科技大会论文：固废利用篇——《建筑垃圾资源化处置的一体化实施及集成化应用模式》《再生轻骨料混凝土短肢剪力墙抗震性能及承载力研究》

 

编者按：

为加强我国砂石骨料行业同仁及上下游行业人员科学技术交流，推动砂石骨料行业科技进步和创新发展，中国砂石协会于2020年8月27-30日在河北省石家庄市举办“第七届全国砂石骨料行业科技大会”，并在行业广泛征集学术论文，编辑成《第七届全国砂石骨料行业科技大会论文集》。今天，中国砂石协会融媒体中心为大家推荐“固废利用篇”精彩论文2篇——《建筑垃圾资源化处置的一体化实施及集成化应用模式》综述论文和《再生轻骨料混凝土短肢剪力墙抗震性能及承载力研究》研究论文（两篇均略有删节）。

建筑垃圾资源化处置的一体化实施及集成化应用模式

曾波，孙景凤，温煦，杨玉杰

北京都市绿源环保科技有限公司

摘要：建筑垃圾属于产生量最大的城市固体废物，建筑垃圾的资源化处置工作是打好城市污染防治攻坚战的重要内容。为解决“建筑垃圾围城”的重大难题，建立健全一套合理的建筑垃圾全流程处置模式是当下环境治理领域研究的热点。本文针对建筑垃圾资源化处置的一体化实施和集成化应用模式进行了详细阐述，该模式对解决建筑垃圾，实现建筑垃圾循环应用，打造“无废城市”具有重要意义。

关键词：建筑垃圾；资源化；一体化实施；集成化应用

伴随着基础设施建设的大力推进、繁荣发展，越来越多的建筑垃圾随之产生，制约了城市的可持续发展。大规模的基础设施建设暴露出两大问题，一方面是天然资源的消耗量逐年增加，天然资源日益枯竭；另一方面是拆除工程和新建工程产生了大量的建筑垃圾。有数据显示，我国每年产生的建筑垃圾量都在以 8%-10% 的速度递增，然而我国建筑垃圾总体资源化利用率不足 10%。“建筑垃圾围城”是目前城市化发展面临的重大难题，探索建立一套行之有效的建筑垃圾处理模式是当下建筑领域研究的热点。

1、资源化处置存在问题

近来年，虽然国家大力倡导构建“无废城市”，大力推进包括建筑垃圾在内的各类固体废弃物的资源化处理，并取得了一定的进步，但仍存在不少问题。

（1）分类、减量化措施缺乏

目前国内的建筑垃圾分类意识较为淡薄，分类相关的法律法规和标准规范也比较欠缺，加上大多数拆除采用的是暴力式拆除，混入了大量的生活和装修垃圾，极大地增加了后端建筑垃圾资源化处理难度，由于建筑垃圾缺乏有效的分类，混杂程度较高，导致建筑垃圾资源化处置企业在筛分除杂环节投入大量的人员和设备，处置成本增加，且混杂的垃圾如果没有经过有效处理会影响再生骨料的质量，进而影响它的资源化应用价值，难以提高其资源化应用的附加值,实现有效的循环利用。

（2）处置工艺与设备不成熟

我国在建筑垃圾处置产业上起步较晚，建筑垃圾处置工艺及配套设备均存在不足，尤其是分选工艺，缺少人工智能的精细化分选技术及成套设备，增加了人工成本、运营成本。在建筑垃圾的处置模式方面，固定式设施处置模式辐射半径较短，服务范围有限；移动式设施处置模式和临时处理设施模式不能很好地控制粉尘和噪音，会对环境造成二次污染，不仅如此，移动式设施一般不具备除杂环节，临时处理设施的除杂环节又过于简易，对再生产品的后期应用造成加大困难，最后往往是大垃圾变小垃圾，只能作为简单的回填材料进行低端应用，不能很好的实现建筑垃圾的资源化利用。

