一、前言
黨的十九大報告指出，我國「經濟已由高速增長階段轉向高質量發展階段，正處在轉變發展方式、優化經濟結構、轉換增長動力的攻關期，建設現代化經濟體系是跨越關口的迫切要求和我國發展的戰略目標」。由此可見，長期依賴能源、資源的高投入和高消耗形成的粗放外延型經濟發展模式將難以為繼。推動以節約資源、保護環境、產業協同和綠色發展為特徵的現代經濟體系高質量發展成為新時代中國特色社會主義建設的重要內容和關鍵所在。
當前，我國各類固廢存量增量巨大、組分日趨複雜，綜合利用難度大、資源化率低，成為威脅國民健康和環境安全的重大隱患。與此同時，作為最大宗建築材料的混凝土與水泥製品行業正面臨新常態下天然砂石資源短缺、勞動力和環保成本持續上升等嚴峻挑戰，行業競爭激烈，迫切需求加速創新與轉型升級以應對不斷發展的變化。大力發展裝配式建築是建築產業轉型升級的最重要發展方向，潛力巨大。以冶金廢渣、礦山尾礦/廢石與建築垃圾等典型工業與城市固廢為處置對象，開展固廢大摻量製備裝配式建築PC構件研究與應用，是解決不同行業協同發展難題，實現工業與城市固廢規模化增值利用，促進建材行業轉型升級，邁向綠色與高端發展的關鍵技術途徑，符合建築綠色化這一國家重大戰略需求。
二、利用固廢製備裝配式建築PC構件現狀
(一)典型固廢原料預處理技術
裝配式PC構件技術水平高，附加值大，對原材料品質要求高。通過精細化預處理提升固廢源頭質量是實現固廢在PC構件中規模化增值利用的前提條件。
1. 鋼渣預處理
易磨性差、安定性不良和膠凝活性低是阻礙鋼渣規模化增值利用製備裝配式PC構件的關鍵因素，行業聚焦共性難題，開展了包括在線重熔調質、轉爐造渣處理和鋼渣微粉改性等幾個方面的預處理技術攻關。
在線重熔調質方面，德國最先通過在氧化氣氛下的液態鋼渣中添加石英砂，消解了鋼渣中過量的游離氧化鈣，改善了鋼渣的體積安定性。國內，郭輝利用還原氣氛下添加鈣矽鋁質改性劑，實現了改性鋼渣中玻璃體含量增加，膠凝活性明顯提高;李建新發現鈣質調節材料可以促進重構鋼渣中A礦和B礦的形成;中冶建築研究總院的研究表明，採用還原氣氛下添加鈣質調質劑進行鋼渣重構，對比原渣微粉，不同齡期膠砂強度提高22%～62%，水化放熱量提高63%，化學結合水量提高了5%;北京建築材料科學研究總院在分析鋼渣成渣過程中游離鈣、方鎂石和RO相形成原因基礎上，總結鈣質、矽質和鈣鋁矽質等不同改性劑對重構鋼渣性能影響的成果經驗，提出了矽鋁複合調質方法，並開展對比研究，揭示了不同反應條件下重構鋼渣礦物的形成、轉換與調控機制，取得了改善安定性不良、提高膠凝活性和易磨性的顯著效果。毋庸置疑，在線重構預處理對提升鋼渣性能成效顯著，但工業化實施困難，應用進展緩慢。
在轉爐造渣處理方面，日本住友金屬工業公司採取蒸汽蒸養處理鋼渣，28天膨脹率降低為1.2%，開發了鋼渣蒸養陳化技術及裝備，並建立相應標準規範體系。國內，中冶建築研究總院長期致力於鋼渣深度安定化理論研究與技術開發，形成的粒徑、孔道、傳輸可控的有壓熱悶技術及新型有壓熱悶罐裝置在多家企業實現產業化應用效果顯著，預處理後鋼渣游離氧化鈣含量降低至1.3%，浸水膨脹率降低50%以上，鋼渣粉化率(粒度小於20mm的鋼渣含量)>75%，尾渣金屬鐵含量降至1%，關鍵指標優於相關標準和設計要求。
