一、前言

黨的十九大報(bào)告指出，我國(guó)“經(jīng)濟(jì)已由高速增長(zhǎng)階段轉(zhuǎn)向高質(zhì)量發(fā)展階段，正處在轉(zhuǎn)變發(fā)展方式、優(yōu)化經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)、轉(zhuǎn)換增長(zhǎng)動(dòng)力的攻關(guān)期，建設(shè)現(xiàn)代化經(jīng)濟(jì)體系是跨越關(guān)口的迫切要求和我國(guó)發(fā)展的戰(zhàn)略目標(biāo)”。由此可見(jiàn)，長(zhǎng)期依賴(lài)能源、資源的高投入和高消耗形成的粗放外延型經(jīng)濟(jì)發(fā)展模式將難以為繼。推動(dòng)以節(jié)約資源、保護(hù)環(huán)境、產(chǎn)業(yè)協(xié)同和綠色發(fā)展為特征的現(xiàn)代經(jīng)濟(jì)體系高質(zhì)量發(fā)展成為新時(shí)代中國(guó)特色社會(huì)主義建設(shè)的重要內(nèi)容和關(guān)鍵所在。

當(dāng)前，我國(guó)各類(lèi)固廢存量增量巨大、組分日趨復(fù)雜，綜合利用難度大、資源化率低，成為威脅國(guó)民健康和環(huán)境安全的重大隱患。與此同時(shí)，作為最/大宗建筑材料的混凝土與水泥制品行業(yè)正面臨新常態(tài)下天然砂石資源短缺、勞動(dòng)力和環(huán)保成本持續(xù)上升等嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)激烈，迫切需求加速創(chuàng)新與轉(zhuǎn)型升級(jí)以應(yīng)對(duì)不斷發(fā)展的變化。大力發(fā)展裝配式建筑是建筑產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)的最重要發(fā)展方向，潛力巨大。以冶金廢渣、礦山尾礦/廢石與建筑垃圾等典型工業(yè)與城市固廢為處置對(duì)象，開(kāi)展固廢大摻量制備裝配式建筑PC構(gòu)件研究與應(yīng)用，是解決不同行業(yè)協(xié)同發(fā)展難題，實(shí)現(xiàn)工業(yè)與城市固廢規(guī)?；鲋道?，促進(jìn)建材行業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)，邁向綠色與高端發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)途徑，符合建筑綠色化這一國(guó)家重大戰(zhàn)略需求。

二、利用固廢制備裝配式建筑PC構(gòu)件現(xiàn)狀

(一)典型固廢原料預(yù)處理技術(shù)

裝配式PC構(gòu)件技術(shù)水平高，附加值大，對(duì)原材料品質(zhì)要求高。通過(guò)精細(xì)化預(yù)處理提升固廢源頭質(zhì)量是實(shí)現(xiàn)固廢在PC構(gòu)件中規(guī)?；鲋道玫那疤釛l件。

1. 鋼渣預(yù)處理

易磨性差、安定性不良和膠凝活性低是阻礙鋼渣規(guī)?；鲋道弥苽溲b配式PC構(gòu)件的關(guān)鍵因素，行業(yè)聚焦共性難題，開(kāi)展了包括在線重熔調(diào)質(zhì)、轉(zhuǎn)爐造渣處理和鋼渣微粉改性等幾個(gè)方面的預(yù)處理技術(shù)攻關(guān)。

在線重熔調(diào)質(zhì)方面，德國(guó)最/先通過(guò)在氧化氣氛下的液態(tài)鋼渣中添加石英砂，消解了鋼渣中過(guò)量的游離氧化鈣，改善了鋼渣的體積安定性。國(guó)內(nèi)，郭輝利用還原氣氛下添加鈣硅鋁質(zhì)改性劑，實(shí)現(xiàn)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(fā)現(xiàn)鈣質(zhì)調(diào)節(jié)材料可以促進(jìn)重構(gòu)鋼渣中A礦和B礦的形成;中冶建筑研究總院的研究表明，采用還原氣氛下添加鈣質(zhì)調(diào)質(zhì)劑進(jìn)行鋼渣重構(gòu)，對(duì)比原渣微粉，不同齡期膠砂強(qiáng)度提高22%～62%，水化放熱量提高63%，化學(xué)結(jié)合水量提高了5%;北京建筑材料科學(xué)研究總院在分析鋼渣成渣過(guò)程中游離鈣、方鎂石和RO相形成原因基礎(chǔ)上，總結(jié)鈣質(zhì)、硅質(zhì)和鈣鋁硅質(zhì)等不同改性劑對(duì)重構(gòu)鋼渣性能影響的成果經(jīng)驗(yàn)，提出了硅鋁復(fù)合調(diào)質(zhì)方法，并開(kāi)展對(duì)比研究，揭示了不同反應(yīng)條件下重構(gòu)鋼渣礦物的形成、轉(zhuǎn)換與調(diào)控機(jī)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(gòu)預(yù)處理對(duì)提升鋼渣性能成效顯著，但工業(yè)化實(shí)施困難，應(yīng)用進(jìn)展緩慢。

