废弃防水卷材资源化基本问题与发展路径研究.pdf
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1、废弃防水卷材资源化基本问题与发展路径研究DOI 10.15302/J-SSCAE-2023.07.029废弃防水卷材资源化基本问题与发展路径研究肖建庄1,2*,俞才华1,肖绪文1,丁陶1,张勇3(1.同济大学土木工程学院,上海 200092;2.广西大学土木建筑工程学院,南宁 530004;3.中国建筑防水协会,北京 100831)摘要:建筑固体废物(固废)资源化是建筑业高质量发展的必然要求,在“双碳”战略目标的驱动下进一步提升建筑固废资源化利用率迫在眉睫。废弃防水材料作为建筑固废的重要组成部分,其资源化研究基本处于空白状态。本文测算了20052021年我国防水材料总产量(2.9831010
2、m2)、防水卷材总产量(1.891010 m2),形成了防水材料资源化的主体是防水卷材资源化的基本判断。应对国家绿色低碳发展形势,提出了针对防水卷材的减量化、重复利用、循环再生(3R)资源化路径,防水卷材“基因组”、多尺度/多场景分析、机器学习预测相结合的高性能防水卷材研发理念,明晰了以体系拆解为核心的防水卷材重复利用模式、以“分类”“分级”“分解”为关键构成的废弃防水卷材循环再生策略。应以再生防水卷材为主攻方向,推动全再生防水卷材、增材制造技术的深入研究和创新应用。面向防水卷材资源化未来发展,“原料产品”“产品工程”是亟待攻克的关键环节,需要管理部门、学术界、工业界共同努力。关键词:废弃防水
3、卷材;资源化利用;减量化;重复利用;循环再生;全再生防水卷材中图分类号:TU318 文献标识码:AFundamental Problems and Development Paths for Reclamation of Waste Waterproof MembranesXiao Jianzhuang 1,2*,Yu Caihua 1,Xiao Xuwen 1,Ding Tao 1,Zhang Yong 3(1.College of Civil Engineering,Tongji University,Shanghai 200092,China;2.College of Civil Eng
4、ineering and Architecture,Guangxi University,Nanning 530004,China;3.China National Building Waterproof Association,Beijing 100831,China)Abstract:The reclamation of construction solid wastes is crucial for the high-quality development of the construction industry and it is urgent to further improve t
5、he utilization rate of the construction solid wastes to achieve the carbon peaking and carbon neutralization goals.Waste waterproof materials are an important component of the construction solid wastes;however,research on the utilization of these materials is almost blank in China.As calculated in t
6、his study,the total output of waterproof materials in China was 2.9831010 m2 during 20052021 and that of waterproof membranes was 1.891010 m2,indicating that waterproof membranes are the main body for waterproof material recycling.In response to the national green and low-carbon development situatio
