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摘  要:推动以节约资源、保护环境、产业协同和绿色发展为特征的现代经济体系高质量发展成为新时代中国特色社会主义建设的重要内容和关键所在。本文就大宗工业固废与建筑垃圾资源化制备装配式建筑PC过程中的原料精细化预处理、固废大掺量混凝土制备与大掺量固废装配式PC构件质量和环境安全等方面的技术现状进行分析,提出当前绿色装配式建筑PC构件所面临的挑战,并就挑战给出对策建议,以促进我国建材行业的健康发展。


一、前言


党的十九大报告指出,我国“经济已由高速增长阶段转向高质量发展阶段,正处在转变发展方式、优化经济结构、转换增长动力的攻关期,建设现代化经济体系是跨越关口的迫切要求和我国发展的战略目标”。由此可见,长期依赖能源、资源的高投入和高消耗形成的粗放外延型经济发展模式将难以为继。推动以节约资源、保护环境、产业协同和绿色发展为特征的现代经济体系高质量发展成为新时代中国特色社会主义建设的重要内容和关键所在。

当前,我国各类固废存量增量巨大、组分日趋复杂,综合利用难度大、资源化率低,成为威胁国民健康和环境安全的重大隐患。与此同时,作为最大宗建筑材料的混凝土与水泥制品行业正面临新常态下天然砂石资源短缺、劳动力和环保成本持续上升等严峻挑战,行业竞争激烈,迫切需求加速创新与转型升级以应对不断发展的变化。大力发展装配式建筑是建筑产业转型升级的最重要发展方向,潜力巨大。以冶金废渣、矿山尾矿/废石与建筑垃圾等典型工业与城市固废为处置对象,开展固废大掺量制备装配式建筑PC构件研究与应用,是解决不同行业协同发展难题,实现工业与城市固废规模化增值利用,促进建材行业转型升级,迈向绿色与高端发展的关键技术途径,符合建筑绿色化这一国家重大战略需求。


二、利用固废制备装配式建筑PC构件现状


(一)典型固废原料预处理技术


装配式PC构件技术水平高,附加值大,对原材料品质要求高。通过精细化预处理提升固废源头质量是实现固废在PC构件中规模化增值利用的前提条件。


1. 钢渣预处理


易磨性差、安定性不良和胶凝活性低是阻碍钢渣规模化增值利用制备装配式PC构件的关键因素,行业聚焦共性难题,开展了包括在线重熔调质、转炉造渣处理和钢渣微粉改性等几个方面的预处理技术攻关。


在线重熔调质方面,德国最先通过在氧化气氛下的液态钢渣中添加石英砂,消解了钢渣中过量的游离氧化钙,改善了钢渣的体积安定性。国内,郭辉利用还原气氛下添加钙硅铝质改性剂,实现了改性钢渣中玻璃体含量增加,胶凝活性明显提高;李建新发现钙质调节材料可以促进重构钢渣中A矿和B矿的形成;中冶建筑研究总院的研究表明,采用还原气氛下添加钙质调质剂进行钢渣重构,对比原渣微粉,不同龄期胶砂强度提高22%~62%,水化放热量提高63%,化学结合水量提高了5%;北京建筑材料科学研究总院在分析钢渣成渣过程中游离钙、方镁石和RO相形成原因基础上,总结钙质、硅质和钙铝硅质等不同改性剂对重构钢渣性能影响的成果经验,提出了硅铝复合调质方法,并开展对比研究,揭示了不同反应条件下重构钢渣矿物的形成、转换与调控机制,取得了改善安定性不良、提高胶凝活性和易磨性的显著效果。毋庸置疑,在线重构预处理对提升钢渣性能成效显著,但工业化实施困难,应用进展缓慢。