在轉(zhuǎn)爐造渣處理方面，日本住友金屬工業(yè)公司采取蒸汽蒸養(yǎng)處理鋼渣，28天膨脹率降低為1.2%，開(kāi)發(fā)了鋼渣蒸養(yǎng)陳化技術(shù)及裝備，并建立相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范體系。國(guó)內(nèi)，中冶建筑研究總院長(zhǎng)期致力于鋼渣深度安定化理論研究與技術(shù)開(kāi)發(fā)，形成的粒徑、孔道、傳輸可控的有壓熱悶技術(shù)及新型有壓熱悶罐裝置在多家企業(yè)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用效果顯著，預(yù)處理后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(粒度小于20mm的鋼渣含量)>75%，尾渣金屬鐵含量降至1%，關(guān)鍵指標(biāo)優(yōu)于相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和設(shè)計(jì)要求。

針對(duì)鋼渣微粉的改性處理，普遍采取超細(xì)粉磨和膠凝活性活化措施，其中北京工業(yè)大學(xué)王劍鋒基于絡(luò)合增溶原理、同濟(jì)大學(xué)基于基元活化理論可分別提高鋼渣活性10%～15%。鋼渣超細(xì)粉磨有助于提前釋放膨脹應(yīng)力，提高長(zhǎng)期體積穩(wěn)定性，但增加了生產(chǎn)成本。北京建筑材料科學(xué)研究總院通過(guò)對(duì)比改性前后鋼渣微粉水化放熱規(guī)律，揭示了水泥砂漿中鋼渣微粉中非穩(wěn)定相消解反應(yīng)與破壞機(jī)制，分析安定性不良的原因，提出了非穩(wěn)定相延時(shí)消解控制方法，實(shí)現(xiàn)了膠凝體系中，鋼渣微粉摻量30%時(shí)，混凝土制品安定性合格，長(zhǎng)期體積穩(wěn)定。

2. 鐵尾礦/廢石預(yù)處理

鐵尾礦/廢石排量大，占全部尾礦堆存總量的30%以上。相比其他大宗工業(yè)固廢，鐵尾礦/廢石具有良好的力學(xué)性能和穩(wěn)定性能，資源化利用于建材領(lǐng)域替代天然砂石骨料，具有很大的發(fā)展空間。

