城市废弃混凝土资源化再生利用的探讨

谭艺西,郭星强

(1.武汉市第十五中学,武汉 430071;2.浙江省有色金属地质勘查局环境研究院, 312000)

城市废弃混凝土资源化再生利用的探讨

谭艺西1,郭星强2

(1.武汉市第十五中学,武汉 430071;2.浙江省有色金属地质勘查局环境研究院, 312000)

基于传统废弃混凝土再生骨料和再生水泥工艺,提出同时生产再生骨料和再生水泥的废弃混凝土资源化再生利用工艺以充分利用废弃混凝土中的可再生利用成分,并对设计的再生利用工艺各环节进行简单介绍;通过对比再生水泥与普通水泥的性能,分析再生产品的性能,得到再生混凝土总体性能在一定程度上虽低于一般混凝土,但具有经济成本的优势;针对再生混凝土性能的不足之处,提出了改善提升再生产品性能的方法及工艺。

废弃混凝土; 资源化再生利用; 再生工艺; 再生混凝土

城市废弃混凝土是城市建筑垃圾中占主导地位的一种,在发展建设中的城市,大量建筑和设施的拆除导致每天都有数量巨大的建筑垃圾产生。以武汉市为例,据不完全统计,2015年武汉市大小工地有近万个,每年产生的7 616万t大宗固体废弃物中建筑垃圾就占到5 000多万t,占比65%以上,其中拆除产生的废弃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,虽然其转运困难,体积、重量大,但是其可利用率和实用价值都比较高[3]。大量研究表明,城市建筑垃圾可以进行资源化再处理,从而达到制造再生资源的作用。牛佳[4]研究建筑垃圾的资源化机制,建立建筑垃圾可资源化的评价体系,并通过科学方法分析了资源化处理方法及技术;朱东风[5]通过调研广州市建筑垃圾处理情况,提出了建筑垃圾资源化产业链模型和资源化处理全过程的管理模式;魏璟璟[6]研究由废弃混凝土中的粗骨料、砂浆和水泥部分制备再生水泥和胶凝材料来取代部分水泥的工艺技术,同时对再生水泥的性能进行了测试和分析;易超[7]利用建筑垃圾再生粗骨料和细骨料,并设计系统实验对比研究再生骨料与天然骨料制备混凝土的性能;刘纪峰和张会芝[8]对比研究不同破碎方法下再生骨料的性能情况,从根据不同要求为再生利用技术选择科学的破碎方法。

1 产品分类

废弃物资源化可分为原级资源化和次级资源化,其定义分别是利用废弃物产生同类的新产品和转化为其他产品的原料或同类产品的衍生产品。相对而言,原级资源化是资源化方式中较为理想的方式,因为其再生资源的比例和对废弃物的利用率都比较高。据统计[6],原级资源化可减少25%～50%原生材料的使用量,而次级资源化最多能达到25%。

目前,我国对废弃混凝土的处理方式主要有以下3种:第1种是将废弃混凝土直接用于加固软土地基或进行土石方回填;第2种是利用废弃混凝土制备免烧砖、干混砂浆等产品,属于次级资源化处理方式;第三种是利用废弃混凝土生产再生水泥、再生粗骨料、再生细骨料,将废弃混凝土再生为混凝土制备的原料,属于原级资源化方式。根据目前国内外对废弃混凝土的不同处理方式以及其发展趋势,第3种处理方式将会是科技进步和社会经济发展条件下资源化利用发展的主要方向,等到技术条件成熟,完全取代第一种和第二种处理方式,成为废弃混凝土的主要处理方式,同时随着环境问题的备受重视,将会成为各国废弃混凝土处理方式的标准。

研究基于第三种资源化处理方式,调研废弃混凝土再生工艺,设计废弃混凝土资源化再生利用系统同时生产再生水泥、再生粗骨料和再生细骨料,充分利用废弃混凝土中的材料成分,提高废弃混凝土的再生利用率。

2 再生工艺介绍

为提高废弃混凝土的资源化利用程度,尽可能地提升再生利用率和处理效果,降低成本,研究在借鉴国内外典型废弃混凝土资源化利用系统工艺流程的基础上[9,10],进行一定的改进,设计了可同时生产不同粒径的再生骨料和再生水泥原材料的再生工艺,其工艺流程如图1所示,主要环节和设置目的如下:

1)锤击初选:充分考虑机械设备处理大块和含杂质混凝土的不适用性,以及我国人力资源丰富的前提条件,对废弃混凝土垃圾进行交替的人工筛选和锤击破碎,以清除废弃混凝土垃圾中掺杂的大块木料、塑料和钢筋等杂物,防止其对后续工艺的不利影响。

2)破碎分离:利用颚式破碎机进行一级破碎,而后对破碎的废弃混凝土进行冲洗、磁选、烘干和风力分离等工艺处理。冲洗分离出破碎混凝土上粘附的泥灰,磁选分离出破碎物中夹杂的铁屑等金属类杂物,而后进行烘干和风力分离,以分离出破碎物中的木屑、塑料等轻质杂物。

3)破碎筛分:采用双层网筛分机对破碎分离后的破碎物进行筛分,得到0～40 mm不同粒径的再生骨料,同时大于40 mm骨料会再次进入工艺循环系统进行二次处理。

4)煅烧水泥:考虑到废弃混凝土经破碎后将产生大量的泥灰,其成分主要为硬化水泥石,可作为再生水泥的原料。研究设计在每次破碎后都增加冲洗环节以充分利用废弃混凝土成分,同时减少泥灰对后续工艺和系统生产车间的环境污染。冲洗产生的泥浆经烘干后,进行配料并制备生料料饼,经煅烧生产再生水泥。

