建筑垃圾资源化利用

■文 / 卞立波 袁东海

一、前言

近二三十年，中国大规模的现代化建设，带来了建筑业的蓬勃发展，每天都有旧建筑物被拆除，新建筑物在兴建，产生大量的建筑垃圾。中国建筑垃圾的数量已占到城市垃圾总量的30%-40%，经过对砖混结构、全现浇结构和框架结构等建筑施工材料损耗的粗略统计，在每万平方米建筑的施工过程中，仅建筑废渣就会产生500-600吨。由此引发的资源、能源和环境问题也日益严重。以中国当前混凝土年产量近30亿立方米计，需要使用水泥11亿吨，需消耗天然砂石60亿吨以上。统计表明，生产每吨水泥需消耗石灰石0.95-0.98吨，生产1吨熟料约排放二氧化碳1吨，还会产生大量的硫化物、氮化物和其他有害气体和粉尘。在混凝土中比例最高的骨料是分布较为广泛的自然资源，但由于长年开采，已经开始出现石料资源难以为继的问题。其中，有工业价值的石灰石仅可维持30-40年的开采。同时，天然材料的大量开采和使用，也造成水土流失和自然景观恶化，严重影响社会的可持续发展，甚至危及子孙后代的生存。在香港，建筑产业每天产出的施工和拆除废料达3.7万吨，这比市政固体废料要高出大约四倍。在不久的将来，香港将缺少新垃圾掩埋用地，主要的土地开垦计划也要结束，这警示香港必须找到建筑和拆除废料的应用方法。上海每年产生的渣土约2000万吨，其中约800万吨为废弃混凝土，约占渣土总量的40%。中国每年建筑垃圾的产量还没有权威的统计数字，估计其数值要达到几十亿吨。随之必然带来一系列关于自然资源、能源、环境保护和可持续发展的问题。

如此巨量的建筑垃圾，绝大部分未经任何处理，便被建筑施工单位运往郊外或乡村，采用露天堆放或填埋的方式进行处理。这种传统的处理方法（露天堆放、填埋、焚烧等）不仅耗用了大量的耕地及垃圾清运等建设经费，而且给环境治理造成了很大的压力。大量的建筑垃圾不能适当加以利用，不符合可持续发展战略。因此，自20世纪90年代以后，世界上许多国家，特别是发达国家已把城市建筑垃圾减量化和资源化处理作为环境保护和可持续发展战略目标之一。世界各国纷纷对建筑废弃物的再生利用进行研究，其中一个重要方面是对再生混凝土的研究。研究对象主要是除渣土外的建筑垃圾的其他三大组分：废混凝土块、碎砖块、废砂浆。

二、建筑垃圾利用的技术可行性分析

建筑固体垃圾的三大主要成分：废混凝土块、碎砖块、废砂浆：

1.废混凝土块

混凝土的凝结硬化是一个非常缓慢的过程，28天龄期的水泥石其水泥的水化程度只有60%左右。资料表明，一些混凝土经过20年时间的凝结硬化还没有完全结束，也就是说此时水泥石中还存在有利于混凝土硬化的活性成分。如果把建筑物生产过程中及旧建筑拆下来的废混凝土块重新分选、破碎作为骨料来用，对再生混凝土的强度发展必定能起到良好的促进作用。普通混凝土的破坏是由于在荷载作用下界面微裂缝的发展而导致混凝土最终破坏，一般来说，骨料并不发生破坏。因此，废旧混凝土中的骨料是完全可以利用的。

2.碎砖块

过烧砖、坏砖、建筑物建造、维修、拆除中所产生的碎砖块，经破碎、分选后可作为粗骨料。在配制普通混凝土时，要求粗骨料立方体强度与混凝土设计强度之比不小于1.5。就拆除的碎块而言，以常用的MC10机制砖为例，抗压强度平均值不低于9.81MPa，因此若用碎块砖作低强度等级混凝土的骨料，其强度是可以满足中低等级混凝土要求的。若要配制强度等级更高的混凝土，则需采取必要的技术措施。在一些天然骨料很少的国家，甚至用好砖来生产混凝土骨料。碎砖块和砂浆的抗拉强度差别不是很大；同时，碎砖块表面粗糙，孔隙较多，砂浆和骨料的界面结合得以加强，从而使再生混凝土产生界面微裂缝的机会减少，对提高再生混凝土的强度非常有利。

3.废砂浆

建筑物拆除过程中产生的粉末状水泥砂浆，硬化的水泥砂浆包裹在砂颗粒周围，增大了骨料的粒径，同时水泥水化颗粒改善了骨料的级配，可作为细骨料来用；而在拆除过程中产生的水泥砂浆块，较大的可作为粗骨料来用，较小的经粉碎后作为细骨料来用。

