大有可为的再生混凝土

肖建庄

垃圾分类在我们日常生活中正逐渐成为一种绿色新时尚，常见的可回收垃圾，如废弃钢铁、铜、铝、铅等金属可经回炉冶炼进行再利用；废弃橡胶、塑料、纸、玻璃、木材等原料经加工后也可实现再利用；混凝土作为最常用的建筑材料，工程拆除后能否实现再利用呢？科学解决这个问题具有显著的环境和经济效益。

废弃混凝土是我们生活中常见的建筑垃圾，在我国，其每年的排放量达亿吨级；此外，天然砂石骨料资源有限，为保护绿水青山，废弃混凝土的回收再生利用是未来建筑行业的必然选择，可助力建筑业可持续发展，实现碳达峰、碳中和目标。

图1 再生骨料

废弃混凝土如何再生

建筑固废如何处理是社会普遍关注的难题，将废弃混凝土“变废为宝”是解决这一难题的最优策略。废弃混凝土再生利用的路径包括两次“分解”和两次“合成”：第一次“分解”是指将建筑结构拆除形成废弃混凝土块，第二次“分解”是指将废弃混凝土块破碎、分级形成再生骨料；第一次“合成”是指将再生骨料配制成再生混凝土，第二次“合成”是指将再生混凝土浇筑成建筑建材以及结构。与普通混凝土相比，再生混凝土的使用可显著降低碳排放量，从而可促进建筑业的节能减排。以上海为例，若10%的混凝土采用再生骨料制备，碳排放量每年可减少12万吨以上，相当于绿化面积2 820公顷或660万棵以上树的年CO吸收量。

再生骨料加工与生产

再生骨料的生产是废弃混凝土再生利用的前提，该生产工艺包括废弃混凝土块的回收、分拣、破碎、分离、筛分、分级和预处理等多个环节。其中，回收和分拣属于前端管理步骤；破碎步骤是关键核心技术，目前常用的破碎设备主要有固定式和移动式两类，固定式设备处理量大且便于优化，移动式处理量小但对场地要求低；分离步骤中，钢筋和铁屑可采用磁铁分离器去除，泥土和泥块可采用水洗去除；筛分、分级和预处理步骤，已有相关规范进行指导。整个生产过程中，提高再生骨料质量的关键在于控制杂质含量和表面附着老砂浆含量。为此，团队发明了立轴式冲击破碎机甩料轮设备，内部抛料腔经合理设计，能量转换损失小，抛料速度高，可实现两级辊破和两级分离，高效分离钢筋和泥土等杂质；此外还研发了智能压力脉冲放电和液压分解设备，利用废弃混凝土中老砂浆、骨料及两者界面区的细微观性能差异，破坏砂浆基体和骨料界面结构，结合冲击破碎设备可显著降低骨料表面附着老砂浆含量。

图2 再生骨料生产线

再生混凝土制备

再生混凝土制备的核心工作是配合比设计，由于再生骨料的吸水率大于天然骨料，且不同来源的再生骨料吸水率存在差异，因而确定配合比中的用水量非常关键。根据实测的再生骨料吸水率确定附加水量，再生混凝土的总用水量取净用水量和附加水量之和。再生骨料表观密度比天然骨料小，等质量下再生骨料的体积较大，因而再生混凝土的砂率应适当增大。

团队提出了基于人工智能的再生混凝土配合比精准设计方法，通过积累的大量试验数据训练神经网络模型，再根据再生骨料特性和再生混凝土性能需求，利用该神经网络模型进行配合比设计。进一步，研发了再生混凝土用高效减水剂，可使再生骨料产生疏水效果，降低其吸水作用，实现再生混凝土的高工作性能。

再生混凝土制备过程中，若沿用常规混凝土工艺，则易导致工作性能、力学性能和耐久性能产生波动。为此，团队提出了再生混凝土性能调控技术，一是碳化改性方法，该方法可显著改善老砂浆强度和界面过渡区的微硬度，修复内部微裂缝和孔隙，使抗压强度提升达7.7%；二是复掺改性方法，使用微量的纳米硅和粉煤灰取代水泥，可在水化初期产生晶核效应、填充效应和火山灰效应，从而提高工作性能、后期强度和耐久性。

