鐵路工程廢棄混凝土資源化再利用現狀

程歡 黃法禮 李化建 易忠來 王振 溫家馨 謝永江

1.中國鐵道科學研究院研究生部，北京 100081；2.中國鐵道科學研究院集團有限公司鐵道建筑研究所，北京 100081；3.中國鐵道科學研究院集團有限公司高速鐵路軌道技術國家重點實驗室，北京 100081

我國鐵路工程建造技術位居世界前列，截至2020年底我國鐵路總里程達到14.6 萬km，其中高速鐵路里程達到3.9 萬km。混凝土是鐵路工程建設使用量最大的材料，每年產生的廢棄混凝土數量龐大。據統計，我國各工務段平均每年更換7 000~8 000 根混凝土軌枕，僅北京鐵路局每年更換的廢棄軌枕數量就高達100萬根，我國廢棄混凝土軌枕已達兩億根。韓國、荷蘭等國家同樣存在鐵路工程廢棄混凝土數量龐大的問題。韓國每年約產生20萬根廢棄混凝土軌枕，相當于全國鐵路軌枕總量的1.4%，其中除少量用于建設停車場圍欄外，大部分被填埋在地下，回收利用率低［1-2］。由于泥漿沖刷、沉渣等原因，鐵路地基施工中灌注樁頂部往往出現夾雜泥團、強度不足等問題。為保證樁身頂部混凝土質量及樁基與承臺的有效連接，采取超灌混凝土再予以破除的方法處理樁基樁頭。鐵路橋梁段和路基段因截取樁基樁頭產生的廢棄混凝土每公里達到數百立方米。

實現廢棄混凝土資源化再利用，不僅可以解決因建筑廢棄混凝土露天堆放或填埋造成的侵占土地、污染環境、破壞土壤結構的問題，還可以緩解當前建筑材料短缺壓力，也是建筑材料行業碳減排、碳達峰的具體實踐。本文探討鐵路工程廢棄混凝土分類方法，分析鐵路工程廢棄混凝土的特點，闡述鐵路工程廢棄混凝土資源化再利用現狀及面臨的挑戰。

1 廢棄混凝土的分類

按照產生時段的不同，鐵路工程廢棄混凝土可分為建設期廢棄混凝土和運營期廢棄混凝土。

1）建設期廢棄混凝土

建設期廢棄混凝土主要指鐵路工程在建設過程中因必要的施工工藝浪費的混凝土，如樁頭混凝土、隧道噴射過程中回彈的混凝土等，也包括質量不滿足設計要求的混凝土構件。CFG（Cement Fly?ash Gravel）樁因其承載力高、穩定性好，施工時振動小、噪聲小等優點，被廣泛應用于我國高速鐵路工程。高速鐵路樁基混凝土強度等級：路基段一般低于C30，橋梁段一般為C30~C50。超灌高度通常大于0.5 m，破除后的大量廢棄混凝土樁頭通常就地掩埋，未得到充分利用。

隧道施工過程中噴射混凝土操作簡單，且混凝土水灰比較小和噴出速度較快，混凝土與圍巖之間黏結力較大，可抵抗不良地質條件下隧洞變形、坍塌等破壞。近年來，隨著我國高速鐵路隧道工程量不斷攀升，噴射混凝土的應用顯著增加，但應用過程中普遍存在回彈率過高的問題。受噴射混凝土制備技術和施工工藝水平的影響，噴射混凝土回彈率在10% ~30%，最高可達40%以上［3-4］。噴射過程中回彈的混凝土因缺少適當的回收途徑，也造成一定程度的浪費。

2）運營期廢棄混凝土

運營期廢棄混凝土主要指在服役過程中性能逐漸劣化，不能滿足服役要求的混凝土結構。TB 10005—2010《鐵路混凝土結構耐久性設計規范》中規定：防護砌塊、欄桿等設計使用壽命為30年；路基排水結構、接觸網支柱等設計使用壽命為60 年；橋梁、隧道等主體結構、無砟軌道道床板、底座板等設計使用壽命為100 年。隨著服役年限的增加，必然會有一部分混凝土結構因達到服役壽命被更換。此外，鐵路工程混凝土在露天環境下承受周期性的疲勞荷載，決定了其劣化機理的復雜性和不確定性。因此，少量混凝土結構在未達到設計使用年限就出現性能劣化而被更換，成為廢棄混凝土。