（3）再生产品推广不畅

目前，再生产品在市场条件下难以自发形成产业链，主要原因有以下三点。

① 标准缺乏

我国建筑垃圾再生技术规范相对缺乏，以致在工程施工方案的设计阶段未能将建筑垃圾再生材料的应用考虑其中，导致最终无论是业主、监理及施工单位都不接受建筑垃圾再生产品，使得再生产品的推广应用受到了一定的限制。要保证建筑垃圾资源化的质量和效果，必须由相关部门引领制定一系列的标准规范，为建筑垃圾资源化应用提供技术依据。有了相应的控制标准，再生产品的检验及施工验收才有依据，资源化才有章可循，产品质量及施工质量才能实现有效控制，再生产品才能得到更为广泛的认可及应用，资源化处置企业才能真正实现善用有限、发展无限。

② 认识不足

随着国民素质的不断提高，我国公众环保意识整体呈上升趋势。但对建筑垃圾的分类和回收利用仍缺乏一定的认识，环保行为参与度不高，没有达到资源化发展的预期目的。部分处置企业内部管理不足，加之市场监管不到位，严重影响了后续的资源化利用进展，间接的否定了前期分类处理。对于企业而言，一味的追求经济利益，导致了实际建筑垃圾产量难以控制，从而加大了资源化利用的难度。

③ 应用单一

建筑垃圾是一种具有资源化属性的固体废弃物,采用一定的技术和工艺进行处理后,可将其加工为再生材料，这是一种有效的资源化利用途径。但目前建筑垃圾资源化应用单一，建筑垃圾再生产品的集成化应用尚不具备先进性和示范性，且再生产品在实际工程中的集成化应用中也未显示出多样性和创造性。亟需对再生产品的全品类应用拓宽推广思路、延伸发展方向，从而扩大再生产品的应用规模，加大资源化利用进度，实现较好的经济效益、社会效益和生态效益。

2、建筑垃圾资源化处置一体化实施

建筑垃圾的减量化、资源化和无害化是是保护环境的前提。2020年4月29日，修订后的《中华人民共和国固体废物污染环境防治法》已由中华人民共和国第十三届全国人民代表大会常务委员会第十七次会议全票通过，自2020年9月1日起施行。修订草案专门增加了建筑垃圾处理的规定，为落实垃圾分类制度，提高建筑垃圾循环利用效率，加快建筑垃圾资源化利用设施建设等提供指导。这标志着“建设美丽中国”的伟大构想即将变成现实。建筑垃圾产业化的发展是一个复杂的系统工程，涵盖了法律、政策、技术、管理、经济、环境、社会等诸多问题。因此，在建筑垃圾资源化处置一体化实施中，需要施工单位、设计单位与建筑垃圾资源化处置企业形成联动，统筹管理，相互促进。

（1）源头控制

建筑垃圾源头控制的目的就是减量和分类，能在很大程度减少建筑垃圾的产生。施工单位在与建筑垃圾资源化处置单位达成合作后，前者可在建筑主体拆除环节引进后者的技术力量，通过进一步规范施工现场的管理，一方面可以在产生源头即对建筑垃圾进行合理的分类处理，可以减轻建筑垃圾后续处理的困难程度，有利于建筑垃圾的加工处理；另一方面还可以实现建筑现场再生固废的利用，借助后者的移动式处置设备，对部分可在现场经过简单处理即可重复利用的再生产品，进行直接再利用，可资源化利用的统一送往建筑垃圾处置厂，不可利用的渣土送往填埋场，避免造成二次倒运，响应了建筑垃圾减量化处理的号召。不仅如此，建筑垃圾源头分类的严格执行，将显著降低处置企业的处理难度，降低了建筑垃圾处理过程中产生的费用。处置企业在满足收费标准的基础上，可以针对不同类型建筑垃圾按其类别收取不同的处置费，利用价格杠杆使施工单位从源头就重视对建筑垃圾的分类处理，形成良性循环。

