国外有砟铁路清筛渣土处置现状研究

贾 军

(中国神华能源股份有限公司轨道机械化维护分公司,天津 300467)

1 概述

随着我国经济的高速发展，环境保护意识日益增强。有砟轨道既有线路清筛渣土废弃物的清理成本也随之不断攀升，而且其数量随线路服役时间呈现逐年增加趋势。然而，相对于生活垃圾，我国既有铁路沿线清筛渣土废弃物的资源化再利用并没有得到很大的重视，绝大部分废弃渣土未经过任何处理便被直接运到郊外露天堆放或填埋，这种处理方式耗用大量的土地资源，耗费大量垃圾清运费用。同时，清运和堆放过程中的遗撒、粉尘、灰沙飞扬等问题又造成了严重的环境污染。

住房和城乡建设部于2013年3月颁布了《绿色建筑和绿色生态城市发展第十二个五年规划》中明确提出加快绿色建筑产业的发展是今后的一项重要任务。经过近年来的科研攻关，建筑垃圾等固体废弃物在经过一系列的科学处理后，能有效应用于路基填筑、临时设施等道路施工过程中，已经取得了良好的环境效益，并获得了社会的广泛认可。而我国中共中央、国务院2019年最新颁布的《交通强国建设纲要》[1]更是在第七条明确指出“绿色发展节约集约、低碳环保”目标，强调“加强老旧设施更新利用，推广施工材料、废旧材料再生和综合利用”“提高资源再利用和循环利用水平，推进交通资源循环利用产业发展”。固体废弃物的处理已经得到了国家层面的高度重视。

当前我国线路清筛渣土资源化再利用率依然偏低，环境保护形势日益严峻。高效处理和利用既有线路清筛渣土已成为迫切需要解决的问题。本文将重点介绍当前国外发达国家对线路清筛渣土资源化再利用的最新研究进展，为我国今后清筛渣土处置方案提供重要参考。

2 国外有砟铁路清筛渣土处置现状

2.1 国外对既有线路清筛渣土的分类管理

许多发达国家均通过不同部门以法律形式对包含清筛渣土在内的既有线路各类固体废弃物进行分类处置。大体思路可分为可回收利用的部分和没有利用价值的部分,从法律层面制定相应的固体废弃物排放要求，同时鼓励企业对各类固体废弃物进行资源化再利用[2-5]。

法国环境部门将线路清筛的道砟混合物视为废弃物，并对其废弃物转换方面单列了相关条文，含废弃物处置的责任方，废弃物的处置目的以及最终排放标准，同时明确鼓励企业通过分级形式推进废弃物再利用或循环利用，以达到环境保护的目的。

德国联邦以及各州通过相关法律对清筛渣土排放进行规定，并开发了一套完备的资源化再利用体系，涉及：回收系统、道砟清洗、洗砂、水处理、污泥管理等。最终实现所有产出物均能满足所有法规以及生态环境的要求，将其再利用于轨道道砟或其他建筑项目中。

英国不同部门也分别通过法律对清筛渣土的排放进行了规定，并进行国家层面的资源整合，鼓励企业将各种不同的回收材料进行系统优化处理。同时还提供铁路线路中的大型编组站将全网清筛渣土通过列车加装至指定场所进行集中处理。同时鼓励企业研发高效处理设备，以实现高效的市场化运营需求。

韩国政府于2003年制定了《建设废弃物再生促进法》，明确规定了国家、政府、排放者以及废弃物处理方之间的义务。通过法律法规明确规定建设废弃物处理企业的各项许可标准，处理流程以及必须遵循和达到的要求，资源化利用的目标等。通过近15 a的努力，大大提高了相关废弃物再生利用的效率，达到积极效果。

日本通过《废物处置法》和《资源有效利用促进法》，将清筛渣土视为“建筑副产品”。如图1所示，通过进一步筛分，提取出能被作为原材料继续使用的部分，进行资源化再开发，从而实现资源的充分利用，达到“物尽其用”的目的。

2.2 国外对清筛渣土资源化再利用的现况

世界上许多国家，特别是发达国家已把铁路中的固体废弃物资源化处理作为环境保护和可持续发展战略目标之一。通过不断研发改善新技术，逐步将废物变为一种新的资源，发展成一个新兴的大产业[8-11]。

