建筑垃圾再生骨料磚砼分離設(shè)備的研究

胡　魁， 韓　森， 薛　雪， 雷　天， 尚為公

(1.長(zhǎng)安大學(xué) 公路學(xué)院， 陜西 西安　710061；　2.西安市政設(shè)計(jì)研究院有限公司， 陜西 西安　710068；　3.陜西交通建設(shè)養(yǎng)護(hù)工程有限公司， 陜西 西安　710117)

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建筑垃圾再生骨料磚砼分離設(shè)備的研究

胡魁1， 韓森1， 薛雪2， 雷天1， 尚為公3

(1.長(zhǎng)安大學(xué) 公路學(xué)院， 陜西 西安710061；2.西安市政設(shè)計(jì)研究院有限公司， 陜西 西安710068；3.陜西交通建設(shè)養(yǎng)護(hù)工程有限公司， 陜西 西安710117)

[摘要]建筑垃圾應(yīng)用于道路工程是目前消納建筑垃圾的有效途徑，建筑垃圾再生料中粘土磚與混凝土的分離可以提高其工程價(jià)值?；趦煞N物料不同的物理性質(zhì)，通過(guò)重力重力分選、階梯篩板、偏心運(yùn)動(dòng)軌跡以及適當(dāng)輔助手段等對(duì)研發(fā)機(jī)械的技術(shù)參數(shù)進(jìn)行計(jì)算。最終設(shè)計(jì)出相應(yīng)的機(jī)械設(shè)計(jì)方案，通過(guò)設(shè)備的生產(chǎn)與調(diào)試，實(shí)現(xiàn)了粘土磚和混凝土的有效分離，建筑垃圾再生料中粘土磚與混凝土的分離為建筑垃圾的消納和應(yīng)用提供了技術(shù)基礎(chǔ)。

[關(guān)鍵詞]建筑垃圾； 磚砼分離； 技術(shù)參數(shù)

0前言

隨著我國(guó)工業(yè)化和城市化進(jìn)程的加快，房地產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展致使城市建筑垃圾的排放量快速增加，我國(guó)截止2013年底，我國(guó)建筑垃圾總量約40億t，已經(jīng)成為世界上建筑垃圾排放最多的國(guó)家，人們不得不面臨垃圾圍城和環(huán)境污染的尷尬現(xiàn)狀[1，2]。日本、美國(guó)、澳大利亞等國(guó)家經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期努力，采用科學(xué)管理、有效控制、資源化利用等措施，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了建筑垃圾減量化、資源化[3，4，5]，我國(guó)建筑垃圾再生利用目前受資金、技術(shù)、政策的限制仍處在一個(gè)較低的水平[6，7]。建筑垃圾再生骨料可以用作建筑用再生混凝土以及用于道路工程基礎(chǔ)下墊層、素混凝土、道路面層[8，9]。再生材料中粘土磚物料與混凝土物料的工程性質(zhì)差異很大，混凝土物料可以作為高強(qiáng)度骨料用于再生混凝土[8，10]，粘土磚物料則可以作為彩色景觀(guān)磚骨料，實(shí)現(xiàn)兩者的分離可以大幅提高建筑垃圾再生料的市場(chǎng)價(jià)值[11，12]。

本文借鑒農(nóng)業(yè)、工業(yè)重力分選設(shè)備[13，14]的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，針對(duì)建筑垃圾粘土磚物料與混凝土物料的特點(diǎn)設(shè)計(jì)了一種建筑垃圾磚砼分離設(shè)備。通過(guò)相關(guān)力學(xué)原理及數(shù)學(xué)方法，研究了粘土磚物料運(yùn)動(dòng)規(guī)律、混凝土運(yùn)動(dòng)規(guī)律最終確定了適合于建筑垃圾再生料磚砼分離的技術(shù)參數(shù)。所得到的研究成果對(duì)于建筑垃圾再生料的綜合利用、建筑垃圾消納具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1磚砼分離技術(shù)現(xiàn)狀