（2）明确权责

目前，建筑垃圾资源化从产生、运输、处置到应用等环节涉及部门众多，在职责分工上存在一些管理死角，一体化的实施可有效解决这一难题。一体化实施打通产生到处置，再到应用过程中的所有环节，由施工单位与处置企业协商确定各环节的责任方，将责任范围不断细化，将建筑垃圾从产生、堆放、运输、处置、再利用的全过程管理落到实处。

（3）规范市场

目前从国内外建筑垃圾资源化处置的运行经验来看，“固定+移动”的综合处置方式越来越成为主流。一体化实施具有两个主体，分别为施工单位和建筑垃圾资源化处置企业，在一定程度上，可形成相互监督的机制，有助于严格规范资源化处置市场，避免一些低端的处置企业采取粗犷、简易的处置方式，简单的将“大垃圾”变成“小垃圾”，以及无序不当的竞争对正规的资源化处置企业造成的冲击，破坏市场环境，保障行业的健康发展。

3、建筑垃圾集成化应用

政府方面对资源化再生产品的相关标准和规范的建立健全，为资源化再生产品用于建设单位、设计单位、施工单位和验收单位提供了一定的保障。在这一发展趋势下，处置企业应不断拓展再生产品种类及应用领域，在目前市政工程、道路建设和建筑领域之外，努力扩展应用领域，包括园林、水利等玩滚球的十大平台应用领域。施工单位与建筑垃圾资源化处置企业的合作，有利于推动建筑垃圾再利用产业的发展规划。二者可通过联合设计单位，在整体规划设计过程中就对一些非承重部位等要求相对较低的施工部位，优先使用建筑垃圾再生产品。

建筑垃圾既然是被看成放错了地方的资源，在考虑相关技术处置的同时更要发掘建筑垃圾后端的资源化利用。我国已有一些科研单位和建设单位进行了建筑垃圾资源化再利用的工作，并且取得了一定的成效。目前，建筑垃圾集成化应用中已有产品包括：再生骨料、再生混凝土（砂浆）、路用再生无机结合料、再生构件、可控低强材料、回填施工材料等。

（1）再生骨料

研究表明，采用新型土壤修复技术手段（再生骨料层+种植土+有机肥），可以加强公园的蓄水能力，最大程度做到节水零排放。基于此，在园林公园微地形、堆山造景、再生土壤、透水路基等工程中，可大量应用经移动式破碎模式处置的再生骨料，实现源头减量化，减少材料的倒运。

（2）再生混凝土（砂浆）

国内外很多机构都对再生混凝土进行了研究，目前已经取得了较大的进展和成果。大量的研究证明，用再生粗骨料制备的再生混凝土可广泛用于大部分非结构性承重工程，例如：路基和路面等；再生细骨料也可用于制备再生砂浆，如抹灰砂浆、非承重砌筑砂浆及道路基层材料。再生混凝土和再生砂浆经过资源化处置后可用于实现施工现场的现浇工程中。

（3）路用再生无机结合料

国内外对路用再生无机料的研究相对完善，应用也较为成熟，再生无机结合料在道路基层中的应用是废弃混凝土再利用的一个有效途径，其对材料要求较低，易于生产，可广泛用于绿化道路、广场底基层等路面基层部位，实现再生骨料的循环利用。

（4）再生构件

利用建筑垃圾制作标砖、多孔砖、空心板、空心砌块等新型再生构件产品，已成为目前国内外相关领域学者的重点研究方向，应用再生构件既符合国家的产业政策，又能避免现浇部分的控制难度和扬尘。再生构件可用于广场和道路的铺设，公园造景、公共座椅、休息亭等。

（5）可控性低强材料

可控性低强材料的定义由美国提出，在自重作用下无需或少许振捣即可形成自密实结构。该材料强度要求低于8MPa，可大量使用再生骨料，用于台（涵）背回填、检查井周边回填、管线回填等各类开挖回填工程。

