微波輻照剔選高品質(zhì)再生粗骨料技術(shù)

屠冰冰 孫雪花

摘?要：微波輻照剔選高品質(zhì)再生粗骨料技術(shù)，是改善建筑垃圾“圍城局面”，實(shí)現(xiàn)建筑垃圾資源化再利用的有效途徑，但目前對(duì)于該項(xiàng)新技術(shù)的認(rèn)識(shí)還不夠清楚，相關(guān)工藝尚不成熟。對(duì)比介紹了傳統(tǒng)再生粗骨料剔選技術(shù)和微波輻照技術(shù)所剔選出的再生粗骨料品質(zhì)，分析了微波輻照技術(shù)的特點(diǎn)、應(yīng)用前景和經(jīng)濟(jì)效益。研究表明，采用微波輻照技術(shù)剔選出的再生粗骨料砂漿包裹率低、品質(zhì)較好;微波輻照技術(shù)具有較好的應(yīng)用前景，能夠帶來明顯的經(jīng)濟(jì)效益。因此，政府相關(guān)部門應(yīng)給予鼓勵(lì)政策，推動(dòng)微波輻照技術(shù)在建筑垃圾資源化再利用中的應(yīng)用，進(jìn)而推動(dòng)了再生混凝土在實(shí)際工程中的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：微波輻照技術(shù);再生粗骨料;建筑垃圾

中圖分類號(hào)：TU 502

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A?文章編號(hào)：1672-7312（2020）05-0443-05

Microwave Irradiation Technology for Selecting High

Quality Recycled Coarse Aggregate

TU Bing-bing1，SUN Xue-hua2

（1.College ofSciences，Xian University of Science and Technology，Xian 710054，China;2.College of Electrical and Control Engineering，Xian University of Science and Technology，Xian 710054，China）

Abstract：Microwave irradiation technology of high quality recycled coarse aggregate is an effective way to improve the “siege situation” of construction waste and realize the recycling of construction waste.However，the current understanding of this new technology is not clear enough，and the related

technology is stillimmature.The characteristics，application prospect and economic benefit of microwave irradiation technology are analyzed.The results show that the recycled coarse aggregate mortar selected by microwave irradiation has low encapsulation rate and good quality.Microwave irradiation technology has a good application prospect and can bring obvious economic benefits.Therefore，relevant government departments should give encouragement policies to promote the application of microwave irradiation technology in the recycling of construction waste，thus promoting the application of recycled concrete in practical projects.

Key words：microwave irradiation technique;recycled coarse aggregate;construction waste

0?引言

隨著我國(guó)土木工程事業(yè)的快速發(fā)展，我國(guó)城市每年產(chǎn)生建筑垃圾約16億t，已占到城市垃圾總量的30%～40%。目前，各大城市正處于大發(fā)展、大建設(shè)時(shí)期，隨著城中村改造的加速和廢舊建筑的不斷拆除，建筑垃圾逐年增加。除一小部分建筑垃圾用作道路和建筑物的基礎(chǔ)墊層外，絕大部分未經(jīng)任何處理，便被運(yùn)往郊外露天堆放或填埋，既浪費(fèi)資源，又污染環(huán)境。相關(guān)專家以西安市為例，聲稱如果將西安市產(chǎn)生的建筑垃圾集中堆放到約13 km2的明城墻內(nèi)，今后五年產(chǎn)生的建筑垃圾總量將填平整個(gè)西安古城。建筑垃圾加劇了土地、資源的緊張局面，已經(jīng)嚴(yán)重影響到社會(huì)經(jīng)濟(jì)和生態(tài)環(huán)境的協(xié)調(diào)發(fā)展。建筑垃圾資源化再利用是最終出路，是發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì)、建設(shè)環(huán)境友好型和資源節(jié)約型社會(huì)的重要舉措，也是貫徹落實(shí)科學(xué)發(fā)展觀、實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展、保護(hù)環(huán)境的必然要求。

