基于返厂混凝土的可持续再生新技术

（建筑材料工业技术情报研究所）

 

废弃混凝土的再利用最早开始于欧洲，1976年成立的“混凝土拆除和再利用技术委员会”,研究废弃混凝土的消化与再生利用，并且将废弃混凝土再生骨料用于高速道路等实际工程。随后日本也相继开始了对废弃混凝土再生利用的研究。美国从20世纪80年代开始研究将混凝土废弃物作为混凝土的粗、细骨料。 

利用废弃混凝土生产再生水泥的研究起步较早的是日本。70年代后期，日本出现了一些以处理混凝土废弃物为对象的再生利用工厂，其中，规模较大的工厂可以每小时处理100吨废弃物。

例如名古屋市，1990年，利用经过处理的混凝土废弃物生产再生路面基层材料多达10万多吨。日本的 小野田水泥 公司对以离心方式成型混凝土制品所产生的废弃物进行了再利用 研究，开发了“标准淤渣”回收系统。这个回收系统，利用连续式离心分离机，将废弃物淤泥经过脱水分离后得到淤渣和水。通过向淤渣中加入延缓剂等外加剂来保持其中水泥的活性，从而使它可以作为混凝土的原材料被再次利用。这种再生水泥基本上由淤渣中所含的水泥水化物微粒与高炉水淬矿渣微粒所组成。通过电子显微镜照片和X射线衍射分析，可以确认该水泥水化的生成物及其成长过程类似于矿渣水泥。经日本混凝土工业协会的试验结果，使用再生原材料制成的产品，其物理性能与原产品没有区别。

近年来，韩国一家名为“利福姆系统”的装修公司成功的从废弃混凝土中分离出水泥，使其再生利用。该公司从2005年下半年开始批量生产这种再生水泥。他们首先把废弃混凝土中的水泥与石子、钢筋等分离开来，然后在700℃的高温下对水泥进行加热处理，再添加特殊的物质，就能生产出再生水泥。据报道每100吨废弃混凝土就能够获得30t左右的再生水泥，这种再生水泥的强度与普通水泥几乎一样，有些甚至更好，符合韩国的相关标准。同时，这种再生水泥的生产成本仅为普通水泥的一半，而且生产过程中不产生二氧化碳，有利于环境保护。

在我国，由于混凝土生产所需原材料短缺的现象尚未凸显，同时大量混凝土结构物的废弃、解体的高峰期还没有到来，因此对于废弃混凝土的研究起步较晚。近年研究较多的是利用废弃混凝土生产再生骨料。再生骨料混凝土由于性能所限，只局限于中、低强度等级；应用面也较窄，大多用于道路面层和垫层。对于废弃混凝土再生水泥，我国目前的研究还仅仅停留在理论上，远远还没有达到实际应用的水平，以致废弃混凝土中成本最高的“精华”部分--水泥石没有得到有效的回收利用。

根据“材料过程工程学”理论，利用废弃混凝土开发研制再生水泥是完全可行的，国外成功的应用案例也让我们看到了此项技术的光明前景。目前，利用再生水泥生产的混凝土主要用于地下混凝土、基础、桩及大体积混凝土等，其更广泛的应用还有待进一步研究。

另外，混凝土再生水泥制作过程中，还有一些关键性的技术问题有待解决，例如细集料的粉磨、水泥石较低温度的热处理等。随着研究的深入、技术水平的提高，废弃混凝土再生水泥将成为未来绿色胶凝材料的主要发展方向，为混凝土行业的可持续发展提供一条有效的途径。

我国在这方面的起步不如国外早，但也及时地意识到了回收利用混凝土的重要性，主要体现在可持续发展战略和科教兴国战略中，鼓励废弃物再生技术的研究，并且在1997年将“建筑废渣综合利用”列入科技成果重点推广项目。2005年又提出了“节约发展新的中国，发展循环经济”的社会理念。不过从总体上来看，国内的再生混凝土研究还处于实验室阶段，全面推广应用和比较经济的适用性还没有达到商业的地步，加上再生混凝土产生的再生集料本身就存在很大的变异和复杂的内部情况，使得在应用再生混凝土的道路上屡受阻碍。我国也先后颁布了《固体废料污染环境防治法》以及《城市固体垃圾处理法》，使再生混凝土研究上升到另一层面上来。

