城市廢棄混凝土資源化再生利用的探討

譚藝西,郭星強

(1.武漢市第十五中學(xué),武漢 430071;2.浙江省有色金屬地質(zhì)勘查局環(huán)境研究院, 312000)

城市廢棄混凝土資源化再生利用的探討

譚藝西1,郭星強2

(1.武漢市第十五中學(xué),武漢 430071;2.浙江省有色金屬地質(zhì)勘查局環(huán)境研究院, 312000)

基于傳統(tǒng)廢棄混凝土再生骨料和再生水泥工藝,提出同時生產(chǎn)再生骨料和再生水泥的廢棄混凝土資源化再生利用工藝以充分利用廢棄混凝土中的可再生利用成分,并對設(shè)計的再生利用工藝各環(huán)節(jié)進(jìn)行簡單介紹;通過對比再生水泥與普通水泥的性能,分析再生產(chǎn)品的性能,得到再生混凝土總體性能在一定程度上雖低于一般混凝土,但具有經(jīng)濟(jì)成本的優(yōu)勢;針對再生混凝土性能的不足之處,提出了改善提升再生產(chǎn)品性能的方法及工藝。

廢棄混凝土; 資源化再生利用; 再生工藝; 再生混凝土

城市廢棄混凝土是城市建筑垃圾中占主導(dǎo)地位的一種,在發(fā)展建設(shè)中的城市,大量建筑和設(shè)施的拆除導(dǎo)致每天都有數(shù)量巨大的建筑垃圾產(chǎn)生。以武漢市為例,據(jù)不完全統(tǒng)計,2015年武漢市大小工地有近萬個,每年產(chǎn)生的7 616萬t大宗固體廢棄物中建筑垃圾就占到5 000多萬t,占比65%以上,其中拆除產(chǎn)生的廢棄混凝土是建筑垃圾的主要形式[1,2]。

城市建筑垃圾相比生活垃圾,雖然其轉(zhuǎn)運困難,體積、重量大,但是其可利用率和實用價值都比較高[3]。大量研究表明,城市建筑垃圾可以進(jìn)行資源化再處理,從而達(dá)到制造再生資源的作用。牛佳[4]研究建筑垃圾的資源化機制,建立建筑垃圾可資源化的評價體系,并通過科學(xué)方法分析了資源化處理方法及技術(shù);朱東風(fēng)[5]通過調(diào)研廣州市建筑垃圾處理情況,提出了建筑垃圾資源化產(chǎn)業(yè)鏈模型和資源化處理全過程的管理模式;魏璟璟[6]研究由廢棄混凝土中的粗骨料、砂漿和水泥部分制備再生水泥和膠凝材料來取代部分水泥的工藝技術(shù),同時對再生水泥的性能進(jìn)行了測試和分析;易超[7]利用建筑垃圾再生粗骨料和細(xì)骨料,并設(shè)計系統(tǒng)實驗對比研究再生骨料與天然骨料制備混凝土的性能;劉紀(jì)峰和張會芝[8]對比研究不同破碎方法下再生骨料的性能情況,從根據(jù)不同要求為再生利用技術(shù)選擇科學(xué)的破碎方法。

1 產(chǎn)品分類

廢棄物資源化可分為原級資源化和次級資源化,其定義分別是利用廢棄物產(chǎn)生同類的新產(chǎn)品和轉(zhuǎn)化為其他產(chǎn)品的原料或同類產(chǎn)品的衍生產(chǎn)品。相對而言,原級資源化是資源化方式中較為理想的方式,因為其再生資源的比例和對廢棄物的利用率都比較高。據(jù)統(tǒng)計[6],原級資源化可減少25%～50%原生材料的使用量,而次級資源化最多能達(dá)到25%。

目前,我國對廢棄混凝土的處理方式主要有以下3種:第1種是將廢棄混凝土直接用于加固軟土地基或進(jìn)行土石方回填;第2種是利用廢棄混凝土制備免燒磚、干混砂漿等產(chǎn)品,屬于次級資源化處理方式;第三種是利用廢棄混凝土生產(chǎn)再生水泥、再生粗骨料、再生細(xì)骨料,將廢棄混凝土再生為混凝土制備的原料,屬于原級資源化方式。根據(jù)目前國內(nèi)外對廢棄混凝土的不同處理方式以及其發(fā)展趨勢,第3種處理方式將會是科技進(jìn)步和社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展條件下資源化利用發(fā)展的主要方向,等到技術(shù)條件成熟,完全取代第一種和第二種處理方式,成為廢棄混凝土的主要處理方式,同時隨著環(huán)境問題的備受重視,將會成為各國廢棄混凝土處理方式的標(biāo)準(zhǔn)。

研究基于第三種資源化處理方式,調(diào)研廢棄混凝土再生工藝,設(shè)計廢棄混凝土資源化再生利用系統(tǒng)同時生產(chǎn)再生水泥、再生粗骨料和再生細(xì)骨料,充分利用廢棄混凝土中的材料成分,提高廢棄混凝土的再生利用率。