在转炉造渣处理方面,日本住友金属工业公司采取蒸汽蒸养处理钢渣,28天膨胀率降低为1.2%,开发了钢渣蒸养陈化技术及装备,并建立相应标准规范体系。国内,中冶建筑研究总院长期致力于钢渣深度安定化理论研究与技术开发,形成的粒径、孔道、传输可控的有压热闷技术及新型有压热闷罐装置在多家企业实现产业化应用效果显著,预处理后钢渣游离氧化钙含量降低至1.3%,浸水膨胀率降低50%以上,钢渣粉化率(粒度小于20mm的钢渣含量)>75%,尾渣金属铁含量降至1%,关键指标优于相关标准和设计要求。


针对钢渣微粉的改性处理,普遍采取超细粉磨和胶凝活性活化措施,其中北京工业大学王剑锋基于络合增溶原理、同济大学基于基元活化理论可分别提高钢渣活性10%~15%。钢渣超细粉磨有助于提前释放膨胀应力,提高长期体积稳定性,但增加了生产成本。北京建筑材料科学研究总院通过对比改性前后钢渣微粉水化放热规律,揭示了水泥砂浆中钢渣微粉中非稳定相消解反应与破坏机制,分析安定性不良的原因,提出了非稳定相延时消解控制方法,实现了胶凝体系中,钢渣微粉掺量30%时,混凝土制品安定性合格,长期体积稳定。


2. 铁尾矿/废石预处理


铁尾矿/废石排量大,占全部尾矿堆存总量的30%以上。相比其他大宗工业固废,铁尾矿/废石具有良好的力学性能和稳定性能,资源化利用于建材领域替代天然砂石骨料,具有很大的发展空间。


早在前苏联时期,别尔戈罗德建筑材料工业学院就开展了利用库尔斯克地区采石场的尾矿/废石生产混凝土骨料的研究与应用工作,取得显著的经济与环境效益。近年来,北京建筑材料研究总院基于河北地区铁尾矿固废资源优势,开展大掺量铁尾矿/废石骨料替代天然砂石制备混凝土的研究、成果转化与推广应用,已累计利用尾矿/废石达数亿方,产生了巨大的经济效益,同时积极引导、推动《北京地区预拌混凝土绿色生产管理规程》、《京津冀及周边地区工业资源综合利用产业协同发展行动计划》和《国务院办公厅关于促进建材工业稳增长调结构增效益的指导意见》等相关文件的颁布实施,为尾矿/废石的骨料资源化利用扫清了政策障碍。


尾矿/废石是选矿副产品,资源化利用制备建材骨料需进行预处理。现阶段我国利用尾矿制备砂石行业整体准入门槛低,生产工艺落后、效率低、能耗大,产品标准体系与监管制度未建立,不规范经营普遍存在,产品标准和质量严重滞后,导致利废产品难以进入主流市场,以装配式PC构件为代表的高端建材产品仍以天然砂石骨料为主。现代混凝土与水泥制品往往集结构、装饰、保温、自密实和高流态等多种功能于一体,实际上对原材料品质的要求是提高了而不是降低了,只是因客观条件所限不得已而退而求其次。固废骨料质量主要受破碎、筛分、分选及辅助设备的精度和效率影响,正确的选择和合理配置可以控制骨料粒径、粒形、级配、杂质与泥粉含量和生产效率,确保质量。行业普遍认为,强化以源头品质提升为导向的预处理技术开发,是实现尾矿/废石规模高值利用,应对国内天然砂石资源巨大缺口的关键举措。当前,随着各种预处理工艺的改进、完善和技术装备大型化、配套化和智能化的提高与普及,尾矿/废石资源化预处理技术应从促进清洁生产和提高产能,转变到更加关注固废骨料自身性能的提升,以不断助推高端应用。近年来,北京建筑材料科学研究总院围绕传统破碎、筛分和分选等固废骨料制作工艺,就尾矿/废石骨料粒形、粒径、级配和表面纹理等开展了固废骨料材性再造精细化预处理研究,以不断满足PC构件厂对高品质固废骨料的需求。