法国国家铁路网线路中的循环经济已经十分有效。据统计，当前全法拥有铁路线路约3万km，每日运行约1.5万趟列 车以保障全法的流通，其中包含每日运送500万的旅客，而在巴黎大区更是高达370万；货物运送为每日25万t左右。因此，为确保全法线网的高效安全运转，频繁维护及其现代化建设任务同样相当严峻，同时还得确保所有工作均在环境保护前提下进行。当前法国对既有有砟轨道的维护主要遵循以下五大原则：1)减少原材料的使用；2)对材料进行再利用；3)及时维护以延长其生命周期；4)回收；5)开发将来使用的新材料。在对环境意识日益强烈的大背景下，有砟轨道中涉及的各种固体废弃物均进行了充分的资源化再利用，内容几乎涵盖轨道结构中的各个部分，以2014年法国全网有砟轨道各部分固体废弃物的资源化再利用情况为例，具体涵盖情况如表1所示。

表1 法国有砟道床资源化再利用情况汇总

就道砟而言，法国全网道砟超过1亿t。每年需要处理约200万t废弃道砟。如图2所示，经过对线路道砟进行合理筛查处置，约有40%的道砟能够直接再利用于线路中。而约有60%不能直接应用于线路中的清筛渣土，则是运送到基地进行二次筛分，大部分清筛渣土被回收利用到公路作业中；也有被用于其他平台建设，如土方工程等。经过一系列的优化处置，实现全法路网绿色无污染的目标。

德国通过对清筛渣土进行优化处置：1)回收系统；2)道砟清洗；3)洗砂；4)水处理；5)污泥管理。经过上述一系列流程后，研究发现清筛渣土依然能很好地保留其原有的承载能力，抗冻融以及其后变化的能力，适宜将其作为天然碎石的替代选项。在处置过程中，生产不同构成的建筑材料将其应用于不同领域，并对不同粒径的清筛渣土颗粒的资源化再利用提出建议，如表2所示。德国要求在道砟回收处理中，直接利用于线路的道砟颗粒必须经过严格的质量管理，以保证清筛渣土重新应用于轨道道砟中的再生道砟满足高质量的管理需求；而用于建筑材料的清筛渣土，则是不仅保护了自然资源，而且经济上也显著优于天然砂石，同时在货物运输中也能够得到极大的优惠。

表2 德国清筛渣土再利用建议

英国也在铁路线路的固体废弃物资源化再利用中进行大力推进，并实现产业化发展。Whitemoor编组站场在1980年停用后，于2004年重新启用并于2011年赋予新的功能，成立铁路固体废弃物回收站厂，开始引进全新技术，对铁道工程材料进行资源化再利用提供十分优越的环境。在便利路网的条件下，基建部很容易将各种铁道工程中的各类固体废弃物材料订单通过编组站加装至所需场所。如表3所示，高效的回收处置以及物流系统，为铁道工程固体废弃物处理带来了丰厚的经济效益。

表3 2016年—2017年英国铁道工程固体废弃物回收效益

据英国相关公司骨料处理部统计，仅该公司每年就接收超过100万t废弃道砟，通过筛选、破碎以及清洗，得以资源化再利用于铁路线网的各个项目工程中以及其他建筑工业中。据估算，这些资源化处置后的产品年产值高达600万英镑。而该公司处理的铁道工程材料中的金属废弃物则达到7.9万t，所产出的新产品则能为公司带来的产值高达750万英镑。

图3为英国某公司清筛渣土处置专用设备。

由此可见，在政府导向、环境意识驱动以及当前既有技术大力支持的条件下，有砟轨道的清筛渣土资源化再利用在发达国家已经获得了较成功的开发，尤其是在各类建筑产品方面，获得了较大程度的社会认可，实现在保护环境的同时，取得较为可观经济效益的目标。

3 清筛渣土资源化再利用研究

3.1 清筛渣土骨料性能研究

在重载铁路运行过程中，道砟颗粒受到列车荷载的反复作用，道砟颗粒产生相互作用力，并导致道砟棱角逐渐磨耗，其外表形态在道床服役过程中产生了巨大的变化。Ngo等[12]通过对列车荷载作用下道砟颗粒形态形貌的变化来研究道床服役性能的劣化机理，并在此基础上提出相应的养护维修建议。Guo等[13]也利用3D扫描等技术手段对清筛渣土的道砟颗粒进行数值建模，对道砟颗粒的外表形阔进行分析并建立相应的数值模型，并通过有限元软件和室内试验研究了道砟颗粒在不同磨耗程度情况下的各项力学性能指标。图4为朔黄线现场清筛渣土的取样，可见清筛渣土中的道砟颗粒的棱角已近乎磨平。