早在前蘇聯(lián)時(shí)期，別爾戈羅德建筑材料工業(yè)學(xué)院就開(kāi)展了利用庫(kù)爾斯克地區(qū)采石場(chǎng)的尾礦/廢石生產(chǎn)混凝土骨料的研究與應(yīng)用工作，取得顯著的經(jīng)濟(jì)與環(huán)境效益。近年來(lái)，北京建筑材料研究總院基于河北地區(qū)鐵尾礦固廢資源優(yōu)勢(shì)，開(kāi)展大摻量鐵尾礦/廢石骨料替代天然砂石制備混凝土的研究、成果轉(zhuǎn)化與推廣應(yīng)用，已累計(jì)利用尾礦/廢石達(dá)數(shù)億方，產(chǎn)生了巨大的經(jīng)濟(jì)效益，同時(shí)積極引導(dǎo)、推動(dòng)《北京地區(qū)預(yù)拌混凝土綠色生產(chǎn)管理規(guī)程》、《京津冀及周邊地區(qū)工業(yè)資源綜合利用產(chǎn)業(yè)協(xié)同發(fā)展行動(dòng)計(jì)劃》和《國(guó)務(wù)院辦公廳關(guān)于促進(jìn)建材工業(yè)穩(wěn)增長(zhǎng)調(diào)結(jié)構(gòu)增效益的指導(dǎo)意見(jiàn)》等相關(guān)文件的頒布實(shí)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(chǎn)品，資源化利用制備建材骨料需進(jìn)行預(yù)處理。現(xiàn)階段我國(guó)利用尾礦制備砂石行業(yè)整體準(zhǔn)入門(mén)檻低，生產(chǎn)工藝落后、效率低、能耗大，產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)體系與監(jiān)管制度未建立，不規(guī)范經(jīng)營(yíng)普遍存在，產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)和質(zhì)量嚴(yán)重滯后，導(dǎo)致利廢產(chǎn)品難以進(jìn)入主流市場(chǎng)，以裝配式PC構(gòu)件為代表的高端建材產(chǎn)品仍以天然砂石骨料為主。現(xiàn)代混凝土與水泥制品往往集結(jié)構(gòu)、裝飾、保溫、自密實(shí)和高流態(tài)等多種功能于一體，實(shí)際上對(duì)原材料品質(zhì)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(zhì)量主要受破碎、篩分、分選及輔助設(shè)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(jí)配、雜質(zhì)與泥粉含量和生產(chǎn)效率，確保質(zhì)量。行業(yè)普遍認(rèn)為，強(qiáng)化以源頭品質(zhì)提升為導(dǎo)向的預(yù)處理技術(shù)開(kāi)發(fā)，是實(shí)現(xiàn)尾礦/廢石規(guī)模高值利用，應(yīng)對(duì)國(guó)內(nèi)天然砂石資源巨大缺口的關(guān)鍵舉措。當(dāng)前，隨著各種預(yù)處理工藝的改進(jìn)、完善和技術(shù)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(yù)處理技術(shù)應(yīng)從促進(jìn)清潔生產(chǎn)和提高產(chǎn)能，轉(zhuǎn)變到更加關(guān)注固廢骨料自身性能的提升，以不斷助推高端應(yīng)用。近年來(lái)，北京建筑材料科學(xué)研究總院圍繞傳統(tǒng)破碎、篩分和分選等固廢骨料制作工藝，就尾礦/廢石骨料粒形、粒徑、級(jí)配和表面紋理等開(kāi)展了固廢骨料材性再造精細(xì)化預(yù)處理研究，以不斷滿(mǎn)足PC構(gòu)件廠對(duì)高品質(zhì)固廢骨料的需求。

3. 建筑垃圾預(yù)處理

我國(guó)建筑垃圾年排放量約200億噸，利用率不到8%。從2019年1月起，《上海市建筑廢棄混凝土回收利用管理辦法》正式實(shí)施，該辦法規(guī)定C25及以下強(qiáng)度等級(jí)混凝土再生骨料對(duì)同類(lèi)材料的取代率不得低于15%，交通基礎(chǔ)設(shè)施及大中修工程，再生骨(粉)料對(duì)同類(lèi)材料的取代率不得低于30%。放眼全國(guó)，從建筑綠色發(fā)展要求來(lái)看，上海強(qiáng)制使用建筑垃圾具有風(fēng)向標(biāo)作用，相信其他省市將會(huì)陸續(xù)出臺(tái)相關(guān)文件，建筑垃圾再利用產(chǎn)業(yè)迎來(lái)新機(jī)遇。建筑垃圾預(yù)處理是廢棄混凝土制備再生骨(粉)料的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，對(duì)提升再生骨(粉)料品質(zhì)、促進(jìn)其規(guī)?；鲋道镁哂兄匾绊憽?/span>

當(dāng)前，常見(jiàn)的破碎與分選措施，能基本實(shí)現(xiàn)建筑垃圾的分級(jí)處理，但微粉去除、磚混分離和水泥包漿剝離等有難度，使預(yù)處理往往不徹底，制備的再生骨(粉)料使用途徑受限，主要以低摻量、低附加值的中、低強(qiáng)度等級(jí)混凝土和建筑附屬工程使用為主，裝配式建筑PC構(gòu)件中尚未見(jiàn)使用報(bào)道。因此，加強(qiáng)技術(shù)與設(shè)備開(kāi)發(fā)，采取包括再生骨料整形強(qiáng)化、再生微粉改性和組分精準(zhǔn)分離等在內(nèi)的更先進(jìn)預(yù)處理措施，得到更高品質(zhì)產(chǎn)品，以拓寬再生骨(粉)料在更多建筑領(lǐng)域的應(yīng)用。再生骨料整形強(qiáng)化包括微粉去除和骨料整形，采用濕式洗砂法去除微粉，需要配套水循環(huán)系統(tǒng)，相對(duì)投資高、占地大，基于氣力分級(jí)與振動(dòng)風(fēng)篩的干式處理法在國(guó)內(nèi)外已有成功應(yīng)用實(shí)例，是再生骨料微粉去除工藝與裝備的發(fā)展趨勢(shì)。