3. 建筑垃圾预处理


我国建筑垃圾年排放量约200亿吨,利用率不到8%。从2019年1月起,《上海市建筑废弃混凝土回收利用管理办法》正式实施,该办法规定C25及以下强度等级混凝土再生骨料对同类材料的取代率不得低于15%,交通基础设施及大中修工程,再生骨(粉)料对同类材料的取代率不得低于30%。放眼全国,从建筑绿色发展要求来看,上海强制使用建筑垃圾具有风向标作用,相信其他省市将会陆续出台相关文件,建筑垃圾再利用产业迎来新机遇。建筑垃圾预处理是废弃混凝土制备再生骨(粉)料的关键环节,对提升再生骨(粉)料品质、促进其规模化增值利用具有重要影响。


当前,常见的破碎与分选措施,能基本实现建筑垃圾的分级处理,但微粉去除、砖混分离和水泥包浆剥离等有难度,使预处理往往不彻底,制备的再生骨(粉)料使用途径受限,主要以低掺量、低附加值的中、低强度等级混凝土和建筑附属工程使用为主,装配式建筑PC构件中尚未见使用报道。因此,加强技术与设备开发,采取包括再生骨料整形强化、再生微粉改性和组分精准分离等在内的更先进预处理措施,得到更高品质产品,以拓宽再生骨(粉)料在更多建筑领域的应用。再生骨料整形强化包括微粉去除和骨料整形,采用湿式洗砂法去除微粉,需要配套水循环系统,相对投资高、占地大,基于气力分级与振动风筛的干式处理法在国内外已有成功应用实例,是再生骨料微粉去除工艺与装备的发展趋势。


再生骨料强化有化学和物理两种方法,化学方法通常利用酸液实现骨料强化,处理成本过高,同时存在二次污染风险,尚不具备工业化应用条件,目前应用较广泛的是物理强化,使用机械设备手段,通过立式冲击、卧式回转研磨和加热研磨等使骨料之间相互撞击、磨削而除去表面黏附的水泥砂浆和颗粒棱角,使骨料得到强化。孙增昌、张学兵和罗素蓉等对再生骨料开展了不同形式的强化改性后,骨料物理性能更趋合理,再生混凝土的综合性能得到提升。北京建筑材料研究总院的研究表明,再生微粉特殊的孔隙结构为混凝土提供了内养护条件,通过纳米材料对再生微粉改性可以极大提升再生混凝土施工性能、力学性能和耐久性能。砖混结构是我国最为常见的建筑物结构形式,建筑垃圾中砖、瓦与废弃混凝土混杂,常规方法难以实现有效分离,结合砖、瓦与废弃混凝土在比重、颜色、强度等方面的性能差异实现组分精准分离代表了建筑垃圾预处理技术发展趋势。


