固废再生路面基层材料研究进展综述

肖云飞，薛丹璇，朱晓东，张 晨，陈永昊

（1.中国市政工程华北设计研究总院有限公司，天津 300074；2.河南省地质科学研究所，河南 郑州 450001）

0 引言

随着我国交通基础设施建设规模的迅速发展和交通量的迅猛增加，道路作为交通运输中的重要基础设施，在现代社会的发展中起着至关重要的作用。作为道路的主要承重层，路面基层的承载力、抗裂性以及抗冲刷性能对道路的使用性能和寿命起着关键作用[1]。石灰、粉煤灰、水泥稳定类材料占路面基层材料的绝大部分，然而随着天然砂石价格的飙升，传统天然路面基层材料资源有限，逐渐匮乏，在一定程度上制约了道路工程的发展。

随着我国实现碳达峰碳中和时间表、路线图的明确，交通运输部相应提出加快建设绿色低碳交通基础设施的要求。基于减污降碳、循环利用理念，近年来许多学者在推进工业固废、建筑固废、生活垃圾等固废材料在道路基层建设再利用方面取得较大进展，施工材料创新和固废循环利用在路面基层材料领域不断体现。如李刘旺[2]开展工业废弃土在路面基层应用的室内试验研究，得出了工业废弃土应用于公路基层底基层的理论技术结论。黄朝广[3]探究了建筑垃圾废弃混凝土的路用性能和可行性，得到了再生集料在透水路面基层材料中应用性能的演变规律。何文政[4]结合室内试验和现场施工对生活垃圾焚烧炉渣原材料的性能和适用性进行了研究，结果表明炉渣具有良好的适用性和经济效益。

本文在收集国内外路面基层材料领域大量研究文献的基础上，以近年来固废材料在道路工程中再利用的相关研究成果为主线，系统梳理不同固废材料的特点和适用性，在此基础上对固废再生路面基层材料研究的发展方向进行了展望。

1 工业固废再生路面基层

工业固废是指在工业生产活动中产生，对环境造成污染或存在安全隐患的各种废渣、粉尘及其他废物[5]，可分为包括钢渣、赤泥、煤矸石及矿渣等一般工业废弃物和工业有害固体废弃物。目前道路领域中研究较多且技术比较成熟的主要为一般工业废弃物，本节主要介绍钢渣、赤泥、煤矸石等部分固废的研究应用现状。

1.1 钢渣

钢渣是冶金工业中产生的废渣，具有棱角丰富、高碱性等特点，研究和实践表明钢渣为优质的筑路材料[6]。早在1997 年12 月，我国首条钢渣沥青路面在上海宝山铺筑完成；2015 年8 月底，我国第一条钢渣沥青混合料高速公路在宜张高速当枝段铺筑完成，对钢渣作为筑路材料的再利用起到了示范作用[7]。目前，相关学者对钢渣沥青混合料路用性能的优化[8]以及钢渣沥青混合料水稳定性[9]等方面进行了深化研究，推动钢渣体积安定性技术和水稳定性技术的发展，对钢渣应用于道路工程中进而解决建设对矿物需求量大的问题起到积极作用。

目前关于钢渣相关研究虽然取得了一定成果，但在骨料稳定性以及含有危害成分等方面需进一步研究。

1.2 赤泥

赤泥是制铝工业精炼提取氧化铝过程中排出的工业固体废弃物，主要成分为二氧化硅、氧化铝和氧化铁等[10]。由于其含有的成分分散性好、易破碎以及具有亚黏土的特性，因而能够用作建材和路面材料[11]。赤泥可以代替沥青混合料中的石灰粉和复配锰渣，能够改良沥青混合料的性能[12]以及作为半刚性基层铺筑的材料。但赤泥在浸水条件下的抗剪强度降幅较大，未处理时抵御水损害的能力差，因此需要进行水稳定处理。常用的分类有拜耳法赤泥、混联法赤泥和烧结法赤泥等，目前我国在山东济青高速扩建工程和滨州北海产业园实现了改性赤泥在道路工程中的稳定应用。

相关研究表明，将赤泥作为路用材料是解决其处置问题的有效途径，但大多数研究仍处于实验室阶段，缺乏实际应用的施工工艺和技术控制参数，值得进一步研究。

1.3 煤矸石

煤矸石是采煤和洗煤过程中产生的矿业固体废弃物。煤炭作为我国的主要能源，累计产生的煤矸石超过50亿吨，然而利用率仅为64%，较发达国家还有较大差距，在建筑和道路交通领域有很大的发展应用空间。煤矸石具有较大的强度和较强的水稳定性，具有和碎石土类似的特性，可在填筑路基或路面底基层方面进行应用。但其含有Hg 等微量有害元素，若遇到雨水淋溶，会对土壤和地下水产生污染[13]。

研究发现煤矸石具备与天然碎石类似的特性，能够作为路用材料再利用。但在解决有害元素危害的长期性方面仍需进一步研究。

上述研究表明，钢渣、赤泥、煤矸石等固废在道路领域已经有了一定程度的研究和应用。工业固废再生材料具有强度高、性能好等优点，但同时存在对环境污染等问题（表1）。在发挥材料特点优点的同时解决污染的问题是后续研究的重点。

