大有可為的再生混凝土

肖建莊

垃圾分類在我們?nèi)粘Ｉ钪姓饾u成為一種綠色新時尚，常見的可回收垃圾，如廢棄鋼鐵、銅、鋁、鉛等金屬可經(jīng)回爐冶煉進(jìn)行再利用；廢棄橡膠、塑料、紙、玻璃、木材等原料經(jīng)加工后也可實現(xiàn)再利用；混凝土作為最常用的建筑材料，工程拆除后能否實現(xiàn)再利用呢？科學(xué)解決這個問題具有顯著的環(huán)境和經(jīng)濟(jì)效益。

廢棄混凝土是我們生活中常見的建筑垃圾，在我國，其每年的排放量達(dá)億噸級；此外，天然砂石骨料資源有限，為保護(hù)綠水青山，廢棄混凝土的回收再生利用是未來建筑行業(yè)的必然選擇，可助力建筑業(yè)可持續(xù)發(fā)展，實現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)。

圖1 再生骨料

廢棄混凝土如何再生

建筑固廢如何處理是社會普遍關(guān)注的難題，將廢棄混凝土“變廢為寶”是解決這一難題的最優(yōu)策略。廢棄混凝土再生利用的路徑包括兩次“分解”和兩次“合成”：第一次“分解”是指將建筑結(jié)構(gòu)拆除形成廢棄混凝土塊，第二次“分解”是指將廢棄混凝土塊破碎、分級形成再生骨料；第一次“合成”是指將再生骨料配制成再生混凝土，第二次“合成”是指將再生混凝土澆筑成建筑建材以及結(jié)構(gòu)。與普通混凝土相比，再生混凝土的使用可顯著降低碳排放量，從而可促進(jìn)建筑業(yè)的節(jié)能減排。以上海為例，若10%的混凝土采用再生骨料制備，碳排放量每年可減少12萬噸以上，相當(dāng)于綠化面積2 820公頃或660萬棵以上樹的年CO吸收量。

再生骨料加工與生產(chǎn)

再生骨料的生產(chǎn)是廢棄混凝土再生利用的前提，該生產(chǎn)工藝包括廢棄混凝土塊的回收、分揀、破碎、分離、篩分、分級和預(yù)處理等多個環(huán)節(jié)。其中，回收和分揀屬于前端管理步驟；破碎步驟是關(guān)鍵核心技術(shù)，目前常用的破碎設(shè)備主要有固定式和移動式兩類，固定式設(shè)備處理量大且便于優(yōu)化，移動式處理量小但對場地要求低；分離步驟中，鋼筋和鐵屑可采用磁鐵分離器去除，泥土和泥塊可采用水洗去除；篩分、分級和預(yù)處理步驟，已有相關(guān)規(guī)范進(jìn)行指導(dǎo)。整個生產(chǎn)過程中，提高再生骨料質(zhì)量的關(guān)鍵在于控制雜質(zhì)含量和表面附著老砂漿含量。為此，團(tuán)隊發(fā)明了立軸式?jīng)_擊破碎機(jī)甩料輪設(shè)備，內(nèi)部拋料腔經(jīng)合理設(shè)計，能量轉(zhuǎn)換損失小，拋料速度高，可實現(xiàn)兩級輥破和兩級分離，高效分離鋼筋和泥土等雜質(zhì)；此外還研發(fā)了智能壓力脈沖放電和液壓分解設(shè)備，利用廢棄混凝土中老砂漿、骨料及兩者界面區(qū)的細(xì)微觀性能差異，破壞砂漿基體和骨料界面結(jié)構(gòu)，結(jié)合沖擊破碎設(shè)備可顯著降低骨料表面附著老砂漿含量。

圖2 再生骨料生產(chǎn)線

再生混凝土制備

再生混凝土制備的核心工作是配合比設(shè)計，由于再生骨料的吸水率大于天然骨料，且不同來源的再生骨料吸水率存在差異，因而確定配合比中的用水量非常關(guān)鍵。根據(jù)實測的再生骨料吸水率確定附加水量，再生混凝土的總用水量取凈用水量和附加水量之和。再生骨料表觀密度比天然骨料小，等質(zhì)量下再生骨料的體積較大，因而再生混凝土的砂率應(yīng)適當(dāng)增大。

