建筑固废材料资源化再生利用的研究现状

王 欢 康 玲 牟廷敏 周孝军 邹 圻

（1.四川省公路规划勘察设计研究院有限公司，四川 成都 610041；2.西华大学，四川 成都 610039）

0 引言

随着城市化进程的不断加快，大量废旧建筑面临拆除，同时市政、公路等工程项目也逐年增多，产生大量建筑废渣和工程弃土。据不完全统计，每年我国产生的建筑垃圾超过15.5～24亿t，且呈现上升趋势。据估算[1]，每拆除1×104m2建筑会产生建筑垃圾0.7×108～1.2×108t，体量如此巨大的建筑垃圾如何处理是目前面临的重大问题。

大多数建筑垃圾采用露天堆放、简易填埋、混合焚烧的处理手段，固废材料中的潜在资源未得到充分利用，而砂石资源是最不可再生的有限矿产资源，资源稀缺与固废材料资源浪费之间矛盾加剧，与环境保护政策和可持续发展背道而驰，制约产业发展。建筑固废资源化再生利用对解决这一矛盾成为可能，可减少对自然资源占用，满足建设资源节约型与环境友好型社会的需求。

“双碳”战略背景下，为解决我国建筑废渣体量大而利用率差的现状，本文总结建筑固废资源化再生利用的研究现状，探讨合理的建筑废渣应用方向，为砂石资源稀缺背景下的公路工程建造提供大量可靠的材料来源，促进公路工程建设高质量可持续发展。

1 建筑固废的概念

建筑固废是指新建、改扩建和拆除各类建筑物、构筑物、管网等以及居民装饰装修房屋过程中所产生的渣土、弃土、弃料、余泥及其他废弃物。按照来源分类，可细分为道路开挖垃圾、土地开挖垃圾、建筑施工垃圾、建材生产垃圾、旧建筑物拆除垃圾等五类，其中主要为建筑施工和旧建筑物拆除垃圾。

建筑固废90%以上均为无污染的无机物（包括泥土、石块、混凝土块、碎砖等），具有耐酸碱、耐水、不易变形等特点，化学和物理性质比较稳定，决定了其经过处理可成为良好的再生利用材料。建筑固废在城市垃圾中属相对较清洁的垃圾，经合理处理将达到“变废为宝”的效果，具有较大的应用潜力。建筑固废污染特征及利用形式见表1。

表1 建筑固废污染特征及利用形式

2 建筑固废预处理工艺成套技术

建筑固废组成复杂，再生利用之前要进行预处理，包含破碎、筛分和分选工序。肖建庄等[2]分析国内外再生骨料的生产工艺，设计了一套适用于我国建筑固废预处理的工艺流程（如图1所示）。该流程利用我国的劳动力资源优势，选择人工法对废弃混凝土块进行分选。当前，劳动力资源日益稀缺，人工分选效率低下、自动化程度不高，工业过程领域需要提质增效，应结合信息化、自动化技术，加强智能筛分系统研发。

库跃东[3]开发了一套建筑固废分拣机器人代替人工捡拾台，提高了回收纯度和效率。刘钢洋[4]利用机器视觉、机器学习和深度学习等技术，实现对建筑固废的智能化分选。邱叶强[5]基于计算机视觉技术提出三维点云分割算法，完成建筑固废空间、几何、纹理等特征的三维点云识别，实现自动分拣。

3 建筑固废的应用方向

已有研究论证了建筑固废资源化再生利用的可行性。与其他城市垃圾相比，建筑固废具备体量储备大、无毒无害、可回收利用、区域分布范围均衡且运输条件好的优点；在公路工程领域，建筑固废经预处理后，可应用于路基填料、道路基层集料和再生混凝土等。

3.1 应用于路基填料

建筑废固材料经筛分、碾压等工序后应用于道路路基填料，已有研究和工程应用表明，回弹模量、弯沉值等指标均满足路基要求，具有可行性。赵纪飞[6]对建筑垃圾开展了系列试验测试和数值计算，提出建筑固废作为路基填料的适用条件。姚志雄[7]对建筑渣土的颗粒组成、组分特性、击实特性和CBR值等开展了试验研究，提出能满足路基填料各指标要求。冯硕[8]将建筑渣土应用于路基填土材料，提出建筑渣土经石灰改性作为路基填料的适应性，并总结形成系统的改性方法。

