浆做水泥生料组分，经煅烧后制成水泥熟料。这种方法操作简便，可降低水泥熟料的煅烧温度、提高效率、节省能源，但废弃混凝土中的惰性SiO2会影响生料的易烧性。

2.2.1.3 全组分再生水泥熟料

全组分再生水泥熟料是将废弃混凝土粉碎后，补充含氧化硅、氧化铝和氧化铁等配料，煅烧成的水泥。它与普通水泥性能相当，但全组分破碎难度较大，导致破碎效果不佳。此外，再生水泥熟料中惰性SiO2的含量较大，对石灰饱和系数和燃烧气氛要求高，导致熟料 f-CaO 含量高和强度低等缺陷。

2.2.1.4 作水泥混合材料

作水泥混合料是将废弃混凝土破碎后分离出水泥浆和细集料，将细集料粉磨成细粉后煅烧用作水泥混合材料。此方法工艺操作简易，回用成本不高。但掺和水泥混合材料的水泥产品水化时间较长，水化热较高，凝结时间延长，水泥胶砂强度早期强度较低，且大掺量废弃混凝土对新混凝土性能影响很大，因此废弃混凝土的掺量不能过高。

2.2.1.5 其他

除了上述方法生产再生水泥的方法外，还有许多其他处理方法，如热处理水泥处理方法和再生胶凝材料处理方法。①热处理水泥［7］处理方法是将废弃混凝土中的水泥分离出来，进行高温加热处理，添加特殊物质，生产出再生水泥。此方法再生水泥的强度与普通水泥几乎相同，甚至更高；②再生胶凝材料［8］处理方法是先分离废弃混凝土中的骨料，再低温煅烧处理，分离出水泥石粉末，得到一定水化活性的再生胶凝材料。这2种方法的利用率都比较高，生产过程中二氧化碳零排放、对环境污染小，且成本低。

2.2.2 再生骨料

再生骨料处理方法是将废弃混凝土通過各种化学或物理方式处理得到不同粒径的粗细骨料，用于制备成各种需求的混凝土产品。其具体处理方法的运用原理、复杂程度不一，主要可以分为物理和化学两大类处理方法。现针对再生骨料的具体方法做简要介绍。

2.2.2.1 机械研磨法

机械研磨法是利用机械设备将废弃混凝土破碎、研磨得到骨料，并去除骨料表面附着的水泥砂浆。此种方法简化了机械操作，同时降低了对设备的要求且成本低。将再生骨料再进行研磨，还可以制备混凝土掺合料。但是，此种方法存在研磨不彻底、部分水泥砂浆残留、杂质含量增高等缺点。这些缺点会使再生骨料的颗粒密度低、孔隙率高、吸水率高，导致再生骨料性质不稳定，且严重影响再生混凝土的性能。

2.2.2.2 加热研磨法

加热研磨法是将破碎的废弃混凝土块通过高温进行加热处理，通过热力膨胀使混凝土碎块断裂，再利用机械研磨法去除碎块表面的水泥砂浆体。此种方法操作较为简单，成本较低，能改善再生骨料杂质含量、吸水率和孔隙率，用来制备再生混凝土的稳定性也大幅提高。但加热研磨法工序较为复杂，消耗的时间长，先后需2次机械研磨。加热过程中随着温度的升高，再生骨料的力学性能的变化大，再生骨料的品质会有所下降。

2.2.2.3 湿处理法

湿处理法是先用水冲洗再生骨料，再分离其中的杂质，获得质量较高的再生骨料。这种方法对机械设备要求低、操作简单、就地取材、成本低，能在一定程度上增强界面粘结力。但还需寻求与其他强化方法的结合使用才能更好地优化再生骨料的性能。

2.2.2.4 高压研磨法

高压研磨法是用高压电流破碎混凝土，并且骨料与表面的水泥可以沿着边界进行完全剥离从而达到高纯度的骨料［9］。相较其他研磨方式，高压研磨法耗能更低，且破碎效果好，容易清洗，没有交叉污染；破碎在水中或者油中进行，不会产生粉尘，并且不会造成噪声污染。但是高压破碎法工艺较复杂，设备技术要求高，成本也相较于前面的研磨方式要高。

