關(guān)于廢棄混凝土回收利用處理方法的探討

曾鏡容 王睿 朱清華 范思怡 郭宇

通過查閱國內(nèi)外關(guān)于處理廢棄混凝土方法的資料，綜述了目前廢棄混凝土回收利用的常用方法，并將其分為兩大類：次級(jí)資源化方法和原級(jí)資源化方法。其中重點(diǎn)介紹了再生水泥和再生骨料的一些具體處理方法，并探討了各個(gè)方法的優(yōu)缺點(diǎn)，介紹了再生混凝土可運(yùn)用的領(lǐng)域。

廢棄混凝土； 資源化利用； 再生骨料； 再生水泥； 可持續(xù)發(fā)展

X705 A

［定稿日期］2022-03-11

［基金項(xiàng)目］四川省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：20210636088）

［作者簡(jiǎn)介］曾鏡容（2001—），女，在讀本科，研究方向?yàn)楣こ淘靸r(jià)。

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

1 廢棄混凝土

隨著混凝土的施工工藝與品種的不斷發(fā)展，其應(yīng)用越來越廣泛，推動(dòng)了我國建筑行業(yè)的發(fā)展。與此同時(shí)，隨著我國城鎮(zhèn)建設(shè)的規(guī)劃與發(fā)展，大量舊建筑物被拆除，導(dǎo)致廢棄混凝土的數(shù)量急劇增加。此外，例如市政工程的建設(shè)和更新；自然災(zāi)害如洪水、地震等對(duì)建筑物造成巨大的破壞；以及預(yù)制混凝土結(jié)構(gòu)的廠家生產(chǎn)出的不合格的混凝土產(chǎn)品和科研單位實(shí)驗(yàn)后的混凝土構(gòu)件等也將產(chǎn)生大量廢棄混凝土［1］。據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，我國每年產(chǎn)生的廢棄混凝土已超過2億t［2］。在處理廢棄混凝土的過程中不僅需要消耗大量資源，也會(huì)對(duì)土壤、空氣、水域等造成嚴(yán)重的污染。混凝土原料的過度消耗，導(dǎo)致資源短缺問題日趨嚴(yán)重。而廢棄混凝土作為再生建筑資源的重要部分，如果廢棄混凝土的循環(huán)利用能被實(shí)現(xiàn)，將會(huì)帶來顯著的經(jīng)濟(jì)、環(huán)境效益，是實(shí)現(xiàn)建筑行業(yè)可持續(xù)性發(fā)展的重要途徑之一，也是混凝土未來發(fā)展的方向。因此，人們開始著力探索廢棄混凝土的可持續(xù)性發(fā)展。

目前，我國對(duì)廢棄混凝土的處理方式普遍分為3種：一是作為基礎(chǔ)充填材料用于路基加固等工程中；二是制備再生粗集料和細(xì)集料，三是運(yùn)往郊外堆放或者直接填埋。前兩者進(jìn)行了簡(jiǎn)單的利用，第三種處理方式會(huì)造成嚴(yán)重的環(huán)境污染，這與我國的建筑資源環(huán)境可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略不相符。在國外，很多歐盟國家的廢棄混凝土的資源化利用率即再生利用率已超過90%。尤其是荷蘭，從2010年起建筑廢棄混凝土資源化利用率就達(dá)到了100%。此外，韓國、日本建筑廢棄混凝土資源化利用率也已經(jīng)達(dá)到97%以上［3］，且隨著近年來資源化技術(shù)的持續(xù)創(chuàng)新，再生混凝土在環(huán)境和經(jīng)濟(jì)方面帶來了明顯的效益。

在廢棄混凝土資源化方面，我國與國際水平還存在很大的差距。主要體現(xiàn)在：方法的局限性、制度的欠缺性、技術(shù)的落后性3個(gè)方面?；诖耍卷?xiàng)目在已有研究的基礎(chǔ)上，綜述了各種廢棄混凝土處理方法的優(yōu)缺點(diǎn)，并提出本領(lǐng)域可研究方向，目的在于提高國內(nèi)廢棄混凝土回收利用率，為研究相關(guān)領(lǐng)域的學(xué)者提供參考。

2 處理方法

我國處理廢棄混凝土的方法除了上述直接填埋和作為回填料外，還有簡(jiǎn)單處理得到再生骨料、再生水泥等方法，但回收利用率和資源化利用率都不高。由于方法眾多，主要可以分為兩大類：次級(jí)資源化和原級(jí)資源化處理方法。下面就次級(jí)資源化與原級(jí)資源化的具體處理方法做簡(jiǎn)要介紹。