随着商品混凝土在我国的蓬勃发展，混凝土行业已然成为建筑材料领域的支柱行业。然而混凝土作为最大宗的人造工程材料，一旦建筑物或构筑物解体，它也会相应地成为建筑垃圾的“主力军”.目前在我国，每年混凝土废弃物的排放量就超过一亿吨，这些废弃混凝土在过去大多得不到较好的回收利用，同时还需要大量的场地来处理这些建筑垃圾（堆放或填埋）。  

与此同时，水泥工业作为建材行业的支柱产业，在资源、能源消耗方面也是当之无愧的“大户”.这与2 1世纪资源短缺、能源匮乏的现状是相悖而行的。我国在《水泥工业发展专项规划》中明确指出水泥工业发展的指导思想：大力发展循环经济，保护生态环境，依靠技术进步实现水泥工业的可持续发展。  

大连理工大学王立久教授提出“材料过程工程学”理论：通过对材料生命周期的多种单元过程进行优化重组，形成材料新的生命周期，以实现材料整个生命过程的低能耗、少污染，并能充分减量化利用资源。依据此理论看待上述水泥与混凝土工业存在的问题，将混凝土废弃物作为再生水泥的生产原料是一个很好的思路，既解决了废弃物处理占地的问题，又缓解了水泥生产所需原材料（石灰石和粘土）资源短缺的问题，实现了混凝土、水泥两大行业的优化与可持续发展。

国内再生混凝土主要应用在道路方面，在结构方面的研究也仅限于结构的某个构件的研究，不敢对整体结构综合使用再生混凝土。2003年，同济大学在自己学校的校区内建成了一条再生混凝土的刚性路面；在湖南的长沙机场项目上，机场的跑道还有道路的路面均采用再生混凝土技术；在高速公路上面的应用也有不少的例子，襄阳市改造一段16.8千米的高速道路中，使用再生混凝土作为面板基层的路面就有14.2千米，达到了总长度的84.5%；合宁高速也是采用再生混凝土技术。结构上面的使用主要是用在非承重构件上，在承重的构件中，再生混凝土要满足各种参数要求还需要很长一段时间的研究。
 
再生混凝土的研究大部分是通过与普通混凝土的对比试验，在一些理论方面缺乏深度，大部分是依靠试验现象来进行判定。所以要真正解决再生混凝土的僵局，这需要通过提升技术来解决，这样才是正确的出路，提高再生混凝土应用的普遍性，提高再生混凝土市场竞争力，找到提高其力学性能、工作性能、强度、耐久等性能的方法。

再生混凝土与普通混凝土的差别主要在再生骨料的缝隙，根据现在的研究进展，可以在微观情况下填充再生骨料的缝隙，使其能够发挥或者超越天然集料的各种性能，进而提高再生混凝土的各种性能。

再生混凝土虽然面临着很多问题，但是这些都可以在未来的技术上面进行克服。 在未来，环保意识的增强以及可持续发展理念的不断深入，加上政府部门对于再生混凝土的鼓励使用，将会在一定程度上改善再生混凝土的市场地位，并且通过完善再生混凝土的生产工艺，将再生骨料的生产成本降低到可以令人接收的地步，或者实行工业化的再生混凝土生产方式，降低成本，提高质量。 总而言之，再生混凝土是未来发展的重点话题，人类建筑已经如此之多，对于未来拆除重建的房屋废料必定堆积如山，所以我们现在希望有关部门在科研方面给予更多支持，引进国外生产机械，加大全球各国的技术交流，加快再生混凝土的研究进度，并且往结构方向以及桥梁方向等混凝土使用频繁的重要领域方向进行扩展，为了建设绿色节能的环保社会努力奋斗。

欧洲一座城市正试图让混凝土丛林变得更绿一点，要求在公共建筑施工中使用再生混凝土。现在其他城市也在效仿之中。

苏黎世已悄然成为推进环保建筑的领跑者，早在大多数公司开始公开强调可持续性之前，就已经采取了绿色措施。

受20年前关于如何减少建筑中提取和使用的砾石数量的公开辩论的启发，瑞士最大的城市已经成为更可持续建筑的先驱。早在2002年，它就用再生混凝土建造了第一座建筑——一座80%的混凝土都是通过再生过程使用的学校建筑。三年后，它提出了一项要求，即所有公有建筑必须使用再生混凝土建造。2013年，该市进一步强制使用二氧化碳减排水泥。现在，其他城市也开始注意到这一点，采取了苏黎世十多年来的实践标准。

这些绿色措施十分及时。混凝土是地球上最常用的人造材料，也是造成气候变化的主要因素。水泥——混凝土的主要成分以及沙子、砾石和水，而这些的生产据估计占全球排放量的6%至8%。预计到2030年，全世界工业化和城市化将使全球建筑业增长35%，研究人员正在寻求通过回收或使用其他材料来减少这一潜在增长的足迹。