再生骨料強(qiáng)化有化學(xué)和物理兩種方法，化學(xué)方法通常利用酸液實(shí)現(xiàn)骨料強(qiáng)化，處理成本過(guò)高，同時(shí)存在二次污染風(fēng)險(xiǎn)，尚不具備工業(yè)化應(yīng)用條件，目前應(yīng)用較廣泛的是物理強(qiáng)化，使用機(jī)械設(shè)備手段，通過(guò)立式?jīng)_擊、臥式回轉(zhuǎn)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棱角，使骨料得到強(qiáng)化。孫增昌、張學(xué)兵和羅素蓉等對(duì)再生骨料開(kāi)展了不同形式的強(qiáng)化改性后，骨料物理性能更趨合理，再生混凝土的綜合性能得到提升。北京建筑材料研究總院的研究表明，再生微粉特殊的孔隙結(jié)構(gòu)為混凝土提供了內(nèi)養(yǎng)護(hù)條件，通過(guò)納米材料對(duì)再生微粉改性可以極大提升再生混凝土施工性能、力學(xué)性能和耐久性能。磚混結(jié)構(gòu)是我國(guó)最為常見(jiàn)的建筑物結(jié)構(gòu)形式，建筑垃圾中磚、瓦與廢棄混凝土混雜，常規(guī)方法難以實(shí)現(xiàn)有效分離，結(jié)合磚、瓦與廢棄混凝土在比重、顏色、強(qiáng)度等方面的性能差異實(shí)現(xiàn)組分精準(zhǔn)分離代表了建筑垃圾預(yù)處理技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)。

(二)大摻量固廢混凝土制備

1. 大摻量固廢膠凝體系

輔助膠凝材料是現(xiàn)代混凝土不可或缺的重要組分，與水泥一起組成復(fù)合膠凝體系。隨著混凝土技術(shù)的發(fā)展，輔助膠凝材料已不局限于礦粉、粉煤灰和硅灰等種類(lèi)，包括鋼渣粉、石粉和再生微粉等在內(nèi)的大多數(shù)工業(yè)固廢與城市建筑垃圾化學(xué)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(lái)越普遍資源化應(yīng)用于膠凝材料系統(tǒng)，既大量消納固廢、節(jié)省水泥、保護(hù)環(huán)境，同時(shí)也可適當(dāng)改善混凝土的性能。近年來(lái)，圍繞大摻量輔助膠凝材料開(kāi)展了大量的研究，朱艷芳研究了大摻量粉煤灰膠凝體系的抗碳化性能，結(jié)果表明60%水泥被替代時(shí)仍可得到抗碳化性能較好的混凝土;崔孝煒針對(duì)鋼渣礦渣基全固廢膠凝材料的化學(xué)活化和水化反應(yīng)機(jī)理進(jìn)行研究，結(jié)果表明適量的激發(fā)劑能夠促進(jìn)膠凝材料水化反應(yīng)的進(jìn)行，水化時(shí)兩種礦物表現(xiàn)出協(xié)同促進(jìn)作用，針棒狀的AFt晶體穿插于C-S-H凝膠中使硬化漿體的結(jié)構(gòu)更加致密，混凝土穩(wěn)定性提高;王強(qiáng)認(rèn)為大摻量鋼渣復(fù)合膠凝材料早期水化活性低，大顆粒鋼渣與水泥水化產(chǎn)物間的結(jié)合并不緊密，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(yè)廢渣的礦物組分協(xié)同激發(fā)與調(diào)制機(jī)理與技術(shù)，解決了混凝土早期性能與長(zhǎng)期性能的內(nèi)在需求矛盾，實(shí)現(xiàn)了大摻量工業(yè)廢渣混凝土的高性能化與工程應(yīng)用;沈衛(wèi)國(guó)收集、整理了6類(lèi)工業(yè)固廢膠凝材料體系的熱力學(xué)常數(shù)，通過(guò)各反應(yīng)的熱力學(xué)參數(shù)計(jì)算，分析了工業(yè)固廢膠凝體系反應(yīng)活性和產(chǎn)物的穩(wěn)定與轉(zhuǎn)化，奠定了該類(lèi)固廢膠凝材料的應(yīng)用基礎(chǔ)。實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，輔助膠凝材料領(lǐng)域還存在諸如高活性與體積收縮、高耐久與早期力學(xué)性能低、摻合料強(qiáng)度激發(fā)與耐久性下降等矛盾，裝配式預(yù)制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(guò)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(tǒng)膠凝材體系的組成、結(jié)構(gòu)和性能發(fā)生改變，包括固廢在內(nèi)的各組分在新膠凝體系中的構(gòu)效關(guān)系和協(xié)同作用需要重新審視，對(duì)裝配式預(yù)制混凝土構(gòu)件而言，科學(xué)評(píng)價(jià)輔助膠凝材料的性能應(yīng)從單個(gè)品種礦物摻合料反應(yīng)活性、化學(xué)和礦物組成以及強(qiáng)度等轉(zhuǎn)變到更加關(guān)注作為整體的復(fù)合膠凝材料系統(tǒng)的膠凝活性、組成-結(jié)構(gòu)-性能關(guān)系以及膠凝材料體系與骨料、外加劑等其它組分的協(xié)同匹配方面綜合考察，以?xún)?yōu)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(yōu)化設(shè)計(jì)

