大有可為的再生混凝土

肖建莊

垃圾分類在我們日常生活中正逐漸成為一種綠色新時尚，常見的可回收垃圾，如廢棄鋼鐵、銅、鋁、鉛等金屬可經回爐冶煉進行再利用；廢棄橡膠、塑料、紙、玻璃、木材等原料經加工后也可實現再利用；混凝土作為最常用的建筑材料，工程拆除后能否實現再利用呢？科學解決這個問題具有顯著的環境和經濟效益。

廢棄混凝土是我們生活中常見的建筑垃圾，在我國，其每年的排放量達億噸級；此外，天然砂石骨料資源有限，為保護綠水青山，廢棄混凝土的回收再生利用是未來建筑行業的必然選擇，可助力建筑業可持續發展，實現碳達峰、碳中和目標。

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注的難題，將廢棄混凝土“變廢為寶”是解決這一難題的最優策略。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”是指將建筑結構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構。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，從而可促進建筑業的節能減排。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

再生骨料的生產是廢棄混凝土再生利用的前提，該生產工藝包括廢棄混凝土塊的回收、分揀、破碎、分離、篩分、分級和預處理等多個環節。其中，回收和分揀屬于前端管理步驟；破碎步驟是關鍵核心技術，目前常用的破碎設備主要有固定式和移動式兩類，固定式設備處理量大且便于優化，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、分級和預處理步驟，已有相關規范進行指導。整個生產過程中，提高再生骨料質量的關鍵在于控制雜質含量和表面附著老砂漿含量。為此，團隊發明了立軸式沖擊破碎機甩料輪設備，內部拋料腔經合理設計，能量轉換損失小，拋料速度高，可實現兩級輥破和兩級分離，高效分離鋼筋和泥土等雜質；此外還研發了智能壓力脈沖放電和液壓分解設備，利用廢棄混凝土中老砂漿、骨料及兩者界面區的細微觀性能差異，破壞砂漿基體和骨料界面結構，結合沖擊破碎設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鍵。根據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，等質量下再生骨料的體積較大，因而再生混凝土的砂率應適當增大。

團隊提出了基于人工智能的再生混凝土配合比精準設計方法，通過積累的大量試驗數據訓練神經網絡模型，再根據再生骨料特性和再生混凝土性能需求，利用該神經網絡模型進行配合比設計。進一步，研發了再生混凝土用高效減水劑，可使再生骨料產生疏水效果，降低其吸水作用，實現再生混凝土的高工作性能。

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

多場景再生混凝土應用

1 現澆再生混凝土結構

建筑結構通常由梁、板、柱和剪力墻等承重構件組成，為保障建筑結構安全，團隊系統研究了再生混凝土構件的受力和變形性能，并開展了再生混凝土框架結構振動臺試驗。研究發現經過合理的設計和構造處理，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、理論分析和工程應用的基礎上，筆者主編了國內第一本再生混凝土應用技術標準《再生骨料混凝土應用技術標準》DG/TJ08，并聯合主編了再生混凝土結構設計行業規程《再生混凝土結構技術標準》JGJ／T 443。在此基礎上，聯合開發了基于3D3S、PKPM等平臺的再生混凝土結構設計軟件，有效推動了再生混凝土結構安全。

2 預制再生混凝土構件

裝配式建筑具有建造速度快、施工質量好和綠色效益高的優勢，再生混凝土在預制加工廠澆筑成預制再生混凝土構件，可解決再生混凝土在泵送過程中坍落度損失大的難題。將再生混凝土應用于裝配式建筑，兩者相得益彰，可推動綠色建造技術發展。

3 再生混凝土空心砌塊

再生骨料具有密度小、孔隙率高、導熱系數小等特性，將再生骨料作為原材料制成再生混凝土空心砌塊，能夠實現空心砌塊自重輕、保溫隔熱和節能環保的優勢。團隊開展了構造柱-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防區的應用是可行的，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，可應用于道路工程中的基層和墊層，再生混凝土道路技術在舊水泥混凝土路面改造工程和鄉村公路興建工程中應用前景廣闊，再生骨料可就近采用移動式生產模式，具有節省運費、提高生產效率的優勢。

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，考慮到再生骨料孔隙率高的特性，團隊應用再生骨料研制了再生透水混凝土，其內部含有許多相互聯通的孔隙結構，這些孔隙結構可有效減少暴雨徑流率、凈化污水、減少噪音、提高抗滑性、增強隔熱保溫以及減輕熱島效應。再生透水混凝土可作為城市建設的路面材料，編制了上海市工程建設規范《建筑垃圾再生集料無機混合料應用技術標準》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展方向，將再生骨料作為3D打印混凝土油墨原料，能優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打印領域的應用奠定了基礎。

圖5 3D打印再生混凝土

7 再生骨料/混凝土堆山造景

廢棄混凝土塊經破碎、分揀后，可根據不同規格應用于堆山填料，作為填料的廢棄混凝土僅需經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，美化生態環境的同時，能夠減緩城市熱島效應，并提供綠色生態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 滬上生態家

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

圖7 滬上生態家

2 多層綜合辦公樓

在濟南市建成地上5層，結構高度為19.7 m，建筑面積為7 809 m，抗震設防烈度為7度，抗震等級為二級的多層建筑。設計中，采用了C35和C40兩種強度等級的再生混凝土，C35再生混凝土應用于梁板水平結構，C40再生混凝土應用于框架柱結構。該工程設計結果滿足混凝土結構規范的要求，施工質量驗收合格。

圖8 再生混凝土多層框架結構

3 高層辦公樓

在上海建成12層現澆再生混凝土結構，該結構地下2層，地上12層，高度49.2 m，面積達1.5萬m，屬于框架-剪力墻結構。設計中，采用了C30、C40和C50三種強度等級的再生混凝土，C30再生混凝土應用于梁板水平結構，C40和C50再生混凝土應用于墻柱豎向結構。該工程驗收合格，滿足現行規范要求，通過了上海市專家委員會的嚴格審查，獲得上海市優秀工程建筑結構專業一等獎。

圖9 再生混凝土高層建筑