7、n,a utilization path for“reducing,reusing,and recycling”(3R)the waterproof membranes is proposed as well as a high-performance waterproof membrane research and development concept that combines waterproof membrane“genome”,multi-scale/multi-scenario analysis,and machine learning prediction.A waterpro
8、of membrane reuse mode with system disassembly as the core is clarified as well as a recycling strategy with classification,gradation,and deconstruction as the core.Moreover,the in-depth research and innovative application of fully recycled waterproof membranes and additive manufacturing technology
9、should be promoted.The transformation 收稿日期:2023-04-21;修回日期:2023-06-02通讯作者:*肖建庄,同济大学土木工程学院教授,研究方向为建筑固废资源化与再生混凝土基础理论;E-mail:资助项目:中国工程院咨询项目“绿色建造发展战略研究”(2022-XZ-21),“建筑业数字化发展战略研究”(2022-XY-80)本刊网址: 2023 年 第 25 卷 第 5 期of recycled waterproof membranes to products and the engineering application of these pr
10、oducts are major challenges to be addressed in the future,which requires joint efforts of the management departments,academia,and industry.Keywords:waste waterproof membrane;resource utilization;reduce;reuse;recycle;fully recycled waterproof membrane一、前言建筑固体废物(固废)资源化是建筑全寿命周期的重要组成部分1。在过去十多年里,我国建筑固废总排
11、量超过21010 t,较多采用的传统填埋处置方式浪费了大量土地资源且对环境造成不利影响2。因此,建筑固废资源化是建筑业高质量发展的必由之路。2020年我国正式提出“双碳”战略目标,对应的背景是我国CO2排放量达到9.88109 t(含建筑全寿命期CO2排放量5.08109 t)3。在“双碳”战略目标的驱动下,建筑业节能减排引起了全社会的关注,建筑固废资源化则是建筑业节能减排的重要方式。综合来看,建筑固废资源化受到建筑业高质量发展、“双碳”战略目标的双重驱动。当前,我国建筑固废资源化利用率从不足10%快速提升到30%,但依然落后于2025年达到60%的规划目标,因而进一步提升建筑固废资源化利用率
12、迫在眉睫。经过近20年研究,建筑固废主成分得到了较好的再生利用,如废弃混凝土用于再生骨料生产、再生混凝土制备4,废弃砖块制备再生骨料或者碾磨成再生砂或粉5,废弃渣土制成人造骨料、烧结陶粒、免烧砖、混凝土矿物掺合料等6。此外,金属废弃物可回收至冶炼生产线,废塑料可用于制备塑料颗粒7。然而,废弃防水材料作为建筑固废的重要组成部分,资源化研究基本处于空白状态,实际上成为制约建筑固废资源化效率提升的瓶颈环节之一。探讨和解决废弃防水材料资源化问题,不仅有助于提升建筑固废资源化利用率,还可支持“双碳”战略目标实现以及建筑业高质量发展。从近期的文献检索结果来看,废弃防水材料资源化相关研究极少,仅有的个别研究