2.1 次級(jí)資源化

次級(jí)資源化是將廢棄物變成不同類型的新產(chǎn)品。目前，我國次級(jí)資源化處理方式比較單一，主要是將廢棄混凝土簡(jiǎn)單破碎、篩分后運(yùn)用在道路和建筑中。主要的運(yùn)用領(lǐng)域有：①作為基礎(chǔ)填充材料用于路基建設(shè)、樓體基層加固等工程中，如圖1所示；②制作大型混凝土塊填充在構(gòu)件內(nèi)，如圖2所示。

現(xiàn)階段這幾種利用方式工藝都比較簡(jiǎn)單、成本低廉、運(yùn)用廣泛。但是直接將廢棄混凝土通過次級(jí)資源化方法實(shí)現(xiàn)再利用的資源化利用率太低，尚不足5%［4］，與我國所提倡的綠色發(fā)展理念不相符，原級(jí)資源化利用才是可持續(xù)發(fā)展的方向。

2.2 原級(jí)資源化

原級(jí)資源化是目前各國最提倡的處理方法，也是可持續(xù)發(fā)展的方向。原級(jí)資源化處理方法主要是通過一系列物理、化學(xué)方法將廢棄混凝土回收利用，主要生產(chǎn)為再生水泥和再生骨料兩大方面。相比于次級(jí)資源化處理方法，原級(jí)資源化處理方法資源利用率高，在形成產(chǎn)品中可以減少 20%～50%［5］的原生材料用量。下面分別就原級(jí)資源化處理方法中運(yùn)用最多的再生水泥與再生骨料的具體方法做簡(jiǎn)要介紹。

2.2.1 再生水泥

再生水泥處理方法從施工工藝、密度、用途、性能等方面都不盡相同。因此，按摻入水泥熟料的物質(zhì)分類，可以分為4種［6］。下面分別就再生水泥的具體方法做簡(jiǎn)要介紹。

2.2.1.1 大顆粒再生水泥熟料

大顆粒再生水泥熟料是將廢棄混凝土中石灰石粉磨后摻和砂巖、鐵粉和石灰石制成水泥熟料大顆粒，可以替代部分天然石灰石。該方法操作簡(jiǎn)便，但利用率一般，且廢棄混凝土取代量的增加會(huì)導(dǎo)致生產(chǎn)出的水泥熟料質(zhì)量降低，因此，工程上常用的的取代量是60%左右。

2.2.1.2 粉體再生水泥熟料

粉體再生水泥熟料是利用廢棄混凝土處理后所得的微粉、水泥石粉或者砂漿做水泥生料組分，經(jīng)煅燒后制成水泥熟料。這種方法操作簡(jiǎn)便，可降低水泥熟料的煅燒溫度、提高效率、節(jié)省能源，但廢棄混凝土中的惰性SiO2會(huì)影響生料的易燒性。

2.2.1.3 全組分再生水泥熟料

全組分再生水泥熟料是將廢棄混凝土粉碎后，補(bǔ)充含氧化硅、氧化鋁和氧化鐵等配料，煅燒成的水泥。它與普通水泥性能相當(dāng)，但全組分破碎難度較大，導(dǎo)致破碎效果不佳。此外，再生水泥熟料中惰性SiO2的含量較大，對(duì)石灰飽和系數(shù)和燃燒氣氛要求高，導(dǎo)致熟料 f-CaO 含量高和強(qiáng)度低等缺陷。

2.2.1.4 作水泥混合材料

作水泥混合料是將廢棄混凝土破碎后分離出水泥漿和細(xì)集料，將細(xì)集料粉磨成細(xì)粉后煅燒用作水泥混合材料。此方法工藝操作簡(jiǎn)易，回用成本不高。但摻和水泥混合材料的水泥產(chǎn)品水化時(shí)間較長(zhǎng)，水化熱較高，凝結(jié)時(shí)間延長(zhǎng)，水泥膠砂強(qiáng)度早期強(qiáng)度較低，且大摻量廢棄混凝土對(duì)新混凝土性能影響很大，因此廢棄混凝土的摻量不能過高。

2.2.1.5 其他

除了上述方法生產(chǎn)再生水泥的方法外，還有許多其他處理方法，如熱處理水泥處理方法和再生膠凝材料處理方法。①熱處理水泥［7］處理方法是將廢棄混凝土中的水泥分離出來，進(jìn)行高溫加熱處理，添加特殊物質(zhì)，生產(chǎn)出再生水泥。此方法再生水泥的強(qiáng)度與普通水泥幾乎相同，甚至更高；②再生膠凝材料［8］處理方法是先分離廢棄混凝土中的骨料，再低溫煅燒處理，分離出水泥石粉末，得到一定水化活性的再生膠凝材料。這2種方法的利用率都比較高，生產(chǎn)過程中二氧化碳零排放、對(duì)環(huán)境污染小，且成本低。