經(jīng)過(guò)破碎、磁選、風(fēng)選、篩分之后的建筑垃圾再生料中粘土磚、混凝土塊、其他物料的比例通常分布在40%：40%：20%～45%：45%：10%。將建筑垃圾再生材料中的粘土磚與混凝土進(jìn)行人工挑練，選取再生料中粒徑范圍在10～20 mm范圍的石子、混凝土塊、粘土磚，按照《公路工程集料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E42-2005)中T0308-2005粗集料吸水率試驗(yàn)(容量瓶法)、T0316-2005粗集料壓碎值試驗(yàn)、T0314-2000粗集料堅(jiān)固性試驗(yàn)測(cè)試粘土磚、混凝土塊、石子(玄武巖)的表觀(guān)密度、表干密度、毛體積密度、吸水率、堅(jiān)固性、壓碎值，結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 石子、混凝土、粘土磚的物理指標(biāo)Table1 PhysicalIndexesofstone,concreteandclaybrick物理指標(biāo)表觀(guān)密度/(g·cm-3)表干密度/(g·cm-3)毛體積密度/(g·cm-3)吸水率/%壓碎值/%堅(jiān)固性/%石子2.7092.6412.6020.01516.14.2混凝土2.6782.5202.4210.039523.19.2粘土磚2.4801.9731.6300.21074.731.6

通過(guò)表1的試驗(yàn)結(jié)果可知：石子、混凝土、粘土磚的表觀(guān)密度差異不到0.2 g/cm3，而粘土磚與石子、混凝土的表干密度、毛體積密度的差異較大；在吸水率指標(biāo)上，粘土磚是石子與混凝土吸水率的5～14倍[8]。從壓碎值和堅(jiān)固性指標(biāo)上來(lái)看，粘土磚與石子、混凝土有非常大的差異。因此，與石子、混凝土相比，粘土磚具有吸水率大、強(qiáng)度低、堅(jiān)固性差的特點(diǎn)。

建筑垃圾再生料磚砼分離技術(shù)與當(dāng)下的糧食加工以及礦選行業(yè)技術(shù)有著較大的區(qū)別，這使得建筑垃圾再生料磚砼分離難以實(shí)現(xiàn)的原因，表2列出了幾種物料的物理性質(zhì)。

表2 幾種物料的部分物理性質(zhì)Table2 Physicalpropertiesofsomematerials分離物料類(lèi)別表觀(guān)密度/(kg·m-3)內(nèi)摩擦角/(°)尺寸代表值(長(zhǎng)×寬×高mm)懸浮速度/(m·s-1)外形圓滑程度小麥0.75318×3×38.5～11.2優(yōu)大豆0.72～0.76297×6×611.8～12.8優(yōu)大米0.67～0.77317×3×29.8～11.4優(yōu)石子2.70934～387×6×518～22良混凝土2.67830～3524×19×1414～18差粘土磚2.48030～3624×19×1412～16差

從表2的對(duì)比分析可知，于粘土磚與混凝土表觀(guān)密度相差僅0.2，相當(dāng)于大豆與石子密度差異的十分之一，并且粘土磚與混凝土形狀不規(guī)則，不利于分級(jí)和相向流動(dòng)。比如大豆去石機(jī)，大豆去石機(jī)的工作原理是同種粒徑下的大豆和石子混合后分布到篩面時(shí)，比重小、表面光滑、形狀接近球形的大豆顆粒在振動(dòng)和風(fēng)力綜合作用下實(shí)現(xiàn)自動(dòng)分級(jí)并滑落到篩板的較低一端并排出，石子相對(duì)大豆表面粗糙、形狀不規(guī)則、比重大沉在篩板的底部，在連續(xù)的物料推擠和振動(dòng)下由上部的出料口排出[15]。采用傳統(tǒng)的糧食去石設(shè)備不能實(shí)現(xiàn)建筑垃圾再生料中磚砼分離的目的。

2磚砼分離技術(shù)原理及設(shè)備的構(gòu)建

2.1磚砼分離原理與方法

基于重力分離原理，借助一定的方法實(shí)現(xiàn)建筑垃圾再生料粘土磚、混凝土的分離技術(shù)[16]，粘土磚與混凝土分離原理及其對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)方案構(gòu)建如下：

① 粘土磚和混凝土塊的表觀(guān)密度不同，在合適的懸浮力與振動(dòng)條件下實(shí)現(xiàn)分層。在相同的粒度范圍內(nèi)，物料成分的比重與空氣動(dòng)力學(xué)特性的不同使得在適當(dāng)?shù)恼駝?dòng)和氣流參數(shù)的作用下，比重較小的粘土磚浮在混合料的上層，比重較大的石子沉入混合料的底層與階梯篩板相接觸。由下而上的氣流穿過(guò)物料，物料之間空隙增大，料層及物料之間的正壓力和摩擦阻力降低，物料整體處于流化狀態(tài)，有利于分層的實(shí)現(xiàn)。

