廢棄防水卷材資源化基本問題與發(fā)展路徑研究

肖建莊 ，俞才華，肖緒文，丁陶，張勇

（1. 同濟(jì)大學(xué)土木工程學(xué)院，上海 200092；2. 廣西大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，南寧 530004；3. 中國建筑防水協(xié)會(huì)，北京 100831）

一、前言

建筑固體廢物（固廢）資源化是建筑全壽命周期的重要組成部分[1]。在過去十多年里，我國建筑固廢總排量超過2×1010t，較多采用的傳統(tǒng)填埋處置方式浪費(fèi)了大量土地資源且對(duì)環(huán)境造成不利影響[2]。因此，建筑固廢資源化是建筑業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的必由之路。2020年我國正式提出“雙碳”戰(zhàn)略目標(biāo)，對(duì)應(yīng)的背景是我國CO2排放量達(dá)到9.88×109t（含建筑全壽命期CO2排放量5.08×109t）[3]。在“雙碳”戰(zhàn)略目標(biāo)的驅(qū)動(dòng)下，建筑業(yè)節(jié)能減排引起了全社會(huì)的關(guān)注，建筑固廢資源化則是建筑業(yè)節(jié)能減排的重要方式。綜合來看，建筑固廢資源化受到建筑業(yè)高質(zhì)量發(fā)展、“雙碳”戰(zhàn)略目標(biāo)的雙重驅(qū)動(dòng)。

當(dāng)前，我國建筑固廢資源化利用率從不足10%快速提升到30%，但依然落后于2025 年達(dá)到60%的規(guī)劃目標(biāo)，因而進(jìn)一步提升建筑固廢資源化利用率迫在眉睫。經(jīng)過近20年研究，建筑固廢主成分得到了較好的再生利用，如廢棄混凝土用于再生骨料生產(chǎn)、再生混凝土制備[4]，廢棄磚塊制備再生骨料或者碾磨成再生砂或粉[5]，廢棄渣土制成人造骨料、燒結(jié)陶粒、免燒磚、混凝土礦物摻合料等[6]。此外，金屬廢棄物可回收至冶煉生產(chǎn)線，廢塑料可用于制備塑料顆粒[7]。然而，廢棄防水材料作為建筑固廢的重要組成部分，資源化研究基本處于空白狀態(tài)，實(shí)際上成為制約建筑固廢資源化效率提升的瓶頸環(huán)節(jié)之一。探討和解決廢棄防水材料資源化問題，不僅有助于提升建筑固廢資源化利用率，還可支持“雙碳”戰(zhàn)略目標(biāo)實(shí)現(xiàn)以及建筑業(yè)高質(zhì)量發(fā)展。

從近期的文獻(xiàn)檢索結(jié)果來看，廢棄防水材料資源化相關(guān)研究極少，僅有的個(gè)別研究尚處單點(diǎn)探索層面[8～10]。實(shí)現(xiàn)廢棄防水材料資源化，首先需要厘清基本問題，即目前建筑防水材料的產(chǎn)量、資源化主體以及利用潛力；從筑牢創(chuàng)新應(yīng)用基礎(chǔ)條件的角度出發(fā)，亟待明確廢棄防水材料資源化的發(fā)展路徑。針對(duì)于此，本文開展包括防水材料產(chǎn)量、資源化潛力、減碳潛力在內(nèi)的廢棄防水材料資源化基本問題分析，構(gòu)建作為廢棄防水材料資源化主體的廢棄防水卷材資源化發(fā)展路徑并提出相應(yīng)的主攻方向與發(fā)展建議，以期為建筑固廢資源化研究提供啟發(fā)和參考。

二、廢棄防水材料資源化的基本問題

（一）廢棄防水材料資源化的主體

我國現(xiàn)代建筑防水材料起源于20世紀(jì)40年代，前期主要以石油瀝青紙?zhí)ビ蜌肿鳛榉浪牧?。?0 世紀(jì)80 年代之后，各種防水卷材開始大量應(yīng)用于實(shí)際工程，最終形成了六大門類防水材料：聚合物改性瀝青類防水卷材、高分子防水卷材、防水涂料、建筑密封材料、剛性防水材料、止水堵漏材料（見表1）[11]。目前，建筑防水材料朝著綠色、高性能、智能方向發(fā)展，尤其是在《建筑與市政工程防水通用規(guī)范》（GB 55030—2022）[12]頒布實(shí)施后，高分子防水卷材將成為未來的主流類型。本文主要討論上述7 種建筑防水材料（即石油瀝青紙?zhí)ビ蜌帧⒘箝T類防水材料）的資源化潛力。