2 再生工藝介紹

為提高廢棄混凝土的資源化利用程度,盡可能地提升再生利用率和處理效果,降低成本,研究在借鑒國內(nèi)外典型廢棄混凝土資源化利用系統(tǒng)工藝流程的基礎(chǔ)上[9,10],進(jìn)行一定的改進(jìn),設(shè)計了可同時生產(chǎn)不同粒徑的再生骨料和再生水泥原材料的再生工藝,其工藝流程如圖1所示,主要環(huán)節(jié)和設(shè)置目的如下:

1)錘擊初選:充分考慮機械設(shè)備處理大塊和含雜質(zhì)混凝土的不適用性,以及我國人力資源豐富的前提條件,對廢棄混凝土垃圾進(jìn)行交替的人工篩選和錘擊破碎,以清除廢棄混凝土垃圾中摻雜的大塊木料、塑料和鋼筋等雜物,防止其對后續(xù)工藝的不利影響。

2)破碎分離:利用顎式破碎機進(jìn)行一級破碎,而后對破碎的廢棄混凝土進(jìn)行沖洗、磁選、烘干和風(fēng)力分離等工藝處理。沖洗分離出破碎混凝土上粘附的泥灰,磁選分離出破碎物中夾雜的鐵屑等金屬類雜物,而后進(jìn)行烘干和風(fēng)力分離,以分離出破碎物中的木屑、塑料等輕質(zhì)雜物。

3)破碎篩分:采用雙層網(wǎng)篩分機對破碎分離后的破碎物進(jìn)行篩分,得到0～40 mm不同粒徑的再生骨料,同時大于40 mm骨料會再次進(jìn)入工藝循環(huán)系統(tǒng)進(jìn)行二次處理。

4)煅燒水泥:考慮到廢棄混凝土經(jīng)破碎后將產(chǎn)生大量的泥灰,其成分主要為硬化水泥石,可作為再生水泥的原料。研究設(shè)計在每次破碎后都增加沖洗環(huán)節(jié)以充分利用廢棄混凝土成分,同時減少泥灰對后續(xù)工藝和系統(tǒng)生產(chǎn)車間的環(huán)境污染。沖洗產(chǎn)生的泥漿經(jīng)烘干后,進(jìn)行配料并制備生料料餅,經(jīng)煅燒生產(chǎn)再生水泥。

3 產(chǎn)品性能分析

再生骨料和再生水泥作為廢棄混凝土資源化再生利用的工藝產(chǎn)品,主要是為了生產(chǎn)“再生骨料混凝土”和“再生水泥混凝土”(統(tǒng)稱“再生混凝土”),研究根據(jù)混凝土的性能評價指標(biāo)來對資源化再生利用產(chǎn)品進(jìn)行性能分析。根據(jù)工程實踐,常用混凝土性能要求有:攪拌物和易性、一定凝期后的強度、體積變形、硬化后耐久性和經(jīng)濟(jì)合理性等[11-16]。據(jù)此對資源化再生產(chǎn)品的各項性能分析如下:

1)再生混凝土攪拌物的和易性:因再生骨料的表觀密度低于天然骨料,孔隙率較大,致使再生混凝土的吸水率較高,相同水灰比條件下,再生混凝土的流動性、穩(wěn)定性、可塑性和易密性較差,直接影響了攪拌物的和易性和工作性能。同時,這也會使得再生混凝土的坍落度較小,形成建筑結(jié)構(gòu)的孔隙較多,導(dǎo)熱系數(shù)小,保溫隔熱效果較好,適用于有此要求的建筑。

2)一定凝期后再生混凝土的強度:再生混凝土的強度隨凝期增長較普通混凝土快,能擁有較好的前期強度,因此適用于較短凝期內(nèi)有強度要求的結(jié)構(gòu)。但是再生混凝土的最終強度,由于受再生骨料孔隙率大、吸水性強,廢棄混凝土經(jīng)一定工藝后生產(chǎn)的再生骨料存在裂隙和雜質(zhì)等不利條件,再生混凝土的力學(xué)性能有限。但再生混凝土應(yīng)用于低強度和中等強度等級的結(jié)構(gòu)時,其可行性良好,在高強度等級要求的結(jié)構(gòu)中,也可在經(jīng)過嚴(yán)格的試驗驗證后慎重使用。

3)再生混凝土的體積變形:混凝土的體積變形與水泥用量有一定的關(guān)系,在強度能夠達(dá)到要求的前提下,水泥用量低,混凝土的體積變形小。在同等水泥用量條件下,由于再生骨料的吸水性強,形成結(jié)構(gòu)孔隙率高,故而在能滿足強度要求的前提下,再生骨料混凝土的體積變形較小。

