如何将建筑垃圾变成“宝贝”给废旧沥青“补钙”

来源:北京日报客户端

原标题:如何把建筑垃圾变成“宝贝”？给废沥青“补钙”

千变万化的城市，每时每刻都在变化。

工地上，隆隆的机器正在塑造高楼大厦；施工路面上，深色沥青铺就了四通八达的新交通地图；在冶炼车间里，粗糙的矿物被改造成一堵铜墙铁壁来建造一座城市。

伴随着新的变化，各种固体废弃物迅速增长。

如何把这些垃圾变“宝”，北京建筑大学土木与交通工程学院院长研究了30多年。

多少努力，就有多少收获。她的科技成果曾获国家科技进步二等奖、教育部科技进步一等奖、北京市科技进步一等奖。近日，北京市委宣传部、北京市科协等部门首次联合开展北京市最美科技工作者学习宣传活动，季当选2021年北京市“最美科技工作者”。

让更多无用之物物尽其用，四季不停走。

当季和同事讨论建筑垃圾的再利用。

给废沥青“补钙”

1988年，国务院政府工作报告提出，必须加快发展交通运输。1992年，交通部批准“五纵七横”国家干线规划，总里程3.5万公里。

从此，中国的道路建设按下了快进键。

四通八达的交通网络把人的脚步带得很远，人的寿命也在风吹日晒岁月中不断流失。不同等级的道路寿命不同。一般来说，最高等级高速公路的使用寿命为12至15年。

2000年前后，我国第一批投入使用的高速公路迎来大修。道路大修时，要先把原来的路面连根拔起，然后重新铺上新的材料——产生大量的废旧沥青混合料。传统的方式是将这些死去的垃圾掩埋，但是填埋的弊端逐渐显现:一方面，可供填埋的空房间较少；另一方面，直接填埋可能导致土壤和水环境的污染。

当时在同济大学读博士的时候，对废旧道路材料的回收利用比较敏感。当时业内也有回收这些废料的尝试，但成本非常昂贵，国外使用的进口再生剂价格每吨5万多元；对于中国每年产生的数百万吨废旧沥青混合料来说，这样的价格显然让回收之路相当艰难。

“中国的问题，我们当然可以用自己的方式解决。”季节默默许下誓言。

她从树根开始。沥青为什么会“生老病死”？风一吹，车辆侧翻，沥青的哪些性质发生了变化？季做了一个通俗的比喻，她把沥青材料的老化过程比作人的老化过程。“人老了，钙会流失，骨折的风险会增加；而紫外线照射等各种因素也会导致沥青中的芳香酚不断流失。没有这种成分，沥青会变得又硬又脆，容易开裂，路面最怕开裂。”

治疗原则不难:对症下药，补齐缺失。“人们可以提前服用钙片来预防缺钙，沥青也可以提前补充‘再生剂’来恢复其性能。”

难的是怎么补。沥青应该老化到什么程度才能使用再生剂？再生剂中芳香酚物质的最佳比例是多少？如何确定再生剂的用量？

博士五年间，为了找到这些问题的答案，我孜孜不倦地奔波于工地和实验室之间。

在确定再生剂配方时，当季需要解决的一个大问题是再生剂与老化沥青的相容性。“就像我们在做拿铁的时候，肯定希望牛奶和咖啡能完美融合在一起；再生剂只有与老化沥青相容，才能最大限度地发挥作用。”它们是否相容取决于主要成分芳香酚和不同辅料的组合。因此，调味不仅要选择最合适的添加剂种类，还要确定不同添加剂的最佳配比。

“这个实验的量很大。五年了，医生也没干别的，都拿来做实验了。”季节解释，实验不仅量大，而且过程特别复杂:首先要从施工现场取回路面，将混合料燃烧后提取，才能得到实验用的老化沥青。这个过程大约需要两天。接下来，她将为老化的沥青设置不同的实验条件，观察加入再生剂后沥青的各项指标。“这是一个试错的过程。一个实验最多要重复几百次。”

沥青老化程度的不同决定了再生剂的用量。骨密度测试可以判断钙流失的程度，如何判断沥青老化？季节性地，创新性地提出了一套分类体系。通过粘度、针入度、延度等综合指标来“感受”沥青，分为轻度、中度、重度等不同老化程度。通过使用不同的配方，它可以重获青春容颜。