（一）力学性能

1.抗压强度

基于对早期研究成果的综述分析，研究人员发现与普通混凝土相比，再生混凝土的抗压强度降低，降低幅度最高可达20%。后来，有研究人员的试验也得出了类似的结论，其试验结果表明再生混凝土的抗压强度比普通混凝土低14%-32%。之后的研究发现再生混凝土的抗压强度较普通混凝土降低8%-24%。研究认为，再生混凝土抗压强度比较低的主要原因是由于再生骨料与新旧砂浆之间存在较为薄弱的黏结区域。

2.抗拉及抗折强度

试验发现再生混凝土的劈裂抗拉强度与普通混凝土差别不大，对于抗折强度，也有类似的结论。具体的，再生混凝土抗拉强度较普通混凝土约降低6%，而抗折强度却没有降低。

3.弹性模量

试验发现再生混凝土的弹性模量比普通混凝土降低25%-40%，主要取决于基体混凝土的性能。另外发现再生混凝土的弹性模量低于普通混凝土，而且强度越高，降低越多。

综合以上研究结果，可以发现再生混凝土的弹性模量较普通混凝土低15%-40%。再生混凝土弹性模量降低的原因是由于大量的砂浆附着于再生骨料上，而这些砂浆的弹性模量相对较低。

（二）耐久性能

1.再生混凝土的抗渗性

影响混凝土耐久性的各种破坏过程几乎均与水有密切的关系，因此混凝土的抗渗性被认为是评价混凝土耐久性的重要指标。一般来讲，混凝土的抗渗性取决于孔隙的孔径大小、分布、形状、弯曲程度以及连贯性。通过试验研究水灰比为0.5-0.7，坍落度为21cm再生混凝土渗透性的结果表明，再生混凝土的渗透性为普通混凝土的2-5倍，而且试验结果较为离散。比较水灰比相同的再生混凝土与普通混凝土渗透性的试验结果表明，再生混凝土的渗透性随水灰比的增大而增加。当水灰比较高时，再生混凝土的渗透性与普通混凝土差别不大，当水灰比较小时，再生混凝土的渗透性则约为普通混凝土的3倍。试验结果发现普通混凝土的渗透深度和吸水率分别为18mm和4.1%，而再生混凝土的相应指标为25mm和5.9%，分别较普通混凝土增加了38%和44%，表明再生混凝土的抗渗性能较相同配合比的普通混凝土差。综合以上试验结果可以看出，再生混凝土的抗渗性较普通混凝土差，其主要原因是由于再生骨料孔隙率较高，吸水率较大。

2.再生混凝土的抗冻融性

在寒冷地区，混凝土受冻融循环作用往往是导致混凝土劣化的主要因素。冻融循环还常和除冰盐共同作用，加剧混凝土劣化。混凝土的抗冻融性间接反映了混凝土抵抗环境水侵入和抵抗冰晶压力的能力，因此常作为混凝土耐久性的另一评价指标。混凝土的抗冻融性可以通过测量试件的抗冻耐久性指数DF（动弹性模量的变化）、重量损失率等加以反映。

不同水灰比再生混凝土抗冻融性试验的研究结果表明，再生混凝土的抗冻融性并不低于普通混凝土，有些情况下甚至优于普通混凝土。但是，有的研究表明再生混凝土的动弹性模量和重量损失率均较普通混凝土降低很多，表明其抗冻融性较普通混凝土差。他们认为其原因是由于再生骨料吸水率较高。造成上述研究结果差别较大的原因可能来自于再生骨料性能的差异。

3.再生混凝土的碳化

空气中的CO2不断向混凝土内部扩散，导致混凝土孔溶液的pH值降低，这种现象称为碳化。当混凝土的pH＜10时，钢筋的钝化膜被破坏，钢筋发生锈蚀，体积膨胀2.5倍，混凝土开裂，与钢筋的黏结力降低，混凝土保护层剥落，钢筋面积缺损，严重影响耐久性。

再生混凝土的碳化速度试验结果表明，再生混凝土的碳化速度较普通混凝土高65%。研究强度等级分别为C30和C35、再生骨料取代率不同的混凝土抗碳化性能的试验结果表明，当取代率低于50%时，再生混凝土的碳化速度与普通混凝土相差不大，随着再生骨料的进一步增加，再生混凝土的碳化速度略有增加。综合以上研究成果，可以得出结论，再生混凝土的抗碳化性能略差于普通混凝土，原因是再生混凝土的孔隙率高，抗渗性差。

4.再生混凝土的氯离子渗透性

当混凝土中孔溶液的pH＞10时，如果钢筋表面的孔溶液中氯离子浓度超过某一定值时，也能破坏钢筋表面的钝化膜，使钢筋局部酸化，加快其锈蚀率。因此，氯离子渗透性对于混凝土的耐久性至关重要。Otsuki等研究了相同水灰比的再生混凝土与普通混凝土的氯离子渗透性，试验发现再生混凝土的氯离子渗透深度较普通混凝土略大，表明再生混凝土的抗氯离子渗透性差，其主要原因是由于再生骨料孔隙率高。

