國外有砟鐵路清篩渣土處置現(xiàn)狀研究

賈 軍

(中國神華能源股份有限公司軌道機械化維護分公司,天津 300467)

1 概述

隨著我國經(jīng)濟的高速發(fā)展，環(huán)境保護意識日益增強。有砟軌道既有線路清篩渣土廢棄物的清理成本也隨之不斷攀升，而且其數(shù)量隨線路服役時間呈現(xiàn)逐年增加趨勢。然而，相對于生活垃圾，我國既有鐵路沿線清篩渣土廢棄物的資源化再利用并沒有得到很大的重視，絕大部分廢棄渣土未經(jīng)過任何處理便被直接運到郊外露天堆放或填埋，這種處理方式耗用大量的土地資源，耗費大量垃圾清運費用。同時，清運和堆放過程中的遺撒、粉塵、灰沙飛揚等問題又造成了嚴重的環(huán)境污染。

住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部于2013年3月頒布了《綠色建筑和綠色生態(tài)城市發(fā)展第十二個五年規(guī)劃》中明確提出加快綠色建筑產(chǎn)業(yè)的發(fā)展是今后的一項重要任務(wù)。經(jīng)過近年來的科研攻關(guān)，建筑垃圾等固體廢棄物在經(jīng)過一系列的科學(xué)處理后，能有效應(yīng)用于路基填筑、臨時設(shè)施等道路施工過程中，已經(jīng)取得了良好的環(huán)境效益，并獲得了社會的廣泛認可。而我國中共中央、國務(wù)院2019年最新頒布的《交通強國建設(shè)綱要》[1]更是在第七條明確指出“綠色發(fā)展節(jié)約集約、低碳環(huán)保”目標，強調(diào)“加強老舊設(shè)施更新利用，推廣施工材料、廢舊材料再生和綜合利用”“提高資源再利用和循環(huán)利用水平，推進交通資源循環(huán)利用產(chǎn)業(yè)發(fā)展”。固體廢棄物的處理已經(jīng)得到了國家層面的高度重視。

當前我國線路清篩渣土資源化再利用率依然偏低，環(huán)境保護形勢日益嚴峻。高效處理和利用既有線路清篩渣土已成為迫切需要解決的問題。本文將重點介紹當前國外發(fā)達國家對線路清篩渣土資源化再利用的最新研究進展，為我國今后清篩渣土處置方案提供重要參考。

2 國外有砟鐵路清篩渣土處置現(xiàn)狀

2.1 國外對既有線路清篩渣土的分類管理

許多發(fā)達國家均通過不同部門以法律形式對包含清篩渣土在內(nèi)的既有線路各類固體廢棄物進行分類處置。大體思路可分為可回收利用的部分和沒有利用價值的部分,從法律層面制定相應(yīng)的固體廢棄物排放要求，同時鼓勵企業(yè)對各類固體廢棄物進行資源化再利用[2-5]。

法國環(huán)境部門將線路清篩的道砟混合物視為廢棄物，并對其廢棄物轉(zhuǎn)換方面單列了相關(guān)條文，含廢棄物處置的責任方，廢棄物的處置目的以及最終排放標準，同時明確鼓勵企業(yè)通過分級形式推進廢棄物再利用或循環(huán)利用，以達到環(huán)境保護的目的。

德國聯(lián)邦以及各州通過相關(guān)法律對清篩渣土排放進行規(guī)定，并開發(fā)了一套完備的資源化再利用體系，涉及：回收系統(tǒng)、道砟清洗、洗砂、水處理、污泥管理等。最終實現(xiàn)所有產(chǎn)出物均能滿足所有法規(guī)以及生態(tài)環(huán)境的要求，將其再利用于軌道道砟或其他建筑項目中。

英國不同部門也分別通過法律對清篩渣土的排放進行了規(guī)定，并進行國家層面的資源整合，鼓勵企業(yè)將各種不同的回收材料進行系統(tǒng)優(yōu)化處理。同時還提供鐵路線路中的大型編組站將全網(wǎng)清篩渣土通過列車加裝至指定場所進行集中處理。同時鼓勵企業(yè)研發(fā)高效處理設(shè)備，以實現(xiàn)高效的市場化運營需求。

