经营管理：回收材料与绿色混凝土工业的发展

回收材料与绿色混凝土工业的发展

曹洪吉，程丽

（江苏建筑职业技术学院建筑工程技术学院，江苏 徐州 221116）

摘要：混凝土工业的发展给环境带来了严重的影响：释放大量的二氧化碳；消耗能源和水资源；旧建筑拆除后形成大量的建筑垃圾。本文总结了近些年混凝土行业逐步改变这种的状况的发展情况：（1）使用具有胶凝作用的材料并部分的替代水泥，尤其是利用工业产生过程中的副产物；（2）各种工业回收材料应用到混凝土中替代骨料，并取得了重要进展。

关键词：可持续发展；回收材料；工业副产物

Cai Hong ji, Cheng Li

（JiangsuInstitute of Architectural Technology JiangSu  Xuzhou  221116）

Abstract ：This paper summarizes recent developments to improve the situation theconcrete industry. Foremost is the increasing use of cementitious materialsthat can serve as partial substitutes for Portland cement, in particular thosematerialsthat are by-products of industrial processes, such as fly ash andground granulated blast furnace slag.But also the substitution of variousrecycled materials for aggregate has made significant progress worldwide,therebyreducing the need to quarry virgin aggregates. The most important ones amongthese are recycled concrete aggregate, post-consumer glass, scrap tires,plastics, and by-products of the paper and other industrie

Keywords：Sustainable development; Recycled materials; By-products

1 前 言

混凝土是重要的建筑材料，全球每年生产超过100亿吨混凝土。如果设计合理，施工得当，混凝土能产生优异的力学性能和耐久性。混凝土最大的优点是施工操作简单，可模塑性好，耐火性好，可以就地取材，价格低廉。几乎能满足各种工程环境的要求，目前还没有合适的材料能替代混凝土作为建筑工程结构材料。

混凝土虽然具备这些优点，但其生产过程中带来的环境问题也非常突出，首先，生产数百亿吨的混凝土需要大量的自然砂、石资源；其次，生产一吨水泥要向空气中释放将近一吨的二氧化碳，统计显示水泥工业每年释放的二氧化碳量占全球总释放量的近7%（1），同时生产水泥剧烈的消耗煤炭等能源；第三，生产混凝土需要大量的水资源，这给那些缺少淡水资源的地区带来很大的问题；最后，废弃混凝土建筑、道路等也增加了环境负担。在发展中国家，废旧建筑物和建筑垃圾在固体废料中占相当大的比例。

由此可见，混凝土工业的发展，面临诸多严峻的挑战，似乎走到了尽头，然而目前的状况也并不那么糟糕。因为混凝土从本质上来说是环境友好的材料，上述问题主要是生产水泥过程中产生的。所以，若生产更多的混凝土，只要尽可能减少水泥的用量即可。这就意味着使用更多的具有水泥胶凝性的材料以取代水泥，尤其是应用工业的副产物，或者使用回收循环材料替代自然资源。（2）（3）本文介绍利用可回收资源解决混凝土工业面临的挑战。

2 粉煤灰

人们很早发现粉煤灰具有与水泥相似的胶凝性（4）。更早的粉煤灰都是通过烟囱直接排到空气中，直到工厂安装空气净化设备和静电分离微细颗粒设备后才大规模回收和应用粉煤灰。各个国家的粉煤灰使用率也差别很大，最低的是印度只有3.5%，最高的是香港，达到93.7%（5）。

粉煤灰是一个重要的火山灰质材料，它比水泥有更多的特点，一是水化热低，这使得粉煤灰在大体积混凝土结构作为活性掺合料，替代水泥。Malhotra（6）是研究高体积比粉煤灰掺合量的代表，最大取代量达到60%；二，最重要的是粉煤灰是煤燃烧后的副产物，因为到处都燃烧煤，如果不回收利用，那么后处理的成本相当大；三是利用粉煤灰配制混凝土比不使用粉煤灰的配制的混凝土后期强度更大，耐久性更好；四是粉煤灰比生产水泥要更经济，成本更低。

当使用具有早强型混凝土时，粉煤灰混凝土就是一个劣势，因为粉煤灰掺和的混凝土强度发展慢。但是大体积的混凝土，如大坝和厚重基础，这些构件浇筑后经过数月或一年后才能达到其设计强度，所以一般指定90天的强度而不是通常28的天强度作为其设计值。如果需要评定28天强度，也可以通过加速粉煤灰水泥水化的方法进行。粉煤灰应用过程中主要是其质量的控制，不同的地区生产的粉煤灰的物理和化学性质差异十分大，根本原因就是燃烧的煤质不同，这些性能中，烧失量高，说明煤的燃烧不充分，含有较多的碳。化学组成变化大和粉煤灰的质量也是应用粉煤灰的关键，近几年，粉煤灰质量控制以及高效分离未燃残渣技术发展非常快。

