肖云飛，薛丹璇，朱曉東，張 晨，陳永昊

（1.中國市政工程華北設(shè)計研究總院有限公司，天津 300074；2.河南省地質(zhì)科學(xué)研究所，河南 鄭州 450001）

0 引言

隨著我國交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)規(guī)模的迅速發(fā)展和交通量的迅猛增加，道路作為交通運輸中的重要基礎(chǔ)設(shè)施，在現(xiàn)代社會的發(fā)展中起著至關(guān)重要的作用。作為道路的主要承重層，路面基層的承載力、抗裂性以及抗沖刷性能對道路的使用性能和壽命起著關(guān)鍵作用[1]。石灰、粉煤灰、水泥穩(wěn)定類材料占路面基層材料的絕大部分，然而隨著天然砂石價格的飆升，傳統(tǒng)天然路面基層材料資源有限，逐漸匱乏，在一定程度上制約了道路工程的發(fā)展。

隨著我國實現(xiàn)碳達(dá)峰碳中和時間表、路線圖的明確，交通運輸部相應(yīng)提出加快建設(shè)綠色低碳交通基礎(chǔ)設(shè)施的要求?；跍p污降碳、循環(huán)利用理念，近年來許多學(xué)者在推進(jìn)工業(yè)固廢、建筑固廢、生活垃圾等固廢材料在道路基層建設(shè)再利用方面取得較大進(jìn)展，施工材料創(chuàng)新和固廢循環(huán)利用在路面基層材料領(lǐng)域不斷體現(xiàn)。如李劉旺[2]開展工業(yè)廢棄土在路面基層應(yīng)用的室內(nèi)試驗研究，得出了工業(yè)廢棄土應(yīng)用于公路基層底基層的理論技術(shù)結(jié)論。黃朝廣[3]探究了建筑垃圾廢棄混凝土的路用性能和可行性，得到了再生集料在透水路面基層材料中應(yīng)用性能的演變規(guī)律。何文政[4]結(jié)合室內(nèi)試驗和現(xiàn)場施工對生活垃圾焚燒爐渣原材料的性能和適用性進(jìn)行了研究，結(jié)果表明爐渣具有良好的適用性和經(jīng)濟(jì)效益。

本文在收集國內(nèi)外路面基層材料領(lǐng)域大量研究文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，以近年來固廢材料在道路工程中再利用的相關(guān)研究成果為主線，系統(tǒng)梳理不同固廢材料的特點和適用性，在此基礎(chǔ)上對固廢再生路面基層材料研究的發(fā)展方向進(jìn)行了展望。

1 工業(yè)固廢再生路面基層

工業(yè)固廢是指在工業(yè)生產(chǎn)活動中產(chǎn)生，對環(huán)境造成污染或存在安全隱患的各種廢渣、粉塵及其他廢物[5]，可分為包括鋼渣、赤泥、煤矸石及礦渣等一般工業(yè)廢棄物和工業(yè)有害固體廢棄物。目前道路領(lǐng)域中研究較多且技術(shù)比較成熟的主要為一般工業(yè)廢棄物，本節(jié)主要介紹鋼渣、赤泥、煤矸石等部分固廢的研究應(yīng)用現(xiàn)狀。

1.1 鋼渣

鋼渣是冶金工業(yè)中產(chǎn)生的廢渣，具有棱角豐富、高堿性等特點，研究和實踐表明鋼渣為優(yōu)質(zhì)的筑路材料[6]。早在1997 年12 月，我國首條鋼渣瀝青路面在上海寶山鋪筑完成；2015 年8 月底，我國第一條鋼渣瀝青混合料高速公路在宜張高速當(dāng)枝段鋪筑完成，對鋼渣作為筑路材料的再利用起到了示范作用[7]。目前，相關(guān)學(xué)者對鋼渣瀝青混合料路用性能的優(yōu)化[8]以及鋼渣瀝青混合料水穩(wěn)定性[9]等方面進(jìn)行了深化研究，推動鋼渣體積安定性技術(shù)和水穩(wěn)定性技術(shù)的發(fā)展，對鋼渣應(yīng)用于道路工程中進(jìn)而解決建設(shè)對礦物需求量大的問題起到積極作用。