韓國政府于2003年制定了《建設(shè)廢棄物再生促進法》，明確規(guī)定了國家、政府、排放者以及廢棄物處理方之間的義務(wù)。通過法律法規(guī)明確規(guī)定建設(shè)廢棄物處理企業(yè)的各項許可標準，處理流程以及必須遵循和達到的要求，資源化利用的目標等。通過近15 a的努力，大大提高了相關(guān)廢棄物再生利用的效率，達到積極效果。

日本通過《廢物處置法》和《資源有效利用促進法》，將清篩渣土視為“建筑副產(chǎn)品”。如圖1所示，通過進一步篩分，提取出能被作為原材料繼續(xù)使用的部分，進行資源化再開發(fā)，從而實現(xiàn)資源的充分利用，達到“物盡其用”的目的。

2.2 國外對清篩渣土資源化再利用的現(xiàn)況

世界上許多國家，特別是發(fā)達國家已把鐵路中的固體廢棄物資源化處理作為環(huán)境保護和可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略目標之一。通過不斷研發(fā)改善新技術(shù)，逐步將廢物變?yōu)橐环N新的資源，發(fā)展成一個新興的大產(chǎn)業(yè)[8-11]。

法國國家鐵路網(wǎng)線路中的循環(huán)經(jīng)濟已經(jīng)十分有效。據(jù)統(tǒng)計，當前全法擁有鐵路線路約3萬km，每日運行約1.5萬趟列 車以保障全法的流通，其中包含每日運送500萬的旅客，而在巴黎大區(qū)更是高達370萬；貨物運送為每日25萬t左右。因此，為確保全法線網(wǎng)的高效安全運轉(zhuǎn)，頻繁維護及其現(xiàn)代化建設(shè)任務(wù)同樣相當嚴峻，同時還得確保所有工作均在環(huán)境保護前提下進行。當前法國對既有有砟軌道的維護主要遵循以下五大原則：1)減少原材料的使用；2)對材料進行再利用；3)及時維護以延長其生命周期；4)回收；5)開發(fā)將來使用的新材料。在對環(huán)境意識日益強烈的大背景下，有砟軌道中涉及的各種固體廢棄物均進行了充分的資源化再利用，內(nèi)容幾乎涵蓋軌道結(jié)構(gòu)中的各個部分，以2014年法國全網(wǎng)有砟軌道各部分固體廢棄物的資源化再利用情況為例，具體涵蓋情況如表1所示。

表1 法國有砟道床資源化再利用情況匯總

就道砟而言，法國全網(wǎng)道砟超過1億t。每年需要處理約200萬t廢棄道砟。如圖2所示，經(jīng)過對線路道砟進行合理篩查處置，約有40%的道砟能夠直接再利用于線路中。而約有60%不能直接應(yīng)用于線路中的清篩渣土，則是運送到基地進行二次篩分，大部分清篩渣土被回收利用到公路作業(yè)中；也有被用于其他平臺建設(shè)，如土方工程等。經(jīng)過一系列的優(yōu)化處置，實現(xiàn)全法路網(wǎng)綠色無污染的目標。

德國通過對清篩渣土進行優(yōu)化處置：1)回收系統(tǒng)；2)道砟清洗；3)洗砂；4)水處理；5)污泥管理。經(jīng)過上述一系列流程后，研究發(fā)現(xiàn)清篩渣土依然能很好地保留其原有的承載能力，抗凍融以及其后變化的能力，適宜將其作為天然碎石的替代選項。在處置過程中，生產(chǎn)不同構(gòu)成的建筑材料將其應(yīng)用于不同領(lǐng)域，并對不同粒徑的清篩渣土顆粒的資源化再利用提出建議，如表2所示。德國要求在道砟回收處理中，直接利用于線路的道砟顆粒必須經(jīng)過嚴格的質(zhì)量管理，以保證清篩渣土重新應(yīng)用于軌道道砟中的再生道砟滿足高質(zhì)量的管理需求；而用于建筑材料的清篩渣土，則是不僅保護了自然資源，而且經(jīng)濟上也顯著優(yōu)于天然砂石，同時在貨物運輸中也能夠得到極大的優(yōu)惠。