然而，实验室的成功并不是终点。从实验室到实际落地还有很长的路要走。

“真正用在路上的时候，我们不可能先把沥青提炼出来再加工。相反，我们用再生剂喷洒沥青和砾石混合的混合物，然后将其与新的铺路材料混合。”新老材料的混合比例是当季的新问题:既要最大限度地利用原有的废弃混合料，又不能影响新老混合料的性能。于是，新一轮的实验开始了。最终，当季实现了废旧沥青混合料配合比高达45%以上的技术突破。这样，每吨用于铺路的材料，可以在原来成本的基础上节省10到15元。

这一成果已在京沈高速辅路大修工程、河北前曹线大修工程等10多个项目中成功应用，并逐步推广到全国10个省市的国家级、省级重点工程和境外道路工程，累计创造经济效益近2亿元。该技术的推广应用不仅节约了成本，而且有效减少了北京及周边地区天然石材资源的开采，对改善城市生态环境、减少大气污染起到了推动作用。

值得一提的是，该季不仅将废旧沥青变废为宝，还使其“美”的过程更加绿色环保，这得益于其团队研发的温拌再生沥青技术。

一般来说，沥青只能在150℃到160℃的温度下流动，它可以与砂石混合，形成铺路材料的混合料。这个过程需要消耗大量的能量。国际上一般采用温拌技术，即通过添加额外材料使沥青混合料温度降低后才能流动，以节省能量损失。

此前，行业面临诸多挑战，如温拌剂种类繁多、作用机理不清、温拌效果不佳等。季带领团队研发了三大系列温拌沥青材料:乳化沥青、有机蜡、废塑料。实践表明，这些材料可降低施工温度30℃以上，从而减少二氧化碳排放30%以上，节能40%以上，打破了国外产品垄断中国市场的局面。

2019年夏季，建筑垃圾处理设备当季现场调研。

发现残留物的潜在价值。

煤被称为“黑金”。在适当的压力、温度、催化剂和氢气的作用下，“黑金”变成流动的液体燃料，经过多次反应，变成各种石油产品，体现了现代工业发展的“血液”。

作为煤制油技术的代表，煤直接液化技术是优化我国能源结构的有效途径之一。目前世界上只有中国拥有商业化生产线，年产100万吨油品。但不可避免的是，这个过程每年会带来70万吨左右的煤炭液化残渣。

目前，人们对煤直接液化残渣的基础应用研究非常有限。实际上，渣油中含有大量的沥青质、前沥青质等沥青物质，具有用作道路沥青改性剂的独特条件。早在十多年前，季节性就关注到残渣的利用潜力，并开始带领团队进行技术攻关。

博士二年级的汪哲是团队成员之一。从他读硕士生开始，他就一直在随着季节在探索这个领域。他介绍，行业内通常用针入度、延度、软化点来判断沥青的性能:针入度反映沥青的硬度和稠度，数值越小，沥青越硬；延度越大，沥青的可塑性越好；软化点与温度有关。软化点越高，沥青的温度稳定性越好，意味着沥青的耐热性越好。

“既要观察沥青加入残渣后的性能变化，也要观察沥青加入残渣与砂石混合后的性能变化，确定最佳掺量。”汪哲说。

实验发现，掺入残渣后沥青的软化点提高，这在沥青混合料中有所体现，混合料的高温性能大大提高。“如果高温性能不好，路面在温度升高时会变软，车辆经过时更容易留下车辙；这一功能的升级意味着新混合料具有更强的抗车辙能力。”但相反，掺入残渣后的沥青延度并没有明显改善，甚至有所下降，直接影响了混合料的低温抗裂性。

如何在优劣之间找到最佳平衡点，让高低温性能协同优化，团队成员可谓费尽心思。“实验涉及的因素很多，比如残渣的量，在残渣中加入沥青后的反应时间和温度等。，这些都对最终的实验结果有影响。”汪哲说，有时实验结果与预期相反，所以有必要从头再来。周会上，分析原因，调整计划，是当季和同学们的主要话题。

幸运的是，经过反复试验，改性沥青低温脆性大、改性沥青混合料高低温性能相互制约等“卡脖子”问题最终一一得到解决。近年来，这一成果已在北京、宁夏、重庆、内蒙古、山东等10个省、市、自治区近500公里的公路工程中得到应用。据估计，新混合料可减少车辙50%以上，延长使用寿命40%以上。

团队对煤直接液化残渣的利用并没有止步于此。残渣用作沥青改进剂，其用量仅为沥青的十分之一左右。对于巨大残渣的产生，这种消耗速度并不“解渴”。

残渣的用途可以扩大吗？目前季队有了新的思路:用残渣代替沥青混合料中的细集料。汪哲解释说，除了沥青，各种不同厚度的集料混合在沥青混合料中，用于铺设路面。"煤直接液化残渣本身是煤加工的产物，具有先天的条件和潜力."至于残渣作为细集料“出现”对整个混合料性能的影响，实验还在紧锣密鼓地进行。