13、尚处单点探索层面810。实现废弃防水材料资源化,首先需要厘清基本问题,即目前建筑防水材料的产量、资源化主体以及利用潜力;从筑牢创新应用基础条件的角度出发,亟待明确废弃防水材料资源化的发展路径。针对于此,本文开展包括防水材料产量、资源化潜力、减碳潜力在内的废弃防水材料资源化基本问题分析,构建作为废弃防水材料资源化主体的废弃防水卷材资源化发展路径并提出相应的主攻方向与发展建议,以期为建筑固废资源化研究提供启发和参考。二、废弃防水材料资源化的基本问题(一)废弃防水材料资源化的主体我国现代建筑防水材料起源于20世纪40年代,前期主要以石油沥青纸胎油毡作为防水材料。在20世纪80年代之后,各种防水卷材开
14、始大量应用于实际工程,最终形成了六大门类防水材料:聚合物改性沥青类防水卷材、高分子防水卷材、防水涂料、建筑密封材料、刚性防水材料、止水堵漏材料(见表1)11。目前,建筑防水材料朝着绿色、高性能、智能方向发展,尤其是在建筑与市政工程防水通用规范(GB 550302022)12颁布实施后,高分子防水卷材将成为未来的主流类型。本文主要讨论上述7种建筑防水材料(即石油沥青纸胎油毡、六大门类防水材料)的资源化潜力。确定废弃防水材料资源化的主体,需综合考虑各种防水材料的成分、结构、产量等特征。防水涂料在拆除过程后呈粉末状,难以收集且纯化困难;建筑密封材料、止水堵漏材料产量很低,品种繁杂;刚性防水材料产量低
15、,废弃后属于废混凝土或砂浆。可以初步判断,防水卷材、石油沥青纸胎油毡因其主体材料(如沥青、高分子材料、胎基)具有较成熟的资源化模式而具有良好的资源化潜力。为进一步明确废弃防水材料资源化的主体,调研并梳理了各种建筑防水材料的产量。20世纪40年代至1995年,我国共生产石油沥青纸胎油毡1.2121011 m2 13。综合中国建筑防水协会的统计数据(见图 1)1430,20052021 年共生产防水材料2.8631010 m2,其中防水卷材为1.891010 m2(包括改性沥青防水卷材、高分子防水卷材、自粘防水卷材、沥青复合胎柔性防水卷材,占比为66.01%)、防水涂料为7.201109 m2(占
16、比为25.15%)、玻璃纤维胎沥青瓦为3.86108 m2(占比为1.35%)、其他新型防水材料为1.526109 m2(占比为5.33%)。防水211废弃防水卷材资源化基本问题与发展路径研究卷材产量占比高于60%(早年甚至接近80%),说明防水卷材是主要的建筑防水材料、防水材料资源化的主体。在防水卷材中,聚合物改性沥青类防水卷材、自粘防水卷材、高分子防水卷材、沥青复合胎柔性防水卷材的占比分别为44.96%、27.53%、19.76%、7.75%。可见,改性沥青类防水卷材的资源化是重中之重,自粘防水卷材、高分子类防水卷材次之,而沥青复合胎柔性防水卷材因产量过小可忽略不计。近年来,国家鼓励发展高
17、性能、绿色防水材料,未来高分子防水卷材可能成为主流,因而高分子防水卷材的资源化值得关注。(二)废弃防水卷材资源化的价值1.资源化潜力废弃防水卷材作为建筑固废的重要组成部分,开展资源化研究能够进一步提升建筑固废的资源化利用水平。为了直观表述资源化潜力,测算了我国已生产防水卷材的总质量,测算依据为国家标准推荐的单位面积质量(见表2)。石油沥青纸胎油毡的总质量为9.6961071.818108 t,SBS/APP改性沥青防水卷材的总质量为2.8051075.1107 t;高分表1建筑防水材料的基本情况(不含止水堵漏材料)防水材料类型聚合物改性沥青类防水卷材高分子防水卷材防水涂料建筑密封材料刚性防水材
18、料热熔法施工聚合物改性沥青防水卷材热沥青粘结和胶粘法施工聚合物改性沥青防水卷材预铺反粘防水卷材(聚酯胎类)自粘聚合物改性沥青防水卷材(含湿铺)(包括聚酯胎类、无胎类、高分子膜基)均质型、带纤维背衬型、织物内增强型双面复合型预铺反粘防水卷材(含塑料类、橡胶类)塑料防水板反应型高分子类防水涂料聚合物乳液类防水涂料水性聚合物沥青类防水涂料热熔施工橡胶沥青类防水涂料丙烯酸酯建筑密封材料聚氨酯建筑密封材料聚硫建筑密封材料硅酮建筑密封胶防水砂浆防水混凝土主要原料聚合物改性沥青涂盖料、填料,聚酯毡或玻璃纤维毡、高分子膜胎体等树脂、填料、助剂等高分子成膜剂和交联剂聚合物乳液、填料、分散剂、润湿剂、增稠剂等乳化
19、(改性)沥青、聚合物乳液、填料、助剂等石油沥青、聚合物改性剂、填料等丙烯酸酯类聚合物、填料、助剂等聚氨酯树脂、填料、助剂等聚硫橡胶、硫化剂、填料等硅酮树脂、填料、助剂等水泥、细骨料、防水剂(聚合物改性剂)、外加剂、水等水泥、骨料、外加剂、掺合料、水等主要性能耐久性、抗老化性能、抗拉强度、延伸性、尺寸稳定性、低温柔性、接缝剥离强度等固含量、力学性能、不透水性、耐水性与粘结强度、环保性能等流动性、弹性恢复率、拉伸模量、质量损失率等抗压、抗折、抗渗、抗裂和耐久性等工作年限地下工程防水设计工作年限不低于工程结构设计工作年限(50 年),屋面工程防水设计工作年限不低于20年,室内工程防水设计工作年限不低