表2 德國清篩渣土再利用建議

英國也在鐵路線路的固體廢棄物資源化再利用中進行大力推進，并實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。Whitemoor編組站場在1980年停用后，于2004年重新啟用并于2011年賦予新的功能，成立鐵路固體廢棄物回收站廠，開始引進全新技術(shù)，對鐵道工程材料進行資源化再利用提供十分優(yōu)越的環(huán)境。在便利路網(wǎng)的條件下，基建部很容易將各種鐵道工程中的各類固體廢棄物材料訂單通過編組站加裝至所需場所。如表3所示，高效的回收處置以及物流系統(tǒng)，為鐵道工程固體廢棄物處理帶來了豐厚的經(jīng)濟效益。

表3 2016年—2017年英國鐵道工程固體廢棄物回收效益

據(jù)英國相關(guān)公司骨料處理部統(tǒng)計，僅該公司每年就接收超過100萬t廢棄道砟，通過篩選、破碎以及清洗，得以資源化再利用于鐵路線網(wǎng)的各個項目工程中以及其他建筑工業(yè)中。據(jù)估算，這些資源化處置后的產(chǎn)品年產(chǎn)值高達600萬英鎊。而該公司處理的鐵道工程材料中的金屬廢棄物則達到7.9萬t，所產(chǎn)出的新產(chǎn)品則能為公司帶來的產(chǎn)值高達750萬英鎊。

圖3為英國某公司清篩渣土處置專用設(shè)備。

由此可見，在政府導(dǎo)向、環(huán)境意識驅(qū)動以及當前既有技術(shù)大力支持的條件下，有砟軌道的清篩渣土資源化再利用在發(fā)達國家已經(jīng)獲得了較成功的開發(fā)，尤其是在各類建筑產(chǎn)品方面，獲得了較大程度的社會認可，實現(xiàn)在保護環(huán)境的同時，取得較為可觀經(jīng)濟效益的目標。

3 清篩渣土資源化再利用研究

3.1 清篩渣土骨料性能研究

在重載鐵路運行過程中，道砟顆粒受到列車荷載的反復(fù)作用，道砟顆粒產(chǎn)生相互作用力，并導(dǎo)致道砟棱角逐漸磨耗，其外表形態(tài)在道床服役過程中產(chǎn)生了巨大的變化。Ngo等[12]通過對列車荷載作用下道砟顆粒形態(tài)形貌的變化來研究道床服役性能的劣化機理，并在此基礎(chǔ)上提出相應(yīng)的養(yǎng)護維修建議。Guo等[13]也利用3D掃描等技術(shù)手段對清篩渣土的道砟顆粒進行數(shù)值建模，對道砟顆粒的外表形闊進行分析并建立相應(yīng)的數(shù)值模型，并通過有限元軟件和室內(nèi)試驗研究了道砟顆粒在不同磨耗程度情況下的各項力學(xué)性能指標。圖4為朔黃線現(xiàn)場清篩渣土的取樣，可見清篩渣土中的道砟顆粒的棱角已近乎磨平。

Lee等[14]對清篩渣土的顆粒通過篩分，所得的清篩渣土級配曲線如圖5所示?？芍n國該線路的清篩渣土中，約有60%的清篩顆粒粒徑小于道砟粒徑的最低要求22.4 mm，而這部分不滿足道砟要求的清篩渣土則必須按照韓國建筑固體廢棄物的要求進行合理處置。

鑒于國內(nèi)外當前在建筑材料領(lǐng)域中，普遍將0.075 mm以下的顆粒歸為泥，4.75 mm則通常被視為粗細骨料的分界值，22.4 mm則為道床道砟所允許的最小值，因此，將清篩渣土按照粒徑進行分類，并與我國朔黃線和浙贛線清篩渣土的顆粒含量對比分析，如表4所示?？傻貌煌€路的清篩渣土顆粒分布差異較大，重載鐵路清篩渣土的粒徑比普通鐵路更細小。

