废弃混凝土的再生利用与生态环境保护

杨晓波，胡珊珊

废弃混凝土的再生利用与生态环境保护

杨晓波，胡珊珊

人类公路的发展史，就是保护生态环境的发展史，从生态平衡化的角度，合理利用生态资源，保证了生态资源永续，也为推进生态文明建设起到了保驾护航的作用。从加大发展循环经济的视角和资源化再生利用的角度，进行了废弃混凝土力学性能的试验，通过电镜扫描获得不同骨料试验的晶体照片，试验发现，粗骨料取代率为50%的再生混凝土，弹性模量平均值可达到3.15Gpa，此时各项力学指标均满足工程设计要求，工作性能和耐久性也能得到保证。

公路；生态环境；生态文明；力学性能；案例分析；废弃混凝土

生态环境决定人居生活质量，交通发展决定国家发展水平。孤立追求发展必然导致经济崩溃，孤立追求开发生态资源将导致生态环境的衰退。面对困扰人类环境与发展的两大难题──生态环境与文明的冲突，当代人类最需要的文明知识就是生态智慧。当然，不同文化背景的人对“生态”的定义会有所不同。生态智慧的核心是“天人合一”。要做到“天人合一”就必须具有明智的环境意识──生态智慧。中国从大国转为强国的生命线,就是完成内外部发展与生态资源均衡发展的关系。

随着人口、资源、环境的压力日益凸显[1]，倡导生态文明建设，是党中央“十八大”首次提出的重大战略，创造性地回答了发展与生态文明关系的最新节点。生态环境与公路发展已成为反函数的关系。实践不断证明,协调好两者之间关系,才是解决这反函数关系的唯一途径。生态资源的浪费已发展到了生态环境要保护的阶段[2]。

交通发展需要有度，生态资源用之有度则常足，取之无度则常不足。如果超过了这个度,将导致生态环境容纳不下；生态环境支撑难以为继，相信这是大家都不愿意看到的。水泥混凝土路面再生技术的应用,不仅解决了环境问题,而且节省了造价,节约了资源[3]。

废弃混凝土是垃圾,垃圾再生是资源,资源索取力求环保,环保力求生态平衡。为保护生态环境,对资源化再生利用的理念,进行了试验与案例剖析,验证了再生砼做为公路中的路基是一种可行的方法,并印证了资源再生利用和生态环境关系的实践依据,也为我国的生态文明建设奠定了坚实的理论基础。

1 再生混凝土公路力学性能试验

为落实生态立国,环保兴国的发展战略思想,为进一步探索废旧混凝土公路垃圾的力学性能试验迫在眉睫。我国水泥混凝土路面较多,且很大一部分由于修筑时间早出现损坏现象,水泥混凝土路面再生利用是一个有效处理这种问题的方式[4]。通过以下力学性能试验来验证理论,可以为今后设计提供一定认识理解。

1.1 基本性能设计

试验采用的材料：水泥：42.5R,细骨料：中沙,粗骨料：再生粗骨料,外加剂：高效减水剂,拌合水：普通自来水。再生粗骨料,是由废弃混凝土公路经过破碎,筛分之后得到的。与天然骨料相比，除了骨料的表面包裹着一层水泥砂浆外，还含有瓷砖、红砖及木屑等废弃建筑材料的成分。再生骨料与天然粗骨料试验对比出的具体物理性能,详见表1。通过对废旧公路再生骨料与天然骨料试验得知废旧公路再生骨料有表观密度较小、吸水率与含水率高,为实际公路建设提供了一定的参考数据。

表1 公路粗骨料基本物理性能

混凝土路面在我国道路中占有很大的比重。混凝土材料的配合比设计,将直接影响公路再生混凝土的力学性能。材料间用量的比例关系,通常可用三个主要参数来表示：水灰比──水与水泥用量之比,水灰比是决定混凝土结构是否经久耐用的一项重要性能；砂率──与砂石(再生混凝土)用量之比；单位用水量──水泥净浆与骨料(再生混凝土)之间对比关系,单位用(kg/m3)表示。水灰比、砂率、单位用水量的三个参数确定原则,见图1所示。