針對鋼渣微粉的改性處理，普遍採取超細粉磨和膠凝活性活化措施，其中北京工業大學王劍鋒基於絡合增溶原理、同濟大學基於基元活化理論可分別提高鋼渣活性10%～15%。鋼渣超細粉磨有助於提前釋放膨脹應力，提高長期體積穩定性，但增加了生產成本。北京建築材料科學研究總院通過對比改性前後鋼渣微粉水化放熱規律，揭示了水泥砂漿中鋼渣微粉中非穩定相消解反應與破壞機制，分析安定性不良的原因，提出了非穩定相延時消解控制方法，實現了膠凝體系中，鋼渣微粉摻量30%時，混凝土製品安定性合格，長期體積穩定。
2. 鐵尾礦/廢石預處理
鐵尾礦/廢石排量大，佔全部尾礦堆存總量的30%以上。相比其他大宗工業固廢，鐵尾礦/廢石具有良好的力學性能和穩定性能，資源化利用於建材領域替代天然砂石骨料，具有很大的發展空間。
早在前蘇聯時期，別爾戈羅德建築材料工業學院就開展了利用庫爾斯克地區採石場的尾礦/廢石生產混凝土骨料的研究與應用工作，取得顯著的經濟與環境效益。近年來，北京建築材料研究總院基於河北地區鐵尾礦固廢資源優勢，開展大摻量鐵尾礦/廢石骨料替代天然砂石製備混凝土的研究、成果轉化與推廣應用，已累計利用尾礦/廢石達數億方，產生了巨大的經濟效益，同時積極引導、推動《北京地區預拌混凝土綠色生產管理規程》、《京津冀及周邊地區工業資源綜合利用產業協同發展行動計劃》和《國務院辦公廳關於促進建材工業穩增長調結構增效益的指導意見》等相關文件的頒布實施，為尾礦/廢石的骨料資源化利用掃清了政策障礙。
尾礦/廢石是選礦副產品，資源化利用製備建材骨料需進行預處理。現階段我國利用尾礦製備砂石行業整體準入門檻低，生產工藝落後、效率低、能耗大，產品標準體系與監管制度未建立，不規範經營普遍存在，產品標準和質量嚴重滯後，導致利廢產品難以進入主流市場，以裝配式PC構件為代表的高端建材產品仍以天然砂石骨料為主。現代混凝土與水泥製品往往集結構、裝飾、保溫、自密實和高流態等多種功能於一體，實際上對原材料品質的要求是提高了而不是降低了，只是因客觀條件所限不得已而退而求其次。固廢骨料質量主要受破碎、篩分、分選及輔助設備的精度和效率影響，正確的選擇和合理配置可以控制骨料粒徑、粒形、級配、雜質與泥粉含量和生產效率，確保質量。行業普遍認為，強化以源頭品質提升為導向的預處理技術開發，是實現尾礦/廢石規模高值利用，應對國內天然砂石資源巨大缺口的關鍵舉措。當前，隨著各種預處理工藝的改進、完善和技術裝備大型化、配套化和智能化的提高與普及，尾礦/廢石資源化預處理技術應從促進清潔生產和提高產能，轉變到更加關注固廢骨料自身性能的提升，以不斷助推高端應用。近年來，北京建築材料科學研究總院圍繞傳統破碎、篩分和分選等固廢骨料製作工藝，就尾礦/廢石骨料粒形、粒徑、級配和表面紋理等開展了固廢骨料材性再造精細化預處理研究，以不斷滿足PC構件廠對高品質固廢骨料的需求。
3. 建築垃圾預處理
我國建築垃圾年排放量約200億噸，利用率不到8%。從2019年1月起，《上海市建築廢棄混凝土回收利用管理辦法》正式實施，該辦法規定C25及以下強度等級混凝土再生骨料對同類材料的取代率不得低於15%，交通基礎設施及大中修工程，再生骨(粉)料對同類材料的取代率不得低於30%。放眼全國，從建築綠色發展要求來看，上海強制使用建築垃圾具有風向標作用，相信其他省市將會陸續出臺相關文件，建築垃圾再利用產業迎來新機遇。建築垃圾預處理是廢棄混凝土製備再生骨(粉)料的關鍵環節，對提升再生骨(粉)料品質、促進其規模化增值利用具有重要影響。