大量的研究表明，含量相同級(jí)配不一的骨料配制的混凝土性能不同。骨料級(jí)配分布不僅影響新拌混凝土的工作性、硬化混凝土的強(qiáng)度和耐久性能，而且也影響混凝土的成本。歐美國(guó)家對(duì)骨料級(jí)配制定了相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)，嚴(yán)格要求生產(chǎn)與供應(yīng)。我國(guó)也有相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，但是骨料行業(yè)嚴(yán)重的管理欠缺造成骨料級(jí)配千差萬(wàn)別，給混凝土與水泥制品行業(yè)帶來(lái)相當(dāng)大的挑戰(zhàn)。尾礦/廢石與城市建筑垃圾經(jīng)破碎、分選和精細(xì)化處理后制得的粒徑、形貌和強(qiáng)度等性能不同的固廢骨料應(yīng)用于混凝土，考慮到固廢原料來(lái)源寬泛、組成復(fù)雜，更加需要進(jìn)行級(jí)配優(yōu)化、合理搭配，以滿(mǎn)足品質(zhì)優(yōu)良、性能穩(wěn)定的使用要求。骨料密實(shí)曲線及粒子干涉是兩大常用的骨料級(jí)配理論，均追求顆粒堆積密實(shí)度最/大化，現(xiàn)有骨料級(jí)配計(jì)算大多由此發(fā)展而來(lái)。

北京建筑材料科學(xué)研究總院結(jié)合尾礦/廢石和城市建筑垃圾等固廢的礦物特性，通過(guò)分析研究固廢骨料-漿體界面的介質(zhì)成分、結(jié)構(gòu)形態(tài)等界面特性?；陬w粒緊密堆積理論和工作性因子理論，結(jié)合界面特性?xún)?yōu)化模型參數(shù)，并通過(guò)調(diào)整多元多尺度固廢顆粒粒級(jí)分布，研究了多形態(tài)固廢顆粒尺寸與形貌特征對(duì)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(jié)合的一體優(yōu)化骨料級(jí)配設(shè)計(jì)方法，并建立了相應(yīng)的固廢骨料顆粒級(jí)配評(píng)價(jià)模型，可用于指導(dǎo)裝配式PC構(gòu)件廠大摻量固廢骨料實(shí)際應(yīng)用。李國(guó)強(qiáng)、王謙源和夏青等在分形幾何理論基礎(chǔ)上發(fā)展了骨料級(jí)配設(shè)計(jì)方法，探討了分形和G-S函數(shù)定量評(píng)估粗、細(xì)集料，推導(dǎo)出通過(guò)率、空隙率和比表面積分形計(jì)算公式，建立了骨料級(jí)配與分維值D的關(guān)系, 以及分形體積V、分形孔隙率P與分維值D 的關(guān)系，是骨料級(jí)配設(shè)計(jì)理論體系的重要補(bǔ)充，可為大摻量固廢骨料制備裝配式PC構(gòu)件提供參考。