建筑垃圾的主要成分是混凝土，將廢棄混凝土塊再利用重新澆筑成再生混凝土是處理建筑垃圾的主要思路。目前，關(guān)于建筑垃圾回收利用及剔選方法已取得較好的成果，一定程度上實(shí)現(xiàn)了凈化和循環(huán)利用的目的。石建光[1]分析了骨料級(jí)配和化學(xué)成分對(duì)再生混凝土強(qiáng)度的影響，提出顆粒級(jí)配對(duì)再生混凝土強(qiáng)度影響顯著。李秋義[2]等提出了一種再生粗骨料顆粒整形剔選工藝，利用此工藝從廢棄混凝土塊中剔選出的再生粗骨料品質(zhì)較高。吳祖達(dá)[3]研究了不同再生粗骨料剔選工藝所對(duì)應(yīng)的基本物理參數(shù)，為再生粗骨料在工程中的應(yīng)用提供了依據(jù)。孫增昌[4]等對(duì)比分析了現(xiàn)有的4種再生粗骨料強(qiáng)化方法：加熱磨損法、改進(jìn)機(jī)械研磨法、化學(xué)強(qiáng)化方法和再生粗骨料濕處理方法，指出各種方法的優(yōu)缺點(diǎn)。Pandurangan[5]等分析了不同改性工藝對(duì)再生粗骨料混凝土粘結(jié)性能的影響規(guī)律。Saravanakumar[6]等對(duì)比分析了經(jīng)過4種化學(xué)溶液浸泡、改性后的再生粗骨料基本物理性能，發(fā)現(xiàn)經(jīng)過HCl溶液處理后的再生粗骨料某些特性得到顯著提高。

但傳統(tǒng)的再生粗骨料剔選或改性工藝仍存在以下問題。一是無法將再生粗骨料表面所包裹的舊砂漿體剔除完全，導(dǎo)致再生粗骨料存在弱化分界面，強(qiáng)度較低。二是傳統(tǒng)的機(jī)械破碎工藝將在再生粗骨料內(nèi)部引起二次裂紋，導(dǎo)致再生骨料與天然骨料相比，吸水率大、孔隙率大、品質(zhì)差，只能用于路基路面或基礎(chǔ)墊層等非承重結(jié)構(gòu);同時(shí)，破碎現(xiàn)場(chǎng)揚(yáng)塵，將造成環(huán)境的二次污染。為此，近年來相關(guān)學(xué)者試圖結(jié)合微波輻照技術(shù)[7-8]，提出了一種新的再生粗骨料剔選技術(shù)，即微波輔照剔選技術(shù)[9]。但該項(xiàng)技術(shù)剛剛提出，相關(guān)機(jī)理及工藝尚不成熟。

在對(duì)比分析現(xiàn)有再生粗骨料剔選工藝基礎(chǔ)上，介紹微波輻照剔選技術(shù)的特點(diǎn)、剔選效果、應(yīng)用前景和經(jīng)濟(jì)效益，以期為微波輻照剔選技術(shù)的應(yīng)用、推廣提供參考，促進(jìn)我國(guó)建筑垃圾資源化再利用進(jìn)程。

1?再生粗骨料剔選技術(shù)

針對(duì)建筑垃圾中廢棄混凝土塊中的粗骨料，傳統(tǒng)的剔選方法主要有[10-13]：物理剔選法（高溫處理法、研磨法、顆粒整形法和濕處理法）和化學(xué)剔選法（碳化法和溶液浸泡法）兩大類。近年來提出的微波輔照剔選技術(shù)較好地解決了現(xiàn)有建筑垃圾處理技術(shù)成本高、剔選率低、骨料品質(zhì)差、環(huán)境二次污染嚴(yán)重等問題，有效緩解了建筑垃圾的圍城局面，真正實(shí)現(xiàn)了建筑垃圾的資源化再利用。

圖1對(duì)比了不同剔選工藝所剔選出的再生粗骨料與天然骨料的差異?？梢姡⒉ㄝ椪占夹g(shù)所剔選出的粗骨料砂漿包裹率低、品質(zhì)好，與天然骨料特性最接近。