鐵路工程混凝土結構形式多樣，服役環境復雜，工程不同部位混凝土結構設計使用年限不一，造成混凝土設計強度的差異化與多元化。由于設計強度不同，混凝土在原材料選擇，膠凝材料用量、水膠比等方面也存在較大差異。因此可根據原混凝土結構設計強度對其進行分類，見表1。

表1 鐵路混凝土強度等級分類

2 廢棄混凝土的特點

1）鐵路廢棄混凝土分散，分布范圍廣。鐵路工程呈條帶狀分布，跨越區域大，形成了鐵路工程特有的“一線多點”模式，即一條鐵路的建設需要多個標段來共同完成，一條鐵路的運營也需要多個鐵路局或工務段共同承擔。造成鐵路工程建設期與運營期廢棄混凝土的回收主體相對分散，各單位管轄范圍內混凝土回收量相對較小。

2）鐵路廢棄混凝土強度等級高，回收價值大。為保障我國高速鐵路高平順性、高安全性、高舒適性，鐵路工程主體混凝土結構采用中高強度。混凝土強度等級越高，則漿體體積分數越大，未反應的水泥顆粒和堿性硅鈣化合物就越多［5］。當再生骨料再次應用于水泥混凝土中時，未水化的水泥顆粒將繼續參與水化反應，堿性硅鈣化合物為水泥水化早期提供足夠的鈣離子，提高了再生混凝土的水化潛力。Evangelista等［6］對比分析了再生骨料混凝土與普通混凝土強度的發展過程，發現普通混凝土強度趨于穩定時，再生骨料混凝土的強度仍處于上升階段。

3）清潔度高，可溯源。鐵路工程混凝土結構多以鋼筋混凝土為主，不含石膏、涂料及泡沫板類材料，組分較為單一。此外，鐵路工程混凝土通常以自建拌和站的模式供給，隨著鐵路工程混凝土拌合站標準化、信息化的實施，混凝土原材料、配合比、施工時間、施工數量等信息均可及時保存和查詢，為廢棄混凝土建設期關鍵數據的溯源提供了條件。

3 廢棄混凝土再利用現狀

3.1 路基填料

路基承受由路面傳來的車輛荷載，對建設過程中的填料和后期路面加寬材料都有較嚴格的要求。尤其是鐵路加寬過程中須考慮新老路基材料性能不同而導致的路基沉降和銜接處開裂問題。當前路基填料一般為砂、黏土和碎石的混合料。廢棄混凝土強度高、抗環境侵蝕能力強，破碎至一定粒級后作為路基填料，其彈性模量優于黏土且具有一定的自膠結性能，是路基填料的優質原料［7-8］。Chi 等［9］研究發現，利用再生骨料和破碎黏土磚制備出的基層材料中再生細骨料更易受水分變化影響，因此需嚴格控制破碎混凝土的最小粒級。王軍龍等［10］以石灰、粉煤灰和再生骨料為原料，使用靜壓法制備出一種新型的無機結合料，可滿足鐵路路基填料的要求。宮寶汝［11］測試了新建時期合安鐵路工程中廢棄混凝土再生骨料的化學組分以及硫酸鹽浸泡后的壓碎指標，測試結果均滿足鐵路基床的路用要求。趙笠君［12］將廢棄混凝土軌枕替代片石用作路肩小擋墻，與原有材料相比，采用廢棄軌枕每公里可節省3萬元，并在全局推廣。

3.2 路基邊坡防護材料

隨行車密度和速度的不斷提高，在雨雪等惡劣天氣下高速鐵路和公路的路基高邊坡易發生泥石流、滑坡等地質災害［5］。目前，路基邊坡防護的主要技術措施有植被防護、噴射混凝土防護、護面墻防護、砌石防護等。廢棄軌枕強度高、耐久性好，切割后的廢棄軌枕易于運輸且外表美觀，是極好的防護支擋材料，如圖1所示。

