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廢棄混凝土破碎及再生工藝研究

作都：肖建莊 孫振平                同濟(jì)大學(xué)建筑工程系

摘要：在對(duì)上海市廢棄混凝土的現(xiàn)狀調(diào)查與分析的基礎(chǔ)上，研究廢棄混凝土塊體破碎及篩分工藝，并對(duì)建議工藝生產(chǎn)的再生骨料進(jìn)行基本性能試驗(yàn)研究及做經(jīng)濟(jì)性分析。結(jié)果表明，該再生骨料生產(chǎn)工藝基本能滿足廢棄混凝土的破碎與分級(jí)要求；再生骨料可滿足配制中低強(qiáng)度等級(jí)再生混凝土的要求。
關(guān)鍵詞：廢棄混凝土；再生骨料；破碎工藝
在我國，建筑業(yè)作為國民經(jīng)濟(jì)的支柱產(chǎn)業(yè)之一，二十余年來得到了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，相應(yīng)在生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的建筑渣土尤其是廢棄混凝土也空前增加。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，廢棄混凝土的數(shù)量已占到城市垃圾總量的30%-40%，且絕大部分廢棄混凝土未經(jīng)處理，直接運(yùn)往郊外或鄉(xiāng)村采用露天堆放或填埋的方式進(jìn)行處理，耗用大量的征用土地費(fèi)、垃圾清運(yùn)費(fèi)等建設(shè)費(fèi)用；同時(shí)，清運(yùn)和堆放過程中的遺散和粉塵、灰砂飛揚(yáng)等問題又對(duì)環(huán)境造成二次污染，嚴(yán)重破壞了生態(tài)環(huán)境。因此，如何合理處理和再生利用廢棄混凝土已經(jīng)成為建筑行業(yè)和環(huán)境保護(hù)部門面臨的一個(gè)重要課題。
1廢棄混凝土現(xiàn)狀調(diào)查
1.1數(shù)量與處置現(xiàn)狀
以上海市為例，目前每年排放的渣土總量呈持續(xù)發(fā)展態(tài)勢，2002年在2000萬t左右。而廢棄混凝土約占渣土總量的40%，即800萬t左右，主要是由拆、建房以及道路翻修等土木工程施工過程中產(chǎn)生的。大部分廢棄混凝土未得到合理回收和高效利用。
1.2發(fā)展趨勢
一方面，廢棄混凝土的數(shù)量在迅速增加；另一方面，隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展、混凝土用量的增大，因開采砂石骨料而造成的資源枯竭和環(huán)境破壞已成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)，混凝土的可持續(xù)發(fā)展與骨料危機(jī)的矛盾日益突出。因此若能將廢棄混凝土就地回收，經(jīng)破碎、清洗、分級(jí)后作為骨料再利用，生產(chǎn)再生混凝土用于新建工程，則不僅能降低成本，節(jié)約天然骨料資源，緩解骨料供求矛盾，還能減輕城市環(huán)境的污染。
2廢棄混凝土破碎工藝
2.1已有破碎工藝
2.1.1俄羅斯的破碎工藝
鑒于廢棄混凝土中往往混有金屬、玻璃及木材等雜質(zhì)，因此在俄羅斯[q的工藝流程中，特別設(shè)置了磁鐵分離器與分離臺(tái)等裝置以便去除鐵質(zhì)成分，見圖1。配備有2臺(tái)轉(zhuǎn)子篩網(wǎng)篩分機(jī)處理，被分為0-5mm，5-40mm及40mm以上三種粒徑。在普通配合比的結(jié)構(gòu)混凝土中，骨料粒徑一般不大于40mm，因此，為充分利用廢棄混凝土資源，將40mm以上的碎石再次破碎，使粒徑達(dá)到0～40mm。該工藝的主要缺點(diǎn)是加工設(shè)備繁多，導(dǎo)致初期的投資規(guī)模較大，不利于其在短期內(nèi)的推廣應(yīng)用。
2.1.2德國的破碎工藝
德國的廢棄混凝土再生工藝流程主要由1個(gè)二檔等級(jí)的鄂式破碎機(jī)，見圖2。經(jīng)破碎的石料須烘干。其他的組成設(shè)備包括鐵件收料臺(tái)(電磁器)等。通過鄂式破碎機(jī)的加工，再生骨料的級(jí)配被篩分為0-4mm，4-16mm，16-45mm及45mm以上。該工藝由于整個(gè)處理流程需安裝2臺(tái)鄂式破碎機(jī)及4臺(tái)篩分機(jī)，因此投資費(fèi)用巨大且工程占地面積大。