確定廢棄防水材料資源化的主體，需綜合考慮各種防水材料的成分、結(jié)構(gòu)、產(chǎn)量等特征。防水涂料在拆除過程后呈粉末狀，難以收集且純化困難；建筑密封材料、止水堵漏材料產(chǎn)量很低，品種繁雜；剛性防水材料產(chǎn)量低，廢棄后屬于廢混凝土或砂漿?？梢猿醪脚袛?，防水卷材、石油瀝青紙?zhí)ビ蜌忠蚱渲黧w材料（如瀝青、高分子材料、胎基）具有較成熟的資源化模式而具有良好的資源化潛力。

為進(jìn)一步明確廢棄防水材料資源化的主體，調(diào)研并梳理了各種建筑防水材料的產(chǎn)量。20 世紀(jì)40 年代至1995 年，我國共生產(chǎn)石油瀝青紙?zhí)ビ蜌?.212×1011m2[13]。綜合中國建筑防水協(xié)會(huì)的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)（見圖1）[14～30]，2005—2021 年共生產(chǎn)防水材料2.863×1010m2，其中防水卷材為1.89×1010m2（包括改性瀝青防水卷材、高分子防水卷材、自粘防水卷材、瀝青復(fù)合胎柔性防水卷材，占比為66.01%）、防水涂料為7.201×109m2（占比為25.15%）、玻璃纖維胎瀝青瓦為3.86×108m2（占比為1.35%）、其他新型防水材料為1.526×109m2（占比為5.33%）。防水卷材產(chǎn)量占比高于60%（早年甚至接近80%），說明防水卷材是主要的建筑防水材料、防水材料資源化的主體。

圖1 我國各種防水材料生產(chǎn)量（2005—2021年）

在防水卷材中，聚合物改性瀝青類防水卷材、自粘防水卷材、高分子防水卷材、瀝青復(fù)合胎柔性防水卷材的占比分別為44.96%、27.53%、19.76%、7.75%?？梢?，改性瀝青類防水卷材的資源化是重中之重，自粘防水卷材、高分子類防水卷材次之，而瀝青復(fù)合胎柔性防水卷材因產(chǎn)量過小可忽略不計(jì)。近年來，國家鼓勵(lì)發(fā)展高性能、綠色防水材料，未來高分子防水卷材可能成為主流，因而高分子防水卷材的資源化值得關(guān)注。

（二）廢棄防水卷材資源化的價(jià)值

1. 資源化潛力

廢棄防水卷材作為建筑固廢的重要組成部分，開展資源化研究能夠進(jìn)一步提升建筑固廢的資源化利用水平。為了直觀表述資源化潛力，測算了我國已生產(chǎn)防水卷材的總質(zhì)量，測算依據(jù)為國家標(biāo)準(zhǔn)推薦的單位面積質(zhì)量（見表2）。石油瀝青紙?zhí)ビ蜌值目傎|(zhì)量為9.696×107～1.818×108t， SBS/APP 改性瀝青防水卷材的總質(zhì)量為2.805×107～5.1×107t；高分子防水卷材、自粘防水卷材因種類繁多且無細(xì)分種類，無法測算相應(yīng)的總質(zhì)量。然而，僅是石油瀝青紙?zhí)ビ蜌?、SBS/APP改性瀝青防水卷材的總質(zhì)量即為1.25×108～2.328×108t。

表2 建筑防水材料總產(chǎn)量和總質(zhì)量的測算值

事實(shí)上，我國防水卷材存量可能明顯大于上述測算值，因?yàn)橹钡?013 年工業(yè)和信息化部才規(guī)定，新建聚合物改性瀝青防水卷材單線產(chǎn)能規(guī)模不低于1×107m2/a，新建高分子防水卷材單線產(chǎn)能規(guī)模不低于3×106m2/a；在相當(dāng)長的時(shí)間內(nèi)建筑防水材料市場處于散亂發(fā)展?fàn)顟B(tài)，大量小型企業(yè)的產(chǎn)量數(shù)據(jù)未納入統(tǒng)計(jì)。因此，廢棄防水卷材存量較大，其資源化潛力突出。

2. 減碳潛力

雖然建筑防水材料并未進(jìn)入中國建筑材料聯(lián)合會(huì)的減碳重點(diǎn)行業(yè)目錄（2022 年），但在石油產(chǎn)品價(jià)格高漲、環(huán)境效應(yīng)日益凸顯的背景下，防水卷材的節(jié)能減排問題已無法回避。目前有關(guān)防水卷材碳排放研究稀少，各類防水卷材的全球變暖潛值（GWP）并不明確，目前只能對(duì)我國防水卷材碳排放作簡單估算。

聚合物改性瀝青類防水卷材的GWP 為12.6 kg CO2eq/m2（因文獻(xiàn)稀少，此處測算不考慮各類改性瀝青防水卷材的差異性）[31]；假設(shè)未來聚合物改性瀝青防水卷材年產(chǎn)量為2×109m2，則相應(yīng)的年CO2排放量約為2.52×107t。假設(shè)再生防水卷材可節(jié)約10%的CO2排放量，未來再生防水卷材替代率達(dá)到50%，則每年可降低CO2排放量為1.26×106t。