3 产品性能分析

再生骨料和再生水泥作为废弃混凝土资源化再生利用的工艺产品,主要是为了生产“再生骨料混凝土”和“再生水泥混凝土”(统称“再生混凝土”),研究根据混凝土的性能评价指标来对资源化再生利用产品进行性能分析。根据工程实践,常用混凝土性能要求有:搅拌物和易性、一定凝期后的强度、体积变形、硬化后耐久性和经济合理性等[11-16]。据此对资源化再生产品的各项性能分析如下:

1)再生混凝土搅拌物的和易性:因再生骨料的表观密度低于天然骨料,孔隙率较大,致使再生混凝土的吸水率较高,相同水灰比条件下,再生混凝土的流动性、稳定性、可塑性和易密性较差,直接影响了搅拌物的和易性和工作性能。同时,这也会使得再生混凝土的坍落度较小,形成建筑结构的孔隙较多,导热系数小,保温隔热效果较好,适用于有此要求的建筑。

2)一定凝期后再生混凝土的强度:再生混凝土的强度随凝期增长较普通混凝土快,能拥有较好的前期强度,因此适用于较短凝期内有强度要求的结构。但是再生混凝土的最终强度,由于受再生骨料孔隙率大、吸水性强,废弃混凝土经一定工艺后生产的再生骨料存在裂隙和杂质等不利条件,再生混凝土的力学性能有限。但再生混凝土应用于低强度和中等强度等级的结构时,其可行性良好,在高强度等级要求的结构中,也可在经过严格的试验验证后慎重使用。

3)再生混凝土的体积变形:混凝土的体积变形与水泥用量有一定的关系,在强度能够达到要求的前提下,水泥用量低,混凝土的体积变形小。在同等水泥用量条件下,由于再生骨料的吸水性强,形成结构孔隙率高,故而在能满足强度要求的前提下,再生骨料混凝土的体积变形较小。

4)硬化后耐久性:再生混凝土的耐久性与废弃混凝土的强度密切相关,因为再生骨料的强度和再生水泥的性能直接继承于废弃混凝土的强度和使用水泥的性能。再生骨料经破碎工艺后强度有所降低,同时再生水泥在加入一定的杂质后性能也有所影响,所以整体而言,再生混凝土硬化后的耐久性较同等条件下的普通水泥差。

5)经济合理性:制造混凝土的原料为非可再生资源,随着原料的不断利用,资源量持续减少,必然导致其价格的提升;同时,科学技术的发展以及资源短缺条件下对混凝土需求的增长,混凝土资源再生利用的生产工艺和生产技术势必得到不断改进,生产出来的再生骨料和再生水泥成本将不断降低,性能逐步改善。因此,虽然再生混凝土的各项性能都与同等条件下的普通水泥性能存在一定的差距,但是考虑其综合经济效益,再生混凝土的应用前景十分可观。

4 产品性能及工艺改善

通过对比分析再生水泥与一般水泥的性能,可知再生骨料、再生水泥与天然骨料、一般水泥的各项性能还是存在一定的差距,影响了再生混凝土的使用范围。研究根据再生产品的性能针对性提出以下几点改善的方法和相应的工艺程序。

1)在破碎分离阶段,对进行破碎、冲洗和磁选后的废弃混凝土破碎物进行热处理。经500℃热处理以后生产的再生混凝土,其弹性模量及抗压强度都得到了一定的改善[17]。因为热处理能够改变废弃混凝土破碎物中碎块的内部结构,同时能够使得破碎物中的粗细骨料与砂浆得到更好地分离,提高再生骨料表面的吸附性,从而达到改善再生混凝土强度的目的。

2)在破碎分离和破碎筛分阶段,对破碎方法和破碎设备进行合理地选择。因为,再生骨料表面的水泥石等附着物和破碎出来的骨料表面结构、碎块大小和形状直接影响了再生混凝土的力学性能。采用立式离心破碎,能够得到较好的再生骨料指标,改善再生混凝土的性能[8]。

3)在煅烧水泥阶段,在生料料饼配料中加入矿渣、炉渣等作为晶种,一方面能够降低煅烧水泥的温度,另一方面能够改善水泥基材料的力学性能。随着矿渣、炉渣晶种的引入,水泥基材料的力学性能将会呈现出先增大后减小的变化规律[18]。

4)在配置再生混凝土阶段,对再生骨料进行水玻璃改性能够提升再生混凝土的早期强度。水玻璃溶液的浓度能够直接影响到再生混凝土早期强度和抗硫酸腐蚀、抗冻性能[19]。

5 结 论

a.研究提出了能够同时生产再生骨料和再生水泥的资源化再生利用工艺系统设计,提高废弃混凝土中各成分的资源化利用率。

b.对比普通混凝土,充分分析了再生产品的性能,得到了虽然再生混凝土总体性能不及普通水泥,但在中等强度和弱强度等级要求的条件下,再生混凝土的经济性能能够得到充分发挥的结论,随着资源的匮乏和再生利用技术的发展,废弃混凝土的再生利用价值将越来越高。

c.根据再生混凝土的性能的不足提出了相应的改善的方法和工艺,主要包括对破碎物进行热处理和采用立式离心破碎改善再生骨料的性能,在生料配置中引入矿渣、炉渣作为晶种改善再生水泥的性能等。

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[2] 凤凰网:http://news.ifeng.com

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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.

谭艺西(1998-),学生.E-mail:459816045@qq.com