混凝土的排放量如此之高，是因为水泥的主要原材料是煅烧石灰石，其生产需要极高的温度——约1450摄氏度（2642华氏度）。煅烧过程产生一种称为熟料的物质，之后被磨成细颗粒。碳排放是石灰石所经历的化学反应（约占其总排放量的60%）和为该过程提供动力所需的燃料燃烧的副产品。

在过去三十年中，用炉渣、金属冶炼后的废物、飞灰或回收爆破废物等材料来代替部分熟料已成为普遍做法。在瑞士，使用烧过的油页岩作为水泥的替代品更为普遍。随着全世界可用炉渣和飞灰数量的下降，增加煅烧粘土的使用量可能是一个额外的解决方案。自1990年以来，瑞士水泥行业因使用化石燃料而产生的二氧化碳排放量减少了三分之二以上。

在瑞士，混凝土需要含有至少25%的可回收材料(拆除废物)才能被归类为可回收材料。最终Co2减少水泥产品中的熟料含量比率取决于水泥类型，但其范围从低于50%到超过70%的熟料系数。苏黎世在新的市政建筑中广泛使用了这些绿色材料。该市的主要艺术博物馆苏黎世昆斯特豪斯博物馆 (Kunsthaus Zurich)正在扩建，使用98%的再生混凝土，而一家新医院和几个住宅综合体的材料比例已达到95%。

图七、传统混凝土使用完全未经处理的骨料（如左图所示），而再生混凝土（如右图所示）混合等量的未经处理的骨料和再生建筑材料。 图: City of Zurich

根据2019年公布的一项案例研究  （参考文献1，请后台留言下载） ，仅在建筑中使用再生混凝土，这种方法就节省了约17000立方米（约合22200立方码）的原始材料和填埋空间。

该战略正在吸引其他城市的兴趣。2019年，苏黎世接待了来自罗马和赫尔辛基的专家，他们渴望了解这种材料，这反映出人们对绿色建筑的兴趣在上升。

“在人口密度高、结构紧凑的国家，你不必在拆除地点和新建筑之间走很长的距离，我们在欧洲的回收利用将成为绝对常态，因为这一定是我们必须走的道路”，洛桑理工学院(Polytechnique Fédérale in Lausanne)领导建筑材料实验室研究的教授Karen Scrivener这样评价道。

瑞士混凝土和水泥制造商Holcim Ltd.也看到美国的需求增长。Holcim指出，在美国，华盛顿特区乔治城大学宿舍和波士顿大学新的计算和数据科学中心将于2022年建成，这两个项目都涉及绿色混凝土。在欧洲，柏林于2019年决定，学校、日托中心或行政大楼等公共建筑计划通常应使用再生混凝土建造。在2007年的一个早期项目中，伦敦金融中心的科尔曼街（Coleman Street）是一座18万平方英尺、10层的办公楼，采用支架和粉煤灰建造，使主体结构混凝土的总再生含量达到了50%左右（按质量计）。

虽然苏黎世是可持续建筑领域的先驱，但对非市政建筑商没有这样的规定，因为法律上没有办法规定使用什么材料。从价格角度看，再生混凝土的成本与原混凝土大致相同，但由于在研发方面的额外投资，绿色水泥的成本可能会稍高。

“推广使用再生混凝土的最大障碍是人们的意识习惯,” 苏黎世建筑测量师办公室工程主管阿米恩·格里德（Armin Grieder）说,“一些建筑师、规划师和工程师还没有被说服，他们认为这需要在建造过程中付出更多的努力。事实并非如此，它不是标准材料，更多的人需要更好地理解它。”

除此以外，这些材料的可持续性有着局限性。虽然拆除和处理拆除废物比在采石场开采原始砾石更可持续，但再生混凝土可能会受到更长的运输时间影响。2019年的案例研究得出结论，只有在建筑工地25公里（15英里）半径范围内可以使用再生混凝土时，从能源角度使用再生混凝土才有意义。

然而，大苏黎世地区就是这样，该市对再生混凝土需求的增加导致生产商提供更多的再生建筑材料。这个迹象表明城市政策制定者有通过效仿苏黎世并实施类似要求的空间，进而推动市场向更高的回收率发展。

“有一天可能会有更广泛地将再生混凝土用于某些特定用途的要求出现。” 格里德(Grieder)说：“这是可以想象并且可取的。”