由于缺少相關(guān)GWP 值，大量的石油瀝青紙?zhí)ビ蜌?、高分子防水卷材、自粘防水卷材等未納入測算?？梢哉J(rèn)為，廢棄防水卷材資源化可實(shí)際降低的CO2排放將遠(yuǎn)大于上述測算值。

三、廢棄防水卷材資源化的發(fā)展路徑

從實(shí)際應(yīng)用角度看，防水卷材約有60%用于地下工程防水、30%用于屋面工程，導(dǎo)致廢棄防水卷材不僅收集困難，往往和其他建筑固廢、廢棄瀝青混合料、裝修垃圾等混雜；尤其是裝修垃圾成分復(fù)雜，含有紙片、塑料、模板以及其他與廢棄防水卷材形態(tài)和性質(zhì)接近的化工產(chǎn)品，加大了廢棄防水卷材的分揀難度?，F(xiàn)實(shí)情況表明，需要從多個(gè)維度構(gòu)思防水卷材低碳發(fā)展路徑。石油瀝青紙?zhí)ビ蜌蛛m已退出新建工程應(yīng)用，但歷史用量巨大、在大量老舊建筑上存留，相應(yīng)資源化也是防水材料循環(huán)再生的重要內(nèi)容。石油瀝青紙?zhí)ビ蜌植荒艿韧诰酆衔锔男詾r青防水卷材，但從資源化角度看兩者因材料和結(jié)構(gòu)類似而可歸為同類。

根據(jù)廢棄防水卷材的特點(diǎn)，相應(yīng)資源化可采取3R發(fā)展路徑：減量化（Reduce）、重復(fù)利用（Reuse）、循環(huán)再生（Recycle）。防水卷材減量化是最重要的目標(biāo)，即減少防水卷材的產(chǎn)量和用量，從根本上減少廢棄防水卷材的產(chǎn)生；對(duì)于已經(jīng)使用的防水卷材，宜盡可能進(jìn)行重復(fù)利用，讓防水卷材二次甚至多次使用；僅在無法重復(fù)利用時(shí)考慮循環(huán)再生，將廢棄物轉(zhuǎn)化為再生產(chǎn)品。

（一）減量化

防水卷材減量化是防水卷材資源化的起點(diǎn)和制高點(diǎn)，以控制防水卷材用量的方式達(dá)到減少廢棄防水卷材存量的目標(biāo)。防水卷材減量化的主要路徑是提升混凝土結(jié)構(gòu)的自防水性能、提升卷材防水層的長期性能：前者可直接減少防水卷材的使用量；后者可減少防水卷材的設(shè)防道數(shù)甚至延長使用壽命，從而間接減少防水卷材的使用量。本文主要討論提升防水卷材的長期性能，重點(diǎn)關(guān)注防水卷材在復(fù)雜服役環(huán)境中的耐久性和抗病害能力。為此，需要深入了解防水卷材性能演變機(jī)制及其在外部環(huán)境中的劣化機(jī)理，發(fā)展相應(yīng)的性能調(diào)控、靶向抗劣化等技術(shù)。然而，現(xiàn)有的防水卷材基礎(chǔ)研究尚不完善（基本停留在卷材配比、生產(chǎn)工藝、添加劑等方面），微細(xì)觀尺度層面的防水卷材研究很少；可借鑒復(fù)合材料、高分子材料領(lǐng)域的理論研究體系，開展防水卷材基礎(chǔ)研究。此外，傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)試錯(cuò)法成本較高，需要在理解防水卷材性能演變規(guī)律的基礎(chǔ)上發(fā)展性能預(yù)測理論與技術(shù)，優(yōu)先從理論上預(yù)測防水卷材在各種服役狀態(tài)下的性能，支持高耐久性防水卷材配方和工藝篩選。

目前，有關(guān)防水卷材在應(yīng)力、環(huán)境因素耦合作用下的性能演變機(jī)制研究還很少。已有研究分析了老化、風(fēng)致病害、水致病害對(duì)防水卷材的影響，發(fā)現(xiàn)不同防水卷材的性能劣化機(jī)制不盡相同[32,33]。雙層使用并不能提升卷材系統(tǒng)的抗風(fēng)能力，隔熱層厚度、防水層特性對(duì)測試模型的抵抗力沒有顯著影[34]。研究認(rèn)為防水卷材水泡源自陽光長期照射造成的蒸汽壓力積累[35,36]，而溫度、水分、初始脫黏孔徑都對(duì)防水卷材的破壞時(shí)間產(chǎn)生重大影響[37]。顯然，防水卷材性能演變規(guī)律及調(diào)控機(jī)理不清，不同應(yīng)力條件下防水卷材性能劣化機(jī)制不明，制約了高性能防水卷材研發(fā)。