(二)大掺量固废混凝土制备


1. 大掺量固废胶凝体系


辅助胶凝材料是现代混凝土不可或缺的重要组分,与水泥一起组成复合胶凝体系。随着混凝土技术的发展,辅助胶凝材料已不局限于矿粉、粉煤灰和硅灰等种类,包括钢渣粉、石粉和再生微粉等在内的大多数工业固废与城市建筑垃圾化学组成与胶凝材料相近,具有一定的胶凝活性或潜在胶凝性,越来越普遍资源化应用于胶凝材料系统,既大量消纳固废、节省水泥、保护环境,同时也可适当改善混凝土的性能。近年来,围绕大掺量辅助胶凝材料开展了大量的研究,朱艳芳研究了大掺量粉煤灰胶凝体系的抗碳化性能,结果表明60%水泥被替代时仍可得到抗碳化性能较好的混凝土;崔孝炜针对钢渣矿渣基全固废胶凝材料的化学活化和水化反应机理进行研究,结果表明适量的激发剂能够促进胶凝材料水化反应的进行,水化时两种矿物表现出协同促进作用,针棒状的AFt晶体穿插于C-S-H凝胶中使硬化浆体的结构更加致密,混凝土稳定性提高;王强认为大掺量钢渣复合胶凝材料早期水化活性低,大颗粒钢渣与水泥水化产物间的结合并不紧密,早期浆体的孔隙率比水泥浆体大;蒋正武研究探明了钢渣、磷矿渣、粉煤灰等典型工业废渣的矿物组分协同激发与调制机理与技术,解决了混凝土早期性能与长期性能的内在需求矛盾,实现了大掺量工业废渣混凝土的高性能化与工程应用;沈卫国收集、整理了6类工业固废胶凝材料体系的热力学常数,通过各反应的热力学参数计算,分析了工业固废胶凝体系反应活性和产物的稳定与转化,奠定了该类固废胶凝材料的应用基础。实际应用过程中,辅助胶凝材料领域还存在诸如高活性与体积收缩、高耐久与早期力学性能低、掺合料强度激发与耐久性下降等矛盾,装配式预制混凝土胶凝材料依然以水泥-矿粉-粉煤灰体系为主,且粉煤灰掺加量通常不超过胶凝材料的15%。毋容置疑,随着大掺量多元固废微粉的引入,传统胶凝材体系的组成、结构和性能发生改变,包括固废在内的各组分在新胶凝体系中的构效关系和协同作用需要重新审视,对装配式预制混凝土构件而言,科学评价辅助胶凝材料的性能应从单个品种矿物掺合料反应活性、化学和矿物组成以及强度等转变到更加关注作为整体的复合胶凝材料系统的胶凝活性、组成-结构-性能关系以及胶凝材料体系与骨料、外加剂等其它组分的协同匹配方面综合考察,以优化大掺量固废胶凝体系材料组合。


2. 大掺量固废骨料一体优化设计


大量的研究表明,含量相同级配不一的骨料配制的混凝土性能不同。骨料级配分布不仅影响新拌混凝土的工作性、硬化混凝土的强度和耐久性能,而且也影响混凝土的成本。欧美国家对骨料级配制定了相应的标准,严格要求生产与供应。我国也有相应的标准规范,但是骨料行业严重的管理欠缺造成骨料级配千差万别,给混凝土与水泥制品行业带来相当大的挑战。尾矿/废石与城市建筑垃圾经破碎、分选和精细化处理后制得的粒径、形貌和强度等性能不同的固废骨料应用于混凝土,考虑到固废原料来源宽泛、组成复杂,更加需要进行级配优化、合理搭配,以满足品质优良、性能稳定的使用要求。骨料密实曲线及粒子干涉是两大常用的骨料级配理论,均追求颗粒堆积密实度最大化,现有骨料级配计算大多由此发展而来。


北京建筑材料科学研究总院结合尾矿/废石和城市建筑垃圾等固废的矿物特性,通过分析研究固废骨料-浆体界面的介质成分、结构形态等界面特性。基于颗粒紧密堆积理论和工作性因子理论,结合界面特性优化模型参数,并通过调整多元多尺度固废颗粒粒级分布,研究了多形态固废颗粒尺寸与形貌特征对堆积度的影响,提出了多元多尺度固废颗粒粗糙度因子、工作性因子以及尺度校正因子三结合的一体优化骨料级配设计方法,并建立了相应的固废骨料颗粒级配评价模型,可用于指导装配式PC构件厂大掺量固废骨料实际应用。李国强、王谦源和夏青等在分形几何理论基础上发展了骨料级配设计方法,探讨了分形和G-S函数定量评估粗、细集料,推导出通过率、空隙率和比表面积分形计算公式,建立了骨料级配与分维值D的关系, 以及分形体积V、分形孔隙率P与分维值D 的关系,是骨料级配设计理论体系的重要补充,可为大掺量固废骨料制备装配式PC构件提供参考。


诸多事例证明,没有任何一种骨料级配方法可以保证满足混凝土的一切性能。但是,如同没有理论指导的实践是盲目的,脱离了实践的理论是空洞的一样,真正适合的固废骨料级配方法应该结合新常态下骨料与混凝土的性能实际,采取多种方法组合措施,实现包括固(粉料和骨料)、液、气在内的全物料多相一体优化。