圖1 廢棄軌枕用于路基邊坡防護

廢棄軌枕的切割技術發展較為迅速，現在有鋸片切割、繩鋸切割等方式。而廢棄軌枕內部多為強度較高的巖石骨料且配筋密集，常規切割方法效率低且刀片易損壞。一般采用特殊合金鋼材料的刀具對廢棄軌枕進行切割。徐永等［13］發明了一種高壓水切割刀，其用于廢棄軌枕切割效率高。

3.3 再生骨料在砂漿/混凝土中的應用

再生骨料是解決天然骨料短缺和廢棄混凝土堆存問題，緩解環境壓力，降低建筑成本的最佳方法。廢棄混凝土可作為再生骨料使用。目前我國建筑固體廢棄物回收利用率在5%左右，而在比利時、丹麥、荷蘭等國家回收率已接近95%［14-15］。與天然粗骨料相比，再生粗骨料表面黏附砂漿，顆粒級配差，吸水率大，從而導致再生混凝土坍落度損失大、漿體-再生骨料界面黏結性差、空隙率高等問題［16］。

Isabel 等［17］通過試驗研究了再生粗骨料替代率對混凝土力學性能的影響，發現混凝土的力學性能隨粗骨料替代率提高而下降，替代率達到100%時混凝土抗壓強度下降20%~30%，彈性模量下降30%~40%。馮超朋［18］研究了再生粗骨料替代率對混凝土抗凍融循環性能的影響，發現再生粗骨料中砂漿-骨料界面的存在導致再生混凝土抗凍融性能較差，且在凍融循環次數較多時混凝土質量損失率隨再生粗骨料替代率提高而增大。Juan 等［19］研究再生粗骨料黏附砂漿含量對骨料性能的影響發現，隨著黏附砂漿含量提高，再生粗骨料的吸水率增大，密度以及耐磨性能降低，再生粗骨料黏附砂漿含量在44%以下時其吸水率以及耐磨性較好。

以廢棄軌枕為代表的預應力鋼筋混凝土結構，其內部密集的橫豎向鋼筋限制了常規破碎設備的直接使用。一般先使用破碎機將廢棄軌枕初步破碎，收集其中的鋼筋等材料，然后將處理后的混凝土塊進一步加工為再生骨料。西班牙Valoria Residuos 廢料處理廠和中國武漢鐵路局各研發了一體化的軌枕破碎裝置，可在破碎過程中分離鋼筋和混凝土。基于大量廢舊軌枕堆存的現狀，Barbosa等［20］提出了將廢棄軌枕破碎后制備再生軌枕的想法。隨后Corominas 等［21］將舊軌枕破碎后作為粗骨料，制備再生混凝土軌枕，在滿足歐洲標準EN 13230?2：2009 的前提下，再生粗骨料的替代率可達到100%。Sainz等［22］使用破碎的廢棄軌枕制備自密實混凝土軌道板，實現了鐵路工程混凝土的循環再利用。2020年瑞士的Vigier Rail 公司設立了采用廢棄軌枕制備再生軌枕項目。武漢鐵路局也設立了廢棄軌枕再生利用的課題。

