建筑工地上，轟隆隆的機器塑造著一棟棟高樓大廈；施工路面上，黝黑的瀝青鋪筑出四通八達的交通新版圖；冶煉車間里，粗礪礦物搖身變成構建城市的銅墻鐵壁。與新變化相伴相生的，是快速增長的各類固體廢棄物垃圾。

 

　　而如何將這些垃圾變成“寶貝”，北京建筑大學土木與交通工程學院院長季節三十多年來為之鉆研。幾多耕耘，幾多收獲。她的科技成果先后獲得國家科學技術進步二等獎、教育部科技進步一等獎、北京市科學技術進步一等獎等。

 

　　近日，北京市委宣傳部、北京市科協等部門首次聯合開展北京最美科技工作者學習宣傳活動，季節被遴選為2021年北京“最美科技工作者”。

 

　　讓更多的無用之物盡其所用，季節步履不停。

 

 

 

　　給廢舊瀝青“補鈣”

 

　　1988年，國務院政府工作報告提出，必須加快交通運輸發展。1992年，交通部批準“五縱七橫”國道主干線規劃，總里程3.5萬公里。

 

　　自此，我國道路建設按下快進鍵。

 

　　四通八達的交通網絡將人們的腳步帶向遠方，其壽命也在風吹日曬、歲月侵襲中不斷被損耗。不同等級的道路壽命不盡相同。一般來說，等級最高的高速公路的使用壽命在12至15年。

 

　　2000年前后，我國第一批投入使用的高速路陸續迎來大修。道路大修時，要先鏟除原有的路面，之后再重新鋪筑新的材料——大量的廢舊瀝青混合料由此產生。對這些壽終正寢的垃圾，傳統的方式是一埋了之，但填埋的弊端漸顯：一方面，可供填埋的空間變得越來越少；另一方面，直接填埋可能導致土壤和水環境的污染。

 

　　彼時，正在同濟大學攻讀博士學位的季節，敏感地關注到了廢舊道路材料的再生利用問題。當時，業內已經有了對這些廢舊材料進行再生利用的嘗試，不過成本十分昂貴，采用的國外進口再生劑價格每噸在5萬元以上；對于國內每年產生的幾百萬噸廢舊瀝青混合料來說，這樣的價格顯然讓再生之路走得頗為艱難。

 

　　“中國的難題，我們一定能用自己的辦法解決好。”季節默默立下了誓言。

 

　　她從根源入手。瀝青為什么會有“生老病死”？雨打風吹、車輛碾軋下，瀝青的哪些性能發生了改變？季節打了個通俗的比方，她將瀝青材料的老化過程比作人的衰老過程，“人老了，鈣就會流失，骨折的風險也會變大；而紫外線的照射等各種因素，也會讓瀝青中的芳香酚不斷流失，缺少了這種成分，瀝青就容易變硬變脆，容易裂開，而道路最怕的就是裂縫。”

 

　　治療的原理不難：對癥下藥，缺什么補什么。“人可以提前吃鈣片預防缺鈣，瀝青也可以提前補點‘再生劑’，使它的性能得以恢復。”

 

　　難的是怎么補。瀝青老化到什么程度要使用再生劑？再生劑中芳香酚材料的最佳比例是多少？再生劑用量如何確定？

 

　　攻讀博士學位的五年，季節不辭辛勞地奔波在工地與實驗室之間，為的就是找到這些問題的答案。

 

　　在確定再生劑的配方時，季節要解決的一大難題就是再生劑與老化瀝青的相容問題。“就像我們在做拿鐵時，肯定是希望奶和咖啡能完美地融合在一起；再生劑只有在和老化瀝青相容時，才能最大限度發揮作用。”而兩者是否相容，則取決于主要成分芳香酚與不同助劑材料的配合。為此，季節不僅要在多種助劑中選出最合適的幾種，還要確定不同助劑材料的最佳配比。

 