材料基因是材料的基本單元，可以是原子、分子等不同尺度特征，決定了材料的性能和功能[38]。以聚合物改性瀝青防水卷材為例，改性瀝青基因包括瀝青組分、微觀結(jié)構(gòu)等，胎基基因包括纖維形態(tài)、空間分布等。確定防水卷材基因組，有助于準(zhǔn)確建立組成、結(jié)構(gòu)、工藝、性能之間的定量關(guān)系[39]。在高性能防水卷材開發(fā)方面，應(yīng)以材料基因組為切入點(diǎn)，以多尺度、多場景耦合方法為主線，以深度學(xué)習(xí)預(yù)測為實(shí)現(xiàn)手段。這是因?yàn)?，防水卷材整體性能不僅體現(xiàn)在宏觀單一尺度，而是原子、分子，微觀、細(xì)觀、宏觀等多個(gè)尺度相互耦合的結(jié)果；相應(yīng)耦合涉及物理、化學(xué)作用，外部應(yīng)力、靜電力、物理黏附、濕潤作用、物理嵌鎖、化學(xué)吸附等，不同尺度層面的關(guān)系也表現(xiàn)為尺度跨越的復(fù)雜耦合作用。

建立防水卷材基因 - 耐久性數(shù)據(jù)庫需以防水卷材基礎(chǔ)研究成果為前提，包括材料研發(fā)、配合比設(shè)計(jì)、添加劑機(jī)理與效應(yīng)等。相關(guān)的多尺度設(shè)計(jì)方法有：原子尺度可采用密度泛函理論分析，分子尺度可采用分子動(dòng)力學(xué)模擬，介觀尺度可采用耗散粒子動(dòng)力學(xué)模擬，微觀尺度可采用原子力顯微鏡、掃描電鏡、透射電鏡、納米壓痕等，細(xì)觀尺度可采用細(xì)觀三維重構(gòu)技術(shù)和有限元模擬，宏觀尺度可采用各種性能測試。以大量實(shí)驗(yàn)結(jié)果來填充數(shù)據(jù)庫，進(jìn)而采用深度學(xué)習(xí)等方法預(yù)測防水卷材性能（見圖2）。只要建立的數(shù)據(jù)庫足夠大，就可以獲得精準(zhǔn)的防水卷材性能預(yù)測結(jié)果，篩選出高性能防水卷材配方、添加劑種類等。同理，構(gòu)建防水卷材性能劣化及病害數(shù)據(jù)庫，采用深度學(xué)習(xí)方法針對(duì)性開發(fā)抗病害防水卷材，甚至能夠根據(jù)服役地區(qū)不同的氣候環(huán)境開發(fā)針對(duì)性的防水卷材類型。

圖2 防水卷材多尺度性能評(píng)估技術(shù)路線

在高性能防水卷材開發(fā)之外，防水卷材與基體之間的黏附性也是重點(diǎn)研究內(nèi)容，這是因?yàn)榉浪聿氖Ф啾憩F(xiàn)為防水卷材與基體之間的界面黏結(jié)失效。目前已有一些相關(guān)研究，如關(guān)注了聚合物改性瀝青防水卷材的動(dòng)態(tài)黏彈性能表征問題，定義了松弛譜指數(shù)[40]；聚合物改性瀝青有效提升了界面附著力和黏合力[41]；防水卷材 - 砂子界面摩擦角與法向壓力無關(guān)，濕潤砂子界面的剪切阻力高于干燥砂子[42]。但在防水卷材與基體黏附行為方面沒有形成深刻理解。

需要建立施工工藝 - 界面耐久性理論，發(fā)展界面黏附預(yù)測和監(jiān)測技術(shù)，主要從設(shè)計(jì)思路、界面處理、施工措施等方面理解防水卷材與基體的黏附失效行為。從多尺度尤其是分子尺度視角著手，探究防水卷材 - 基體的黏附機(jī)理，獲取界面黏附多尺度信息，建立界面黏附及破壞理論；根據(jù)黏附理論，規(guī)避界面劣化誘因，加強(qiáng)界面黏附因素，提升界面黏附耐久性。還需發(fā)展防水系統(tǒng)結(jié)構(gòu)健康檢測理論與技術(shù)，提供防水卷材服役狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)控能力。目前有少量相關(guān)報(bào)道，如提出了平屋頂防水病害檢查分類系統(tǒng)[43]，開發(fā)了預(yù)測風(fēng)壓膨脹防水卷材最大撓度理論[44]，但遠(yuǎn)不能滿足防水系統(tǒng)結(jié)構(gòu)健康檢測需求。以智能化、信息化手段為依托，開發(fā)防水卷材在自然環(huán)境中的性能劣化監(jiān)測技術(shù)，獲取直接信息和防水結(jié)構(gòu)多尺度反應(yīng)，支持病害問題的及早處置，從而提高防水卷材服役壽命并達(dá)到減量化目的。

