建筑垃圾减量化与资源化利用技术

2023-03-31张明陈晓龙

建材发展导向 2023年7期

张明陈晓龙

（1.安徽置地投资有限公司，安徽合肥 230000；2.合肥工业大学土木与水利工程学院，安徽合肥 230009）

2005 年建设部出台《城市建筑垃圾管理规定》，将“建筑垃圾” 定义为：建设单位、施工单位新建、改建、扩建和拆除各类建筑物、构筑物、管网等以及居民装饰装修房屋过程中所产生的弃土、弃料及其他废弃物。

随着时代的发展，建筑结构的类型不断发生变化，框架结构逐步取代了以前使用较多的砖混结构，而建筑垃圾的主要成分也由原来的碎砖、砌块等变成了混凝土、砂浆、钢材等。随着新型建筑材料不断发展及推广应用，建筑垃圾的种类也在不断增多，导致了建筑垃圾的收集和处理难度也在不断增加[1]。目前建筑工程施工过程中产生的建筑垃圾分为三大类：第一类是钢筋下料后的料头；第二类是废旧的模板及方料；第三类是墙体及构件破除后产生的石渣[2]。建筑垃圾往往堆放在固定的地点，对其进行收集和分类的难度不大。同时很多建筑垃圾具有二次使用价值，通过处理可以转化为可用资源，这样即保护了环境，也带来了经济效益。然而，如果建筑垃圾不经任何技术处理，直接进行堆放或者填埋，会对周边环境产生影响，周围的土质、水质及大气会受到持续的危害，这种危害会持续数十年。因而，在充分认识建筑垃圾特性的基础上，对建筑垃圾进行减量化资源化处理显得尤为重要[3]。

1 建筑垃圾减量化技术要点

建筑垃圾减量化是指在施工过程中减少建筑垃圾的产生量和排放量，包括减少建筑垃圾的种类、体积数量等；建筑垃圾资源化利用是指对建筑垃圾就近处置或回收再利用[4]。对施工现场垃圾减量与资源化的主要技术重点有。

1）对二次结构的混凝土砌块做好排块设计，在加工车间提前进行切割加工，以减少施工现场混凝土砌块产生的废料； 2）优化钢筋下料技术，提高钢筋利用率；对余料采取二次利用，用于预埋件与安全围栏的加工等； 3）对施工中的混凝土余料做好回收利用，用于制作小型构件； 4）垃圾管道垂直运输技术，节能型竖向建筑垃圾管道可提高建筑垃圾分类收集的程度，减少了垃圾资源化、无害化处理的难度；进一步提高建筑垃圾处理及资源化利用技术水平，有利地避免对土壤质量的损害，减少对空气的污染； 5）对建筑垃圾进行分类处理；碎石类及粉质建筑垃圾进行颗粒级配，用作路基的回填材料。

2 建筑垃圾减量化施工对策

2.1 混凝土加气块排块设计研究

建筑工程中的二次结构，其细部节点繁多，施工过程中难以进行精细化设计，以致于施工现场对砌体等原材料切割的随意性较大，普遍的存在着严重浪费、损耗的现象。目前，管理较好、技术能力较强的项目部的二次结构精细化设计一般使用CAD（ComputerAided Design，计算机助设计等）工具，依靠用户手动在平面上进行砌块等材料的电脑排版，在使用过程中呈现手动工作量大、容易出错、效率低、造成建筑材料的浪费等缺点。

考虑到上述问题，我们提出了一种新的砌块排布方法。主要包括：获取待进行砌体排布墙体模型；获取在对所述墙体模型进行砌体排布过程中所需的初始参数信息，并根据获取到的初始参数信息，在墙体模型上形成体排布图，从面实现体的自动排布，整个砌体排布过程操作简单，克服了手动进行砌体排布所存在的缺点，降低了用户的手动工作量，提高了砌体结构综合排布的效率和准确度，减少了建筑废料。

2.1.1 模拟现场排布BIM模型

在进行砌体排布时，通过从用户选定的建筑谢谢模型中提取出墙体模型，具体地，可将用户指定的BIM模型导入到系统中，系统根据BIM模型中的图元属性将墙体模型从整体模型中提取筛选出来，并进行一些数据的预处理，由于从BIM模型中提取出的墙体模型与实际墙体契合度高，保证了后续在墙体模型形成的砌体排布图的合理性[5]。

2.1.2 生成墙体排布详图

根据获取到的所述初始参数信息，在所述墙体模型上形成砌体排布图的步骤，具体包括：根据所述砌体的参数信息和所述措施构件的参数信息，确定砌体排布过程中所需砌体的尺寸、数量以及布设位置：基于所述砌排布过程中所需砌体的尺寸、数量以及布设位置，形成所述砌体排布图如图1 所示。