目前關(guān)于鋼渣相關(guān)研究雖然取得了一定成果，但在骨料穩(wěn)定性以及含有危害成分等方面需進(jìn)一步研究。

1.2 赤泥

赤泥是制鋁工業(yè)精煉提取氧化鋁過程中排出的工業(yè)固體廢棄物，主要成分為二氧化硅、氧化鋁和氧化鐵等[10]。由于其含有的成分分散性好、易破碎以及具有亞黏土的特性，因而能夠用作建材和路面材料[11]。赤泥可以代替瀝青混合料中的石灰粉和復(fù)配錳渣，能夠改良瀝青混合料的性能[12]以及作為半剛性基層鋪筑的材料。但赤泥在浸水條件下的抗剪強(qiáng)度降幅較大，未處理時抵御水損害的能力差，因此需要進(jìn)行水穩(wěn)定處理。常用的分類有拜耳法赤泥、混聯(lián)法赤泥和燒結(jié)法赤泥等，目前我國在山東濟(jì)青高速擴(kuò)建工程和濱州北海產(chǎn)業(yè)園實現(xiàn)了改性赤泥在道路工程中的穩(wěn)定應(yīng)用。

相關(guān)研究表明，將赤泥作為路用材料是解決其處置問題的有效途徑，但大多數(shù)研究仍處于實驗室階段，缺乏實際應(yīng)用的施工工藝和技術(shù)控制參數(shù)，值得進(jìn)一步研究。

1.3 煤矸石

煤矸石是采煤和洗煤過程中產(chǎn)生的礦業(yè)固體廢棄物。煤炭作為我國的主要能源，累計產(chǎn)生的煤矸石超過50億噸，然而利用率僅為64%，較發(fā)達(dá)國家還有較大差距，在建筑和道路交通領(lǐng)域有很大的發(fā)展應(yīng)用空間。煤矸石具有較大的強(qiáng)度和較強(qiáng)的水穩(wěn)定性，具有和碎石土類似的特性，可在填筑路基或路面底基層方面進(jìn)行應(yīng)用。但其含有Hg 等微量有害元素，若遇到雨水淋溶，會對土壤和地下水產(chǎn)生污染[13]。

研究發(fā)現(xiàn)煤矸石具備與天然碎石類似的特性，能夠作為路用材料再利用。但在解決有害元素危害的長期性方面仍需進(jìn)一步研究。

上述研究表明，鋼渣、赤泥、煤矸石等固廢在道路領(lǐng)域已經(jīng)有了一定程度的研究和應(yīng)用。工業(yè)固廢再生材料具有強(qiáng)度高、性能好等優(yōu)點，但同時存在對環(huán)境污染等問題（表1）。在發(fā)揮材料特點優(yōu)點的同時解決污染的問題是后續(xù)研究的重點。

表1 工業(yè)固廢材料路用研究

2 建筑固廢再生路面基層

近年來我國經(jīng)濟(jì)處于中高速發(fā)展階段，城鎮(zhèn)化進(jìn)程不斷加快，房建基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)日新月異的同時也產(chǎn)生了包括混凝土塊、棄磚和廢瀝青砂漿等建筑固廢材料。另外，軌道交通的發(fā)展給城市帶來極大便利的同時，也帶來了難題。目前國內(nèi)地鐵隧道大部分采用盾構(gòu)法施工，盾構(gòu)渣土屬于淤泥質(zhì)土，具有含水率高、滲透性低以及抗壓強(qiáng)度低等特點，無法直接應(yīng)用于工程建設(shè)。據(jù)不完全統(tǒng)計，我國每年產(chǎn)生70 億噸左右的建筑固廢[14]。面對日益增長的建筑固廢材料，相關(guān)學(xué)者通過研究和探索，發(fā)現(xiàn)其主要成分包括占比90%以上的無機(jī)化合物、木料、塑料以及少量的金屬，具有化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、耐酸堿等特性，具備道路工程建設(shè)中原材料的潛能。經(jīng)科學(xué)的方法和途徑，大部分建筑固廢能夠作為可再生材料應(yīng)用到道路工程建設(shè)中，不僅解決建筑固廢占用土地和污染環(huán)境的問題，而且解決了道路建設(shè)對大量原材料需求的問題，將其作為一種城市礦產(chǎn)資源，再次服務(wù)于城市建設(shè)。目前，建筑固廢在道路工程中的利用形態(tài)包括再生集料和再生微粉[15]等（圖1）。

圖1 建筑固廢路用情況

2.1 再生集料

建筑固廢材料與傳統(tǒng)道路用天然集料相比存在孔隙率大、密度和強(qiáng)度較低以及吸油率、吸水率高等缺陷。為避免產(chǎn)生混合料強(qiáng)度、低溫性能和水穩(wěn)定性不符合現(xiàn)行規(guī)范要求的問題，相關(guān)學(xué)者和研究人員對建筑固廢再生集料的改性技術(shù)進(jìn)行了研究。目前，國內(nèi)外關(guān)于建筑固廢集料已有的改性技術(shù)包括再生混凝土集料強(qiáng)化技術(shù)[16]、高濃度CO2強(qiáng)化再生集料技術(shù)[17]、再生集料抗凍耐久性技術(shù)[18]、再生集料透水混凝土技術(shù)[19]、再生集料滲透結(jié)晶強(qiáng)化技術(shù)[20]、再生集料微粉強(qiáng)化技術(shù)[21]等。國外對建筑固廢的規(guī)模利用開展較早，我國在20 世紀(jì)90 年代開始應(yīng)用再生集料在基層、底基層和面層結(jié)構(gòu)中替代天然集料。2004 年，同濟(jì)大學(xué)在校園內(nèi)部鋪筑了一條至今仍在服役的再生集料作為骨料的道路[22]。