（6）回填施工材料

建筑渣土桩和建筑垃圾夯扩桩施工简单，国内外的应用都很成熟，经过实践证明，这两种桩型都可以直接在施工现场消耗部门建筑固废，减少建筑垃圾中低附加值产品的倒运，提高了其利用率，具有极高的经济价值。

（7）其他材料

近年来，环境修复成为大热的研究方向，研究显示，用建筑垃圾制备的再生骨料经清洗、灭菌烘干、菌种培植、生物固化等无害化处理后可作为水处理生物填料，用于污水处理、水环境修复、海绵城市、湿地、河道建设等领域，适合市政工程等大量采用。

4、结论

建筑垃圾资源化处置的一体化实施和集成化应用模式，有助于实现建筑垃圾减量化、降低建筑垃圾筛分难度、提高再生产品品质，扩大再生产品下游产业链。施工单位和处置企业相互协作，共同打造一套切实可行的一体化实施方案，实现建筑垃圾的全产业链循环利用，共建一条具有中国特色的建筑垃圾资源化产业发展道路，为环境可持续发展贡献力量，助力打造“无废城市”，实现真正意义的“美丽中国”。

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再生轻骨料混凝土短肢剪力墙抗震性能及承载力研究

付士峰，段国伟² ³，苏利全

（1.河北省建筑科学研究院有限公司，石家庄050021；2.河北建研工程技术有限公司，石家庄050227；3.河北省固废建材化利用科学与技术重点实验室，石家庄050021）

摘要：本文设计了1组普通混土和5组再生轻骨料混凝土短肢剪力墙试件，以试件构件为基础研究绿色再生轻骨料混凝土短肢剪力墙在不同取代率“L”形截面短肢剪力墙力学性能，同时还对绿色再生轻骨料混凝土短肢剪力墙进行了基本假定。实验结论得出：最优配合比、较多配筋率的混凝土能提高结构延性系数、耗能能力、承载能力；基本假定理论公式计算值与实测值误差较小。本研究可为绿色再生轻骨料混凝土短肢剪力墙构件的设计和实际工程应用提供参考，为该类构件的深入研究打下基础。

关键字：延性系数；耗能能力；承载能力；最优配合比；短肢剪力墙

引言

我国是地震多发国家，钢筋混凝土在地震时出现结构和非结构破坏的原因，主要是由于建筑物的自重大、延性差、变形能力差，导致相应的地震力大。因此，在保障对地震的防御能力及增强保温节能效果，增强建筑物的力学性能、延性性能的基础之上，建筑物自重减轻是国内外建筑行业的发展趋势。

国内外专家对于再生骨料在结构中应用的研究很多，例如同济大学肖建庄教授，北京建筑大学宋少民教授，山东农业大学季昌良教授，北京工业大学曹万林等专家研究了再生骨料混凝土，不仅对混凝土的性能及机理进行了探究，还把这种混凝土应用在工程中，取得了较多的成果。国内外对再生混凝土材料的研究情况来看，主要包括再生骨料性能、再生混凝土物理力学性能、再生混凝土耐久性等方面。而对于以HC-1胶凝材料替代水泥的再生轻骨料混凝土在短肢剪力墙中的应用研究较少，河北省建筑科学研究院付士峰等人对再生轻骨料混凝土做了深入研究，首先研究了再生轻骨料混凝土配合比，然后在此基础上制备出不同再生骨料取代率的混凝土梁，发现利用这种混凝土制备成的梁和普通混凝土正截面承载力相差不大。但是目前国内对这种利用建筑废料的轻骨料混凝土综合性研究尚处于初期阶段，还没有玩滚球的十大平台：利用HC-1高性能胶凝材料制作绿色再生骨料混凝土的文献，为适应环保及废弃物再利用的要求，开展相关的研究已是势在必行。

