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荣膺北京“最美科技工作者”称号,她让无用之物尽其所用

来源:北京日报 供稿:牛伟坤 审核:朱静 发布时间:2021-10-04 阅读次数:

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物尽其用

(文章刊载于《北京日报》2021年9月30日20版 “领创版”)

记者 牛伟坤

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季节(右二)与同事就建筑垃圾制成的路面砖进行讨论。和冠欣摄

日新月异的城市,每一刻都在发生着变化。

建筑工地上,轰隆隆的机器塑造着一栋栋高楼大厦;施工路面上,黝黑的沥青铺筑出四通八达的交通新版图;冶炼车间里,粗砺矿物摇身变成构建城市的铜墙铁壁。

与新变化相伴相生的,是快速增长的各类固体废弃物垃圾。

而如何将这些垃圾变成“宝贝”,北京建筑大学土木与交通工程学院院长季节三十多年来为之钻研。

几多耕耘,几多收获。她的科技成果先后获得国家科学技术进步二等奖、教育部科技进步一等奖、北京市科学技术进步一等奖等。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最美科技工作者学习宣传活动,季节被遴选为2021年北京“最美科技工作者”。

让更多的无用之物尽其所用,季节步履不停。

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季节(右一)与同事就建筑垃圾再利用进行讨论。(受访者供图)

给废旧沥青“补钙”

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

自此,我国道路建设按下快进键。

四通八达的交通网络将人们的脚步带向远方,其寿命也在风吹日晒、岁月侵袭中不断被损耗。不同等级的道路寿命不尽相同。一般来说,等级最高的高速公路的使用寿命在12至15年。

2000年前后,我国第一批投入使用的高速路陆续迎来大修。道路大修时,要先铲除原有的路面,之后再重新铺筑新的材料——大量的废旧沥青混合料由此产生。对这些寿终正寝的垃圾,传统的方式是一埋了之,但填埋的弊端渐显:一方面,可供填埋的空间变得越来越少;另一方面,直接填埋可能导致土壤和水环境的污染。

彼时,正在同济大学攻读博士学位的季节,敏感地关注到了废旧道路材料的再生利用问题。当时,业内已经有了对这些废旧材料进行再生利用的尝试,不过成本十分昂贵,采用的国外进口再生剂价格每吨在5万元以上;对于国内每年产生的几百万吨废旧沥青混合料来说,这样的价格显然让再生之路走得颇为艰难。

“中国的难题,我们一定能用自己的办法解决好。”季节默默立下了誓言。

她从根源入手。沥青为什么会有“生老病死”?雨打风吹、车辆碾轧下,沥青的哪些性能发生了改变?季节打了个通俗的比方,她将沥青材料的老化过程比作人的衰老过程,“人老了,钙就会流失,骨折的风险也会变大;而紫外线的照射等各种因素,也会让沥青中的芳香酚不断流失,缺少了这种成分,沥青就容易变硬变脆,容易裂开,而道路最怕的就是裂缝。”

治疗的原理不难:对症下药,缺什么补什么。“人可以提前吃钙片预防缺钙,沥青也可以提前补点‘再生剂’,使它的性能得以恢复。”

难的是怎么补。沥青老化到什么程度要使用再生剂?再生剂中芳香酚材料的最佳比例是多少?再生剂用量如何确定?

攻读博士学位的五年,季节不辞辛劳地奔波在工地与实验室之间,为的就是找到这些问题的答案。

在确定再生剂的配方时,季节要解决的一大难题就是再生剂与老化沥青的相容问题。“就像我们在做拿铁时,肯定是希望奶和咖啡能完美地融合在一起;再生剂只有在和老化沥青相容时,才能最大限度发挥作用。”而两者是否相容,则取决于主要成分芳香酚与不同助剂材料的配合。为此,季节不仅要在多种助剂中选出最合适的几种,还要确定不同助剂材料的最佳配比。

“这个实验量是非常大的,五年博士没干别的,都用来做实验了。”季节解释,实验不仅量大,过程还特别复杂:首先得从工地上取回路面,将混合料燃烧处理后进行抽提,这样才能得到进行实验的老化沥青,这一过程就要花上两天左右。接下来,她还要为老化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。“这是一个反复试错的过程,最多的时候一个实验要重复上百次。”

不同沥青的老化程度决定了再生剂的使用方式。骨密度测试可以判断人的钙质流失程度,沥青的老化如何判断?季节创新性地提出了一套分类体系,通过黏度、针入度、延度等综合指标为沥青“把脉”,将其分为轻度、中度和重度等不同老化级别,通过使用不同的配方让其重新焕发青春容颜。