3. 大掺量固废混凝土配合比设计与优化


有文献记录的最早混凝土配合比设计方法由法国工程师Feret在1892年提出。上世纪初叶,Fuller、Abrams、Bolomey、Lyse等探索了骨料级配与质量、水灰比、水泥用量等对混凝土强度的影响与定量化规律,建立了早期混凝土配合比设计的基本方法,后几经修正、完善,一直被延续使用至今。当前,混凝土与水泥制品行业实现快速发展的同时面临着来自环境、资源和转型升级的巨大挑战,固废大掺量呼唤混凝土配制技术创新,以适应不断发展的变化。


早在1985年,加拿大Malhotra团队研究高体积掺量粉煤灰混凝土,水泥用量100~200kg/m3,粉煤灰用量125~225kg/m3(占胶凝材料比例50%~60%),配制出C20~C40混凝土并应用于工程实践;我国京沪高铁钻孔灌注桩C30混凝土,胶材总量340kg/m3,矿物掺合料60%,混凝土性能满足设计与施工要求,在高速铁路建设工程中广泛使用,经济与社会效益显著。陈杏婕采用全固废粗细骨料100%替代天然砂石,制得28天抗压强度为75.9MPa高强混凝土。太多的实例表明,大掺量固废可以配制出满足性能要求的混凝土,对大掺量固废装配式PC构件而言,最重要的是创新混凝土配制方法,以适应复杂多变的原材料、智能化的制造工艺和个性化的混凝土性能等要求。通俗来讲,混凝土实质上是由不同密度、形貌、尺寸大小、粒径分布的固相颗粒、液相溶胶和孔隙相互堆砌,在水溶液环境下经化学胶结而成的多相固化体。随着用于配制的混凝土组成材料种类增多、品质复杂多变、制品性能要求更高,混凝土组成选择与组份比例的确定需要考虑、兼顾与平衡更多因素、更多变量,因此实际上现代混凝土配制技术难度更大。针对大掺量固废装配式预制混凝土配合比的设计,应该结合不同组分与比例的固废骨料与含固废胶凝材料协同体系下,水胶比、浆固比、砂率等配合比参数对混凝土拌合物性能、力学性能、耐久性能等影响规律,在普通混凝土配合比设计理论基础上,针对装配式预制混凝土性能需要与工艺特点,开展包括固、液、气在内的全物料多相一体配合比设计与优化,使之既能规模化增值消纳固废,又满足相应规范标准要求。


(三)大掺量固废装配式PC质量控制与环境安全


原材料选择、配合比设计与施工工艺是影响装配式PC构件质量的重要因素。与普通PC构件不同,大掺量固废装配式PC构件因为大量使用工业固废与城市建筑垃圾,应适当优化包括混凝土搅拌、浇注、振捣和养护等在内的PC制作工艺以适应原材料与配合比变化带来的影响。李传习、赵利军等通过立式、卧式和振动式搅拌等搅拌方式的对比研究,分析振动搅拌过程中物料宏观对流与微观扩散原理,揭示了振动搅拌对改善混凝土性能的作用机制;预制混凝土浇注工艺对构件的质量也有重要影响,布料顺序、浇筑高度及浇筑点位置等应根据新拌混凝土性能和试配试制效果确定,以避免构件成品表面色差和质量缺陷;蓬永刚对比分析了插入式、附着式、平板式与平台式等多种振捣方式对混凝土性能与外观质量的影响,提出了可供选择的PC构件浇注振捣参数范围,一定程度可减少表观气泡、增加混凝土密实性、增强预制构件的装饰效果;苏扬、刘昊等对比分析了不同养护制度对预制混凝土构件质量的影响,提出采用自动温控系统蒸汽养护,严格控制升降温的速度及恒温最高温度,且同一工程的养护制度一致,蒸养管口布置方式与出汽角度合理,避免蒸汽直吹构件,尽量使蒸汽在构件周围均匀循环等措施。虽然,固废大掺量新拌混凝土在内聚力、水化进程与强度形成机理等与普通混凝土存在差异,但包含上述搅拌方式、浇注工艺、振动形式与养护制度等施工工艺为确保大掺量固废装配式PC构件质量指明了改进方向,具有一定的借鉴意义。