（二）重復(fù)利用

對(duì)于已經(jīng)服役過的防水卷材系統(tǒng)，優(yōu)先采用重復(fù)利用方法。重復(fù)利用方法主要分為體系重復(fù)利用、材料重復(fù)利用：前者指將防水卷材體系進(jìn)行整體或局部拆解，再將拆解下來的防水卷材體系再利用至新場景；后者指將已經(jīng)服役一段時(shí)間、仍具有原有形態(tài)及功能的廢棄防水卷材作為原材料進(jìn)行回收。對(duì)于體系重復(fù)利用，需采取科學(xué)的拆解過程，盡量保存原有防水卷材體系的形態(tài)及功能并減少卷材損傷，利于防水卷材體系的再次利用[45]。

在傳統(tǒng)防水卷材系統(tǒng)拆除過程中，通過各種工程器械破壞防水卷材系統(tǒng)原有的形態(tài)及功能會(huì)產(chǎn)生大量的廢棄防水卷材。然而，拆解應(yīng)以防水卷材回收為目的，采取解構(gòu)方式將防水卷材系統(tǒng)盡可能完整地從建筑中分離出來；拆解下來的防水卷材系統(tǒng)可具有相對(duì)完整的形態(tài)及功能，能夠直接應(yīng)用到新建防水工程，從而規(guī)避廢棄物運(yùn)輸、加工、施工等工序，極大減少碳排放。防水卷材拆解與原施工技術(shù)直接關(guān)聯(lián)。當(dāng)前的防水卷材鋪設(shè)方法主要分為干法、濕法，又細(xì)分為熱熔法、熱粘法、冷粘法、自粘法、焊接法、機(jī)械固定法；鋪貼方法主要有滿粘法、空粘法、條粘法、點(diǎn)粘法。顯然，采用干法鋪設(shè)便于進(jìn)行拆解，采用濕法施工則很難拆解；為了便于拆解防水卷材，應(yīng)盡可能減少防水卷材與基底的粘貼面積，故避免使用滿粘法。換言之，宜優(yōu)先發(fā)展干鋪與機(jī)械固定相結(jié)合，干鋪與空鋪法相結(jié)合的防水卷材施工工藝。

目前，防水卷材再利用理念涉及甚少，針對(duì)防水卷材拆解分析方法、施工技術(shù)的研究也未見報(bào)道。未來可構(gòu)建防水卷材拆解理論框架，形成防水卷材拆解技術(shù)集成體系。需要從防水卷材拆解設(shè)計(jì)、施工以及拆解后再利用的角度著手，提出防水卷材拆解設(shè)計(jì)的原則、步驟、施工要求，進(jìn)而發(fā)展防水卷材施工工藝、拆解關(guān)鍵技術(shù)；從壽命周期評(píng)價(jià)角度出發(fā)，量化防水卷材拆解的環(huán)境友好程度與低碳價(jià)值，分析防水卷材拆解與傳統(tǒng)廢棄的差異性，據(jù)此提出基于重復(fù)利用理念的防水卷材低碳設(shè)計(jì)理論框架。

（三）循環(huán)再生

對(duì)于無法重復(fù)利用的防水卷材，可考慮循環(huán)再生，即將廢料變成原料（再生料）。廢棄防水卷材循環(huán)再生的關(guān)鍵是分離、分級(jí)、分解：分離指將廢棄防水卷材和其他建筑固廢或裝修垃圾分開，再進(jìn)行不同類型防水卷材的進(jìn)一步分離；分級(jí)指針對(duì)不同性能的廢棄防水卷材開展分級(jí)回收；分解是防水卷材生產(chǎn)的逆過程，實(shí)現(xiàn)廢棄防水卷材基料（高分子或?yàn)r青材料）和胎基的分解。

將廢棄防水卷材從建筑固廢或裝修垃圾中分離是第一步，廢棄防水卷材和混凝土或其他建筑材料在成分、形態(tài)上具有顯著的差異性而不存在技術(shù)困難。隨后，不同成分的防水卷材分類進(jìn)行循環(huán)再生，避免不同種類廢棄防水卷材的混合回收（將造成薄弱界面），維持再生產(chǎn)品的附加值[46]。高分子防水卷材（單位面積質(zhì)量為0.98～1.05 kg/m3）、瀝青類防水卷材（單位面積質(zhì)量為1.1～1.4 kg/m3）的密度有所差異，可據(jù)此開發(fā)廢棄防水卷材分離技術(shù)。從源頭上進(jìn)行廢棄防水卷材分類，避免后續(xù)的處理和分選環(huán)節(jié)，不僅可以降低回收成本，還能降低碳排放，是極有價(jià)值的分離方法。管理部門應(yīng)從防水卷材鋪設(shè)階段開始，記錄防水卷材類型并建立管理檔案；在防水卷材拆除時(shí)，禁止隨意丟棄或混入其他建筑固廢，而是單獨(dú)堆放廢棄防水卷材；構(gòu)建廢棄防水卷材管理網(wǎng)絡(luò)，將不同類型廢棄防水卷材分類聚集，為循環(huán)再生創(chuàng)造良好條件。