表1對(duì)比了不同來源建筑垃圾通過微波輔照剔選技術(shù)剔選出的再生粗骨料顆粒級(jí)配與天然粗骨料的區(qū)別。可見，不同來源建筑垃圾所對(duì)應(yīng)的大顆粒粗骨料（>30 mm）篩余量差異較大，但小顆粒粗骨料（<30 mm）篩余量差異較小。

2?微波輻照技術(shù)特點(diǎn)

2.1?微波加熱特點(diǎn)

微波[14]是指頻率范圍在300 MHz～ 300 GHz之間，波長(zhǎng)范圍為1～1 000 mm，能夠應(yīng)用波導(dǎo)和諧振腔技術(shù)進(jìn)行發(fā)射和接收的電磁波。不同類型電磁波頻率和波長(zhǎng)范圍如圖2所示。

微波加熱具有如下特點(diǎn)：

1）加熱速度快。微波穿透距離與電磁波波長(zhǎng)同數(shù)量級(jí)，且不需要熱傳導(dǎo)過程，可實(shí)現(xiàn)短時(shí)間內(nèi)整體式加熱。

2）加熱均勻。微波加熱時(shí)，物體各部分無論形狀如何，都能均勻滲透微波產(chǎn)生熱量。均勻性加熱可避免外焦內(nèi)生、外干內(nèi)濕的現(xiàn)象。

3）微波膨化。微波的內(nèi)部加熱特性，使物料內(nèi)部迅速受熱升溫產(chǎn)生大量蒸汽。隨著蒸汽的不斷排出，物料內(nèi)部形成無數(shù)的微小孔道，使物料組織膨脹，疏松。

4）選擇性加熱。微波對(duì)不同性質(zhì)物料加熱效果不同。水分子對(duì)微波的吸收最好，含水率高的物料或部位，吸收微波功率較多。

5）工藝先進(jìn)、易控制。微波加熱只需有水、電的基本條件，只要控制微波功率即可實(shí)現(xiàn)立即加熱或終止，應(yīng)用微波設(shè)備可進(jìn)行加熱過程和加熱工藝規(guī)范的自動(dòng)化控制。

6）占地面積少，安全無害。由于微波能是控制在金屬制成的加熱室內(nèi)和波導(dǎo)管中工作，所以微波泄漏極少，沒有放射線危害及有害氣體排放，不產(chǎn)生余熱和粉塵污染;既不污染食物，也不污染環(huán)境。

正是由于微波加熱具有選擇性，而廢棄混凝土塊中的粗骨料和砂漿體相對(duì)介電常數(shù)不同，在微波照射下同時(shí)加熱，但升溫程度不同，使骨料與砂漿體間接觸面因溫度應(yīng)力而產(chǎn)生裂縫。廢棄混凝土塊經(jīng)過微波照射后，輔助機(jī)械振動(dòng)，即可將粗骨料表面所包裹的砂漿完全剝離，進(jìn)而剔選出高品質(zhì)的再生粗骨料。微波加熱裝置如圖3所示。

2.2?微波加熱原理

劉君[15]等通過試驗(yàn)得出混凝土的介電常數(shù)為

式中：c為光速，m/s;d為試件厚度，mm;θi入射角，℃;

fi為反射極小值頻率，Hz。

張衛(wèi)強(qiáng)[16]提出單位體積介質(zhì)損耗微波功率與電場(chǎng)強(qiáng)度和介質(zhì)特性存在如下關(guān)系

（2）

式中：f為

微波頻率，Hz;E為電場(chǎng)強(qiáng)度，V/m;tanδ為介質(zhì)損耗角正切值;εr為物質(zhì)相對(duì)介電常數(shù)，H/m。

可將tanδ定義為

tanδ=ε″r（w）ε′r（w）

（3）

式中：

ε″r（w）為

介質(zhì)損耗;ε′r（w）為介質(zhì)存儲(chǔ)電荷能力。

可將εr為定義為

式中：σ為介質(zhì)電導(dǎo)率，S/m;ω為電磁波角頻率，rad/s;