沥青，有毒有气味，是普通人避之不及的有害物质，但是四季对它的感受不一样。在她看来，两者是相互成就的:她研究沥青，发现它独特的美，唤醒它潜在的价值；而沥青也让她不断发现自己职业的魅力，给了她施展才华的舞台。

在工地上写论文。

无论是道路废料还是煤炭直接液化残渣，都是固体废弃物的一小部分。季节的视野更远更广。因此，更多种类垃圾的再利用进入了她的研究范围。

2019年6月，盛夏的北京，暑气渐浓。在阳光最热的日子里，在朝阳、海淀、延庆、房山，不时有一个瘦弱的女性身影跳跃...在各大建筑工地上——季老师正带着她的学生们试图摸清他们家对城市建筑垃圾的处理情况，为下一步建筑垃圾的处理提供参考。

据不完全统计，目前我国建筑垃圾存量高达200多亿吨，并且每年还在快速增长。在季节看来，这些建筑垃圾是城市建设的瑰宝。她给出了一组数据:利用建筑垃圾制作1.5亿块再生砖，可消耗建筑垃圾40多万吨，减少取土24万立方米，节约耕地约180亩，同时节约堆放建筑垃圾的土地约80亩，共节约土地260亩；可节约标准煤270万吨，减少二氧化碳排放约130万吨。

然而，由于法律法规等管理制度的不完善和技术水平的限制，北京乃至全国的建筑垃圾资源化利用率不足40%，远低于欧盟发达国家的90%和日本的97%，成为我国高水平城市治理体系和治理能力建设的绊脚石。

为此，季确定了新的研究课题，就是绘制建筑垃圾再利用的蓝图。

“虽然季老师年纪比我们大，但我们年轻人走路的速度真的赶不上。”当时正在攻读硕士学位的王参与了该项目的全过程。他介绍，项目组通过现场调研，了解了建筑垃圾从产生到初步处理、运输、回收、资源化利用的全过程，梳理了存在的问题，根据垃圾产生量科学布局建筑垃圾处置设施。

每天早上7点从学校出发。季节是引领者和驱动者。最远的工地要连续开四五个小时才能到。下车后，她依然精神抖擞。除了工地，垃圾处理点也是项目组的重点。所到之处，不仅要当季询问、认真倾听，还要请工作人员现场演示垃圾处理，了解真实的处理场景，比较各处理厂家仪器设备的异同。“季老师不仅看机器的参数，也看加工的结果，通过结果推导出不同参数的实际意义。”有一个细节让王印象深刻:换季时他甚至亲自上手，直接拉开垃圾堆查看处理情况。

烈日、风、雨、雷都见证了他们的脚步。“整个暑假都是黑漆漆的，每天的步数是3万起步，但这是一个特别有收获的假期。”王玉祥说。

根据现场调研和相关部门提供的数据，课题组发现目前建筑垃圾处理的顶层设计缺乏，北京市城市总体规划、北京市环境卫生发展规划等相关文件均缺乏建筑垃圾处理的专项内容。此外，各区建筑垃圾产生量差异较大，区域协调管理能力欠缺，各部门之间的合力不足。建筑垃圾回收能力的不均衡导致回收产品质量的提高，以及消纳领域处置能力和设施数量的不足。

根据北京市现有资源利用厂的分布和处理能力，季节队提出北京市可采用“N+X”的布局模式，即“固定+临时”:每个区布置1-2个固定设施和临时设施，废物资源利用厂改造和废物资源利用厂拆除合建。根据实地调查，该小组还为每个设施的位置制定了详细的计划。

在今年北京市“两会”上，作为委员，季建议，为提高建筑垃圾综合管理水平，北京市可率先建立“城市固体废物处置与资源化利用”科研平台，系统研究建设项目评估、规划设计、绿色施工、建筑垃圾分类处置、资源化利用、环境评价与控制、监测与精确控制等绿色关键技术。在管理政策研究的帮助下，将这些技术嵌入到整个城市治理系统中。

季带领的团队也是住建部35个试点城市技术支持组。在为期2年的项目期间，团队成员分批、分组深入35个试点城市，收集和掌握了第一手资料，建立了全国首个建筑垃圾数据库和管理平台，为全国建筑垃圾管理提供了全方位的科学保障。

随着明星的更迭，越来越多的“错位资源”重生；它们在美丽的季节里自由开放，散发着芳香。