3 粒化高炉矿渣

粒化高炉矿渣是炼钢工业的副产物，把熔化的矿渣快速浸到水中冷却得到。粒化高炉矿渣是玻璃态的细小颗粒，也具有水泥胶凝性。早在上世纪五十年代，很多国家广泛使用粒化高炉矿渣，因为其具有优异的性能和潜在的胶凝性，不但可以作为水泥的替代物，同时也可以作为混凝土的骨料。适宜的水泥取代率在50%，有时也会高达70%到80%，与粉煤灰类似，粒化高炉矿渣也能提高混凝土的耐久性等许多性能，水化热也比较低。例如纽约一个水处理厂九个大体积基础使用了70%的粒化高炉矿渣，30%的水泥，设计的主要目的就是减少由于水泥水化热导致混凝土内部温差过大，这样就满足了对混凝土最小裂缝的要求。粒化高炉矿渣的用量总的来说不多，但混凝土生产商也愿意使用粒化高炉矿渣替代水泥（7）。

与炼钢工业产生大量的矿渣相比，其他的冶金过程也产生很多矿渣，但是他们没有充分利用，主要是堆积，或者掩埋，有少数被“降级回收”利用到低附加值的路基上。这种处理方式加大了环境治理的难度（8），尤其是这些材料中包含有毒金属，滤去这些金属需要更昂贵的成本，否则就会污染土壤。最新的研究表明，这些矿渣也可以应用于混凝土中，并有利于混凝土的应用，Mehta（9）建议混凝土工业应给予使用这些矿渣的企业优惠政策，因为水泥的水化产物将把有毒金属无毒的固化起来。

4 硅灰

硅灰是另一个成功应用于混凝土中的材料。硅灰是铁合金厂在冶炼硅铁合金或金属硅时，从烟尘中收集的一种飞灰，也是半导体工业的副产物。这种硅酸盐材料既能提高混凝土强度也能提高混凝土的耐久性，现在高性能混凝土设计中都把掺和硅灰作为一个原则。很多文献都研究了应用硅灰的益处（9）（10），既有火山灰性，也可以作为填充材料。硅灰比较难购买就是因为其极好的质量和性能，以至于其价值超过水泥。实际上，硅灰不单是工业副产品，也是混凝土的一个原料。

5 废弃混凝土

建筑垃圾是固体废物中最大的一部分，美国每年就产生2~3亿吨建筑垃圾。传统掩埋处理固体废物已不再是合适的方法，尤其是在一些地域狭小的国家，像日本，掩埋固体的地方已经非常有限（11），这对于日本建筑工业来说是一个非常严峻的挑战，他们得找到合适的方式处理废弃混凝土，与此同时，还要生产大量合格的原生砂、石骨料。在欧洲，绝大部分的废弃混凝土都应用在路基或作为基础材料（12），原因就是再生骨料配制的混凝土比原生骨料配制的混凝土性能低，导致这些材料只能降级循环利用。

将再生骨料应用到新拌混凝土中需要解决的技术问题已经研究多年，主要是围绕如何处理再生混凝土中存在大量的微细颗粒（13、14）。因为有砂浆颗粒存在，再生骨料总的来说比原生骨料密度小，这也使再生骨料的吸水率比原生骨料的大，还有就是再生混凝土中存在各种混杂物，如塑料、土、木材、石膏、沥青以及橡胶等。这些混杂物即使含量很少，也能显著的降低混凝土的强度和耐久性。

用再生骨料配制混凝土与原生骨料配制混凝土相比，当只用再生粗骨料时，其强度降低大约5%~24%，如果粗细骨料都使用再生骨料，其强度降低在15%~40%之间，大量直径小于2mm的颗粒是再生骨料混凝土强度降低的主要原因（13）。再生骨料也使混凝土的弹性模量降低，裂缝蔓延，变形加大，渗透性增加，从而降低了混凝土的耐久性。总的来说，用再生骨料制备混凝土会使混凝土的性能降低。另外关注的就不同来源的再生骨料会导致混凝土的强度产生非常大差别，即使是来源相同，骨料的组成也很难一致。Fathifazl etal（7）提出一个建议，在使用再生混凝土骨料时提出“等砂浆体积”方法，这样可以使再生骨料混凝土与原生混凝土相比有一致性，其性能也可预测。