表4 國內(nèi)外清篩渣土分級篩余情況

3.2 清篩渣土再生骨料混凝土研究

Santiago等[15-16]在清篩渣土為再生骨料的基礎(chǔ)上，通過不同的添加劑對其再生骨料混凝土的微觀性能進行研究。如圖6所示，在SEM電鏡的試驗中，可以看出清篩渣土顆粒在適當配置合理添加劑的情況下，能夠與水泥漿體表現(xiàn)出較好的握裹效果，再生骨料混凝土的各項力學(xué)性能得以提高。

此外，如圖7所示，Lee等還通過在水泥砂漿中添加聚合物的方法，將清篩渣土中的再生骨料與水泥漿體界面之間的黏結(jié)狀態(tài)進行優(yōu)化，從而實現(xiàn)不同粒徑粗細骨料與水泥漿體之間的快速硬化，得到較好的效果。

Santiago等還通過不同清篩渣土骨料顆粒與普通硅酸鹽水泥混合制成水泥砂漿，如圖8所示，在2 d～90 d等不同齡期，清篩渣土骨料顆粒所制成的水泥砂漿的抗壓強度均略高于純普通硅酸鹽水泥，并得出清篩渣土替代水泥用量在20%左右時，再生骨料水泥砂漿的強度達到最優(yōu)，能夠滿足歐洲規(guī)范的要求[17]。

3.3 既有有砟道床升級改造研究

在當前清篩渣土作為再生資源重新開發(fā)出新的建筑產(chǎn)品的同時，世界各國還在進行著一些新的研究，努力將線路道砟等固體廢棄物直接應(yīng)用于鐵道工程中[18]。Bezin等[19]指出英國在既有線路綜合改造和運能提升過程中，通過對有砟道床的道砟進行處理，從而完成線路改造并實現(xiàn)列車提速和運能提升的目的。如圖9所示，Lee等[20]也經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)通過硫鋁酸鈣等物質(zhì)進行配置，能將既有線路道砟直接進行有效固化，實現(xiàn)資源化再利用。該項技術(shù)已被韓國鐵路部門采納，并實現(xiàn)多條既有有砟軌道的升級改造。

4 我國面臨的問題及建議

目前我國的廢棄物再生利用率非常低，據(jù)調(diào)查分析，各地建筑廢棄物的主要去向是以填埋與堆放為主，有資源化利用的城市僅占調(diào)查城市的5%，實際再生利用量與建筑廢棄物產(chǎn)生推算總量相比，還不足1%。而鐵路沿線固體廢棄物的再生利用則更是微乎其微。據(jù)前期調(diào)研可知，鐵路沿線清篩渣土廢棄物，以道砟、煤粉、土和黃砂為主，比較單純、便于利用。多以填埋的方式進行處理，缺少有針對性及更高效率的再生利用率。已有的研究表明，廢舊水泥混凝土、瀝青混凝土及碎磚瓦等均可以破碎成大小不同的集料，用以制備低標號水泥混凝土、再生瀝青混凝土、水泥穩(wěn)定再生基層、再生磚及仿古磚等。

為了發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟，我國政府在制定的交通強國戰(zhàn)略中，也鼓勵以解決能源、資源綜合利用、保護環(huán)境提高建筑質(zhì)量為目標，以科技創(chuàng)新為動力，以建筑業(yè)為龍頭，因地制宜，全面推進廢棄物再生利用技術(shù)的研究和應(yīng)用。

5 結(jié)語

綜合國外發(fā)達國家對清篩渣土再利用的研究進展，我國對清篩渣土的處置方案仍然存在著諸多亟待解決的問題。隨著我國經(jīng)濟的發(fā)展，以及國家對環(huán)境保護意識的提升，“綠色交通”將作為我國交通強國戰(zhàn)略的重要一環(huán)，資源化再利用將是今后對清篩渣土處置中一個重要的發(fā)展方向。