諸多事例證明，沒(méi)有任何一種骨料級(jí)配方法可以保證滿(mǎn)足混凝土的一切性能。但是，如同沒(méi)有理論指導(dǎo)的實(shí)踐是盲目的，脫離了實(shí)踐的理論是空洞的一樣，真正適合的固廢骨料級(jí)配方法應(yīng)該結(jié)合新常態(tài)下骨料與混凝土的性能實(shí)際，采取多種方法組合措施，實(shí)現(xiàn)包括固(粉料和骨料)、液、氣在內(nèi)的全物料多相一體優(yōu)化。

3. 大摻量固廢混凝土配合比設(shè)計(jì)與優(yōu)化

有文獻(xiàn)記錄的最早混凝土配合比設(shè)計(jì)方法由法國(guó)工程師Feret在1892年提出。上世紀(jì)初葉，F(xiàn)uller、Abrams、Bolomey、Lyse等探索了骨料級(jí)配與質(zhì)量、水灰比、水泥用量等對(duì)混凝土強(qiáng)度的影響與定量化規(guī)律，建立了早期混凝土配合比設(shè)計(jì)的基本方法，后幾經(jīng)修正、完善，一直被延續(xù)使用至今。當(dāng)前，混凝土與水泥制品行業(yè)實(shí)現(xiàn)快速發(fā)展的同時(shí)面臨著來(lái)自環(huán)境、資源和轉(zhuǎn)型升級(jí)的巨大挑戰(zhàn)，固廢大摻量呼喚混凝土配制技術(shù)創(chuàng)新，以適應(yīng)不斷發(fā)展的變化。

早在1985年，加拿大Malhotra團(tuán)隊(duì)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(占膠凝材料比例50%～60%)，配制出C20～C40混凝土并應(yīng)用于工程實(shí)踐;我國(guó)京滬高鐵鉆孔灌注樁C30混凝土，膠材總量340kg/m3，礦物摻合料60%，混凝土性能滿(mǎn)足設(shè)計(jì)與施工要求，在高速鐵路建設(shè)工程中廣泛使用，經(jīng)濟(jì)與社會(huì)效益顯著。陳杏婕采用全固廢粗細(xì)骨料100%替代天然砂石，制得28天抗壓強(qiáng)度為75.9MPa高強(qiáng)混凝土。太多的實(shí)例表明，大摻量固廢可以配制出滿(mǎn)足性能要求的混凝土，對(duì)大摻量固廢裝配式PC構(gòu)件而言，最重要的是創(chuàng)新混凝土配制方法，以適應(yīng)復(fù)雜多變的原材料、智能化的制造工藝和個(gè)性化的混凝土性能等要求。通俗來(lái)講，混凝土實(shí)質(zhì)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(huán)境下經(jīng)化學(xué)膠結(jié)而成的多相固化體。隨著用于配制的混凝土組成材料種類(lèi)增多、品質(zhì)復(fù)雜多變、制品性能要求更高，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(shí)際上現(xiàn)代混凝土配制技術(shù)難度更大。針對(duì)大摻量固廢裝配式預(yù)制混凝土配合比的設(shè)計(jì)，應(yīng)該結(jié)合不同組分與比例的固廢骨料與含固廢膠凝材料協(xié)同體系下，水膠比、漿固比、砂率等配合比參數(shù)對(duì)混凝土拌合物性能、力學(xué)性能、耐久性能等影響規(guī)律，在普通混凝土配合比設(shè)計(jì)理論基礎(chǔ)上，針對(duì)裝配式預(yù)制混凝土性能需要與工藝特點(diǎn)，開(kāi)展包括固、液、氣在內(nèi)的全物料多相一體配合比設(shè)計(jì)與優(yōu)化，使之既能規(guī)?；鲋迪{固廢，又滿(mǎn)足相應(yīng)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)要求。