2.2.2 再生骨料

再生骨料處理方法是將廢棄混凝土通過各種化學(xué)或物理方式處理得到不同粒徑的粗細(xì)骨料，用于制備成各種需求的混凝土產(chǎn)品。其具體處理方法的運(yùn)用原理、復(fù)雜程度不一，主要可以分為物理和化學(xué)兩大類處理方法?，F(xiàn)針對(duì)再生骨料的具體方法做簡(jiǎn)要介紹。

2.2.2.1 機(jī)械研磨法

機(jī)械研磨法是利用機(jī)械設(shè)備將廢棄混凝土破碎、研磨得到骨料，并去除骨料表面附著的水泥砂漿。此種方法簡(jiǎn)化了機(jī)械操作，同時(shí)降低了對(duì)設(shè)備的要求且成本低。將再生骨料再進(jìn)行研磨，還可以制備混凝土摻合料。但是，此種方法存在研磨不徹底、部分水泥砂漿殘留、雜質(zhì)含量增高等缺點(diǎn)。這些缺點(diǎn)會(huì)使再生骨料的顆粒密度低、孔隙率高、吸水率高，導(dǎo)致再生骨料性質(zhì)不穩(wěn)定，且嚴(yán)重影響再生混凝土的性能。

2.2.2.2 加熱研磨法

加熱研磨法是將破碎的廢棄混凝土塊通過高溫進(jìn)行加熱處理，通過熱力膨脹使混凝土碎塊斷裂，再利用機(jī)械研磨法去除碎塊表面的水泥砂漿體。此種方法操作較為簡(jiǎn)單，成本較低，能改善再生骨料雜質(zhì)含量、吸水率和孔隙率，用來制備再生混凝土的穩(wěn)定性也大幅提高。但加熱研磨法工序較為復(fù)雜，消耗的時(shí)間長(zhǎng)，先后需2次機(jī)械研磨。加熱過程中隨著溫度的升高，再生骨料的力學(xué)性能的變化大，再生骨料的品質(zhì)會(huì)有所下降。

2.2.2.3 濕處理法

濕處理法是先用水沖洗再生骨料，再分離其中的雜質(zhì)，獲得質(zhì)量較高的再生骨料。這種方法對(duì)機(jī)械設(shè)備要求低、操作簡(jiǎn)單、就地取材、成本低，能在一定程度上增強(qiáng)界面粘結(jié)力。但還需尋求與其他強(qiáng)化方法的結(jié)合使用才能更好地優(yōu)化再生骨料的性能。

2.2.2.4 高壓研磨法

高壓研磨法是用高壓電流破碎混凝土，并且骨料與表面的水泥可以沿著邊界進(jìn)行完全剝離從而達(dá)到高純度的骨料［9］。相較其他研磨方式，高壓研磨法耗能更低，且破碎效果好，容易清洗，沒有交叉污染；破碎在水中或者油中進(jìn)行，不會(huì)產(chǎn)生粉塵，并且不會(huì)造成噪聲污染。但是高壓破碎法工藝較復(fù)雜，設(shè)備技術(shù)要求高，成本也相較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離骨料表面的水泥砂漿，與骨料中的成分發(fā)生反應(yīng)，所得的微裂縫填充骨料表面的孔隙使其再生骨料表面的孔隙結(jié)構(gòu)得到改善、吸水率降低［10］。此種方法的分離效果好、能降低吸水率，但使用范圍小，生產(chǎn)的再生細(xì)骨料品質(zhì)不佳。酸浸處理后，有較多鹽類物質(zhì)殘留在再生骨料表面，導(dǎo)致建筑耐久性降低，且剩余的酸性溶液不能再被利用，處理不當(dāng)反而會(huì)對(duì)環(huán)境造成一定污染，難以處理。

2.2.2.6 其他

除了上述生產(chǎn)再生骨料的方法外，還有許多其他處理方式生產(chǎn)再生骨料，例如熱化學(xué)處理方法，是將加熱處理方法與化學(xué)處理方法相結(jié)合，此種方法得到的再生骨料對(duì)再生混凝土的可加工性和力學(xué)性能有良好的影響。

3 市場(chǎng)效應(yīng)及發(fā)展方向

通過上述各種次級(jí)與原資源化處理方法得到的再生水泥、再生骨料等再生混凝土原料，用它們代替天然原料在建筑施工中進(jìn)行應(yīng)用，這就是人們所說的再生混凝土。此外，在處理廢棄混凝土的再生技術(shù)方法仍有較大的研究空間，下面就再生混凝土的可帶來的市場(chǎng)效應(yīng)和再生技術(shù)的可發(fā)展方向做簡(jiǎn)要論述。

3.1 市場(chǎng)效應(yīng)