1、试验

1.1 试验原材料

试验所用HC-1高性能混凝土胶凝材料、天然河砂细度模数为2.81、粉煤灰陶粒、建筑垃圾、满足试验要求的实验室自来水、石家庄长安育才产的高性能聚羧酸减水剂。

1.2 试验设计

试验基于一般设计中“强肢弱梁”的思路，分别设计了6组混凝土短肢剪力墙试件，J-1试件为普通混凝土剪力墙试件。依据段国伟等人发现再生轻骨料混凝土最优配合比（HC-1胶凝材料480kg/m³，陶粒396kg/m³，砂子645kg/m³，建筑垃圾颗粒264kg/m³，减水剂4.8kg/m³，水192kg/m³）和轻骨料混凝土配合比要求，本文设计了J-2～J-6试件，其中试件J-3为最优配合比试件（废砖掺量40%），见表1。

表1 试件设计参数

注：本文所有试件的混凝土设计强度均为C30，所有剪力墙的截面尺寸均相同

2、试验结果及其分析

2.1 骨架曲线

力学性能是分析结构抗震性能的重要依据，试件循环荷载达到最大峰值不能越出骨架曲线，只能沿骨架曲线前进，即滞回曲线的包络线，由图1可得试件荷载-位移骨架曲线呈现出“S”的形状；试件屈服后，最优配合比的试件极限承载力好，抗剪刚度退化缓慢、抗震性能强；最优配合比试件和普通混凝土试件骨架曲线形状大体一致，耗能能力比较接近；轴压比较大的试件更早进入屈服状态，强度和刚度退化较快；在屈服以后，配置较多竖向钢筋的试件承载能力有增长趋势，刚度不断减小，但承载力保持平稳过度；良好的配合比能提高试件的承载能力。

2.2 延性分析

试件超过弹性极限后，无明显强度、刚度退化的情况下变形能力称为延性，延性结构的变形能力作为意外情况时的安全储备。衡量结构和材料的延性一般用延性系数，极限变形Δm和屈服变形Δy的比值：Δu=Δm/Δy

（1）参照屈服弯矩法计算试件的屈服荷载和屈服位移，如图2所示，等效屈服点对应的荷载及位移就是结构的屈服荷载和屈服位移。

图1 骨架曲线对比图

图2 通用屈服弯矩法确定屈服点

（2）极限变形通常取极限压应变开始卸载时的变形值，取极限承载力的0.85倍所对应的点为Δm点。

表2 试件的位移延性系数表

由表2可得最优配合比可以提高结构变形能力且比普通混凝土试件延性系数低，比普通混凝土试件较弱；轴压比小的试件延性系数略微高于延性系数大的节点试件，轴压比大的试件，强度和刚度退化较快；配筋率多的试件延性系数比配筋率少的试件高。

2.3 耗能分析

本文试件的耗能性能用等效粘滞阻尼系数he表示，由下式表示。

表3 试件实测等效粘滞阻尼系数

图3 荷载-位移滞回环

图4 等效粘滞阻尼系数

表3中hey、heu、hem分别为试件达到屈服荷载、极限荷载和破坏荷载时所对应的等效粘滞阻尼系数。由表中数据可以看见，破坏荷载时等效粘滞阻尼系数除J-2和J-4试件小于0.2外，其余各个试件均大于0.2。

由图4分析可得：最优配合比试件等效粘滞阻尼系数较好，能提高结构耗能能力，但最优配合比试件等效粘滞阻尼系数比普通混凝土试件低，比普通混凝土试件弱；轴压比较大的试件，强度和刚度退化较快，耗能能力弱；竖向配筋多的试件比竖向配筋率少的试件等效粘滞阻尼系数高；等效粘滞阻尼系数较低，地震作用下耗能能力较弱；最优配合比试件塑性开展的历程较长，具有较好的能量耗散性能。