團(tuán)隊提出了基于人工智能的再生混凝土配合比精準(zhǔn)設(shè)計方法，通過積累的大量試驗數(shù)據(jù)訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，再根據(jù)再生骨料特性和再生混凝土性能需求，利用該神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型進(jìn)行配合比設(shè)計。進(jìn)一步，研發(fā)了再生混凝土用高效減水劑，可使再生骨料產(chǎn)生疏水效果，降低其吸水作用，實現(xiàn)再生混凝土的高工作性能。

再生混凝土制備過程中，若沿用常規(guī)混凝土工藝，則易導(dǎo)致工作性能、力學(xué)性能和耐久性能產(chǎn)生波動。為此，團(tuán)隊提出了再生混凝土性能調(diào)控技術(shù)，一是碳化改性方法，該方法可顯著改善老砂漿強(qiáng)度和界面過渡區(qū)的微硬度，修復(fù)內(nèi)部微裂縫和孔隙，使抗壓強(qiáng)度提升達(dá)7.7%；二是復(fù)摻改性方法，使用微量的納米硅和粉煤灰取代水泥，可在水化初期產(chǎn)生晶核效應(yīng)、填充效應(yīng)和火山灰效應(yīng)，從而提高工作性能、后期強(qiáng)度和耐久性。

多場景再生混凝土應(yīng)用

1 現(xiàn)澆再生混凝土結(jié)構(gòu)

建筑結(jié)構(gòu)通常由梁、板、柱和剪力墻等承重構(gòu)件組成，為保障建筑結(jié)構(gòu)安全，團(tuán)隊系統(tǒng)研究了再生混凝土構(gòu)件的受力和變形性能，并開展了再生混凝土框架結(jié)構(gòu)振動臺試驗。研究發(fā)現(xiàn)經(jīng)過合理的設(shè)計和構(gòu)造處理，再生混凝土框架的抗震性能，并沒有隨著再生骨料摻量的增加而降低。在試驗研究、理論分析和工程應(yīng)用的基礎(chǔ)上，筆者主編了國內(nèi)第一本再生混凝土應(yīng)用技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)《再生骨料混凝土應(yīng)用技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》DG/TJ08，并聯(lián)合主編了再生混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計行業(yè)規(guī)程《再生混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》JGJ／T 443。在此基礎(chǔ)上，聯(lián)合開發(fā)了基于3D3S、PKPM等平臺的再生混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計軟件，有效推動了再生混凝土結(jié)構(gòu)安全。

2 預(yù)制再生混凝土構(gòu)件

裝配式建筑具有建造速度快、施工質(zhì)量好和綠色效益高的優(yōu)勢，再生混凝土在預(yù)制加工廠澆筑成預(yù)制再生混凝土構(gòu)件，可解決再生混凝土在泵送過程中坍落度損失大的難題。將再生混凝土應(yīng)用于裝配式建筑，兩者相得益彰，可推動綠色建造技術(shù)發(fā)展。

3 再生混凝土空心砌塊

再生骨料具有密度小、孔隙率高、導(dǎo)熱系數(shù)小等特性，將再生骨料作為原材料制成再生混凝土空心砌塊，能夠?qū)崿F(xiàn)空心砌塊自重輕、保溫隔熱和節(jié)能環(huán)保的優(yōu)勢。團(tuán)隊開展了構(gòu)造柱-圈梁體系約束的再生混凝土空心砌塊墻體抗震性能試驗，研究表明再生混凝土空心砌塊墻體在抗震設(shè)防區(qū)的應(yīng)用是可行的，再生混凝土空心砌塊成本低，具有顯著的綠色環(huán)保效益。

4 再生混凝土道路

采用再生骨料配制道路用再生混凝土，可應(yīng)用于道路工程中的基層和墊層，再生混凝土道路技術(shù)在舊水泥混凝土路面改造工程和鄉(xiāng)村公路興建工程中應(yīng)用前景廣闊，再生骨料可就近采用移動式生產(chǎn)模式，具有節(jié)省運費、提高生產(chǎn)效率的優(yōu)勢。