　　“這個實驗量是非常大的，五年博士沒干別的，都用來做實驗了。”季節解釋，實驗不僅量大，過程還特別復雜：首先得從工地上取回路面，將混合料燃燒處理后進行抽提，這樣才能得到進行實驗的老化瀝青，這一過程就要花上兩天左右。接下來，她還要為老化瀝青設置不同的實驗條件，觀察加入再生劑后瀝青的各項指標。“這是一個反復試錯的過程，最多的時候一個實驗要重復上百次。”

 

　　不同瀝青的老化程度決定了再生劑的使用方式。骨密度測試可以判斷人的鈣質流失程度，瀝青的老化如何判斷？季節創新性地提出了一套分類體系，通過黏度、針入度、延度等綜合指標為瀝青“把脈”，將其分為輕度、中度和重度等不同老化級別，通過使用不同的配方讓其重新煥發青春容顏。

 

　　然而，實驗室的成功并不是終點。從實驗室到實際落地，還有一段漫長的路程。

 

　　“真正在道路上使用的時候，我們不可能把瀝青先抽提出來再加工，而是將混有瀝青、砂石的混合料噴上再生劑，再跟鋪路的新料進行混合。”新舊材料摻配的比例是季節面臨的新問題：既要最大化對原有廢舊混合料加以利用，又不能影響新舊混合料的性能。于是，新一輪的實驗開始了。最終，季節實現了廢舊瀝青混合料摻配比例高達45%以上的技術突破。這樣一來，鋪路使用的每噸料可以在原有成本基礎上節約10到15元。

 

　　這一成果先后在京沈高速公路輔路大修工程、河北遷曹線大修工程等10余項工程中成功應用，后又逐步推廣到全國10個省市國家及省級重點工程及海外道路工程中，累計實現經濟效益近2億元。該技術的推廣應用，不僅節約了成本，還有效降低了北京及周邊地區對天然石料資源的開采，對改善城市生態環境、降低大氣污染都起到了推動作用。

 

　　值得一提的是，季節不僅讓廢舊瀝青變廢為寶，其“美容”過程也更加綠色、環保，而這得益于其團隊研發的溫拌再生瀝青技術。

 

　　一般來說，瀝青要在150℃至160℃才能流動起來，與砂石等進行混合，形成鋪筑路面的混合材料。這一過程需要消耗極大的能量，國際上一般采用溫拌技術，也就是通過外加材料使瀝青混合料在降低溫度后也能流動起來，以節省能量損耗。

 

　　此前，業界面臨著溫拌劑種類繁多、作用機理不清楚、溫拌效果差等多項挑戰，季節帶領團隊開發了乳化類、有機蠟類和廢舊塑料類三大系列溫拌瀝青材料。實踐顯示，這些材料可使施工溫度降低30℃以上，從而減少二氧化碳排放30%以上、節能40%以上，打破了國外產品壟斷我國市場的局面。

 

 

 

 

　　發現殘渣潛在價值

 

　　煤炭，被人們譽為“黑色的金子”。在適當的壓力、溫度、催化劑和氫氣作用下，“黑色的金子”變身為流動的液體燃料，再經過多次反應后，成為各類油品，化身現代工業發展的“血液”。

 

　　煤直接液化技術作為煤制油技術的代表，是優化我國能源結構的有效途徑之一。目前，世界上只有我國具有商業化生產線，年生產油品達100萬噸。但不可避免的是，這一工藝每年會帶來約70萬噸的煤直接液化殘渣。

 

　　目前，人們對煤直接液化殘渣的基礎性應用研究十分有限。事實上，殘渣內含有大量的瀝青烯、前瀝青烯等瀝青類物質，具有用作道路瀝青改性劑得天獨厚的條件。十多年前，季節就關注到殘渣的利用潛力，開始帶領團隊進行技術攻關。

 