與再生粗骨料相比，再生砂粉中含有一定比例的石粉、泥土、舊砂漿等成分，且其顆粒級配難以滿足要求，故其再利用難度更大。Vegas 等［23］采用再生砂粉替代河砂制備砂漿時發現，隨著替代率提高，砂漿吸水率增大，力學性能下降，替代率不能超過25%。李貞等［24］研究了水中預浸泡的再生砂粉對砂漿收縮性能的影響，結果表明，高吸水率的再生砂粉在漿體內部相對濕度較低時能夠釋放更多內養護水，隨著再生砂粉自身吸水率增大，砂漿的自收縮減小。Li 等［25］使用回彈強度在25~35 MPa的廢棄混凝土制備再生砂粉，并使用其中粒徑小于75 μm 的顆粒替代30%的水泥，制備的砂漿收縮率增大、抗凍融能力降低，且降幅隨著顆粒粒徑增加而增大。Li 等［26］采用不同粒徑再生砂粉制備混凝土時發現，隨著再生砂粉粒徑減小，混凝土早期強度增長速度、吸水率、抗收縮性能均降低。由于再生材料高吸水率以及低硬度導致砂漿體積穩定性差，Gon?alves 等［27］采用再生砂粉制備砂漿時使用活性氧化鎂替代水泥，發現替代率為15% ~20%時活性氧化鎂水化反應產物氫氧化鈣產生的膨脹可以完全抵消再生砂粉高吸水率導致的砂漿收縮。再生砂粉的再利用也存在限制，Carrión 等［28］使用廢棄混凝土軌枕破碎而成的再生砂粉制備聚合物混凝土，發現過多細小顆粒會導致聚合物難以充分滲透到混凝土結構中，因此須嚴格控制再生砂粉中細小顆粒的含量。也有研究者采用廢棄砂粉中的細小顆粒制備膠結材料用作地基填料，得出粒徑小于0.125 mm 的顆粒在濕養護條件下制備的灌漿材料力學性能優于干養護［29］。部分研究者通過對再生砂粉進行預處理以提升其性能，Chinzoright 等［30］先將再生砂粉浸泡后置于二氧化碳環境中處理，然后再進行混凝土的制備，發現二氧化碳可與再生砂粉中的氫氧化鈣和水化硅酸鈣反應生成碳酸鈣填充孔隙，降低了再生砂粉吸水率，提高了整體密實度，再生混凝土28 d 抗壓強度比采用二氧化碳處理前提高了8%。Salahuddin 等［31］采用廢棄混凝土軌枕制備的再生砂粉替代天然砂制備混凝土時發現，再生砂粉替代率為75%時，在90 ℃熱水中養護48 h 的再生混凝土28 d 齡期抗壓強度比直接常溫養護提高15%。

4 存在的問題

1）廢棄混凝土回收成本高，市場競爭力差。鐵路工程條帶狀分布的結構特點決定了鐵路工程廢棄混凝土的回收與再利用費用相對較高。為提升其工程適用性還需經過特殊工藝工裝對廢棄混凝土予以加工，從而產生一定的附加費用。因此，廢棄混凝土再生資源成本可能比原生資源高。在缺少相關法律法規保障、政府財政扶持和政策干預的條件下難以體現其經濟效益，從而影響廢棄混凝土資源化再利用的積極性。

2）當前廢棄混凝土的資源化再利用仍處于較低水平。盡管國內外學者已經針對廢棄混凝土破碎加工成混凝土骨料及其對混凝土工作性能、力學性能和耐久性能的影響開展了大量研究工作，但受再生骨料成本、再生骨料混凝土工程應用技術水平普遍較低等多方面因素限制，當前廢棄混凝土的回收再利用仍主要用于路基填筑和邊坡防護中。

3）缺少廢棄混凝土再利用技術標準體系。盡管鐵路工程廢棄混凝土存在設計強度等級高、清潔度高、來源可溯性好等優點，但因其在服役過程中受外部環境、列車荷載等多重因素的交互影響，鐵路工程廢棄混凝土的具體劣化機制尚不清晰。因此，須以其實時的性能指標作為再利用的判定依據，亟需建立廢棄混凝土再利用技術標準體系。

5 結論與建議

1）鐵路工程在建設及運營時期產生了大量廢棄混凝土。與城鎮建筑廢棄混凝土相比，鐵路廢棄混凝土無論是作為路基填料、邊坡防護材料還是加工為再生骨料制備砂漿∕混凝土均具有顯著的技術經濟性和質量可控性。

2）建議構建鐵路廢棄混凝土再利用技術標準體系，以指導和規范廢棄混凝土的資源化再利用；建立鐵路工程廢棄混凝土的智慧管控平臺，對廢棄混凝土的來源、回收、再利用全過程進行跟蹤管理，實現廢棄混凝土的多途徑、高質化利用；對鐵路廢棄混凝土的再利用給予政策支持，使其再生產品具有市場競爭力。