20、于25年,桥梁工程桥面防水设计工作年限不低于桥面铺装设计工作年限,非侵蚀性介质蓄水类工程内壁防水层设计工作年限不低于10年212中国工程科学 2023 年 第 25 卷 第 5 期子防水卷材、自粘防水卷材因种类繁多且无细分种类,无法测算相应的总质量。然而,仅是石油沥青纸胎油毡、SBS/APP改性沥青防水卷材的总质量即为1.251082.328108 t。事实上,我国防水卷材存量可能明显大于上述测算值,因为直到2013年工业和信息化部才规定,新建聚合物改性沥青防水卷材单线产能规模不低于1107 m2/a,新建高分子防水卷材单线产能规模不低于3106 m2/a;在相当长的时间内建筑防水材料市场处于
21、散乱发展状态,大量小型企业的产量数据未纳入统计。因此,废弃防水卷材存量较大,其资源化潜力突出。2.减碳潜力虽然建筑防水材料并未进入中国建筑材料联合会的减碳重点行业目录(2022年),但在石油产品价格高涨、环境效应日益凸显的背景下,防水卷材的节能减排问题已无法回避。目前有关防水卷材碳排放研究稀少,各类防水卷材的全球变暖潜值(GWP)并不明确,目前只能对我国防水卷材碳排放作简单估算。聚合物改性沥青类防水卷材的GWP为12.6 kg CO2 eq/m2(因文献稀少,此处测算不考虑各类改性沥青防水卷材的差异性)31;假设未来聚合物改性沥青防水卷材年产量为2109 m2,则相应的年CO2排放量约为2.5
22、2107 t。假设再生防水卷材可节约10%的CO2排放量,未来再生防水卷材替代率达到50%,则每年可降低CO2排放量为1.26106 t。由于缺少相关GWP值,大量的石油沥青纸胎油毡、高分子防水卷材、自粘防水卷材等未纳入测算。可以认为,废弃防水卷材资源化可实际降低的CO2排放将远大于上述测算值。三、废弃防水卷材资源化的发展路径从实际应用角度看,防水卷材约有60%用于地下工程防水、30%用于屋面工程,导致废弃防水卷材不仅收集困难,往往和其他建筑固废、废弃沥青混合料、装修垃圾等混杂;尤其是装修垃圾成分复杂,含有纸片、塑料、模板以及其他与废弃防水卷材形态和性质接近的化工产品,加大了废弃防水卷材的分拣
23、难度。现实情况表明,需要从多个维度构思防水卷材低碳发展路径。石油沥青纸胎油毡虽已退出新建工程应用,但历史用量巨大、在大量老旧建筑上存留,相应资源化也是防水材料循环再生的重要内容。石油沥青纸胎油毡不能等同于聚合物改性沥青防水卷材,但从资源化角度看两者因材料和2012其他SBS/APP改性沥青防水卷材高分子防水卷材玻纤沥青瓦自粘防水卷材沥青复合胎柔性防水卷材石油沥青纸胎油毡其他新型防水材料防水涂料防水卷材总计防水材料合计时间/年生产量/(108 m2)4540353025201510502008 20102014 2016 2018 2020 20222004 2006图1我国各种防水材料生产量(
24、20052021年)注:SBS表示苯乙烯 丁二烯 苯乙烯三嵌段共聚物;APP表示无规聚丙烯。表2建筑防水材料总产量和总质量的测算值防水材料类型石油沥青纸胎油毡SBS/APP改性沥青防水卷材高分子防水卷材自粘防水卷材沥青复合胎柔性防水卷材防水涂料玻璃纤维胎沥青瓦其他类型防水材料总产量/m21.21210118.51093.7341095.2021091.4641097.2011093.861081.526109单位面积质量/(kgm2)0.81.53.36.0标准GB 3262007GB 182422008、GB 182432008总质量/t9.6961071.8181082.8051075.1
25、107213废弃防水卷材资源化基本问题与发展路径研究结构类似而可归为同类。根据废弃防水卷材的特点,相应资源化可采取3R发展路径:减量化(Reduce)、重复利用(Reuse)、循环再生(Recycle)。防水卷材减量化是最重要的目标,即减少防水卷材的产量和用量,从根本上减少废弃防水卷材的产生;对于已经使用的防水卷材,宜尽可能进行重复利用,让防水卷材二次甚至多次使用;仅在无法重复利用时考虑循环再生,将废弃物转化为再生产品。(一)减量化防水卷材减量化是防水卷材资源化的起点和制高点,以控制防水卷材用量的方式达到减少废弃防水卷材存量的目标。防水卷材减量化的主要路径是提升混凝土结构的自防水性能、提升卷材
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