廢棄混凝土經(jīng)過處理制成再生水泥和再生骨料后，可以運(yùn)用在多個(gè)領(lǐng)域。再生骨料中加入水泥砂漿、外加劑等可制成普通再生混凝土、輕質(zhì)加氣混凝土［11］、自密實(shí)混凝土、再生承重墻體磚、再生混凝土空心磚、綠化混凝土等等。大量研究結(jié)果表明，再生混凝土完全可以應(yīng)用于一般工程結(jié)構(gòu)，因?yàn)槠浠拘阅芫軡M足一般結(jié)構(gòu)物的性能要求，但目前在國內(nèi)再生混凝土的應(yīng)用不是那么廣泛，主要原因在于：其一，我國相關(guān)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)范尚未完善，使人們對(duì)再生混凝土的質(zhì)量持懷疑態(tài)度。其二，廢棄混凝土回收處理需要投入一定的人力、物力、財(cái)力，導(dǎo)致再生混凝土的成本普遍高于普通混凝土［12］。

目前我國對(duì)此廣泛應(yīng)用的研究不多，而更側(cè)重于對(duì)再生混凝土基本性能的應(yīng)用研究。政府應(yīng)制定相關(guān)法律法規(guī)，出臺(tái)積極的相關(guān)政策，增大人力、物力、財(cái)力等方面的投入，重視再生混凝土的經(jīng)濟(jì)性運(yùn)用，加大研究提高經(jīng)濟(jì)性的途徑，才能實(shí)現(xiàn)再生混凝土的廣泛運(yùn)用，使其性能逐漸提升，在我國實(shí)現(xiàn)全面推廣。

3.2 技術(shù)發(fā)展方向

通過對(duì)廢棄混凝土處理方法的綜述，并探討其優(yōu)缺點(diǎn)之后，發(fā)現(xiàn)操作簡(jiǎn)單且成本較低的處理方法，再生產(chǎn)物存在一定的質(zhì)量、性能缺陷；性能方面有所改善的方法對(duì)機(jī)械要求高、成本較高。因此，為了廢棄混凝土再生處理方法能夠有效提高其資源化利用率，擴(kuò)大其適用性，提高其再生物質(zhì)量、替換率、成本等成為技術(shù)發(fā)展的方向。

（1）再生產(chǎn)物質(zhì)量：再生產(chǎn)物作為基礎(chǔ)性目標(biāo)材料，其質(zhì)量將影響整個(gè)應(yīng)用過程［13］。通過對(duì)再生骨料各種方法優(yōu)缺點(diǎn)綜述時(shí)，發(fā)現(xiàn)再生骨料的吸水率、砂漿含量等指標(biāo)是影響再生混凝土性質(zhì)的重大突破點(diǎn)，也是相關(guān)領(lǐng)域的研究重點(diǎn)。近幾年，國內(nèi)外諸多研究人員對(duì)再生骨料進(jìn)行了許多強(qiáng)化改性處理方法方面的研究。通過強(qiáng)化處理，再生骨料在舊砂漿含量、吸水率、壓碎指標(biāo)、表觀密度等方面的性能都有顯著改善，大大提高了再生產(chǎn)物的質(zhì)量。在進(jìn)一步的研究當(dāng)中，當(dāng)綜合考慮多方面性能時(shí)，可以優(yōu)先考慮孔隙率和含水率的影響，來進(jìn)行數(shù)據(jù)調(diào)整和方法改良。

（2）替換率：在保證質(zhì)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換率，優(yōu)化配合比，減少天然材料的使用。

（3）成本：在保證性能的前提下，盡可能降低耗能、降低成本。機(jī)械要求、方法技術(shù)、操作流程都會(huì)影響成本。在進(jìn)一步的研究當(dāng)中，可注重方法的經(jīng)濟(jì)性，著重考慮降低能耗，朝著可持續(xù)方向發(fā)展。

4 結(jié)論

隨著全球每年二氧化碳排放的增多，各種環(huán)境問題日益頻發(fā)，對(duì)人類未來生存發(fā)展造成巨大威脅。目前，各國都提出了各種有關(guān)環(huán)境保護(hù)的政策方針，我國也提出了“可持續(xù)發(fā)展”“碳達(dá)峰”“碳中和”等政策，而建筑業(yè)的二氧化碳排放量占我國二氧化碳總排放量的1/3左右。如果大部分廢棄混凝土都能夠得到有效利用，那么將會(huì)極大地推動(dòng)我國“可持續(xù)發(fā)展”和實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰”“碳中和”。由于我國廢棄混凝土回收利用方面發(fā)展時(shí)間較短，在技術(shù)、方法、制度等方面都還存在很多問題，需要政府大力扶持、監(jiān)督和研究人員的深入研究等各方面的協(xié)調(diào)合作，最終才能將資源化利用率提升至和發(fā)達(dá)國家一致。

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