② 階梯篩板的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)分層后的粘土磚與混凝土塊物料移動(dòng)。圖1為階梯篩板的設(shè)計(jì)，階梯篩板在特有的振動(dòng)方式與頻率下給予混凝土塊在下層移動(dòng)的動(dòng)力進(jìn)而實(shí)現(xiàn)混凝土塊沿階梯篩板向上移動(dòng)。階梯篩板的運(yùn)動(dòng)軌跡為橢圓形，在振動(dòng)電機(jī)的帶動(dòng)之下運(yùn)動(dòng)每一個(gè)周期，篩板階梯推動(dòng)混凝土塊向上移動(dòng)0～2個(gè)篩孔間隔。

圖1　階梯篩板的設(shè)計(jì)Figure 1　Design of ladder sieve plate

③ 偏心振動(dòng)機(jī)具有合理配合階梯篩板的運(yùn)動(dòng)參數(shù)，在粘土磚與混凝土塊分離的過(guò)程中配合階梯篩板的設(shè)計(jì)理念，使階梯篩板按照橢圓形形的運(yùn)動(dòng)軌跡前進(jìn)，運(yùn)動(dòng)軌跡方程理論設(shè)定為：

x2/102+y2/62=1。

④ 適當(dāng)?shù)妮o助手段：鼓風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的一部分風(fēng)從混凝土出料口部位以30°～45°的角度的擋風(fēng)板吹向排雜口方向，這樣在風(fēng)力整體的運(yùn)動(dòng)方向是后上方，將混凝土出料口端點(diǎn)部位可能存在的部分燒制粘土磚出口吹向后端，提高了分離純度。

2.2設(shè)備的設(shè)計(jì)

根據(jù)建筑垃圾再生料粘土磚與混凝土的物理特性，基于以上磚砼分離的原理與方法，設(shè)計(jì)了針對(duì)建筑垃圾再生料的磚砼分離設(shè)備，見(jiàn)圖2。

圖2　建筑垃圾再生料磚砼分離設(shè)備設(shè)計(jì)圖Figure 2　Design of brick and concrete separation equipment

磚砼分離設(shè)備在工作時(shí)，物料從上部左端進(jìn)入篩面，由于粘土磚與混凝土物料的比重和空氣動(dòng)力學(xué)特征差異，在適當(dāng)?shù)恼駝?dòng)和氣流的作用下，比重小的粘土磚浮在上層，比重較大的混凝土物料沉入篩底，形成自動(dòng)分級(jí)。在自下而上的氣流作用下，物料之間的空隙增大，料層之間的正壓力和摩擦力減小，形成的流花狀態(tài)促進(jìn)了自動(dòng)分級(jí)的形成。比重小的粘土磚物料在重力、氣流、慣性力、連續(xù)進(jìn)料的推動(dòng)下相對(duì)于篩面下滑到下部出料口。比重較大的水泥混凝土物料在振動(dòng)篩的作用下沿篩面向上運(yùn)動(dòng)，借助特殊階梯篩板的作用逐漸從上部出料口排出。

3設(shè)備參數(shù)的確定

基于方案設(shè)計(jì)中提出了獨(dú)有的階梯篩板以及對(duì)應(yīng)的振動(dòng)方式來(lái)實(shí)現(xiàn)，以表1、表2中粘土磚與混凝土塊物理性質(zhì)的差異為基礎(chǔ)，按照?qǐng)D2所示設(shè)備設(shè)計(jì)方案，通過(guò)對(duì)粘土磚、混凝土物料運(yùn)動(dòng)的分析，對(duì)分離設(shè)備的以下關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)進(jìn)行理論計(jì)算：支撐桿與水平面的夾角，篩板與水平面的傾斜角，氣流速度V，篩面運(yùn)動(dòng)的角速度w、振幅r。

3.1粘土磚物料的運(yùn)動(dòng)分析

圖3為偏心振動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)篩體的示意圖，假定篩體上各點(diǎn)運(yùn)動(dòng)方式為直線(xiàn)簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)。篩面的位移、速度、加速度與時(shí)間的關(guān)系為：

s=r×coswt

(1)

v=-w×r×sinwt

(2)

a=-w2×r×coswt

(3)

式(1)、(2)、(3)中：s為位移；v為速度；a為加速度；r為篩面振幅；w為角速度；t為時(shí)間。

設(shè)篩面的傾角為β，支撐桿與水平的夾角為α。X軸為沿篩面方向，斜向上為正；Y軸垂直于篩面，向上為正。在曲柄位于Ⅰ、Ⅳ象限時(shí)，篩體具有向下的加速度，系統(tǒng)慣性力向上，粘土磚具有上滑的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)。

圖3　偏心振動(dòng)機(jī)構(gòu)Figure 3　Eccentric vibration structure

粘土磚在XOY坐標(biāo)內(nèi)受到以下各力的作用：

① 重力：G1=mg

(4)

② 慣性力：P1=mw2rcoswt

(5)