(三)大摻量固廢裝配式PC質(zhì)量控制與環(huán)境安全

原材料選擇、配合比設(shè)計(jì)與施工工藝是影響裝配式PC構(gòu)件質(zhì)量的重要因素。與普通PC構(gòu)件不同，大摻量固廢裝配式PC構(gòu)件因?yàn)榇罅渴褂霉I(yè)固廢與城市建筑垃圾，應(yīng)適當(dāng)優(yōu)化包括混凝土攪拌、澆注、振搗和養(yǎng)護(hù)等在內(nèi)的PC制作工藝以適應(yīng)原材料與配合比變化帶來(lái)的影響。李傳習(xí)、趙利軍等通過(guò)立式、臥式和振動(dòng)式攪拌等攪拌方式的對(duì)比研究，分析振動(dòng)攪拌過(guò)程中物料宏觀對(duì)流與微觀擴(kuò)散原理，揭示了振動(dòng)攪拌對(duì)改善混凝土性能的作用機(jī)制;預(yù)制混凝土澆注工藝對(duì)構(gòu)件的質(zhì)量也有重要影響，布料順序、澆筑高度及澆筑點(diǎn)位置等應(yīng)根據(jù)新拌混凝土性能和試配試制效果確定，以避免構(gòu)件成品表面色差和質(zhì)量缺陷;蓬永剛對(duì)比分析了插入式、附著式、平板式與平臺(tái)式等多種振搗方式對(duì)混凝土性能與外觀質(zhì)量的影響，提出了可供選擇的PC構(gòu)件澆注振搗參數(shù)范圍，一定程度可減少表觀氣泡、增加混凝土密實(shí)性、增強(qiáng)預(yù)制構(gòu)件的裝飾效果;蘇揚(yáng)、劉昊等對(duì)比分析了不同養(yǎng)護(hù)制度對(duì)預(yù)制混凝土構(gòu)件質(zhì)量的影響，提出采用自動(dòng)溫控系統(tǒng)蒸汽養(yǎng)護(hù)，嚴(yán)格控制升降溫的速度及恒溫最/高溫度，且同一工程的養(yǎng)護(hù)制度一致，蒸養(yǎng)管口布置方式與出汽角度合理，避免蒸汽直吹構(gòu)件，盡量使蒸汽在構(gòu)件周?chē)鶆蜓h(huán)等措施。雖然，固廢大摻量新拌混凝土在內(nèi)聚力、水化進(jìn)程與強(qiáng)度形成機(jī)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(dòng)形式與養(yǎng)護(hù)制度等施工工藝為確保大摻量固廢裝配式PC構(gòu)件質(zhì)量指明了改進(jìn)方向，具有一定的借鑒意義。

冶金、能源工業(yè)固廢與城市建筑垃圾通常含有多種重金屬和有毒物質(zhì)，甚至有些還具有放射性危害。固廢大摻量裝配式PC構(gòu)件必定帶來(lái)相應(yīng)的環(huán)境安全與評(píng)價(jià)問(wèn)題，需要深入研究。近年來(lái)，裝配式建筑由于其綠色施工、環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)得到快速發(fā)展，但是此種建筑環(huán)境影響評(píng)價(jià)定量化的研究較少。行業(yè)對(duì)工業(yè)固廢與建筑垃圾應(yīng)用中的環(huán)境問(wèn)題關(guān)注度高，缺乏指導(dǎo)正確認(rèn)識(shí)的環(huán)境安全評(píng)價(jià)體系。北京建筑材料科學(xué)研究總院固廢資源化與節(jié)能建材國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室采取系統(tǒng)模型建立、物質(zhì)平衡計(jì)算、定量分析等手段，圍繞冶金固廢、尾礦和城市建筑垃圾等固廢有害物質(zhì)識(shí)別、結(jié)合形態(tài)進(jìn)行分析，研究了不同結(jié)合形態(tài)有害物質(zhì)在原材料處理、性能提升和生產(chǎn)及服役全程中結(jié)合形態(tài)的衍變歷程和重金屬離子在水化進(jìn)程中的固化與溶出機(jī)理，確定有害物質(zhì)在全程中的限量，建立了混凝土及水泥制品行業(yè)中重金屬溶出物毒性評(píng)價(jià)方法、長(zhǎng)期安定性試驗(yàn)方法與環(huán)境安全性全過(guò)程評(píng)價(jià)技術(shù)體系，為進(jìn)一步開(kāi)展固廢大摻量裝配式PC構(gòu)件環(huán)境檢測(cè)與評(píng)價(jià)研究奠定了基礎(chǔ)。