圖3 再生混凝土道路

5 再生透水混凝土

透水混凝土要求具有較高的孔隙率和透水系數(shù)，考慮到再生骨料孔隙率高的特性，團(tuán)隊?wèi)?yīng)用再生骨料研制了再生透水混凝土，其內(nèi)部含有許多相互聯(lián)通的孔隙結(jié)構(gòu)，這些孔隙結(jié)構(gòu)可有效減少暴雨徑流率、凈化污水、減少噪音、提高抗滑性、增強(qiáng)隔熱保溫以及減輕熱島效應(yīng)。再生透水混凝土可作為城市建設(shè)的路面材料，編制了上海市工程建設(shè)規(guī)范《建筑垃圾再生集料無機(jī)混合料應(yīng)用技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》DG/TJ 08-2309。

圖4 再生透水混凝土

6 3D打印再生混凝土油墨

3D打印作為新型自動化建造工藝，是智能建造的重要發(fā)展方向，將再生骨料作為3D打印混凝土油墨原料，能優(yōu)化混凝土油墨的材料性能，有助于克服3D打印混凝土油墨材料所需的高流動性和速凝性相矛盾的難題。團(tuán)隊采用合理的砂率和再生骨料級配，摻入適量粉煤灰、礦粉、皂角素和保坍劑，所制備的再生混凝土油墨具有優(yōu)良的可打印性能（可泵性、可擠出性、可建造性），為再生混凝土在3D打印領(lǐng)域的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

圖5 3D打印再生混凝土

7 再生骨料/混凝土堆山造景

廢棄混凝土塊經(jīng)破碎、分揀后，可根據(jù)不同規(guī)格應(yīng)用于堆山填料，作為填料的廢棄混凝土僅需經(jīng)過較為簡單的分選處理，處理更為快捷，能夠一次性消納大量的建筑垃圾，美化生態(tài)環(huán)境的同時，能夠減緩城市熱島效應(yīng)，并提供綠色生態(tài)空間和娛樂休閑場所。

圖6 再生混凝土堆山造景

再生混凝土工程案例

1 滬上生態(tài)家

在上海世博園區(qū)建成了再生混凝土單體建筑，建筑共4層，建筑面積為2400 m，再生混凝土設(shè)計強(qiáng)度等級為C30，在施工過程中，再生混凝土泵送與澆搗性能良好，力學(xué)性能與耐久性滿足設(shè)計要求，社會與環(huán)境效益顯著。

圖7 滬上生態(tài)家

2 多層綜合辦公樓

在濟(jì)南市建成地上5層，結(jié)構(gòu)高度為19.7 m，建筑面積為7 809 m，抗震設(shè)防烈度為7度，抗震等級為二級的多層建筑。設(shè)計中，采用了C35和C40兩種強(qiáng)度等級的再生混凝土，C35再生混凝土應(yīng)用于梁板水平結(jié)構(gòu)，C40再生混凝土應(yīng)用于框架柱結(jié)構(gòu)。該工程設(shè)計結(jié)果滿足混凝土結(jié)構(gòu)規(guī)范的要求，施工質(zhì)量驗收合格。

圖8 再生混凝土多層框架結(jié)構(gòu)

3 高層辦公樓

在上海建成12層現(xiàn)澆再生混凝土結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)地下2層，地上12層，高度49.2 m，面積達(dá)1.5萬m，屬于框架-剪力墻結(jié)構(gòu)。設(shè)計中，采用了C30、C40和C50三種強(qiáng)度等級的再生混凝土，C30再生混凝土應(yīng)用于梁板水平結(jié)構(gòu)，C40和C50再生混凝土應(yīng)用于墻柱豎向結(jié)構(gòu)。該工程驗收合格，滿足現(xiàn)行規(guī)范要求，通過了上海市專家委員會的嚴(yán)格審查，獲得上海市優(yōu)秀工程建筑結(jié)構(gòu)專業(yè)一等獎。

圖9 再生混凝土高層建筑