(6)

④ 下層物料對(duì)粘土磚的支撐力：N1

⑤ 下層物料對(duì)粘土磚的摩擦力：F1=N1tanФ

(7)

式中：m為粘土磚的重量；g為重力加速度；k為阻力系數(shù)；f為物料的迎風(fēng)面積；v為氣流速度；γ為空氣重度；Ф為粘土磚內(nèi)摩擦角。

粘土磚在篩面上作相對(duì)滑移運(yùn)動(dòng)，在Y方向不發(fā)生位移，所以ΣY=0。

N1+W1+P1sin(90°-α-β)-G1cosβ=0

(8)

(9)

(10)

mω2rcosωtsin(α+β+Ф)≥

(11)

(12)

在曲柄位于Ⅱ、Ⅲ象限時(shí)，篩體具有向上的加速度，系統(tǒng)慣性力向下，粘土磚具有下滑的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)，粘土磚受力如圖4所示。

圖4　粘土磚物料運(yùn)動(dòng)分析圖Figure 4

ΣY=0，即N1+W1-P1sin(90°-α-β)-

G1cosβ=0

(13)

mω2rcosωtsin(α+β-Ф)≥

(14)

(15)

當(dāng)角速度ω>K1，上層的粘土磚才能以下料層為滑動(dòng)面，相對(duì)篩板上滑；當(dāng)角速度ω>K2，相對(duì)與篩體下滑。

3.2混凝土物料的運(yùn)動(dòng)分析

設(shè)篩面的傾角為β，支撐桿與水平的夾角為α，階梯篩板凸起角θ。X軸為沿階梯篩板方向，斜向上為正；Y軸垂直于篩板方向，向上為正。在曲柄位于Ⅰ、Ⅳ象限時(shí)，篩體具有向下的加速度，系統(tǒng)慣性力向上，磚塊具有上滑的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)?；炷翂K在XOY坐標(biāo)內(nèi)受到以下各力的作用：

① 重力：G2=Mg；

② 慣性力：P2=Mw2rcoswt；

④ 上層物料對(duì)混凝土塊的壓力：N1；

⑤ 上層物料對(duì)混凝土塊的摩擦力：F1；

⑥ 階梯篩板對(duì)混凝土塊的支撐力：N2；

⑦ 階梯篩板對(duì)混凝土塊的摩擦力：F2=N2tanφ，

式中：M為混凝土塊的重量；f2為混凝土塊的迎風(fēng)面積；φ為混凝土塊的內(nèi)摩擦角。

混凝土塊在篩面上相對(duì)滑移，因上層磚塊對(duì)其的作用，混凝土塊與篩面保持接觸，所以ΣY=0。

P2tanφcos(α+β+θ)-

W2tanφcosθ+(F1cosθ-N1tanφcosθ)-

F1tanφsinθ-N1sinθ

(16)

因F1cosθ=N1tanФcosθ，取N1tanФcosθ≈N1tanφcosθ，故F1cosθ-N1tanφcosθ≈0；N1sinθ=0；F1tanφsinθ=0。

簡(jiǎn)化并整理方程(13)：

(17)

(18)

當(dāng)曲柄位于Ⅱ、Ⅲ象限時(shí)，系統(tǒng)慣性力向下，混凝土塊具有下滑的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)。

(N1tanφcosθ-F1cosθ)-

F1tanφsinθ-N1sinθ

(19)

因F1cosθ=N1tanФcosθ，取N1tanФcosθ≈N1tanφcosθ，故N1tanφcosθ-F1cosθ≈0；θ值較小，近似為：N1sinθ=0；F1tanφsinθ=0。

簡(jiǎn)化并整理方程(18)：

(20)

(21)

當(dāng)角速度K1’<ω

3.3設(shè)備參數(shù)的確定

磚砼分離器的主要工作參數(shù)包括：與篩面相關(guān)的傾斜角度α、β、θ；氣流速度V；篩面運(yùn)動(dòng)的角速度w、振幅r。從上一節(jié)物料運(yùn)動(dòng)分析可知，當(dāng)w滿(mǎn)足方程(21)，粘土磚下滑，滿(mǎn)足方程(22)，混凝土塊上滑。

(22)

(23)