Lee等[14]对清筛渣土的颗粒通过筛分，所得的清筛渣土级配曲线如图5所示。可知韩国该线路的清筛渣土中，约有60%的清筛颗粒粒径小于道砟粒径的最低要求22.4 mm，而这部分不满足道砟要求的清筛渣土则必须按照韩国建筑固体废弃物的要求进行合理处置。

鉴于国内外当前在建筑材料领域中，普遍将0.075 mm以下的颗粒归为泥，4.75 mm则通常被视为粗细骨料的分界值，22.4 mm则为道床道砟所允许的最小值，因此，将清筛渣土按照粒径进行分类，并与我国朔黄线和浙赣线清筛渣土的颗粒含量对比分析，如表4所示。可得不同线路的清筛渣土颗粒分布差异较大，重载铁路清筛渣土的粒径比普通铁路更细小。

表4 国内外清筛渣土分级筛余情况

3.2 清筛渣土再生骨料混凝土研究

Santiago等[15-16]在清筛渣土为再生骨料的基础上，通过不同的添加剂对其再生骨料混凝土的微观性能进行研究。如图6所示，在SEM电镜的试验中，可以看出清筛渣土颗粒在适当配置合理添加剂的情况下，能够与水泥浆体表现出较好的握裹效果，再生骨料混凝土的各项力学性能得以提高。

此外，如图7所示，Lee等还通过在水泥砂浆中添加聚合物的方法，将清筛渣土中的再生骨料与水泥浆体界面之间的黏结状态进行优化，从而实现不同粒径粗细骨料与水泥浆体之间的快速硬化，得到较好的效果。

Santiago等还通过不同清筛渣土骨料颗粒与普通硅酸盐水泥混合制成水泥砂浆，如图8所示，在2 d～90 d等不同龄期，清筛渣土骨料颗粒所制成的水泥砂浆的抗压强度均略高于纯普通硅酸盐水泥，并得出清筛渣土替代水泥用量在20%左右时，再生骨料水泥砂浆的强度达到最优，能够满足欧洲规范的要求[17]。

3.3 既有有砟道床升级改造研究

在当前清筛渣土作为再生资源重新开发出新的建筑产品的同时，世界各国还在进行着一些新的研究，努力将线路道砟等固体废弃物直接应用于铁道工程中[18]。Bezin等[19]指出英国在既有线路综合改造和运能提升过程中，通过对有砟道床的道砟进行处理，从而完成线路改造并实现列车提速和运能提升的目的。如图9所示，Lee等[20]也经研究发现通过硫铝酸钙等物质进行配置，能将既有线路道砟直接进行有效固化，实现资源化再利用。该项技术已被韩国铁路部门采纳，并实现多条既有有砟轨道的升级改造。

4 我国面临的问题及建议

目前我国的废弃物再生利用率非常低，据调查分析，各地建筑废弃物的主要去向是以填埋与堆放为主，有资源化利用的城市仅占调查城市的5%，实际再生利用量与建筑废弃物产生推算总量相比，还不足1%。而铁路沿线固体废弃物的再生利用则更是微乎其微。据前期调研可知，铁路沿线清筛渣土废弃物，以道砟、煤粉、土和黄砂为主，比较单纯、便于利用。多以填埋的方式进行处理，缺少有针对性及更高效率的再生利用率。已有的研究表明，废旧水泥混凝土、沥青混凝土及碎砖瓦等均可以破碎成大小不同的集料，用以制备低标号水泥混凝土、再生沥青混凝土、水泥稳定再生基层、再生砖及仿古砖等。

为了发展循环经济，我国政府在制定的交通强国战略中，也鼓励以解决能源、资源综合利用、保护环境提高建筑质量为目标，以科技创新为动力，以建筑业为龙头，因地制宜，全面推进废弃物再生利用技术的研究和应用。

5 结语

综合国外发达国家对清筛渣土再利用的研究进展，我国对清筛渣土的处置方案仍然存在着诸多亟待解决的问题。随着我国经济的发展，以及国家对环境保护意识的提升，“绿色交通”将作为我国交通强国战略的重要一环，资源化再利用将是今后对清筛渣土处置中一个重要的发展方向。