3.2 应用于道路基层

建筑废渣再生集料表面孔隙多、密度小，吸水率大、强度低，与传统的道路基层材料混掺或掺加固化剂，可作为再生材料应用于路面基层。科学的固化技术、合理的配合比是研究的重难点和关键技术。毛静民等[9]将建筑废渣与基于聚合物的沙土固化剂结合，研究其作为路面基层材料的性能，论证了固化后的建筑废渣应用到城市快速路的可行性。刘琦[10]基于钢渣-赤泥-电解锰渣等多种固废材料，协同制备路面基层材料，各项性能均满足一级公路及高速公路要求。

3.3 应用于再生混凝土

建筑固废经破碎、清洁、分级筛选后，全部或部分代替砂石等集料，与水泥、粉煤灰等胶体材料以及水混合，可配置再生混凝土。大量研究表明：建筑固废在长期运营使用或在破碎处理过程中，内部存在微小裂纹，生产出来的再生骨料压碎和磨耗指标值高，拌合出来的再生混凝土强度和耐久性难以满足工程需求；其次，再生骨料密度小、吸水率高、强度小，配置的混凝土用水量大、水胶比大，力学性能难以保证，应用场景大多局限于非承重结构，如填充墙、砌块等。

现有研究大多趋向于提高再生骨料强度。王松岩等[11]基于试验研究和精细化计算，研究强化后的再生混凝土抗震性能。肖建庄等[12]研究再生混凝土框架结构的地震反应，提出在不同破坏状态下的性能指标。王志佳等[13]采用再生混凝土骨料替换包裹碎石桩的碎石芯料，提出再生混凝土骨料包裹桩。

4 案例应用

四川是农业大省，磷复肥需求量大，产生了大量磷石膏，主要分布在邛崃、乐山马边、雅安石棉、德阳什邡等地，库存量占长江经济带7省磷库存的30%。磷石膏是用硫酸处理磷矿石制取磷酸的工业废渣，主要成分为硫酸钙（CaSO4·2H2O），含有磷、氟化物、镉、汞等污染物。磷酸是生产高浓度磷复肥的主要原料之一，制取1t 磷酸（以100%P2O5计）约产生5t磷石膏。绝大多数磷石膏采用“堆放”形式处理，不仅占用土地资源，且会对周边环境和地下水造成严重污染，其大规模资源化利用迫在眉睫。

2020年四川省磷石膏综合利用率达100.2%，主要消纳途径有：

（1）超硫水泥，经济效益好，但市场容量有限；

（2）水泥缓凝剂，影响水泥凝结时间和早期强度；

（3）石膏建筑制品，但成本高、消耗量低。

总体来看磷石膏固废的综合应用场景还很有限。四川省公路工程建设规模巨大，需要大量砂石材料，若能将磷石膏用于制备混凝土与路面基层材料，实现资源化利用，经济和社会效益巨大。

利用磷石膏固废制备高性能混凝土与路基填料，研究重点集中于磷石膏原材料性能、集料制备、混凝土配合比设计、路基填料制备等方面。

（1）磷石膏原材料的基本物理、化学性能。磷石膏物理性能包括粒径及级配组成、含水率、密度、膨胀系数等，磷石膏化学组成测试包括磷石膏主要化学成分分析及有害性物质的测定，以及放射性测试，以评判其作为建筑材料使用的可行性。

（2）磷石膏制备集料。利用磷石膏制备集料，需要探究不同磷石膏预处理（粉碎、陈化等）方式、磷石膏和超细活性掺合料种类及掺量对集料性能的影响规律。

（3）磷石膏高性能混凝土制备与应用。将磷石膏与水泥、粉煤灰等共同组成磷石膏基复合胶凝材料，再结合砂石和水配制高性能混凝土，其关键在于研究各组成材料掺量、减水剂用量与外加剂配比等因素对胶凝材料凝结时间与抗压强度的影响，以及磷石膏掺量、砂率、水胶比等对混凝土工作性能、力学性能与体积稳定性、耐久性的影响。

（4）磷石膏路基填料制备与应用。路面基层强度要求低，可采用磷石膏粉取代部分水泥，通过颗粒化磷石膏集料替代碎石，通过配合比设计，进一步提高磷石膏粉掺量，降低生产成本、实现固废资源化利用。

5 结束语

综上所述，实现建筑固废的大规模资源化再生利用，促进产业化生产与应用，可有效解决现今砂石等材料资源短缺的问题。本文开展建筑固废资源化再生利用的研究现状分析，系统总结了建筑固废的现存体量和环境污染问题，并进一步对其定义和分类进行详细分析，阐述其在公路工程的应用方向和可行性，并总结建筑废固材料的预处理工艺成套技术，为建筑废固材料资源化再生利用提供参考。