借助計(jì)算機(jī)Excel宏代碼求解分離器的主要工作參數(shù)，擬定α=15°、20°、30°、45°，β=5°-30°，θ=0°-45°，β、θ每次運(yùn)算增加1°，求解風(fēng)速V、角速度w。風(fēng)速方程(23)，傳動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)參數(shù)B=w2×r/g。求解結(jié)果表示：當(dāng)α=15°，β=9°-14°，θ=10°-15°時(shí)，A取值為0.57-0.84，B取值為0.228-0.385；當(dāng)α=20°，β=5°-10°，θ=10°-14°時(shí)，A取值0.71-0.91，B取值0.126-0.286時(shí)可實(shí)現(xiàn)磚砼分離。當(dāng)α取值增大時(shí)，A值增大，A為表征風(fēng)速的參數(shù)，隨著A增大，V逐漸增大，故支撐桿與水平的夾角α僅考慮取15°、20°。

4應(yīng)用效果

根據(jù)磚砼分離的設(shè)計(jì)方案和相關(guān)參數(shù)范圍的確定，對(duì)設(shè)備在設(shè)計(jì)圖的基礎(chǔ)上進(jìn)行生產(chǎn)、加工、改進(jìn)、調(diào)試。圖5為從建筑垃圾再生料現(xiàn)場(chǎng)對(duì)粒徑范圍在5～10、10～20 mm的粘土磚與混凝土物料進(jìn)行取樣，為了使粘土磚與混凝土物料在試驗(yàn)過(guò)程中觀(guān)察的方便，從建筑垃圾再生料中人工挑揀40 kg的粘土磚和40 kg的混凝土，粘土磚與混凝土分離試驗(yàn)見(jiàn)圖6。

圖7為不同參數(shù)設(shè)置下粘土磚與混凝土的分離情況，圖7(a、b、c)設(shè)置的參數(shù)情況分別為：電機(jī)風(fēng)速參數(shù)A設(shè)置為0.82，角速度w設(shè)置為295 rad/s，支撐桿與水平夾角α=15°、20°、20°，篩面的傾角β=9°、12°、14°。圖7為在3種設(shè)計(jì)參數(shù)模式下磚塊與混凝土的分離情況，(a)、(b)、(c)3種參數(shù)下混凝土塊的比例分別為50%、73%、91%，該設(shè)備目前分離效率為3.84 t/h。

圖5　建筑垃圾再生料的取樣Figure 5　Taking samples from construction waste

圖6　粘土磚與混凝土的分離Figure 6　Separation of brick and concrete

圖7　不同參數(shù)模式下磚砼分離情況Figure 7　Separation results in different parameters

5結(jié)論

① 提出了一種基于重力分選理論實(shí)現(xiàn)建筑垃圾再生料中粘土磚物料與混凝土物料的分離方法，并設(shè)計(jì)了建筑垃圾磚砼分離設(shè)備。該設(shè)備利用粘土磚與混凝土的比重差異，借助合理的運(yùn)動(dòng)參數(shù)、適當(dāng)?shù)妮o助手段實(shí)現(xiàn)建筑垃圾中粘土磚物料和混凝土物料的分離。

③ 該項(xiàng)研究的建筑垃圾再生料磚砼分離設(shè)備可以將混凝土分離率達(dá)到91%，生產(chǎn)率可達(dá)3.84 t/h。

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Research of Separation between Clay Brick and Concrete in Construction Waste Recycled Aggregate

HU Kui1， HAN Sen1， XUE Xue2， LEI Tian1， SHANG Weigon3

(1.School of Highway， Chang’an University， Xi’an， Shanxi 710061， China；2.Xi’an Municipal Engineering Design & Research Institute Co.， Ltd.， Xi’an， Shanxi 710068， China；3.Shanxi Transportation Engineering and Maintenance Co.， LTD， Xi’an， Shanxi 710117， China)

[Abstract]It is an effective way of dealing with construction waste to use construction waste in road engineering.The value can be improved by the separation of the clay brick and concrete in the construction waste recycled material.Technical parameters of the developing machine are calculated by means of gravity separation，stepped sieve，eccentric trajectories and other aided ways based on the different physical properties of the two different kinds of materials.The design of corresponding machine is achieved finally.The clay brick and concrete are separated effectively through the equipment commissioning process.This provides technical basis for the promotion and application of construction waste.

[Key words]construction waste； clay brick and concrete separation； technical parameters

[收稿日期]2014-10-31

[基金項(xiàng)目]陜西省火炬計(jì)劃(S2012HJ352)；2012年陜西省科技統(tǒng)籌創(chuàng)新工程計(jì)劃戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)重大產(chǎn)品(群)項(xiàng)目(2012KTCQ03-09)

[作者簡(jiǎn)介]胡魁(1987-)，男，河南正陽(yáng)人，博士研究生，從事可持續(xù)交通基礎(chǔ)設(shè)施研究。

[中圖分類(lèi)號(hào)]U 416.26

[文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]A

[文章編號(hào)]1674-0610(2016)03-0172-06