图1 再生混凝土公路配合比三个参数的确定原则

1.2 弹性模量设计

针对废旧公路再生砼的弹性模量进行试验。试验中：选取六种不同再生骨料取代率(0%、10%、20%、30%、40%、50%)的再生混凝土。试验设备：采用RMT─150C材料力学性能试验机,来测试弹性模量。试件：选用直径50mm、高100mm的圆柱体试块,进行应力──应变试验。公路再生砼在静荷载作用下,应力与应变试验测试结果,见表2,将为以后实际废旧公路工程的应用提供参考数据。

表2 公路再生混凝土应力—应变试验测试结果

试样类型取代率/%应力峰值平均值弹性模量平均值变形模量平均值A028．94．783．25B1028．24．533．12C2027．14．512．99D3026．43．922．56

注：应力峰值平均值单位(MPa)；弹性模量平均值,变形模量平均值单位(GPa)。

根据表2中的试验结果表明：随着再生混凝土公路取代率的增加,再生砼的应力峰值平均值在减小,即其极限承载力也在减小.当取代率为0时,混凝土的应力峰值平均值为28.9MPa,而当取代率为50%时,其应力峰值平均值为25.1MPa.当再生骨料取代率增加,验证出再生骨料具有良好的弹性性能,是可以应用在路基、路面中,做到了资源化再生利用,是符合生态平衡化的最佳模式,是一种可持续发展的绿色材料,也是今后废旧砼再生利用的一个发展方向。

1.3 用扫描电子显微镜验证应用可行性

通过采用扫描电子显微镜,对试件内部组织进行了微观分析,获得普通混凝土和再生粗骨料取代率为50%时,荷载破坏结晶晶体的SEM照片,见图2、图3(照片比例：5.0μm/1cm)。

图2 普通混凝土照片

图3 粗骨料取代率为50%时再生混凝土照片

从图中荷载破坏形式观察到,普通混凝土和再生骨料混凝土微观晶体,有相同之处：都有氢氧化钙定向结晶,都产生水化硅酸钙晶体。但存在不同之处：再生混凝土的界面结构没有普通混凝土密实,孔缝比较大,裂缝相对多,会给氢氧化钙和钙矾石晶体的生长,提供了一定的生长空间,能吸收一部分水份,有助于改善结构晶体的生长,可以提高再生骨料的抗压强度。

实践证明,通过图2与图3的扫描电子显微镜的微观结果观察,发现再生混凝土荷载破坏的结晶晶体形式来看,随着废旧砼中水泥用量的增加,黏聚性和保水性能良好,坍落度也在提高,再生混凝土砂浆强度也是可以增加的。

1.4 再生混凝土的耐久性

钢筋锈蚀是引起钢筋混凝土结构耐久性破坏的重要因素，而氯离子的侵入是造成钢筋混凝土腐蚀的主要原因之一[5]。氯离子渗透性能是影响混凝土材料耐久性的一项重要指标。试验采用NEL法测试再生粗骨料混凝土的氯离子渗透系数。NEL法是清华大学路新瀛教授基于离子扩散和电迁移理论提出的试验方法，本质是饱盐混凝土电导率法。它用真空抽吸的方法加速混凝土试件饱盐，使之成为线性元件，然后用Nernst-Einstein方程确定混凝土中的氯离子扩散系数[6]。根据再生粗骨料不同取代率试件的试验结果可知，氯离子扩散系数在20至22之内变化(单位：10-14cm2/s)，依据NEL法混凝土渗透性评价标准得出再生粗骨料混凝土试件的渗透性等级均为Ⅴ级，渗透性评价均为很低。

1.5 其它方面

再生骨料混凝土的工作性(和易性)低于普通混凝土。通过《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》(GB/T50080-2011)对再生骨料混凝土拌合物的坍落度和扩展度进行测试发现，随着再生骨料取代率的增大，再生骨料混凝土的坍落度和扩展度均呈现先减小后增大的规律；当再生粗骨料的取代率为50%时，再生粗骨料混凝土的坍落度和扩展度达到最低值。

再生骨料混凝土的各项力学强度指标均随再生粗骨料取代率的增加呈现降低趋势。试验按照《普通混凝土力学性能试验方法标准》(GB/T50081-2016)中的方法[7]测试再生粗骨料混凝土的抗压强度、抗拉强度和抗折强度等各项强度指标，以分析不同取代率的再生粗骨料对再生粗骨料混凝土力学性能的影响。试验发现，当再生骨料完全取代天然骨料制作再生粗骨料混凝土时，再生骨料混凝土的立方体抗压强度和劈裂抗拉强度均下降40%左右，抗折强度和轴心抗压强分别下降36.1%和20.1%。