很多因素决定是否使用再生骨料，其中之一是运输成本。把再生骨料从建筑废弃点运输到施工现场，与把原生混凝土骨料从其原材料产地运输到施工现场相比较哪个成本更低。因为运输成本对于大量骨料来说是主要的，运输成本高很可能造成不经济。制备再生骨料比原生骨料成本更低；另一个因素就是填埋建筑垃圾的成本也随着通货膨胀快速增加，尤其是缺少合适掩埋地点的地区。最后一个因素就是一般政府都会进行干预，在日本和欧洲，政府干预非常大，要么直接使用再生骨料，要么增加再生骨料掩埋成本，在美国，对再生骨料使用一般由市场调节的。然而可持续发展的理念的越来越重要，一些政府基金支持的工程要求使用再生材料，因为不是所有的建筑物都需要高性能混凝土。尽管对使用再生骨料的混凝土的性能遭到质疑，但是还是有很多建筑应用了再生骨料，遇到施工要求较高的，可以将再生骨料和原生骨料混合使用，这样即经济，技术又可行。

6 废弃玻璃

哥伦比亚大学研究表明，废弃玻璃也是合适的混凝土骨 40 32597 40 13307 0 0 5162 0 0:00:06 0:00:02 0:00:04 5161（15）。在纽约，每年大约花费超过六千万美元处理这些废玻璃。研究表明，混凝土制品对于废旧玻璃是一个非常广阔的应用领域，即可行又经济。从公开发表的自然期刊中的文献数量就能够感知这种情况的变化。碱与硅酸反应的技术问题和其他的相关的问题都已解决（16），玻璃几乎不吸水，有高的硬度和耐磨性，优异的耐久性和化学稳定性，尤其是有色玻璃能带来潜在的艺术效果，给废弃玻璃回收利用增加很多亮点。

大量应用废弃玻璃制造象路面砖一样的玻璃制品，即经济又可行，但因为利润低，所以还很难大面积推广。与此相反提高产品的附加值能很好的解决这个难题。虽然制造商买废旧玻璃每吨多花了几百美元，但是对不同废弃玻璃颜色进行分类、清洗、磨碎以及颗粒分级的费用相对较低，象彩色地砖、墙面砖等高附加值的生产企业，愿意购买这些废弃玻璃，消费者也愿意花更多的钱买这些制品，而不愿意买那些大理石或花岗岩之类的石材。

7 废弃轮胎

在发达国家每年产生数以百万吨计的废旧轮胎，对环境来说是个非常严重的问题。这些废旧的轮胎既影响环境，又对人类健康有潜在危害：它们滋生蚊蝇，容易引起火灾。一些废旧轮胎据报道有的燃烧数月甚至几年（16、17）。通常掩埋处理这些废旧轮胎是不允许的，随之而来的就是违法倾倒，自然引发环境问题。

回收利用废旧轮胎最可行动办法就是重新进行轮胎翻新，然而人们能否接受这种翻新橡胶轮胎的还是个问题。废旧轮胎最普遍的处理方法就是燃烧发热、发电或产生水蒸汽（18）。在美国和欧洲，广泛的把它们作为水泥窑的可选择的燃料之一，但其利用价值却低得多。另外就是把他们加热混合到沥青中，或者切碎成橡胶颗粒，作为沥青路面的改性材料（19）。

尽管这些回收利用的方式或多或少有些成功，但结果即严重失去其价值，又不能使堆积的废旧轮胎体积明显减少。这些片状的废旧轮胎作为混凝土制品中的一个组分是一个非常可行的做法。从严格的循环利用角度看，如果没有研究橡胶颗粒在混凝土中是否具有特殊的性能而只是把它们作为简单的取代混凝土中的细骨料还是一种降级循环利用。

这些回收橡胶应用到混凝土复合材料中最普遍的方式就是把他们切碎用于橡胶地面。碎屑的尺寸从从450mm到75μm。因为橡胶和混凝土的弹性模量差别非常大，所以橡胶颗粒填充的混凝土与传统包含天然砂石骨料的混凝土的主要性能也就可以预测。随着橡胶颗粒的填加量增加，混凝土的抗压强度、抗拉强度和硬度都降低，预计降低高达80%（20、21），由于橡胶颗粒组成混凝土的强度薄弱区域，同时他们对水泥基体的抗拉强度影响非常大。这导致混凝土早期开裂失效。但另一方面，橡胶粒子也有抑制裂缝扩展到作用，同时也能使混凝土的应变、韧性和吸收能量的性能增加（22）。