當前，常見的破碎與分選措施，能基本實現建築垃圾的分級處理，但微粉去除、磚混分離和水泥包漿剝離等有難度，使預處理往往不徹底，製備的再生骨(粉)料使用途徑受限，主要以低摻量、低附加值的中、低強度等級混凝土和建築附屬工程使用為主，裝配式建築PC構件中尚未見使用報導。因此，加強技術與設備開發，採取包括再生骨料整形強化、再生微粉改性和組分精準分離等在內的更先進預處理措施，得到更高品質產品，以拓寬再生骨(粉)料在更多建築領域的應用。再生骨料整形強化包括微粉去除和骨料整形，採用溼式洗砂法去除微粉，需要配套水循環系統，相對投資高、佔地大，基於氣力分級與振動風篩的乾式處理法在國內外已有成功應用實例，是再生骨料微粉去除工藝與裝備的發展趨勢。
再生骨料強化有化學和物理兩種方法，化學方法通常利用酸液實現骨料強化，處理成本過高，同時存在二次汙染風險，尚不具備工業化應用條件，目前應用較廣泛的是物理強化，使用機械設備手段，通過立式衝擊、臥式迴轉研磨和加熱研磨等使骨料之間相互撞擊、磨削而除去表面黏附的水泥砂漿和顆粒稜角，使骨料得到強化。孫增昌、張學兵和羅素蓉等對再生骨料開展了不同形式的強化改性後，骨料物理性能更趨合理，再生混凝土的綜合性能得到提升。北京建築材料研究總院的研究表明，再生微粉特殊的孔隙結構為混凝土提供了內養護條件，通過納米材料對再生微粉改性可以極大提升再生混凝土施工性能、力學性能和耐久性能。磚混結構是我國最為常見的建築物結構形式，建築垃圾中磚、瓦與廢棄混凝土混雜，常規方法難以實現有效分離，結合磚、瓦與廢棄混凝土在比重、顏色、強度等方面的性能差異實現組分精準分離代表了建築垃圾預處理技術發展趨勢。
(二)大摻量固廢混凝土製備
1. 大摻量固廢膠凝體系
輔助膠凝材料是現代混凝土不可或缺的重要組分，與水泥一起組成複合膠凝體系。隨著混凝土技術的發展，輔助膠凝材料已不局限於礦粉、粉煤灰和矽灰等種類，包括鋼渣粉、石粉和再生微粉等在內的大多數工業固廢與城市建築垃圾化學組成與膠凝材料相近，具有一定的膠凝活性或潛在膠凝性，越來越普遍資源化應用於膠凝材料系統，既大量消納固廢、節省水泥、保護環境，同時也可適當改善混凝土的性能。近年來，圍繞大摻量輔助膠凝材料開展了大量的研究，朱豔芳研究了大摻量粉煤灰膠凝體系的抗碳化性能，結果表明60%水泥被替代時仍可得到抗碳化性能較好的混凝土;崔孝煒針對鋼渣礦渣基全固廢膠凝材料的化學活化和水化反應機理進行研究，結果表明適量的激發劑能夠促進膠凝材料水化反應的進行，水化時兩種礦物表現出協同促進作用，針棒狀的AFt晶體穿插於C-S-H凝膠中使硬化漿體的結構更加緻密，混凝土穩定性提高;王強認為大摻量鋼渣複合膠凝材料早期水化活性低，大顆粒鋼渣與水泥水化產物間的結合併不緊密，早期漿體的孔隙率比水泥漿體大;蔣正武研究探明了鋼渣、磷礦渣、粉煤灰等典型工業廢渣的礦物組分協同激發與調製機理與技術，解決了混凝土早期性能與長期性能的內在需求矛盾，實現了大摻量工業廢渣混凝土的高性能化與工程應用;沈衛國收集、整理了6類工業固廢膠凝材料體系的熱力學常數，通過各反應的熱力學參數計算，分析了工業固廢膠凝體系反應活性和產物的穩定與轉化，奠定了該類固廢膠凝材料的應用基礎。