　　正在讀博士二年級的王哲是團隊成員之一。從讀碩士研究生起，他就跟著季節在這個領域內不斷探索。他介紹，業內通常以針入度、延度、軟化點三個維度來判斷瀝青的性能：針入度反映的是瀝青的軟硬程度和稠度，數值越小，說明瀝青越硬；延度越大，瀝青的可塑性越好；而軟化點則與溫度有關，軟化點越高，瀝青的溫度穩定性越好，說明瀝青耐熱性越好。

 

　　“我們不僅要觀察加入殘渣后瀝青的性能變化，還要觀察加入殘渣后的瀝青與砂石混合后的性能變化，并確定出最佳的摻量。”王哲說。

 

　　實驗發現，加入殘渣之后，瀝青的軟化點提高，反映到瀝青混合料上，混合料的高溫性能得到極大改善，“如果高溫性能不佳，路面在溫度升高的情況下容易變軟，車輛經過時也更容易留下車轍；這一功能的升級意味著，新的混合料耐車轍的能力更強。”然而，與之相對的是，加入殘渣后的瀝青延度并沒有明顯改善，甚至有一定程度的下降，而這又直接影響了混合料低溫抗開裂能力。

 

　　如何在一優一劣間尋找到一個最佳的平衡點，讓高低溫性能得以協同優化，團隊成員費盡周折。“實驗中涉及到的因素非常多，比如殘渣的摻入量，瀝青加入殘渣后的反應時間、反應溫度等，都對最終的實驗結果有影響。”王哲說，有時候實驗結果與預期南轅北轍，那就要推倒重來。每周一次的例會上，分析原因、調整方案是季節和學生們的主要議題。

 

　　好在經過反復實驗，最終改性瀝青低溫脆性大、改性瀝青混合料高低溫性能相互牽制等“卡脖子”難題被一一破解。近年來，這一成果在北京、寧夏、重慶、內蒙古、山東等10個省、市、自治區近500公里的道路工程中應用。初步估計，新的混合料可以降低50%以上的車轍，延長使用壽命40%以上。

 

　　團隊對于煤直接液化殘渣的利用并沒有就此止步。將殘渣用作瀝青的改進劑，其用量僅為瀝青用量的十分之一左右；對于龐大的殘渣產出來說，這種消耗速度并不“解渴”。

 

　　殘渣的用途還能不能再拓展？眼下，季節團隊已經有了新思路：以殘渣替換瀝青混合料中的細集料。王哲解釋，鋪筑路面的瀝青混合料中，除了瀝青之外，還摻有各種粗細不等的集料。“煤直接液化殘渣本身就是煤炭加工后的一種產物，具有先天的條件和潛力。”至于以細集料身份“出場”的殘渣，對于整個混合料性能會產生怎樣的影響，實驗還在緊鑼密鼓地進行中。

 

　　瀝青，有毒，有味兒，是常人避之不及的有害物，季節卻對它有著別樣的感情。在她看來，兩者是彼此成就：她研究瀝青，發現其獨特的美，喚醒其潛在的價值；而瀝青也讓她不斷發現著自己職業的魅力，給她一方施展才能的舞臺。

 

　　把論文寫在工地上

 

　　無論是道路廢舊材料還是煤直接液化殘渣，都是固體廢棄物垃圾的一小部分。季節的眼光看得更遠，視野也更寬廣。于是，更多類別垃圾的再利用進入她的研究范圍。

 

　　2019年6月，入夏的北京，暑意漸濃。陽光最熾烈的日子里，朝陽、海淀、延慶、房山……各大建筑工地上，時不時會躍動著一個瘦小的女性身影——季節正帶著她的學生試圖為全市的建筑垃圾治理摸清家底，為建筑垃圾的下一步治理提供參考。

 