2.4 承载力分析

本文参照通用屈服弯矩法计算试件屈服荷载，如表4试件承载力试验

表4 试件承载力试验

由表4可知：不同配合比的试件其承载力有明显的不同，试件J-2、J-3和J-4对比可以看出，试件J-3极限承载力比试件J-2和试件J-4都好，由于试件的抗剪刚度退化缓慢，所以承载力优于其他两者；轴压比不同的情况下对比试件J-3和J-5可以看出，J-5试件屈服荷载小于J-3试件，轴压比小的试件极限承载力略微高于轴压比大的节点试件。轴压比较大的试件更早进入屈服状态，强度和刚度退化较快，但最终曲线形状走势大致相同；不同竖向钢筋配筋率的最优配合比试件，对比试件J-3和J-6可以看出，后者的极限承载力比前者高1.04倍。

2.5 刚度分析

参照相同位移幅值下滞回曲线计算的刚度Ki变化情况来研究试件刚度退化的规律，取同一级加载位移下割线的刚度来表示刚度退化规律。如图5刚度退化试验曲线图。

图5 刚度退化曲线图

图6 试件达到极限承载力时的受力图

由图5刚度退化曲线图可得试件进入屈服阶段后，往复荷载作用下刚度随着位移的增加而逐步降低；试件随着轴压比的增大，刚度退化加快，表明在往复荷载下，轴向力较大会导致试件破坏更为明显，更早到达屈服；竖向钢筋配筋率较大的最优配合比试件，前期刚度较大。配置了较多竖向钢筋会使钢筋较晚的进入屈服状态，裂缝开展速度较晚，能承受水平往复荷载的能力更强。

2.6 试件的正截面受弯极限承载基本假定

依据绿色再生轻骨料混凝土短肢剪力墙试件破坏程度，因此对其正截面受弯承载力进行分析，且作出基本假定：截面应变符合平截面假定；拉力全部由受拉钢筋承担；当墙体受拉区底部的分布筋达到屈服强度时，受拉区边缘到中和轴处钢筋应力呈线性分布；受压区混凝土能达到极限抗压强度；不用考虑顶部设计矩形端头的增强作用。

2.7 最优配合比试件试件极限承载力的计算

最优配合比试件达到极限承载力时的受力图6，由图6试件达到极限承载力时的受力图分析可得：

按照上述设计公式对本次6个试件进行承载力计算值与试验对比，如表6。

表6 试件承载力结果

通过对绿色再生轻骨料混凝土短肢剪力墙的基本假定，及不同配合比试件的正截面受弯极限承载力进行理论公式分析推导，由表6试件承载力试验结果可得，做出的基本假定推导公式具有可行性，由试验结果表明各试件的极限荷载计算值均小于实测值，但计算值与实测值相对误差差别不大，在充分利用材料基础上有一定的安全保证性，能为该类构件的研究发展提供有利的研究基础。

3、结论

（1）最优配合比试件与普通混凝土剪力墙试件裂缝走向、裂缝出现的次序和位置大体一致，最优配合比试件比废砖掺量的试件墙体达到屈服的时间较晚。

（2）最优配合比试件能提高试件的耗能能力、承载能力、延性系数；轴压比较大的试件，强度和刚度退化较快，提前进入破坏，耗能能力减弱；随着轴压比的增大，刚度退化加快，轴向力较大会导致试件破坏更为明显，更早到达屈服状态。

（3）较多竖向钢筋配筋率能提高试件的耗能能力、承载力、能更强承受水平往复荷载的能力。

（4）对绿色再生轻骨料混凝土短肢剪力墙正截面受弯极限承载力进行理论公式分析推导，公式如下：

对O点取矩，由力矩平衡可得试件的正截面极限承载力F：

并对计算值与实测值进行比较，二者相对误差较小。

来源：《第七届全国砂石骨料行业科技大会论文集》