三、大摻量固廢制備的挑戰(zhàn)與對(duì)策建議

(一)典型固廢非穩(wěn)定相消解與大摻量固廢應(yīng)用活化理論尚未建立

冶金、能源固廢與建筑垃圾中含有的非穩(wěn)定相和活性低組分是固廢難以規(guī)?；鲋道玫年P(guān)鍵共性難題。通過(guò)開(kāi)展特定條件消解反應(yīng)動(dòng)力學(xué)特征與熱力學(xué)邊界條件研究，揭示游離氧化鈣、氧化鎂等非穩(wěn)定相消解機(jī)理和多尺度多固廢協(xié)同干預(yù)低活性硅質(zhì)微粉膠凝活性提升規(guī)律，并建立相應(yīng)理論，為工業(yè)固廢與城市建筑垃圾規(guī)模化增值應(yīng)用于裝配式PC構(gòu)件提供技術(shù)理論支撐。

(二)大摻量固廢裝配式預(yù)制混凝土及構(gòu)件的性能調(diào)控與本構(gòu)關(guān)系不清

裝配式PC構(gòu)件施工性能、力學(xué)性能和耐久性能既取決于各組成材料的結(jié)構(gòu)和性能，同時(shí)與材料組成、生產(chǎn)工藝、服役環(huán)境及其交互作用密切相關(guān)，固廢大摻量預(yù)制混凝土構(gòu)件材料組成、力學(xué)特性更加復(fù)雜多變，傳統(tǒng)本構(gòu)關(guān)系及性能調(diào)控理論能否繼續(xù)指導(dǎo)多固廢大摻量條件下復(fù)雜組分的混凝土結(jié)構(gòu)與構(gòu)件，需要通過(guò)開(kāi)展固廢大摻量混凝土構(gòu)件抗拉、抗彎、抗震和粘結(jié)力等性能測(cè)試，提出固廢大摻量混凝土預(yù)制構(gòu)件性能優(yōu)化方法，提出新的微觀結(jié)構(gòu)、本構(gòu)關(guān)系及調(diào)控理論，以滿(mǎn)足固廢大摻量裝配式預(yù)制構(gòu)件高性能、低成本綠色發(fā)展需要，更好地指導(dǎo)大摻量固廢裝配式PC構(gòu)件的制備實(shí)踐。

(三)大摻量固廢裝配式PC構(gòu)件環(huán)境影響不明

環(huán)境安全問(wèn)題事關(guān)生態(tài)文明建設(shè)，工業(yè)固廢與廢棄混凝土通常會(huì)含有重金屬污染物，甚至有些還具有放射性危害，大摻量固廢裝配式PC構(gòu)件因大量使用多種固廢尤其不能忽視環(huán)境安全問(wèn)題，行業(yè)對(duì)此要高度關(guān)注。密切結(jié)合前期研究基礎(chǔ)，進(jìn)一步厘清固廢大摻量制備裝配式PC構(gòu)件生產(chǎn)、服役全過(guò)程的環(huán)境影響，構(gòu)建環(huán)境評(píng)價(jià)體系，確保預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)與服役環(huán)境安全。

四、結(jié)語(yǔ)

中國(guó)混凝土與水泥制品行業(yè)已經(jīng)進(jìn)入到創(chuàng)新發(fā)展的關(guān)鍵時(shí)期。圍繞工業(yè)與城市建筑垃圾等固廢的規(guī)?；鲋道茫罅Πl(fā)展固廢大摻量綠色裝配式建筑是建筑與建材行業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)的客觀需求和必然趨勢(shì)。作為世界混凝土研發(fā)、生產(chǎn)與使用大國(guó)，更應(yīng)積極擁抱而不是回避行業(yè)技術(shù)挑戰(zhàn)，力爭(zhēng)在固廢原料精細(xì)化預(yù)處理、大摻量固廢裝配式PC構(gòu)件制備與綠色建材環(huán)境安全評(píng)價(jià)等領(lǐng)形成新的理論與技術(shù)突破，在世界混凝土科技領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)新的技術(shù)引領(lǐng)。