图1 砌体排布图

2.1.3 导出墙体料单

通过BIM三维模拟技术将现场砌体排布做成二维码，方便现场管理人员的查看和沟通。另外在施工现场我们将多余的混凝土加气块进行破碎，并将其用于屋面的找坡层，做到了建筑垃圾的减量化。

2.2 钢筋优化下料技术研究

建筑工程中钢筋是最为常见的材料之一，由于它在单价上又比较高，所以对于任何一个项目而言，只要控制好了钢筋的用量，就相当于在材料的造价上节约了一笔可观的资金。近年来，很多企业的施工团队，不考虑建设投资成本，盲目的滥用钢筋材料，不仅导致了钢筋材料的浪费，还加剧了企业材料成本的投入，而这些最终降低的是企业在同行中的竞争力[6]。为了及时避免更多的企业陷入这种没有引起重视的损失中，为了在用料时更好的提高钢筋的利用率，我们分析了利用率低的主要原因，并给出了可行的方案。

钢筋下料利用率低的原因主要有：钢筋配比依据的计算公式存在问题；缺乏对先进工艺技术的了解；缺乏技能培训，专业人员水平低。目前，管理较好、技术能力较强的项目部在钢筋配合比的计算公式上不会出现问题，主要对先进的工艺技术不太了解，缺乏技能培训，专业人员水平较低等等方面。为此，我们通过BIM技术解决上述问题，从而提高了钢筋的利用率。

通过建立钢筋骨架图及其相关文件的管理可以更好的进行钢筋排布，对钢筋下料进行优化管理。进行BE文件上传，通过BV移动客户端进行实时查看。以方便为下料人员与施工人员进行技术交底，避免下料及施工错误，节约施工时间。从而提高了钢筋的利用率，减少了钢筋的浪费。

2.3 施工现场钢筋、混凝土余料回收利用

随着建筑业的快速发展，高层、超高层结构越来越多，混凝土、钢筋用量也相应增大，产生的余料、造成的浪费也随之增多。如搅拌机在每次使用后，都会在机内留有部分砂浆和混凝土，以400L搅拌机为例，余料一般在50kg左右。在混凝土浇筑工作开始或结束后将泵管中的余料或冲洗水直接从电梯井、外架等地方排下，在钢筋翻样料下料时剩余的钢筋头、下料过多产生的钢筋废料。如果不再利用这些余料，则会造成资源的浪费[7]。

2.3.1 混凝土余料的回收利用

搅拌机每次使用后，混凝土浇注结束后，在搅拌机、泵送管内都会留有部分混凝土。对于这些混凝土余料，我们制作了一些小型的PC构件，从而提高了混凝土的利用率，减少了建筑垃圾的产生。制作的小型PC构件主要包括门窗洞口预制过梁，预制成品空调孔洞如图2 所示等。

图2 预制成品空调孔洞

2.3.2 钢筋余料的回收利用

钢筋余料在工地的再次利用方式较多，可以制作马凳筋如图3 所示用于地下室底板施工；可以将较长的钢筋余料焊接成通道架子，形成临时通道；可以焊接成钢筋篦子，代替沟盖板用于施工现场及生活区排水沟。将钢筋余料用于工地工作生活的许多方面，方便工人的工作及生活，节约施工成本。

图3 板马凳筋

2.4 垃圾管道垂直运输技术研究

高层建筑在主体结构施工过程中，由于模板施工、混凝土输送、混凝土振捣等各方面原因，都会发生混凝土抛洒、泄露，从而产生一定数量以混凝土材料为主的建筑垃圾。在装饰装修施工中也会产生以落地砂浆、混凝土剔凿碎块等为主的建筑垃圾。对产生的这些建筑垃圾，一般是采用人工收集装袋，然后利用垂直运输设备从各个楼层运到地面再进行集中处理。整个过程要经过多次倒运，这不仅要投入大量劳动力，还要占用紧缺的垂直运输设备，同时会造成扬尘污染。运到地面的建筑垃圾，在没有完善的筛分设备情况下，回收利用率极低，大多作为废料外运填埋[8]。因此，我们将使用垃圾管道输送系统解决以上所有问题。

垃圾管道输送系统设计主要内容包括管道入口、主管道、管道与墙体的连接、管道出口、管道减速器5 个方面的研究。

2.4.1 管道入口设计

垃圾管道的人口是很重要的部分，因此着重设计了管道的人口。首先，管道的人口应该能直接与楼板的接触，否则垃圾有可能从管道与楼板直接的缝隙漏到下面，并且管道和楼板的距离不可能都是一致的，因此，还要适应管道离墙体距离的变化。由此，研究设计了一个与管道连接，可沿着轴固定转动的挡板，这样就能以挡板的垂直距离来代替它的水平距离，挡板可直接与建筑物的楼板接触，垃圾下落的问题得以解决。