表1 工业固废材料路用研究

2 建筑固废再生路面基层

近年来我国经济处于中高速发展阶段，城镇化进程不断加快，房建基础设施建设日新月异的同时也产生了包括混凝土块、弃砖和废沥青砂浆等建筑固废材料。另外，轨道交通的发展给城市带来极大便利的同时，也带来了难题。目前国内地铁隧道大部分采用盾构法施工，盾构渣土属于淤泥质土，具有含水率高、渗透性低以及抗压强度低等特点，无法直接应用于工程建设。据不完全统计，我国每年产生70 亿吨左右的建筑固废[14]。面对日益增长的建筑固废材料，相关学者通过研究和探索，发现其主要成分包括占比90%以上的无机化合物、木料、塑料以及少量的金属，具有化学性质稳定、耐酸碱等特性，具备道路工程建设中原材料的潜能。经科学的方法和途径，大部分建筑固废能够作为可再生材料应用到道路工程建设中，不仅解决建筑固废占用土地和污染环境的问题，而且解决了道路建设对大量原材料需求的问题，将其作为一种城市矿产资源，再次服务于城市建设。目前，建筑固废在道路工程中的利用形态包括再生集料和再生微粉[15]等（图1）。

图1 建筑固废路用情况

2.1 再生集料

建筑固废材料与传统道路用天然集料相比存在孔隙率大、密度和强度较低以及吸油率、吸水率高等缺陷。为避免产生混合料强度、低温性能和水稳定性不符合现行规范要求的问题，相关学者和研究人员对建筑固废再生集料的改性技术进行了研究。目前，国内外关于建筑固废集料已有的改性技术包括再生混凝土集料强化技术[16]、高浓度CO2强化再生集料技术[17]、再生集料抗冻耐久性技术[18]、再生集料透水混凝土技术[19]、再生集料渗透结晶强化技术[20]、再生集料微粉强化技术[21]等。国外对建筑固废的规模利用开展较早，我国在20 世纪90 年代开始应用再生集料在基层、底基层和面层结构中替代天然集料。2004 年，同济大学在校园内部铺筑了一条至今仍在服役的再生集料作为骨料的道路[22]。

建筑固废再生集料一般以骨料形式与其他无机材料一起形成混合物应用在道路的基层、底基层结构中。为使再生集料更好地服务于道路建设，后续应重点对集料改性技术进行研究。

2.2 再生微粉

在建筑固废中除粒径较大的骨料外，还有大量粒径较小的粉末成分。其中把经再生技术处理后粒径小于0.16 mm 的颗粒统称为再生微粉。相关研究表明，再生微粉中含有一定的氧化钙和氧化硅颗粒，可以用于改善路面的高温稳定性和水稳定性[23]。总体来说，目前再生微粉用于制备混凝土所需的胶凝材料、替代矿粉和路基回填等技术较为成熟，但在道路工程中的应用还有待拓展。其中，掺配比例、级配设计和影响规律等研究是再生微粉路用研究的重点。上述研究将建筑固废材料分为再生集料和再生微粉。通过改性技术对再生集料的缺陷进行改良强化后应用，而再生微粉主要用于替代传统细颗粒材料。后续应对建筑固废再生材料的全链条应用管理和实际应用技术进行重点研究，形成相关技术规程。

3 生活垃圾再生路面基层

随着城镇人口的不断增加，城市生活垃圾的生成量和累积量不断增加。目前处理生活垃圾的主要方式为垃圾焚烧，这导致了炉渣数量的日益增加，同时带来了炉渣处置问题。垃圾焚烧炉产生的炉渣主要为烧结熔渣、玻璃、陶瓷、金属及未燃烧物的混合物[24]，其与工业废渣在物理、化学性质和工程性能方面差异巨大。相关研究表明，炉渣材料的性质与天然集料相似，其重金属含量低于国标控制要求，具有对环境污染较轻的特点。同时研究发现炉渣在道路工程中可以替代细集料的使用，应用于沥青面层，其路用性能与传统沥青混合料相当[4]。

部分研究表明生活垃圾经焚烧成炉渣后，其性质与天然集料相似，且具有重金属含量较低、对环境影响轻等特点。后续可以对生活垃圾在路面基层实际应用技术方面开展进一步研究。

4 结语

①随着碳达峰碳中和愿景的锚定，将固废再生材料作为路面基层材料再利用，能够解决废弃物传统堆填处置问题，同时能够提高资源利用率。在加快路面基层材料绿色低碳转型和高质量发展方面起到积极作用且具有重要意义。

②固废再生路面基层材料体现了路面基层材料由常用的天然集料向固废资源再生再利用材料的发展和探索，也逐步向减污降碳和资源循环利用方向发展，但目前仍存在技术实践和推广应用的不足，理论落后于实践等问题，未来应对实践应用方法进行深入研究，建立可行的固废再生路面基层材料利用体系。

③在研究和发展新材料、新方法、新技术的同时，应结合绿色施工方式，从固废材料管理全链条出发，进一步形成适合我国发展的技术和标准规范，促进行业健康发展，实现资源环境可持续发展。