2 维护生态材料废旧公路再生利用

生态平衡是从保护生态环境到科学发展之间的一座桥。桥没了,人类生存与发展的平衡根基也没了,后果不堪设想。从保护生态平衡的角度出发,大力发展废旧资源的再生循环利用,才是解决社会发展与生态平衡矛盾的唯一出路。

2.1 保护生态材料循环利用资源

生态材料与公路建设一样,都是有生命周期的.当今我国早期建设的混凝土公路,大多快达到使用年限,路面已产生了开裂,板边缘、接缝产生了破碎,大修重建的任务在不断加重。随着城市化进程的不断加快,这些地区空间生态不平衡性将更加严重,生态环境问题需引起足够关注[8]。

当今建筑工程,几乎找不到没有使用混凝土材料的建筑物。废弃混凝土材料的循环再生利用,已日益成为人类关注的重要话题,符合环境保护与可持续发展战略的一个最重要因素。水泥材料是一种水硬性胶凝材料,是建材中的最重要组成部分。

图4 中国三年消耗水泥与美国整个二十世纪用量比较

目前,国内外无一种材料可以替代它的地位。有关资料显示我国水泥产值约占建材工业的40%,水泥总产量自1985年以来一直位居世界第一。中国三年消耗水泥超过美国整个二十世纪用量[9],美国100年(1901―2000年期间)消耗水泥45亿吨,中国3年(2011―2013年期间)消耗水泥66亿吨,见下图4。据欧洲水泥协会的数据显示：2013年,全球水泥产量已达到40亿吨,其中,中国为24.2亿吨,占全球总产量的58.6%[10],而美国仅占全球总产量的1.9%。水泥作为建设的基本材料,如果建设发展与生态资源一直冲突不断,又何谈未来国家的改革与发展呢。面临着生态环境、资源和社会发展失衡的严峻挑战,我们只有积极地推进资源再生,不断减少对生态环境平衡的破坏,才能给中国永恒发展注入新的活力。

2.2 案例分析

案例1：在我国南京都市废弃物综合利用开发公司,进行了再生道路试验.他们首先,把运来的废弃混凝土,再加上石灰和特种添加剂,生产二灰结石,用这种材料作为道路“基层”,完全可以满足道路承载的能力[11]。

案例2：国道310线,开兰(开封至兰考)公路水泥混凝土路面的大修工程中,将破损混凝土重新回收利用。开兰混凝土公路修复工程竣工后,经过了有关交通部门的竣工验收,并被评为国家优良工程。

案例3：湖南长沙机场的改建工程的道面、道肩及平行公路上,使用了再生混凝土技术,施工总面积达5000多平方米,使用7年后,经回访考察,使用状况较好,符合国家机场使用标准.工程实践表明,废弃混凝土再生利用对于保护环境、减少资源与能源浪费以及实现可持续发展具有重要意义[12]。

从以上成功的案例,推广了再生资源广泛的应用领域,不仅推进了绿色发展、循环发展,也是落实党中央“十三五”规划提出的国家发展、保护好生态环境的具体表现。

2.3 维护生态环境平衡保护生态资源

当今,人与生态环境的关系出现了紧张和对立,面对出现的生态失衡,保持好生态平衡,保护好地球环境这个今日学术界所关注的焦点。在公路发展过程中,不少单位重开发轻环保,重建设轻文明。面对资源采取掠夺式的开发利用,如,砂、石等生态资源被大量的消耗掉,生态资源日益匮泛,也带来了一系列环境污染,其后果将产生生态环境失衡。所以,保护生态平衡就是要在合理利用资源中求发展,又要在发展中保护生态环境的平衡,才能实现老百姓过去“盼生存”,现在“盼生态环境”的梦想。

我国是一个资源匮乏的国家,经济的增长越来越受到资源和环境的约束,废弃混凝土的资源再利用十分必要[13]。为提供生态化的发展空间,为让生态资源不再垂危,实践证明,交通发展与生态环境失衡,给我们敲响了一个警钟：从构建生态环境平衡角度出发,提出树立公路建设是发展,保护生态环境平衡的建设也是发展,而且是更为重要的发展。