多场景再生混凝土应用

1 现浇再生混凝土结构

建筑结构通常由梁、板、柱和剪力墙等承重构件组成，为保障建筑结构安全，团队系统研究了再生混凝土构件的受力和变形性能，并开展了再生混凝土框架结构振动台试验。研究发现经过合理的设计和构造处理，再生混凝土框架的抗震性能，并没有随着再生骨料掺量的增加而降低。在试验研究、理论分析和工程应用的基础上，笔者主编了国内第一本再生混凝土应用技术标准《再生骨料混凝土应用技术标准》DG/TJ08，并联合主编了再生混凝土结构设计行业规程《再生混凝土结构技术标准》JGJ／T 443。在此基础上，联合开发了基于3D3S、PKPM等平台的再生混凝土结构设计软件，有效推动了再生混凝土结构安全。

2 预制再生混凝土构件

装配式建筑具有建造速度快、施工质量好和绿色效益高的优势，再生混凝土在预制加工厂浇筑成预制再生混凝土构件，可解决再生混凝土在泵送过程中坍落度损失大的难题。将再生混凝土应用于装配式建筑，两者相得益彰，可推动绿色建造技术发展。

3 再生混凝土空心砌块

再生骨料具有密度小、孔隙率高、导热系数小等特性，将再生骨料作为原材料制成再生混凝土空心砌块，能够实现空心砌块自重轻、保温隔热和节能环保的优势。团队开展了构造柱-圈梁体系约束的再生混凝土空心砌块墙体抗震性能试验，研究表明再生混凝土空心砌块墙体在抗震设防区的应用是可行的，再生混凝土空心砌块成本低，具有显著的绿色环保效益。

4 再生混凝土道路

采用再生骨料配制道路用再生混凝土，可应用于道路工程中的基层和垫层，再生混凝土道路技术在旧水泥混凝土路面改造工程和乡村公路兴建工程中应用前景广阔，再生骨料可就近采用移动式生产模式，具有节省运费、提高生产效率的优势。

图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较高的孔隙率和透水系数，考虑到再生骨料孔隙率高的特性，团队应用再生骨料研制了再生透水混凝土，其内部含有许多相互联通的孔隙结构，这些孔隙结构可有效减少暴雨径流率、净化污水、减少噪音、提高抗滑性、增强隔热保温以及减轻热岛效应。再生透水混凝土可作为城市建设的路面材料，编制了上海市工程建设规范《建筑垃圾再生集料无机混合料应用技术标准》DG/TJ 08-2309。

图4 再生透水混凝土

6 3D打印再生混凝土油墨

3D打印作为新型自动化建造工艺，是智能建造的重要发展方向，将再生骨料作为3D打印混凝土油墨原料，能优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动性和速凝性相矛盾的难题。团队采用合理的砂率和再生骨料级配，掺入适量粉煤灰、矿粉、皂角素和保坍剂，所制备的再生混凝土油墨具有优良的可打印性能（可泵性、可挤出性、可建造性），为再生混凝土在3D打印领域的应用奠定了基础。

图5 3D打印再生混凝土

7 再生骨料/混凝土堆山造景

废弃混凝土块经破碎、分拣后，可根据不同规格应用于堆山填料，作为填料的废弃混凝土仅需经过较为简单的分选处理，处理更为快捷，能够一次性消纳大量的建筑垃圾，美化生态环境的同时，能够减缓城市热岛效应，并提供绿色生态空间和娱乐休闲场所。

图6 再生混凝土堆山造景

再生混凝土工程案例

1 沪上生态家

在上海世博园区建成了再生混凝土单体建筑，建筑共4层，建筑面积为2400 m，再生混凝土设计强度等级为C30，在施工过程中，再生混凝土泵送与浇捣性能良好，力学性能与耐久性满足设计要求，社会与环境效益显著。

图7 沪上生态家

2 多层综合办公楼

在济南市建成地上5层，结构高度为19.7 m，建筑面积为7 809 m，抗震设防烈度为7度，抗震等级为二级的多层建筑。设计中，采用了C35和C40两种强度等级的再生混凝土，C35再生混凝土应用于梁板水平结构，C40再生混凝土应用于框架柱结构。该工程设计结果满足混凝土结构规范的要求，施工质量验收合格。

图8 再生混凝土多层框架结构

3 高层办公楼

在上海建成12层现浇再生混凝土结构，该结构地下2层，地上12层，高度49.2 m，面积达1.5万m，属于框架-剪力墙结构。设计中，采用了C30、C40和C50三种强度等级的再生混凝土，C30再生混凝土应用于梁板水平结构，C40和C50再生混凝土应用于墙柱竖向结构。该工程验收合格，满足现行规范要求，通过了上海市专家委员会的严格审查，获得上海市优秀工程建筑结构专业一等奖。

图9 再生混凝土高层建筑