 

圖1俄羅斯典型再生骨料生產(chǎn)工藝

 

圖2德國典型的再生骨料生產(chǎn)工藝
1-載荷車；2-料斗；3-主破碎機(jī)；4-鐵件收料臺(tái)；5-初篩分機(jī)；6-分篩機(jī)Ⅰ；7-輸送帶；8-分篩機(jī)Ⅱ；9-分篩機(jī)Ⅲ；10-0～4mm粒徑骨料；11-0～32mm粒徑骨料；12-0～45mm粒徑骨料；13-45～90mm粒徑骨料；14-16～45mm粒徑骨料；15-45～150mm粒徑骨料；16-4～16mm粒徑骨料；17-破碎機(jī)
2.1.3中國的破碎工藝
(1)目前我國臺(tái)灣地區(qū)[2-3]采用包括油壓式履帶型碎石機(jī)和重物篩選機(jī)系統(tǒng)的廢棄混凝土塊破碎及處理機(jī)具，其生產(chǎn)工藝流程圖見圖3所示。
(2)史巍和侯景鵬[4]設(shè)計(jì)了一套帶有風(fēng)力分級(jí)設(shè)備的骨料再生工藝，見圖4。該工藝構(gòu)思新穎，使用了風(fēng)力分級(jí)裝置及吸塵設(shè)備將粒徑為0.155mm的骨料篩分出來，為循環(huán)利用再生細(xì)骨料奠定了基礎(chǔ)；但是基于現(xiàn)階段我國的實(shí)際情況，再生細(xì)骨料尚未被深入、系統(tǒng)地研究，尚不具備直接應(yīng)用于工程中的條件。

 

圖3臺(tái)灣地區(qū)再生骨料生產(chǎn)工藝

 

圖4史巍和侯景鵬設(shè)計(jì)的再生骨料生產(chǎn)流程圖
(3)李惠強(qiáng)和杜亭提出了如圖5所示的生產(chǎn)流程制備再生骨料。在這一生產(chǎn)流程中，塊體破碎、骨料篩分均是碎石骨料生產(chǎn)的成熟工藝，因此在生產(chǎn)中關(guān)鍵是要控制好分選、潔凈、沖洗等環(huán)節(jié)的工藝技術(shù)和質(zhì)量。該工藝的突出特點(diǎn)是有一填充型加熱裝置，經(jīng)加溫、二級(jí)破壞、二級(jí)篩分后可獲得高品質(zhì)再生骨料。加溫到300℃左右后，包裹在天然巖石骨料外的水泥石粘結(jié)較差的部分，或在一級(jí)破碎中天然骨料外已帶有損傷裂紋的水泥石，在二級(jí)轉(zhuǎn)筒式或球磨式碾壓中都會(huì)脫落，剩下的粗骨料的強(qiáng)度相當(dāng)于提高了。但加溫、二級(jí)碾磨、二級(jí)篩分會(huì)帶來生產(chǎn)成本的提高。
2.2建議破碎工藝
經(jīng)比較分析國內(nèi)外再生骨料的生產(chǎn)工藝，本文設(shè)計(jì)了一套新的工藝流程，見圖6。考慮到目前我國勞動(dòng)力成本相對(duì)較低，且機(jī)械不適宜處理大塊雜質(zhì)，因此選擇人工法對(duì)廢棄混凝土塊進(jìn)行分選，除去鋼筋和木材?，F(xiàn)階段由于國內(nèi)對(duì)粒徑5mm以下的再生細(xì)骨料尚未作深入的研究，所以該工藝將這部分骨料視為雜質(zhì)去除。鑒于鐵屑和碎塑料等細(xì)微雜質(zhì)很難采用人工分離，工藝設(shè)置了磁鐵分離器和分離臺(tái)，以便提高骨料的純度。為徹底破碎廢棄混凝土使之達(dá)到需要的粒徑范圍(5-40mm)，特配備2臺(tái)破碎機(jī)。再生骨料通常含有更多的有害物質(zhì)，如粘土、淤泥、細(xì)屑等，它們粘附于骨料的表面，降低再生混凝土強(qiáng)度，同時(shí)又增大混凝土的用水量，所以在篩分完畢后對(duì)其進(jìn)行沖洗等處理。
3再生粗骨料基本性能
參照《普通混凝土用碎石或卵石質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)及檢驗(yàn)方法》(JGJ53-1992)，實(shí)測上述建議廢棄混凝土破碎工藝生產(chǎn)的連續(xù)級(jí)配的再生粗骨料的主要性能如表1所示。與天然粗骨料相比，再生粗骨料具有密度小以及壓碎指標(biāo)值和吸水率較高等特點(diǎn)，但仍滿足JGJ53-1992標(biāo)準(zhǔn)的有關(guān)要求，因此可以用來配制中、低強(qiáng)度等級(jí)的再生混凝土。
4再生骨料效益分析
4.1直接經(jīng)濟(jì)效益
據(jù)文獻(xiàn)[5]介紹，歐盟、美國和日本每年廢棄混凝土材料超過3.6億t，對(duì)混凝土和鋼筋混凝土廢料再加工得到的再生骨料能耗僅為開采天然碎石的1/8，成本可降低25%。