在分離的基礎(chǔ)上，根據(jù)廢棄防水卷材性能進(jìn)行分級(jí)再生，針對(duì)性開展循環(huán)再生。對(duì)于廢棄高分子防水卷材，可參考廢棄高分子材料分類再生策略（見圖3）[47]：如果性能較高，可進(jìn)行原等級(jí)再生，或回歸防水卷材生產(chǎn)線，或?qū)U棄高分子防水卷材碾磨成增材制造原料并采用增材制造技術(shù)制備防水卷材或其他產(chǎn)品（見圖4）；若無法原等級(jí)再生，優(yōu)先采用機(jī)械回收方式，將廢棄高分子防水卷材粉碎成顆?；蛘呃w維，作為填充料或添加劑來提升其他材料的斷裂韌性及抗應(yīng)變能力。廢棄瀝青基防水卷材的主要回收方式之一即破碎成纖維或顆粒加入到瀝青材料中，相應(yīng)的核心科學(xué)問題是老化瀝青、聚酯（玻璃纖維）、原生瀝青之間的多重界面交互，橫跨原子、分子、細(xì)觀、宏觀等多個(gè)尺度（見圖5）。

圖3 廢棄高分子材料（以塑料為例）的多級(jí)再生策略

圖4 增材制造再生防水卷材

圖5 廢棄瀝青基防水卷材界面多尺度作用

分解是廢棄防水卷材高附加值循環(huán)再生的重要方法，能夠最大限度地開展廢棄防水卷材的合理利用，主要分為物理分解、化學(xué)分解。① 物理分解指采用物理方法將復(fù)合材料分解開，目前已有高壓碎裂法，即利用放電脈沖破碎廢棄高分子基體來獲取其中的纖維（纖維應(yīng)用面較廣，不限于防水卷材生產(chǎn)）[48]?？刹捎梦锢矸纸夥椒▽U棄瀝青基防水卷材分解為瀝青材料、纖維胎體后再進(jìn)行回收，應(yīng)用比較成熟；分解而得的老化瀝青，可加入再生劑以提升性能，用于路面材料或防水卷材制備。② 化學(xué)分解指采用化學(xué)方法將復(fù)合材料分解開，這一過程通常改變復(fù)合材料的成分。目前高分子領(lǐng)域代表性的化學(xué)分解方法有高壓分解法、大氣壓分解法：前者是重要的廢棄復(fù)合材料回收方法，使用化學(xué)試劑并在高溫、高壓條件下將高分子材料轉(zhuǎn)化成超臨界流體，使高分子材料化學(xué)鍵斷裂，實(shí)現(xiàn)廢棄高分子復(fù)合材料的回收，應(yīng)用中能量消耗大；后者過程更加溫和，可保護(hù)廢棄高分子復(fù)合材料中的纖維結(jié)構(gòu)，在工業(yè)上更易推廣使用[48]。

在分解基料與胎體之外，可將廢棄高分子防水卷材看成整體，直接采用化學(xué)方法進(jìn)行處理，已有化學(xué)解聚法、催化裂解法：前者通過化學(xué)方法將廢棄高分子材料解聚為單體，或重新煉成可燃油氣，獲取高附加值再生產(chǎn)品；后者將廢棄高分子材料在添加催化劑、高溫等條件下裂解成碳納米材料甚至碳納米管、石墨烯（見圖6）[49]。碳納米材料在土木工程領(lǐng)域的應(yīng)用前景廣闊，但成本昂貴[50,51]；如果能夠?qū)U棄高分子防水卷材轉(zhuǎn)化為碳納米材料，有望帶來行業(yè)應(yīng)用的重大變革。對(duì)于性能過低的廢棄高分子防水卷材，還可采用燃燒方式回收能量。

圖6 利用廢高分子防水卷材制備高性能混凝土

四、廢棄防水卷材資源化的主攻方向與發(fā)展建議

廢棄防水卷材資源化具有減量化、重復(fù)利用、循環(huán)再生三方面主要內(nèi)容，而當(dāng)下最迫切、最有價(jià)值的研究方向是循環(huán)再生。廢棄防水卷材循環(huán)再生的主要路徑是制備再生防水卷材，故系統(tǒng)討論再生防水卷材研發(fā)要點(diǎn)（當(dāng)前）與發(fā)展建議（未來）。

（一）再生防水卷材研發(fā)要點(diǎn)