2.2.2.5 酸浸研磨法

酸浸研磨法是利用溶液分离骨料表面的水泥砂浆，与骨料中的成分发生反应，所得的微裂缝填充骨料表面的孔隙使其再生骨料表面的孔隙结构得到改善、吸水率降低［10］。此种方法的分离效果好、能降低吸水率，但使用范围小，生产的再生细骨料品质不佳。酸浸处理后，有较多盐类物质残留在再生骨料表面，导致建筑耐久性降低，且剩余的酸性溶液不能再被利用，处理不当反而会对环境造成一定污染，难以处理。

2.2.2.6 其他

除了上述生产再生骨料的方法外，还有许多其他处理方式生产再生骨料，例如热化学处理方法，是将加热处理方法与化学处理方法相结合，此种方法得到的再生骨料对再生混凝土的可加工性和力学性能有良好的影响。

3 市场效应及发展方向

通过上述各种次级与原资源化处理方法得到的再生水泥、再生骨料等再生混凝土原料，用它们代替天然原料在建筑施工中进行应用，这就是人们所说的再生混凝土。此外，在处理废弃混凝土的再生技术方法仍有较大的研究空间，下面就再生混凝土的可带来的市场效应和再生技术的可发展方向做简要论述。

3.1 市场效应

废弃混凝土经过处理制成再生水泥和再生骨料后，可以运用在多个领域。再生骨料中加入水泥砂浆、外加剂等可制成普通再生混凝土、轻质加气混凝土［11］、自密实混凝土、再生承重墙体砖、再生混凝土空心砖、绿化混凝土等等。大量研究结果表明，再生混凝土完全可以应用于一般工程结构，因为其基本性能均能满足一般结构物的性能要求，但目前在国内再生混凝土的应用不是那么广泛，主要原因在于：其一，我国相关的技术标准及规范尚未完善，使人们对再生混凝土的质量持怀疑态度。其二，废弃混凝土回收处理需要投入一定的人力、物力、财力，导致再生混凝土的成本普遍高于普通混凝土［12］。

目前我国对此广泛应用的研究不多，而更侧重于对再生混凝土基本性能的应用研究。政府应制定相关法律法规，出台积极的相关政策，增大人力、物力、财力等方面的投入，重视再生混凝土的经济性运用，加大研究提高经济性的途径，才能实现再生混凝土的广泛运用，使其性能逐渐提升，在我国实现全面推广。

3.2 技术发展方向

通过对废弃混凝土处理方法的综述，并探讨其优缺点之后，发现操作简单且成本较低的处理方法，再生产物存在一定的质量、性能缺陷；性能方面有所改善的方法对机械要求高、成本较高。因此，为了废弃混凝土再生处理方法能够有效提高其资源化利用率，扩大其适用性，提高其再生物质量、替换率、成本等成为技术发展的方向。

（1）再生产物质量：再生产物作为基础性目标材料，其质量将影响整个应用过程［13］。通过对再生骨料各种方法优缺点综述时，发现再生骨料的吸水率、砂浆含量等指标是影响再生混凝土性质的重大突破点，也是相关领域的研究重点。近几年，国内外诸多研究人员对再生骨料进行了许多强化改性处理方法方面的研究。通过强化处理，再生骨料在旧砂浆含量、吸水率、压碎指标、表观密度等方面的性能都有显著改善，大大提高了再生产物的质量。在进一步的研究当中，当综合考虑多方面性能时，可以优先考虑孔隙率和含水率的影响，来进行数据调整和方法改良。

（2）替换率：在保证质量的前提下，可提高再生骨料或再生水泥在再生混凝土中的替换率，优化配合比，减少天然材料的使用。

（3）成本：在保证性能的前提下，尽可能降低耗能、降低成本。机械要求、方法技术、操作流程都会影响成本。在进一步的研究当中，可注重方法的经济性，着重考虑降低能耗，朝着可持续方向发展。

4 结论

随着全球每年二氧化碳排放的增多，各种环境问题日益频发，对人类未来生存发展造成巨大威胁。目前，各国都提出了各种有关环境保护的政策方针，我国也提出了“可持续发展”“碳达峰”“碳中和”等政策，而建筑业的二氧化碳排放量占我国二氧化碳总排放量的1/3左右。如果大部分废弃混凝土都能够得到有效利用，那么将会极大地推动我国“可持续发展”和实现“碳达峰”“碳中和”。由于我国废弃混凝土回收利用方面发展时间较短，在技术、方法、制度等方面都还存在很多问题，需要政府大力扶持、监督和研究人员的深入研究等各方面的协调合作，最终才能将资源化利用率提升至和发达国家一致。

参考文献

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