然而,实验室的成功并不是终点。从实验室到实际落地,还有一段漫长的路程。

“真正在道路上使用的时候,我们不可能把沥青先抽提出来再加工,而是将混有沥青、砂石的混合料喷上再生剂,再跟铺路的新料进行混合。”新旧材料掺配的比例是季节面临的新问题:既要最大化对原有废旧混合料加以利用,又不能影响新旧混合料的性能。于是,新一轮的实验开始了。最终,季节实现了废旧沥青混合料掺配比例高达45%以上的技术突破。这样一来,铺路使用的每吨料可以在原有成本基础上节约10到15元。

这一成果先后在京沈高速公路辅路大修工程、河北迁曹线大修工程等10余项工程中成功应用,后又逐步推广到全国10个省市国家及省级重点工程及海外道路工程中,累计实现经济效益近2亿元。该技术的推广应用,不仅节约了成本,还有效降低了北京及周边地区对天然石料资源的开采,对改善城市生态环境、降低大气污染都起到了推动作用。

值得一提的是,季节不仅让废旧沥青变废为宝,其“美容”过程也更加绿色、环保,而这得益于其团队研发的温拌再生沥青技术。

一般来说,沥青要在150℃至160℃才能流动起来,与砂石等进行混合,形成铺筑路面的混合材料。这一过程需要消耗极大的能量,国际上一般采用温拌技术,也就是通过外加材料使沥青混合料在降低温度后也能流动起来,以节省能量损耗。

此前,业界面临着温拌剂种类繁多、作用机理不清楚、温拌效果差等多项挑战,季节带领团队开发了乳化类、有机蜡类和废旧塑料类三大系列温拌沥青材料。实践显示,这些材料可使施工温度降低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我国市场的局面。

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2019年夏天,季节(左)对建筑垃圾处理设备进行现场调研。 (受访者供图)

发现残渣潜在价值

煤炭,被人们誉为“黑色的金子”。在适当的压力、温度、催化剂和氢气作用下,“黑色的金子”变身为流动的液体燃料,再经过多次反应后,成为各类油品,化身现代工业发展的“血液”。

煤直接液化技术作为煤制油技术的代表,是优化我国能源结构的有效途径之一。目前,世界上只有我国具有商业化生产线,年生产油品达100万吨。但不可避免的是,这一工艺每年会带来约70万吨的煤直接液化残渣。

目前,人们对煤直接液化残渣的基础性应用研究十分有限。事实上,残渣内含有大量的沥青烯、前沥青烯等沥青类物质,具有用作道路沥青改性剂得天独厚的条件。十多年前,季节就关注到残渣的利用潜力,开始带领团队进行技术攻关。

正在读博士二年级的王哲是团队成员之一。从读硕士研究生起,他就跟着季节在这个领域内不断探索。他介绍,业内通常以针入度、延度、软化点三个维度来判断沥青的性能:针入度反映的是沥青的软硬程度和稠度,数值越小,说明沥青越硬;延度越大,沥青的可塑性越好;而软化点则与温度有关,软化点越高,沥青的温度稳定性越好,说明沥青耐热性越好。

“我们不仅要观察加入残渣后沥青的性能变化,还要观察加入残渣后的沥青与砂石混合后的性能变化,并确定出最佳的掺量。”王哲说。

实验发现,加入残渣之后,沥青的软化点提高,反映到沥青混合料上,混合料的高温性能得到极大改善,“如果高温性能不佳,路面在温度升高的情况下容易变软,车辆经过时也更容易留下车辙;这一功能的升级意味着,新的混合料耐车辙的能力更强。”然而,与之相对的是,加入残渣后的沥青延度并没有明显改善,甚至有一定程度的下降,而这又直接影响了混合料低温抗开裂能力。

如何在一优一劣间寻找到一个最佳的平衡点,让高低温性能得以协同优化,团队成员费尽周折。“实验中涉及到的因素非常多,比如残渣的掺入量,沥青加入残渣后的反应时间、反应温度等,都对最终的实验结果有影响。”王哲说,有时候实验结果与预期南辕北辙,那就要推倒重来。每周一次的例会上,分析原因、调整方案是季节和学生们的主要议题。

好在经过反复实验,最终改性沥青低温脆性大、改性沥青混合料高低温性能相互牵制等“卡脖子”难题被一一破解。近年来,这一成果在北京、宁夏、重庆、内蒙古、山东等10个省、市、自治区近500公里的道路工程中应用。初步估计,新的混合料可以降低50%以上的车辙,延长使用寿命40%以上。