　　據不完全統計，我國目前建筑垃圾存量高達200多億噸，且每年還在快速增長。在季節看來，這些建筑垃圾是城市建設的寶藏。她給出一組數據：使用建筑垃圾制成1.5億塊再生磚，可消耗建筑垃圾40多萬噸，減少取土24萬立方米，節約耕地約180畝，同時可節約堆放建筑垃圾的土地約80畝，兩項合計節約土地260畝；可節約標準煤270萬噸，減少二氧化碳排放約130萬噸。

 

　　然而，受法律、法規等管理體系不完善和技術水平的限制，北京乃至全國的建筑垃圾資源化利用率不足40%，遠低于歐盟發達國家的90%以及日本的97%，并已成為制約我國城鎮高水平治理體系和治理能力建設的“絆腳石”。

 

　　為此，季節確定了新的研究課題，就是要為建筑垃圾的再利用畫出藍圖。

 

　　“別看季老師年紀比我們大，可比起走路速度來，我們這些年輕人還真趕不上。”當時正在讀碩士研究生的王顥翔參與了項目的全過程，他介紹，通過現場調研，項目組了解了建筑垃圾從產生到初步處理、運輸、回收、資源化利用的整個過程，梳理存在的問題，根據垃圾產生量為建筑垃圾處置設施科學布局。

 

　　每天早上7時從學校出發，季節是領隊，也是司機。路途最遠的工地，要連續開上四五個小時的車才能到，下了車她依然精神抖擻。除了工地，垃圾處理點也是項目組關注的重點。每到一處，季節不僅要細細問、認真聽，還會要求工作人員進行垃圾處理的現場演示，了解真實的處理場景，比較各個處理廠家儀器設備的異同。“季老師不只看機器的參數，而且要看處理的結果，通過結果去反推不同參數的實際意義。”一個細節讓王顥翔印象深刻：季節有時甚至會親自上手，直接扒拉開垃圾堆查看處理情況。

 

　　炎炎烈日、風雨雷電都見證了他們的腳步。“整個暑假黑了一圈，每天的步數是3萬起步，卻是特別有收獲的一個假期。”王顥翔說。

 

　　根據現場踏勘，綜合相關部門提供的數據，團隊發現，目前建筑垃圾的處理缺乏頂層設計，《北京市城市總體規劃》《北京市環境衛生事業發展規劃》等相關文件中均缺乏建筑垃圾治理專項內容。此外，各區建筑垃圾產生量差別較大，區域協調治理能力欠缺，各部門之間聯動力度不足。建筑垃圾資源化能力參差不齊，導致再生產品質量有待提高，消納場處理能力和設施數量也存在不足。

 

　　根據北京現有資源化利用廠的分布情況及處理能力，季節團隊提出，北京可以采用“N+X”即“固定+臨時”的布局模式：在各區（除東城區、西城區外）分別布置1到2處固定式設施（N）和臨時設施（X），裝修垃圾資源化利用廠與拆除垃圾資源化利用廠要協同建設。根據實地調研情況，團隊對每個設施的位置也都進行了詳細的規劃。

 

　　在今年的北京市“兩會”上，作為政協委員的季節提出建議，為提高建筑垃圾綜合治理水平，北京可率先建立“城鎮固廢處置與資源化利用”科研大平臺，系統研究建筑工程評價、規劃設計、綠色施工、建筑垃圾分類處置、資源化利用、環境評估與控制、監測與精準管控等綠色關鍵技術，并借助管理政策研究將技術嵌入整個城市治理體系，為北京乃至全國建筑垃圾處置與資源化利用提供技術支撐。

 

　　季節帶領的團隊同時還是住建部全國35個建筑垃圾治理試點城市的技術支撐小組，在為期2年的項目期內，團隊成員分批、分組深入35個試點城市，收集與掌握第一手資料，建立了全國第一個建筑垃圾數據庫與管理平臺，為全國建筑垃圾治理工作提供了全方位的科學保障。

 

　　斗轉星移，越來越多“放錯了位置的資源”煥發新生；它們在美麗的季節里恣意綻放，吐露芬芳。