以再生產(chǎn)品為原料制備而成的防水卷材稱為再生防水卷材。相關(guān)原料可以來源于廢棄防水卷材（支持實(shí)現(xiàn)廢棄防水卷材產(chǎn)業(yè)鏈循環(huán)），也可以來源于其他再生產(chǎn)品（如再生瀝青、再生高分子材料、再生纖維、再生填料）。為了盡量發(fā)揮再生防水卷材的低碳優(yōu)勢，用于制備再生防水卷材的原料宜遵循“就地取材”原則，規(guī)避原料運(yùn)輸、存儲(chǔ)等高碳排放流程。再生防水卷材制備通常采用成熟工藝，將再生料部分替代原料是常規(guī)做法。

全再生防水卷材指原料全部采自再生產(chǎn)品的防水卷材，具有最大環(huán)境效益，相關(guān)技術(shù)有待發(fā)展。以全再生瀝青基防水卷材為例，瀝青原料可采用再生瀝青，胎體可采用再生玻璃纖維、再生纖維布、再生紙張等，而聚乙烯膜可采用再生高分子材料。不僅如此，未來各種土木工程材料都盡可能避免使用天然原材料，而多從廢棄物中尋找替代原材料，以緩解我國廢棄物儲(chǔ)量巨大、天然土木工程材料短缺的現(xiàn)實(shí)困境。需要系統(tǒng)開展全再生防水卷材基礎(chǔ)研究，涉及廢棄物前期處理、材料研發(fā)、配比優(yōu)化、添加劑使用等。還需關(guān)注界面問題并開發(fā)界面改性技術(shù)，以提升全再生防水卷材的性能（廢棄物更容易存在薄弱界面）；建立材料基因庫，發(fā)展基于人工智能的全再生卷材性能預(yù)測方法。

全再生防水卷材生產(chǎn)可采用傳統(tǒng)成熟工藝或者增材制造等高端新技術(shù)。以全再生高分子卷材為例，優(yōu)先考慮將廢棄高分子材料作為原料；根據(jù)廢棄高分子材料的成分差異，制備不同類型的再生高分子防水卷材 以適應(yīng)不同工況需求。廢棄高分子儲(chǔ)量巨大[52]，可將廢棄高分子制備成顆粒，采用常規(guī)卷材生產(chǎn)方法、雙螺旋桿擠出法制備再生顆粒，用于全再生高分子防水卷材生產(chǎn)[53]；也可將廢棄高分子防水卷材碾磨成增材制造材料原料，通過增材制造技術(shù)生產(chǎn)全再生高分子防水卷材；還可將廢棄物原料經(jīng)前期處理后用作高分子防水卷材生產(chǎn)原料，采用成熟工藝生產(chǎn)全再生高分子防水卷材。針對(duì)這條路徑，需考慮現(xiàn)行工藝流程能否滿足生產(chǎn)要求，新工藝和添加劑開發(fā)以及相應(yīng)基礎(chǔ)研究是必要內(nèi)容。

提升再生防水卷材的基礎(chǔ)性能和耐久性是重要的研究課題，這是因?yàn)樵偕a(chǎn)品的基礎(chǔ)性能和耐久性一般劣于常規(guī)產(chǎn)品，需要從基體、界面等方面改進(jìn)性能?？蓪⒃偕w維添加至再生防水卷材中，在胎基、再生纖維表面生成碳納米材料，由此提升再生防水卷材的機(jī)械性能、界面性能，賦予其導(dǎo)電性能，為防水系統(tǒng)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測提供基礎(chǔ)條件；增加防水卷材使用層數(shù)也可延長使用壽命。通過以上方式，再生防水卷材的性能一般可達(dá)到常規(guī)產(chǎn)品的80%，基本滿足地鐵、隧道、路橋等特殊工程需求。

（二）再生防水卷材發(fā)展建議

關(guān)于再生防水卷材的研發(fā)與應(yīng)用，當(dāng)前亟待攻克的關(guān)鍵環(huán)節(jié)是“廢料 - 原料”，即再生防水卷材的研發(fā)；未來需要解決的問題是“原料 - 產(chǎn)品”“產(chǎn)品 - 工程”，即再生防水卷材的應(yīng)用。在未來應(yīng)用目標(biāo)方面，超過50%的防水卷材以再生料為原料，再生防水卷材在工程中大量替代原生防水卷材。為此，管理部門、學(xué)術(shù)界、工程界需共同努力，推動(dòng)防水卷材資源化發(fā)展。

管理部門需積極發(fā)揮引導(dǎo)作用，增強(qiáng)建筑行業(yè)采用再生防水卷材的意識(shí)，發(fā)布再生防水卷材鼓勵(lì)政策，支持防水卷材再生基礎(chǔ)研究，推動(dòng)防水卷材再生研究及應(yīng)用，編制防水卷材資源化生產(chǎn)及應(yīng)用規(guī)范。鑒于工程防水行業(yè)制度執(zhí)行不力的現(xiàn)狀，管理部門還可深化行業(yè)制度建設(shè)，如強(qiáng)化工程總承包負(fù)總責(zé)的防水工程管理體制、完善防水工程質(zhì)量保修制度和工程信用體系、促進(jìn)高性能防水材料和防水工程施工方法研發(fā)，盡快建成一體化防水產(chǎn)業(yè)體系和綜合標(biāo)準(zhǔn)體系。