圖6建議的再生骨料生產(chǎn)工藝

表1再生粗骨料基本性能試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)上海市有關(guān)的定額標(biāo)準(zhǔn)，小規(guī)模的處理廢棄混凝土，生產(chǎn)再生骨料，有關(guān)臺(tái)班基價(jià)費(fèi)用如表2所示。
假定以50m3/臺(tái)班計(jì)算，再生骨料的市場價(jià)取54元/m3，接近上海市天然骨料市場價(jià)格。每臺(tái)班產(chǎn)量帶來的收入為：
54×50=2700(元/臺(tái)班)
每工作臺(tái)班利潤為：2700-2245=455(元)
從以上經(jīng)濟(jì)分析中可發(fā)現(xiàn)，若再生骨料的市場價(jià)格低于天然骨料，那么再生骨料的生產(chǎn)是微利。
4.2綜合經(jīng)濟(jì)效益
實(shí)際工程中不乏利用廢棄混凝土產(chǎn)生良好經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益的實(shí)例。如某機(jī)場區(qū)域內(nèi)有各類飛行跑道、停機(jī)坪、牽引道和掩體等廢棄混凝土構(gòu)筑物。據(jù)初步估計(jì)，暴露在地表面和被覆蓋的廢棄混凝土量約有10萬m3，約23萬t?，F(xiàn)對(duì)這些廢棄混凝土進(jìn)行加工，使之成為再生骨料。有關(guān)該工程的綜合經(jīng)濟(jì)分析如下。
(1)廢棄混凝土的處理費(fèi)用為1485萬元(包括廢棄混凝土的拆除和外運(yùn)費(fèi)用)。依據(jù)拆除工程的定額估算，拆除成本約68元/m3，10萬m3的廢棄混凝土拆除費(fèi)約為680萬元人民幣；依據(jù)土方外運(yùn)定額估算，外運(yùn)成本費(fèi)用約為35元/t，廢棄混凝土的密度按2.3t/m3計(jì)算，廢棄混凝土總量約為23萬t，處置費(fèi)需805萬元人民幣。
表2再生骨料綜合臺(tái)班基價(jià)分析

(2)廢棄混凝土加工成道渣(用于道路的墊層)的費(fèi)用按可生產(chǎn)道渣的數(shù)量計(jì)算：23萬t的廢棄混凝土按市政道路用級(jí)配(5～15mm，25～40mm，50～70mm)加工，扣除加工損耗，約可生產(chǎn)21萬t道渣；道渣的加工成本，按現(xiàn)有加工成本16元/t計(jì)算，23萬t的加工費(fèi)用約為368萬元人民幣。
(3)標(biāo)準(zhǔn)道渣的市場采購價(jià)格，按市場中準(zhǔn)價(jià)計(jì)算，5～15mm碎石為56.96元/t，25～40mm碎石為53.42元/t，50～70mm碎石為58.12元/t，送到工地的平均價(jià)格為56元/t，則21萬t道渣計(jì)為2270萬元。
經(jīng)計(jì)算，在相同的條件下，對(duì)廢棄混凝土再生利用可減少投資1222萬元。對(duì)廢棄混凝土進(jìn)行再生循環(huán)利用，可減少建設(shè)投資，因而具有明顯的綜合經(jīng)濟(jì)效益。
4.3環(huán)境分析
由于我國經(jīng)濟(jì)進(jìn)入高速發(fā)展階段，基礎(chǔ)建設(shè)規(guī)模越來越大，每年用于澆筑混凝土的骨料就達(dá)11～14億m3。而這些山體是不可再生的資源，它的消失對(duì)人類與環(huán)境是難以估計(jì)的損失。到目前為止由于過度開采，造成許多因人為因素引起的自然災(zāi)害(洪水、水土流失、土地荒漠化、環(huán)境污染、生態(tài)破壞等)，嚴(yán)重影響了我國的可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略。