實際應用過程中，輔助膠凝材料領域還存在諸如高活性與體積收縮、高耐久與早期力學性能低、摻合料強度激發與耐久性下降等矛盾，裝配式預製混凝土膠凝材料依然以水泥-礦粉-粉煤灰體系為主，且粉煤灰摻加量通常不超過膠凝材料的15%。毋容置疑，隨著大摻量多元固廢微粉的引入，傳統膠凝材體系的組成、結構和性能發生改變，包括固廢在內的各組分在新膠凝體系中的構效關係和協同作用需要重新審視，對裝配式預製混凝土構件而言，科學評價輔助膠凝材料的性能應從單個品種礦物摻合料反應活性、化學和礦物組成以及強度等轉變到更加關注作為整體的複合膠凝材料系統的膠凝活性、組成-結構-性能關係以及膠凝材料體系與骨料、外加劑等其它組分的協同匹配方面綜合考察，以優化大摻量固廢膠凝體系材料組合。
2. 大摻量固廢骨料一體優化設計
大量的研究表明，含量相同級配不一的骨料配製的混凝土性能不同。骨料級配分布不僅影響新拌混凝土的工作性、硬化混凝土的強度和耐久性能，而且也影響混凝土的成本。歐美國家對骨料級配製定了相應的標準，嚴格要求生產與供應。我國也有相應的標準規範，但是骨料行業嚴重的管理欠缺造成骨料級配千差萬別，給混凝土與水泥製品行業帶來相當大的挑戰。尾礦/廢石與城市建築垃圾經破碎、分選和精細化處理後製得的粒徑、形貌和強度等性能不同的固廢骨料應用於混凝土，考慮到固廢原料來源寬泛、組成複雜，更加需要進行級配優化、合理搭配，以滿足品質優良、性能穩定的使用要求。骨料密實曲線及粒子幹涉是兩大常用的骨料級配理論，均追求顆粒堆積密實度最大化，現有骨料級配計算大多由此發展而來。
北京建築材料科學研究總院結合尾礦/廢石和城市建築垃圾等固廢的礦物特性，通過分析研究固廢骨料-漿體界面的介質成分、結構形態等界面特性。基於顆粒緊密堆積理論和工作性因子理論，結合界面特性優化模型參數，並通過調整多元多尺度固廢顆粒粒級分布，研究了多形態固廢顆粒尺寸與形貌特徵對堆積度的影響，提出了多元多尺度固廢顆粒粗糙度因子、工作性因子以及尺度校正因子三結合的一體優化骨料級配設計方法，並建立了相應的固廢骨料顆粒級配評價模型，可用於指導裝配式PC構件廠大摻量固廢骨料實際應用。李國強、王謙源和夏青等在分形幾何理論基礎上發展了骨料級配設計方法，探討了分形和G-S函數定量評估粗、細集料，推導出通過率、空隙率和比表面積分形計算公式，建立了骨料級配與分維值D的關係, 以及分形體積V、分形孔隙率P與分維值D 的關係，是骨料級配設計理論體系的重要補充，可為大摻量固廢骨料製備裝配式PC構件提供參考。
諸多事例證明，沒有任何一種骨料級配方法可以保證滿足混凝土的一切性能。但是，如同沒有理論指導的實踐是盲目的，脫離了實踐的理論是空洞的一樣，真正適合的固廢骨料級配方法應該結合新常態下骨料與混凝土的性能實際，採取多種方法組合措施，實現包括固(粉料和骨料)、液、氣在內的全物料多相一體優化。
3. 大摻量固廢混凝土配合比設計與優化
有文獻記錄的最早混凝土配合比設計方法由法國工程師Feret在1892年提出。上世紀初葉，Fuller、Abrams、Bolomey、Lyse等探索了骨料級配與質量、水灰比、水泥用量等對混凝土強度的影響與定量化規律，建立了早期混凝土配合比設計的基本方法，後幾經修正、完善，一直被延續使用至今。當前，混凝土與水泥製品行業實現快速發展的同時面臨著來自環境、資源和轉型升級的巨大挑戰，固廢大摻量呼喚混凝土配製技術創新，以適應不斷發展的變化。