2.4.2 主管道设计

主管道部分采用竹节式标准管道层，每个标准管道层分上下两层套筒，管壁厚3mm，上层套筒宽度为500mm，下层套筒宽度为506mm，每层套筒高度为1500mm，在上层套筒中从上向下每隔200mm设置两个10mm螺栓孔（水平方向上两个螺栓孔之间的距离为300mm），在下层套筒中也是从上向下每隔200mm设置两个螺栓孔，上下套筒可以通过螺栓将其固定。因此，管道高度可以进行调节，以满足不同楼层高度的需求。而标准层之间可用螺栓直接将管道连接。

2.4.3 管道出口设计

管道出口一般都是竖直方向的，而我们在竖直末端连接一个水平出口。这种设计便于垃圾出口灵活的与垃圾箱连接，而且能够通过角度的调节，减少下落的垃圾对垃圾管道的冲击损害，能有效地保护垃圾管道。垃圾管道水平出口处设置挡板，能够减少建筑垃圾下落时引起的尘土飞扬，保护周围的环境。还可以起到减缓垃圾速度、保护垃圾箱的作用。

2.4.4 管道减速器设计

建筑垃圾管道主要用于高层、超高层建筑，建筑垃圾如果从高处一次性落下，势必会对地面或地面承接物产生相当大的冲击力，产生不安全因素。为解决这个问题，我们在每层的建筑垃圾管道中安装了缓冲装置，用于减小建筑垃圾的下落速度，保证建筑垃圾在到达地面时速度降到安全范围内。但在使用初始阶段，垃圾在通过减速器时经常会卡住，为此我们经过多重考虑后，决定利用弹簧的缓冲作用对建筑垃圾进行减速，具体设计方案见图4。

图4 管道减速器

管道截面尺寸为506 ×506mm，因此减速板的尺寸设计为480 ×380mm，厚度为3mm，所用材料为钢板。在减速板表面覆盖一层橡胶，用于减小建筑垃圾在撞击减速板时发出的噪音。减速板与管道的连接方式为铰接；减速板的初始角度为45°。

假定一次性从管道进入垃圾15kg，钢的密度为7.85g/cm3，钢板厚度d 为3 mm， W=7.85 ×d，每平方米重量（W） =7.85 ×3 =23.6kg。该减速门的钢板尺寸为380 mm×480 mm， W=2.28kg。

下落的垃圾对钢板的冲击能量E=mgh =15 ×9.8 ×0.5 =58.8J，由能量的转换对钢板的冲击能量转化为弹簧的弹性势能，如下式所示。

式中： k——弹簧的弹性系数（N/m），经推算得： k=5880 N/m； x——钢板末端的最大位移量（取x=0.1m）。

钢板与管壁夹角α的确定。查阅相关资料，橡胶与混凝土之间的摩擦系数u 为0.45。根据力学平衡条件得，cosα＞u。得α=45°。弹簧与钢板之间的夹角为90°。

2.5 建筑垃圾回填路基研究

建筑垃圾回填前要先进行预处理，对于大块的建筑垃圾先进行破碎处理，破碎程度根据具体施工要求而定。待破碎完成后再使用筛分设备进行筛分处理。将破碎后的建筑垃圾按不同的粒径进行筛分，再进行掺配，使集料的颗粒级配满足施工要求。经过以上处理的建筑垃圾，可以在路基施工中得到二次使用[9]。

1）技术要求： ①建筑垃圾分类堆放至对施工不造成影响或影响较小的区域； ②建筑垃圾的粒径不应过大，较大粒径的建筑垃圾应再次进行破碎筛分；③控制路基填筑材料中建筑垃圾的比例，保证材料中正常材料的含量。

2）施工工艺： ①基底处理，对原地面表层的树根杂草等植被进行清除，将地面的低洼和坑洞进行填补压实，保证地面平整。对于土质松散的部分，先进行松土晾晒再重新填补碾压至密实； ②摊铺、整平：路基摊铺时应分层填筑分别压实，采用后退式摊铺法铺筑建筑垃圾，推土机随时摊铺整平。最后采用平地机进行精平； ③碾压：确保铺层材料的含水量在碾压时属于最佳水平，采用洒水车均匀洒水。碾压时应遵循先慢后快、先两边后中间的原则，使用羊角碾与光轮压路机组合施工。