应用回收废弃轮胎另一个潜在的益处就是橡胶颗粒有较好的吸声和吸热性，但研究也发现橡胶颗粒通过振动吸收能量的，因为橡胶和混凝土基体的杨氏模量差别大，对于这种复合材料要想消耗大量的能量，必须有非常大的变形，尤其是在疲劳荷载条件下应用，实际冲击荷载有可能早已破坏混凝土基体，其机械性能将进一步降低。

8 废弃塑料

数百万吨的塑料废弃物，只有很少一部分回收利用，塑料来源广泛，化学组成各异，这使得回收过程比其他材料复杂，不同类型的塑料，回收利用时仅仅按形状分类，这样最简便、经济。现有的技术将聚合物进行降解，或者用化学方法把它们还原为原来的单体几乎不可能。很多塑料回收作为原料进行二次成型，与原生塑料制品相比质量下降，成分也不均匀，所以生产者通常都降级回收塑料使用，塑料木材复合就是一个不错的选择。

将回收塑料应用混凝土中最主要的问题就是塑料颗粒与混凝土基体的界面粘结很差。这将导致混凝土的强度和其他性能显著下降。一些研究也提出通过加热过程改进塑料和混凝土的界面结合（23），但在回收塑料大规模应用到混凝土制品中之前，还需要更多的研究。

9 其他废弃材料

许多材料都可作为混凝土的一个组分，这里只是关注那些工业副产物，或者认为是废弃的材料。其中最重要的就是不同种类的灰，除了已经提到的粉煤灰和粒化高炉矿渣等外，另外很多灰多少存在一定的胶凝性，这使他们也能替代混凝土中的水泥，比如谷物秸杆焚烧产生的灰，全球每年产生数百万吨，也算是农业副产物。秸杆灰已被证明具有水泥胶凝性，也可以用来作为水泥替代的辅助材料（24）。

在大城市市区，对固体废弃物的主要处理方法，一般都是燃烧，利用这些固体废弃物燃烧生热。然而，处理这些燃烧的灰烬用传统的填埋法是值得商量的。因为飞灰是典型的有害物质，里面含有相当浓度的有毒成分。最好的回收利用就是开发这些飞灰使之具有水泥胶凝性并应用与混凝土中，通过这种方法让有害物质凝固在混凝土中，但在这项技术能实际应用之前，还需要进行一些试验研究，公众能否接受也值得研究。

还有许多其他材料比灰更适合作用混凝土制品的一个组分，在美国，铸造厂大约使用一亿吨的型砂，用来生产铁制品和其他金属制品。大多铸造厂的型砂都废弃了，但它们是可以回收利用的，Naiketal（25）研究表明这些型砂是非常适合用在混凝土中。

对于混凝土制品来说另一个潜在的资源就是疏浚材料。为了使船道畅通，或者加深航道让更多的大吨位船只通行，纽约和新泽西港口每年打捞上大约3百万立方米的沉积物。由于将其倾倒到公海中已经不允许，所以得花大价钱将这些打捞物进行掩埋，但这些打捞物中含有污染物，象重金属、废油等。合适的处理方法就是回收利用，把这些材料应用于混凝土制品中，这些重金属可以通过化学方法固化起来（26），不要特殊过滤。但在真正应用这项技术之前还需深入研究这项技术。

在纤维增强混凝土材料中，废弃地毯纤维也被研究用于取代混凝土原生纤维。每年数百万吨的废旧地毯需要处理，也是固体废料中相当大的一个组分。地毯主要由尼龙编织，回收纤维研究表明也能改善混凝土某些性能（27）。

10 展望

近几年可持续发展的原则和绿色建筑已经渗入到建筑业，尤其是混凝土工业，虽然混凝土长期发展对环境的影响将很难改变其负面印象，但混凝土工业经过这几年的发展已经取得了重要的进展。在混凝土制品中使用工业废料、回收材料慢慢增多，企业或者可以从以下几方面开发合适工具或规划发展策略：（1）使用粉煤灰、粒化高炉矿渣和硅灰等具有潜在水硬性的物质，并大量的替代水泥；（2）使用回收材料替代原生的砂、石骨料；（3）提高建筑物的使用年限和耐久性以减少材料使用量；（4）提高混凝土的机械性能和其它的性能，以减少原材料需求量；（5）处理并循环利用工业废水。

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