早在1985年，加拿大Malhotra團隊研究高體積摻量粉煤灰混凝土，水泥用量100～200kg/m3，粉煤灰用量125～225kg/m3(佔膠凝材料比例50%～60%)，配製出C20～C40混凝土並應用於工程實踐;我國京滬高鐵鑽孔灌注樁C30混凝土，膠材總量340kg/m3，礦物摻合料60%，混凝土性能滿足設計與施工要求，在高速鐵路建設工程中廣泛使用，經濟與社會效益顯著。陳杏婕採用全固廢粗細骨料100%替代天然砂石，製得28天抗壓強度為75.9MPa高強混凝土。太多的實例表明，大摻量固廢可以配製出滿足性能要求的混凝土，對大摻量固廢裝配式PC構件而言，最重要的是創新混凝土配製方法，以適應複雜多變的原材料、智能化的製造工藝和個性化的混凝土性能等要求。通俗來講，混凝土實質上是由不同密度、形貌、尺寸大小、粒徑分布的固相顆粒、液相溶膠和孔隙相互堆砌，在水溶液環境下經化學膠結而成的多相固化體。隨著用於配製的混凝土組成材料種類增多、品質複雜多變、製品性能要求更高，混凝土組成選擇與組份比例的確定需要考慮、兼顧與平衡更多因素、更多變量，因此實際上現代混凝土配製技術難度更大。針對大摻量固廢裝配式預製混凝土配合比的設計，應該結合不同組分與比例的固廢骨料與含固廢膠凝材料協同體系下，水膠比、漿固比、砂率等配合比參數對混凝土拌合物性能、力學性能、耐久性能等影響規律，在普通混凝土配合比設計理論基礎上，針對裝配式預製混凝土性能需要與工藝特點，開展包括固、液、氣在內的全物料多相一體配合比設計與優化，使之既能規模化增值消納固廢，又滿足相應規範標準要求。
(三)大摻量固廢裝配式PC質量控制與環境安全
原材料選擇、配合比設計與施工工藝是影響裝配式PC構件質量的重要因素。與普通PC構件不同，大摻量固廢裝配式PC構件因為大量使用工業固廢與城市建築垃圾，應適當優化包括混凝土攪拌、澆注、振搗和養護等在內的PC製作工藝以適應原材料與配合比變化帶來的影響。李傳習、趙利軍等通過立式、臥式和振動式攪拌等攪拌方式的對比研究，分析振動攪拌過程中物料宏觀對流與微觀擴散原理，揭示了振動攪拌對改善混凝土性能的作用機制;預製混凝土澆注工藝對構件的質量也有重要影響，布料順序、澆築高度及澆築點位置等應根據新拌混凝土性能和試配試製效果確定，以避免構件成品表面色差和質量缺陷;蓬永剛對比分析了插入式、附著式、平板式與平臺式等多種振搗方式對混凝土性能與外觀質量的影響，提出了可供選擇的PC構件澆注振搗參數範圍，一定程度可減少表觀氣泡、增加混凝土密實性、增強預製構件的裝飾效果;蘇揚、劉昊等對比分析了不同養護制度對預製混凝土構件質量的影響，提出採用自動溫控系統蒸汽養護，嚴格控制升降溫的速度及恆溫最高溫度，且同一工程的養護制度一致，蒸養管口布置方式與出汽角度合理，避免蒸汽直吹構件，儘量使蒸汽在構件周圍均勻循環等措施。雖然，固廢大摻量新拌混凝土在內聚力、水化進程與強度形成機理等與普通混凝土存在差異，但包含上述攪拌方式、澆注工藝、振動形式與養護制度等施工工藝為確保大摻量固廢裝配式PC構件質量指明了改進方向，具有一定的借鑑意義。