3 诠释生态文明“1+1=1”的新模式

基于一个极简单的公式“1+1=1”的铨译,展开了生态与发展共同提升的“1+1”的“加法”的阐述,进行了一种全新的生态文明“=1”的扩展分析。生态没有国界,环保不分民族,再生资源、生态环境是照亮生态文明的通道；也是对世界生态文明建设与维护全球生态环境做出的积极贡献.生态水泥的再生发展是实施可持续发展战略的重要组成部分[14],为解决日益恶化的生态环境、再生资源的挑战,中国必须开辟一条全新的现代化生态水泥的再生发展的道路,必须用一种崭新的生态文明逐步地取而代之,也是“1+1=1”(一条发展道路+一个生态水泥再生发展=一种新的生态文明)。

总之,生态文明已成为引领21世纪发展的新方向,重新审视中国的现代化的发展道路,也是“1+1=1”(一切生态环境+一个现代化发展=一部组成完整的中华民族生态文明建设的巨著)。21世纪地球和人类都面临着严重的资源、环境的危机,研究表明,废旧混凝土经加工形成的再生集料具有良好的路用性能[15],开展“1+1=1”的模式的研究,就是采取行动保护我们赖以生存的生态环境,也将为世界生态文明建设与资源再生起到一定垂范作用。

4 结论

环境与发展的关键就是抓生态文明。为了更好的与生态文明一起走得更远,必须以生态环境为研究视角,提出全新的生态概念,进行了“1+1=1”的诠释：生态平衡是保护环境之基,生态环境是人类生存之根,生态资源是交通永续发展之本。当务之急是找到生态资源的平衡点。这个平衡点,就是公路资源开发的重点转向到资源化的再生利用,不仅深化了社会效益与生态环境效益同步提升的新理论,也为人类保护生态材料作出积极的贡献。

生态与交通的关键就是抓材料资源再生。试验结果表明：合理选择再生混凝土配合比参数,粗骨料取代率为50%的再生混凝土,弹性模量平均值可以达到3.15Gpa。通过SEM照片分析：再生混凝土中有未尽水化的水泥颗粒,可以进一步地产生晶体反应.从SEM照片中还可以发现,再生骨料表面结构晶体粗糙,产生的空间较大,可以使配合比中的水灰比降低,为实际公路资源再生利用提供了一定的参考数据。

在探索生态文明的道路中,生态资源环境与生态文明的辨证关系,逐渐得到了举国上下的关注。针对我国再生混凝土的应用与生态之间存在的问题，不断开展再生砼与生态水泥粘结后的强度问题,推广生态水泥的再生利用范围,使生态资源保护,步入良性持续发展的轨道,把它用在灾区震后重建,高速公路与高铁重建的问题,是今后进一步的研究方向。

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[4] 袁建常.水泥混凝土路面再生利用关键技术[J].科技视界, 2012,2(22):332-333.

[5] 钟小平，金伟良．钢筋混凝土结构基于耐久性的可靠度设计方法[J]．土木工程学报，2016，49(5)：32-39．

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[14] 耿春雷,顾军.以生活垃圾和污泥替代水泥原燃料生产生态水泥的研究进展[J].材料导报,2011,25(19): 147-149.

[15] 董春平. 沥青路面冷再生基层材料疲劳寿命试验研究[J].滁州学院学报,2009,11(6): 122-124.

责任编辑：刘海涛

A Study on the Recycling of Waste Concrete fromthe Perspective of Ecological Environment

Yang Xiaobo , Hu Shanshan

The history of human development is the history of the development of highway, the protection of the ecological environment, ecological balance from the perspective of rational use of ecological resources, to ensure the ecological resources sustainable and to promote ecological civilization construction. From the perspective of the development of circular economy and resources recycling angle, tested mechanical performance of waste concrete, crystal photo, different aggregate test by scanning electron microscopy experiments found that, coarse aggregate replacement ratio of recycled concrete is 50%, the average elastic modulus can reach 3.15Gpa, the various mechanical indexes meet the engineering design requirements, work performance and durability can be guaranteed.

highway; ecological environment; ecological civilization; mechanical property; case analysis; waste concrete

TU501

A

1673-1794(2017)02-0035-05

杨晓波，蚌埠学院机械与车辆工程学院讲师，硕士(安徽 蚌埠 233030)；胡珊珊，六安职业技术学院建筑工程系(安徽 六安237020)。

安徽省质量工程项目:土木工程专业综合改革试点 (2016zy052)

2016-05-24