冶金、能源工业固废与城市建筑垃圾通常含有多种重金属和有毒物质,甚至有些还具有放射性危害。固废大掺量装配式PC构件必定带来相应的环境安全与评价问题,需要深入研究。近年来,装配式建筑由于其绿色施工、环保等优点得到快速发展,但是此种建筑环境影响评价定量化的研究较少。行业对工业固废与建筑垃圾应用中的环境问题关注度高,缺乏指导正确认识的环境安全评价体系。北京建筑材料科学研究总院固废资源化与节能建材国家重点实验室采取系统模型建立、物质平衡计算、定量分析等手段,围绕冶金固废、尾矿和城市建筑垃圾等固废有害物质识别、结合形态进行分析,研究了不同结合形态有害物质在原材料处理、性能提升和生产及服役全程中结合形态的衍变历程和重金属离子在水化进程中的固化与溶出机理,确定有害物质在全程中的限量,建立了混凝土及水泥制品行业中重金属溶出物毒性评价方法、长期安定性试验方法与环境安全性全过程评价技术体系,为进一步开展固废大掺量装配式PC构件环境检测与评价研究奠定了基础。


三、大掺量固废制备的挑战与对策建议


(一)典型固废非稳定相消解与大掺量固废应用活化理论尚未建立


冶金、能源固废与建筑垃圾中含有的非稳定相和活性低组分是固废难以规模化增值利用的关键共性难题。通过开展特定条件消解反应动力学特征与热力学边界条件研究,揭示游离氧化钙、氧化镁等非稳定相消解机理和多尺度多固废协同干预低活性硅质微粉胶凝活性提升规律,并建立相应理论,为工业固废与城市建筑垃圾规模化增值应用于装配式PC构件提供技术理论支撑。


(二)大掺量固废装配式预制混凝土及构件的性能调控与本构关系不清


装配式PC构件施工性能、力学性能和耐久性能既取决于各组成材料的结构和性能,同时与材料组成、生产工艺、服役环境及其交互作用密切相关,固废大掺量预制混凝土构件材料组成、力学特性更加复杂多变,传统本构关系及性能调控理论能否继续指导多固废大掺量条件下复杂组分的混凝土结构与构件,需要通过开展固废大掺量混凝土构件抗拉、抗弯、抗震和粘结力等性能测试,提出固废大掺量混凝土预制构件性能优化方法,提出新的微观结构、本构关系及调控理论,以满足固废大掺量装配式预制构件高性能、低成本绿色发展需要,更好地指导大掺量固废装配式PC构件的制备实践。


(三)大掺量固废装配式PC构件环境影响不明


环境安全问题事关生态文明建设,工业固废与废弃混凝土通常会含有重金属污染物,甚至有些还具有放射性危害,大掺量固废装配式PC构件因大量使用多种固废尤其不能忽视环境安全问题,行业对此要高度关注。密切结合前期研究基础,进一步厘清固废大掺量制备装配式PC构件生产、服役全过程的环境影响,构建环境评价体系,确保预制构件生产与服役环境安全。


结语


中国混凝土与水泥制品行业已经进入到创新发展的关键时期。围绕工业与城市建筑垃圾等固废的规模化增值利用,大力发展固废大掺量绿色装配式建筑是建筑与建材行业转型升级的客观需求和必然趋势。作为世界混凝土研发、生产与使用大国,更应积极拥抱而不是回避行业技术挑战,力争在固废原料精细化预处理、大掺量固废装配式PC构件制备与绿色建材环境安全评价等领形成新的理论与技术突破,在世界混凝土科技领域实现新的技术引领。


(编辑:奚雅青)


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