冶金、能源工業固廢與城市建築垃圾通常含有多種重金屬和有毒物質，甚至有些還具有放射性危害。固廢大摻量裝配式PC構件必定帶來相應的環境安全與評價問題，需要深入研究。近年來，裝配式建築由於其綠色施工、環保等優點得到快速發展，但是此種建築環境影響評價定量化的研究較少。行業對工業固廢與建築垃圾應用中的環境問題關注度高，缺乏指導正確認識的環境安全評價體系。北京建築材料科學研究總院固廢資源化與節能建材國家重點實驗室採取系統模型建立、物質平衡計算、定量分析等手段，圍繞冶金固廢、尾礦和城市建築垃圾等固廢有害物質識別、結合形態進行分析，研究了不同結合形態有害物質在原材料處理、性能提升和生產及服役全程中結合形態的衍變歷程和重金屬離子在水化進程中的固化與溶出機理，確定有害物質在全程中的限量，建立了混凝土及水泥製品行業中重金屬溶出物毒性評價方法、長期安定性試驗方法與環境安全性全過程評價技術體系，為進一步開展固廢大摻量裝配式PC構件環境檢測與評價研究奠定了基礎。
三、大摻量固廢製備的挑戰與對策建議
(一)典型固廢非穩定相消解與大摻量固廢應用活化理論尚未建立
冶金、能源固廢與建築垃圾中含有的非穩定相和活性低組分是固廢難以規模化增值利用的關鍵共性難題。通過開展特定條件消解反應動力學特徵與熱力學邊界條件研究，揭示游離氧化鈣、氧化鎂等非穩定相消解機理和多尺度多固廢協同幹預低活性矽質微粉膠凝活性提升規律，並建立相應理論，為工業固廢與城市建築垃圾規模化增值應用於裝配式PC構件提供技術理論支撐。
(二)大摻量固廢裝配式預製混凝土及構件的性能調控與本構關係不清
裝配式PC構件施工性能、力學性能和耐久性能既取決於各組成材料的結構和性能，同時與材料組成、生產工藝、服役環境及其交互作用密切相關，固廢大摻量預製混凝土構件材料組成、力學特性更加複雜多變，傳統本構關係及性能調控理論能否繼續指導多固廢大摻量條件下複雜組分的混凝土結構與構件，需要通過開展固廢大摻量混凝土構件抗拉、抗彎、抗震和粘結力等性能測試，提出固廢大摻量混凝土預製構件性能優化方法，提出新的微觀結構、本構關係及調控理論，以滿足固廢大摻量裝配式預製構件高性能、低成本綠色發展需要，更好地指導大摻量固廢裝配式PC構件的製備實踐。
(三)大摻量固廢裝配式PC構件環境影響不明
環境安全問題事關生態文明建設，工業固廢與廢棄混凝土通常會含有重金屬汙染物，甚至有些還具有放射性危害，大摻量固廢裝配式PC構件因大量使用多種固廢尤其不能忽視環境安全問題，行業對此要高度關注。密切結合前期研究基礎，進一步釐清固廢大摻量製備裝配式PC構件生產、服役全過程的環境影響，構建環境評價體系，確保預製構件生產與服役環境安全。
四、結語
中國混凝土與水泥製品行業已經進入到創新發展的關鍵時期。圍繞工業與城市建築垃圾等固廢的規模化增值利用，大力發展固廢大摻量綠色裝配式建築是建築與建材行業轉型升級的客觀需求和必然趨勢。作為世界混凝土研發、生產與使用大國，更應積極擁抱而不是迴避行業技術挑戰，力爭在固廢原料精細化預處理、大摻量固廢裝配式PC構件製備與綠色建材環境安全評價等領形成新的理論與技術突破，在世界混凝土科技領域實現新的技術引領。
看完上面的描述，大家有沒有對大摻量固廢製備裝配式建築PC構件現狀與研究進展有了更多了解啊?以上便是大摻量固廢製備裝配式建築PC構件現狀與研究進展的知識分享，希望對大家的工作和學習有所幫助。建築界建築知識頻道分享更多大摻量固廢製備裝配式建築PC構件相關的建築知識給大家，尋找建築之美，探索建築之路，歡迎關注我們~