团队对于煤直接液化残渣的利用并没有就此止步。将残渣用作沥青的改进剂,其用量仅为沥青用量的十分之一左右;对于庞大的残渣产出来说,这种消耗速度并不“解渴”。

残渣的用途还能不能再拓展?眼下,季节团队已经有了新思路:以残渣替换沥青混合料中的细集料。王哲解释,铺筑路面的沥青混合料中,除了沥青之外,还掺有各种粗细不等的集料。“煤直接液化残渣本身就是煤炭加工后的一种产物,具有先天的条件和潜力。”至于以细集料身份“出场”的残渣,对于整个混合料性能会产生怎样的影响,实验还在紧锣密鼓地进行中。

沥青,有毒,有味儿,是常人避之不及的有害物,季节却对它有着别样的感情。在她看来,两者是彼此成就:她研究沥青,发现其独特的美,唤醒其潜在的价值;而沥青也让她不断发现着自己职业的魅力,给她一方施展才能的舞台。

把论文写在工地上

无论是道路废旧材料还是煤直接液化残渣,都是固体废弃物垃圾的一小部分。季节的眼光看得更远,视野也更宽广。于是,更多类别垃圾的再利用进入她的研究范围。

2019年6月,入夏的北京,暑意渐浓。阳光最炽烈的日子里,朝阳、海淀、延庆、房山……各大建筑工地上,时不时会跃动着一个瘦小的女性身影——季节正带着她的学生试图为全市的建筑垃圾治理摸清家底,为建筑垃圾的下一步治理提供参考。

据不完全统计,我国目前建筑垃圾存量高达200多亿吨,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宝藏。她给出一组数据:使用建筑垃圾制成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,同时可节约堆放建筑垃圾的土地约80亩,两项合计节约土地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,受法律、法规等管理体系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%以及日本的97%,并已成为制约我国城镇高水平治理体系和治理能力建设的“绊脚石”。

为此,季节确定了新的研究课题,就是要为建筑垃圾的再利用画出蓝图。

“别看季老师年纪比我们大,可比起走路速度来,我们这些年轻人还真赶不上。”当时正在读硕士研究生的王颢翔参与了项目的全过程,他介绍,通过现场调研,项目组了解了建筑垃圾从产生到初步处理、运输、回收、资源化利用的整个过程,梳理存在的问题,根据垃圾产生量为建筑垃圾处置设施科学布局。

每天早上7时从学校出发,季节是领队,也是司机。路途最远的工地,要连续开上四五个小时的车才能到,下了车她依然精神抖擞。除了工地,垃圾处理点也是项目组关注的重点。每到一处,季节不仅要细细问、认真听,还会要求工作人员进行垃圾处理的现场演示,了解真实的处理场景,比较各个处理厂家仪器设备的异同。“季老师不只看机器的参数,而且要看处理的结果,通过结果去反推不同参数的实际意义。”一个细节让王颢翔印象深刻:季节有时甚至会亲自上手,直接扒拉开垃圾堆查看处理情况。

炎炎烈日、风雨雷电都见证了他们的脚步。“整个暑假黑了一圈,每天的步数是3万起步,却是特别有收获的一个假期。”王颢翔说。

根据现场踏勘,综合相关部门提供的数据,团队发现,目前建筑垃圾的处理缺乏顶层设计,《北京市城市总体规划》《北京市环境卫生事业发展规划》等相关文件中均缺乏建筑垃圾治理专项内容。此外,各区建筑垃圾产生量差别较大,区域协调治理能力欠缺,各部门之间联动力度不足。建筑垃圾资源化能力参差不齐,导致再生产品质量有待提高,消纳场处理能力和设施数量也存在不足。

根据北京现有资源化利用厂的分布情况及处理能力,季节团队提出,北京可以采用“N+X”即“固定+临时”的布局模式:在各区(除东城区、西城区外)分别布置1到2处固定式设施(N)和临时设施(X),装修垃圾资源化利用厂与拆除垃圾资源化利用厂要协同建设。根据实地调研情况,团队对每个设施的位置也都进行了详细的规划。

在今年的北京市“两会”上,作为政协委员的季节提出建议,为提高建筑垃圾综合治理水平,北京可率先建立“城镇固废处置与资源化利用”科研大平台,系统研究建筑工程评价、规划设计、绿色施工、建筑垃圾分类处置、资源化利用、环境评估与控制、监测与精准管控等绿色关键技术,并借助管理政策研究将技术嵌入整个城市治理体系,为北京乃至全国建筑垃圾处置与资源化利用提供技术支撑。

季节带领的团队同时还是住建部全国35个建筑垃圾治理试点城市的技术支撑小组,在为期2年的项目期内,团队成员分批、分组深入35个试点城市,收集与掌握第一手资料,建立了全国第一个建筑垃圾数据库与管理平台,为全国建筑垃圾治理工作提供了全方位的科学保障。

斗转星移,越来越多“放错了位置的资源”焕发新生;它们在美丽的季节里恣意绽放,吐露芬芳。

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