建筑固廢再生集料一般以骨料形式與其他無機(jī)材料一起形成混合物應(yīng)用在道路的基層、底基層結(jié)構(gòu)中。為使再生集料更好地服務(wù)于道路建設(shè)，后續(xù)應(yīng)重點對集料改性技術(shù)進(jìn)行研究。

2.2 再生微粉

在建筑固廢中除粒徑較大的骨料外，還有大量粒徑較小的粉末成分。其中把經(jīng)再生技術(shù)處理后粒徑小于0.16 mm 的顆粒統(tǒng)稱為再生微粉。相關(guān)研究表明，再生微粉中含有一定的氧化鈣和氧化硅顆粒，可以用于改善路面的高溫穩(wěn)定性和水穩(wěn)定性[23]?？傮w來說，目前再生微粉用于制備混凝土所需的膠凝材料、替代礦粉和路基回填等技術(shù)較為成熟，但在道路工程中的應(yīng)用還有待拓展。其中，摻配比例、級配設(shè)計和影響規(guī)律等研究是再生微粉路用研究的重點。上述研究將建筑固廢材料分為再生集料和再生微粉。通過改性技術(shù)對再生集料的缺陷進(jìn)行改良強(qiáng)化后應(yīng)用，而再生微粉主要用于替代傳統(tǒng)細(xì)顆粒材料。后續(xù)應(yīng)對建筑固廢再生材料的全鏈條應(yīng)用管理和實際應(yīng)用技術(shù)進(jìn)行重點研究，形成相關(guān)技術(shù)規(guī)程。

3 生活垃圾再生路面基層

隨著城鎮(zhèn)人口的不斷增加，城市生活垃圾的生成量和累積量不斷增加。目前處理生活垃圾的主要方式為垃圾焚燒，這導(dǎo)致了爐渣數(shù)量的日益增加，同時帶來了爐渣處置問題。垃圾焚燒爐產(chǎn)生的爐渣主要為燒結(jié)熔渣、玻璃、陶瓷、金屬及未燃燒物的混合物[24]，其與工業(yè)廢渣在物理、化學(xué)性質(zhì)和工程性能方面差異巨大。相關(guān)研究表明，爐渣材料的性質(zhì)與天然集料相似，其重金屬含量低于國標(biāo)控制要求，具有對環(huán)境污染較輕的特點。同時研究發(fā)現(xiàn)爐渣在道路工程中可以替代細(xì)集料的使用，應(yīng)用于瀝青面層，其路用性能與傳統(tǒng)瀝青混合料相當(dāng)[4]。

部分研究表明生活垃圾經(jīng)焚燒成爐渣后，其性質(zhì)與天然集料相似，且具有重金屬含量較低、對環(huán)境影響輕等特點。后續(xù)可以對生活垃圾在路面基層實際應(yīng)用技術(shù)方面開展進(jìn)一步研究。

4 結(jié)語

①隨著碳達(dá)峰碳中和愿景的錨定，將固廢再生材料作為路面基層材料再利用，能夠解決廢棄物傳統(tǒng)堆填處置問題，同時能夠提高資源利用率。在加快路面基層材料綠色低碳轉(zhuǎn)型和高質(zhì)量發(fā)展方面起到積極作用且具有重要意義。

②固廢再生路面基層材料體現(xiàn)了路面基層材料由常用的天然集料向固廢資源再生再利用材料的發(fā)展和探索，也逐步向減污降碳和資源循環(huán)利用方向發(fā)展，但目前仍存在技術(shù)實踐和推廣應(yīng)用的不足，理論落后于實踐等問題，未來應(yīng)對實踐應(yīng)用方法進(jìn)行深入研究，建立可行的固廢再生路面基層材料利用體系。

③在研究和發(fā)展新材料、新方法、新技術(shù)的同時，應(yīng)結(jié)合綠色施工方式，從固廢材料管理全鏈條出發(fā)，進(jìn)一步形成適合我國發(fā)展的技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，促進(jìn)行業(yè)健康發(fā)展，實現(xiàn)資源環(huán)境可持續(xù)發(fā)展。