ε0真空介質(zhì)常數(shù)，F(xiàn)/m。

微波照射后，粗骨料和砂漿作為兩種介電常數(shù)不同的材料，溫度升高程度不同（圖4），會(huì)在分界面處形成溫度梯度，進(jìn)而引起溫度裂紋。隨著裂紋的不斷延伸，骨料和包裹砂漿最終分離，使得包裹粗骨料的舊砂漿量幾乎為零。

3?微波輻照技術(shù)應(yīng)用前景及經(jīng)濟(jì)效益

微波輔助機(jī)械高品質(zhì)骨料剔選技術(shù)較好地解決了現(xiàn)有建筑垃圾處理技術(shù)成本高、剔選率低、骨料品質(zhì)差、環(huán)境二次污染嚴(yán)重等問題。

長(zhǎng)期以來，建筑垃圾主要以堆填方式簡(jiǎn)單處理。按照每填埋1萬t建筑垃圾占用1畝土地計(jì)算，每年產(chǎn)生的建筑垃圾需占用1 000畝以上土地。建筑垃圾資源化再利用具有明顯的社會(huì)、環(huán)境和經(jīng)濟(jì)效益。

為了有效實(shí)現(xiàn)建筑垃圾資源化再利用，采用微波輔助機(jī)械剔選工藝對(duì)建筑垃圾進(jìn)行源頭處理，推動(dòng)建筑垃圾再利用的產(chǎn)業(yè)化趨勢(shì)，大幅減少城市垃圾填埋量，應(yīng)用前景如下。

3.1?符合國(guó)家資源利用政策

該項(xiàng)目擬采用的骨料剔選工藝不會(huì)對(duì)環(huán)境造成二次污染。城市垃圾無害化處理，既可以解決城市建筑垃圾的出路，又避免了環(huán)境污染，符合國(guó)家有關(guān)資源綜合利用的政策，具有環(huán)境保護(hù)、資源回收再利用等良好的社會(huì)效益。

3.2?促進(jìn)地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展

該項(xiàng)目擬提出的微波輔助機(jī)械骨料剔選工藝的有效實(shí)施，可使西安市現(xiàn)有建筑垃圾受納場(chǎng)使用年限延長(zhǎng)50 a以上，相當(dāng)于節(jié)約土地資源500多萬m2，同時(shí)可使政府節(jié)約工程、征地青苗補(bǔ)償?shù)雀黝愅顿Y減少數(shù)億元。

3.3?改善市民生活環(huán)境

建筑垃圾直接填埋的處理方式，對(duì)填埋場(chǎng)地周圍及運(yùn)輸路線沿途市民的生產(chǎn)和生活造成一定影響，主要體現(xiàn)在以下幾方面：①填埋場(chǎng)地主要大氣污染物H2S濃度比周圍高;②填埋場(chǎng)地滲濾液有機(jī)污染較嚴(yán)重，對(duì)附近地下水和地面水水質(zhì)有一定影響;③填埋場(chǎng)地被磚石覆蓋，影響景觀，污染農(nóng)田。該項(xiàng)目的開展，將實(shí)現(xiàn)建筑垃圾的循環(huán)利用，解決建筑垃圾對(duì)西安市市民生活和健康的影響。

4?結(jié)論

1）與傳統(tǒng)再生粗骨料剔選技術(shù)相比，微波輻照技術(shù)能夠剔選出高品質(zhì)再生粗骨料，制備出性能良好的再生混凝土，符合我國(guó)節(jié)能高效、可持續(xù)發(fā)展的環(huán)保要求。

2）微波輻照技術(shù)能夠有效解決建筑垃圾的資源化再利用問題，改善建筑垃圾“圍城局面”，具有較好的應(yīng)用前景和經(jīng)濟(jì)效益，應(yīng)受到國(guó)家、政府和相關(guān)科研工作者的廣泛重視。

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（責(zé)任編輯：張?江）