學(xué)術(shù)界是防水卷材再生研究的主要力量，將聚焦攻克防水卷材再生的科學(xué)與技術(shù)問題。未來將深化防水卷材再生基礎(chǔ)研究，解決“廢料 - 原料”“原料 - 產(chǎn)品”過程中的關(guān)鍵科學(xué)問題，增強(qiáng)技術(shù)保障能力。高?？稍鲈O(shè)工程防水專業(yè)，構(gòu)建建筑防水人才培育體系，完善防水工程多層次職業(yè)教育、技能教育體系，提升從業(yè)人員專業(yè)技術(shù)水平，化解專業(yè)發(fā)展的“智力”瓶頸。

工程界是防水卷材再生的直接應(yīng)用部門。未來將研發(fā)防水卷材資源化裝備，培育防水工程管理人才，落實(shí)管理部門主推的防水卷材資源化政策；承接和轉(zhuǎn)化學(xué)術(shù)界的防水卷材再生資源化成果，發(fā)展綠色施工技術(shù)，提高工程實(shí)用水平，高質(zhì)量解決工程防水問題。

五、結(jié)論

（1）2005—2021 年，我國共生產(chǎn)防水材料2.863×1010m2，其中防水卷材為1.89×1010m2；聚合物改性瀝青類防水卷材、自粘防水卷材、高分子防水卷材、瀝青復(fù)合胎柔性防水卷材的占比分別為44.96%、27.53%、19.76%、7.75%。各種防水材料產(chǎn)量穩(wěn)步增長，高分子防水卷材將是未來主流類型，開展廢棄防水卷材資源化研究需求迫切。

（2）當(dāng)前防水卷材基礎(chǔ)研究薄弱，防水卷材資源化研究近乎空白?？刹扇〔牧匣蚪M - 人工智能理念展開系統(tǒng)性的基礎(chǔ)研究，發(fā)展防水卷材性能預(yù)測理論，開發(fā)高性能、高耐久性的防水卷材，在確保防水工程質(zhì)量的前提下，減少防水卷材的使用量和廢棄量。防水卷材資源化發(fā)展可采取減量化、重復(fù)利用、循環(huán)再生的3R發(fā)展路徑。

（3）防水卷材循環(huán)再生旨在解決“廢料 - 原料”問題，應(yīng)以分離、分級(jí)、分解為要點(diǎn)。發(fā)展防水卷材分離技術(shù)，完善廢棄防水卷材分流制度及管理網(wǎng)絡(luò)，從源頭上分離不同成分的廢棄防水卷材；根據(jù)廢棄防水卷材性能，開展分類、多級(jí)的循環(huán)再生；分解包括物理分解和化學(xué)分解，是防水卷材高附加循環(huán)再生的關(guān)鍵舉措。

（4）測算表明，如果未來再生防水卷材替代率達(dá)到50%，僅改性瀝青防水卷材每年即可降低CO2排放量1.26×106t。在胎基、再生纖維表面生成碳納米材料等方式，能夠兼顧再生防水卷材機(jī)械性能和界面性能的提升并賦予其導(dǎo)電性能，為防水系統(tǒng)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測提供基礎(chǔ)條件。

（5）為實(shí)現(xiàn)防水卷材高效資源化及后續(xù)利用，未來應(yīng)著力解決“原料 - 產(chǎn)品”“產(chǎn)品 - 工程”關(guān)鍵環(huán)節(jié)，需要管理部門、學(xué)術(shù)界、工程界共同努力。管理部門增強(qiáng)建筑行業(yè)采用再生防水卷材的意識(shí)，發(fā)布支持性政策并深化行業(yè)制度建設(shè)。學(xué)術(shù)界積極開展防水卷材再生基礎(chǔ)理論與應(yīng)用技術(shù)研究，構(gòu)建建筑防水人才培育體系。工程界承接和轉(zhuǎn)化學(xué)術(shù)界的防水卷材再生資源化成果，提高工程實(shí)用水平，培育防水工程管理人才。

利益沖突聲明

本文作者在此聲明彼此之間不存在任何利益沖突或財(cái)務(wù)沖突。

Received date:April 21, 2023;Revised date:June 2, 2023

Corresponding author:Xiao Jianzhuang is a professor from the College of Civil Engineering, Tongji University. His major research field is construction solid waste resourcing and basic theory of recycled concrete. E-mail: jzx@#edu.cn

Funding project:Chinese Academy of Engineering project “Development Strategy of Green Construction” (2022-XZ-21) and “Strategy of Digital Development in the Construction Industry” (2022-XY-80)