4)硬化后耐久性:再生混凝土的耐久性與廢棄混凝土的強度密切相關(guān),因為再生骨料的強度和再生水泥的性能直接繼承于廢棄混凝土的強度和使用水泥的性能。再生骨料經(jīng)破碎工藝后強度有所降低,同時再生水泥在加入一定的雜質(zhì)后性能也有所影響,所以整體而言,再生混凝土硬化后的耐久性較同等條件下的普通水泥差。

5)經(jīng)濟(jì)合理性:制造混凝土的原料為非可再生資源,隨著原料的不斷利用,資源量持續(xù)減少,必然導(dǎo)致其價格的提升;同時,科學(xué)技術(shù)的發(fā)展以及資源短缺條件下對混凝土需求的增長,混凝土資源再生利用的生產(chǎn)工藝和生產(chǎn)技術(shù)勢必得到不斷改進(jìn),生產(chǎn)出來的再生骨料和再生水泥成本將不斷降低,性能逐步改善。因此,雖然再生混凝土的各項性能都與同等條件下的普通水泥性能存在一定的差距,但是考慮其綜合經(jīng)濟(jì)效益,再生混凝土的應(yīng)用前景十分可觀。

4 產(chǎn)品性能及工藝改善

通過對比分析再生水泥與一般水泥的性能,可知再生骨料、再生水泥與天然骨料、一般水泥的各項性能還是存在一定的差距,影響了再生混凝土的使用范圍。研究根據(jù)再生產(chǎn)品的性能針對性提出以下幾點改善的方法和相應(yīng)的工藝程序。

1)在破碎分離階段,對進(jìn)行破碎、沖洗和磁選后的廢棄混凝土破碎物進(jìn)行熱處理。經(jīng)500℃熱處理以后生產(chǎn)的再生混凝土,其彈性模量及抗壓強度都得到了一定的改善[17]。因為熱處理能夠改變廢棄混凝土破碎物中碎塊的內(nèi)部結(jié)構(gòu),同時能夠使得破碎物中的粗細(xì)骨料與砂漿得到更好地分離,提高再生骨料表面的吸附性,從而達(dá)到改善再生混凝土強度的目的。

2)在破碎分離和破碎篩分階段,對破碎方法和破碎設(shè)備進(jìn)行合理地選擇。因為,再生骨料表面的水泥石等附著物和破碎出來的骨料表面結(jié)構(gòu)、碎塊大小和形狀直接影響了再生混凝土的力學(xué)性能。采用立式離心破碎,能夠得到較好的再生骨料指標(biāo),改善再生混凝土的性能[8]。

3)在煅燒水泥階段,在生料料餅配料中加入礦渣、爐渣等作為晶種,一方面能夠降低煅燒水泥的溫度,另一方面能夠改善水泥基材料的力學(xué)性能。隨著礦渣、爐渣晶種的引入,水泥基材料的力學(xué)性能將會呈現(xiàn)出先增大后減小的變化規(guī)律[18]。

4)在配置再生混凝土階段,對再生骨料進(jìn)行水玻璃改性能夠提升再生混凝土的早期強度。水玻璃溶液的濃度能夠直接影響到再生混凝土早期強度和抗硫酸腐蝕、抗凍性能[19]。

5 結(jié) 論

a.研究提出了能夠同時生產(chǎn)再生骨料和再生水泥的資源化再生利用工藝系統(tǒng)設(shè)計,提高廢棄混凝土中各成分的資源化利用率。

b.對比普通混凝土,充分分析了再生產(chǎn)品的性能,得到了雖然再生混凝土總體性能不及普通水泥,但在中等強度和弱強度等級要求的條件下,再生混凝土的經(jīng)濟(jì)性能能夠得到充分發(fā)揮的結(jié)論,隨著資源的匱乏和再生利用技術(shù)的發(fā)展,廢棄混凝土的再生利用價值將越來越高。

c.根據(jù)再生混凝土的性能的不足提出了相應(yīng)的改善的方法和工藝,主要包括對破碎物進(jìn)行熱處理和采用立式離心破碎改善再生骨料的性能,在生料配置中引入礦渣、爐渣作為晶種改善再生水泥的性能等。

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Research on Resource Recycling of Waste Concrete in City

TAN Yi-xi1,GUO Xing-qiang2
(1.The No.15 Middle School,Wuhan 430071,China;2.Environmental Institute of Zhejiang Non-ferrous Metals Geological Exploration Bureau)

Waste concrete recycling technologies of producing both recycled aggregate and cement were proposed based on traditional technologies of producing recycled aggregate or cement to make full use of waste concrete,and all technologies steps were simply introduced.Properties of recycled products were researched by property comparisons between recycled concrete and common concrete.The result is that even though properties of recycled concrete can not perform as well as common concrete to some extend,it still has a good economic advantage.Method and technologies to improve recycled products'properties were put forward aimed at their defects.

waste concrete; resource recycling; recycled technology; recycled concrete

10.3963/j.issn.1674-6066.2015.05.018

2015-08-02.

譚藝西(1998-),學(xué)生.E-mail:459816045@qq.com