5.再生混凝土的耐磨性

混凝土的耐磨性取决于强度和硬度，尤其是面层混凝土的强度和硬度。研究水灰比相同而再生骨料取代率不同的混凝土耐磨性的试验结果发现，再生骨料取代率低于50%时，再生混凝土的磨损深度与普通混凝土差别不大；再生骨料取代率超过50%时，再生混凝土的磨损深度随着再生骨料取代率的增加而增加。当再生骨料取代率为100%时，再生混凝土的磨损深度较普通混凝土增加34%。

三、建筑垃圾利用的经济可行性分析

建筑垃圾要经过破碎、分级和按一定比例相互配合后才能得到再生骨料，需要专门的机械设备和生产工艺。因此单纯就生产成本而言，再生混凝土的成本会高于天然骨料混凝土。但由于其可以节约用地，减少污染和保护环境，实现建筑资源的循环利用，其社会意义非常明显，是混凝土行业可持续发展的必然选择。所以，评价再生混凝土的生产成本，应结合建筑垃圾处理费用、混凝土及材料运输费、占用场地费以及本地区天然骨料的储量、年需求量、资源化处理后再生骨料的成本、具体应用到工程中的效益、质量控制的成本、质量的可靠性评价等做综合的技术经济分析。而且再生骨料和再生混凝土的经济性不能简单地用生产成本来衡量，而应当从生产成本和其所产生的环境效益、经济效益和社会效益等方面综合考虑。

同济大学肖建庄博士认为，再生混凝土的综合效益远远超过传统混凝土：按规定10万立方米废弃混凝土的处置费为1485万元，如果将其制成再生混凝土，只需800万元左右。即使不计算再生混凝土的环境效益，单就回收建筑垃圾而言，也能节省一半处置费用。他指出采用再生混凝土技术，上海每年可节约建筑垃圾处置费1亿元以上，综合节能潜力可达74.78万吨标准煤/年，相当于减少排放二氧化碳199万吨、二氧化硫0.46万吨、烟尘0.19万吨等。所以，再生混凝土经济上是可行的。

四、建筑垃圾再生混凝土研究中存在的问题

目前，通常意义上的再生骨料混凝土，它是指将废弃混凝土块经过破碎、清洗、分级后，按一定比例与级配混合，部分或全部代替砂石等天然骨料（主要是粗骨料）配制而成的新的混凝土。这种新型的混凝土已经被国内外的一些研究机构进行了深入细致的研究。通过查阅相关资料，可以得到用废混凝土块制成骨料配制而成的再生混凝土的力学性能和耐久性能。然而现在建筑垃圾再生研究中还存在着一些不足之处：

（一）建筑垃圾的主要成分是废砖、废混凝土块、废砂浆等。而且，从目前的中国国情看，国内的砖垃圾数量相当巨大。通过对碎砖再生混凝土的可行性分析来看，用砖作为再生骨料，配制碎砖再生混凝土是完全可能的。不仅可以解决日益增长的砖垃圾问题，这种“循环建材”观念完全符合中国可持续发展战略的指导思想。不过目前针对碎砖混凝土的研究还很少，在碎砖再生混凝土得到普及运用之前，还有大量的研究工作要做。

（二）由砖混结构拆迁产生的建筑垃圾中，废混凝土块、废砖是交错在一起的，区分它们是件很困难的事，如果不将它们区分，集中破碎作为骨料，然后，再以骨料的材性对其分类，这种做法是否可行也需要大量的研究工作要做。

（三）目前建筑垃圾经过破碎后筛分分级后，主要利用的是其中的粗骨料，而其中的细颗粒没有得到很好的应用。这样就会产生一定的问题，我们在利用建筑垃圾的同时，又产生了建筑垃圾，不利于环境保护。如果将建筑垃圾破碎后经过筛分得到的细料，部分或全部取代砂，这样既利用了其中的再生细骨料，又增加了建筑垃圾再生混凝土的绿色性、经济性。这样的技术路线是否可行，需要大量的试验来验证。

五、小结

（一）通过上文的对比不难发现建筑垃圾再生混凝土的力学性能，耐久性能较普通混凝土有所降低，目前仅可用于低标号及非重要领域。希望未来可以通过研究优化配比，合理选材提高其力学性能、耐久性，使再生混凝土可以用于更多领域。

（二）建筑垃圾的再生混凝土的经济性及环境性是非常客观的，这也是再生混凝土研究的重要意义所在。

（三）目前对于建筑垃圾再生混凝土的研究还有局限性，如砖骨料，再生细骨料还有待进一步研究。