废弃混凝土破碎及再生工艺研究

作都：肖建庄 孙振平                同济大学建筑工程系

摘要：在对上海市废弃混凝土的现状调查与分析的基础上，研究废弃混凝土块体破碎及筛分工艺，并对建议工艺生产的再生骨料进行基本性能试验研究及做经济性分析。结果表明，该再生骨料生产工艺基本能满足废弃混凝土的破碎与分级要求；再生骨料可满足配制中低强度等级再生混凝土的要求。
关键词：废弃混凝土；再生骨料；破碎工艺
在我国，建筑业作为国民经济的支柱产业之一，二十余年来得到了突飞猛进的发展，相应在生产过程中产生的建筑渣土尤其是废弃混凝土也空前增加。据不完全统计，废弃混凝土的数量已占到城市垃圾总量的30%-40%，且绝大部分废弃混凝土未经处理，直接运往郊外或乡村采用露天堆放或填埋的方式进行处理，耗用大量的征用土地费、垃圾清运费等建设费用；同时，清运和堆放过程中的遗散和粉尘、灰砂飞扬等问题又对环境造成二次污染，严重破坏了生态环境。因此，如何合理处理和再生利用废弃混凝土已经成为建筑行业和环境保护部门面临的一个重要课题。
1废弃混凝土现状调查
1.1数量与处置现状
以上海市为例，目前每年排放的渣土总量呈持续发展态势，2002年在2000万t左右。而废弃混凝土约占渣土总量的40%，即800万t左右，主要是由拆、建房以及道路翻修等土木工程施工过程中产生的。大部分废弃混凝土未得到合理回收和高效利用。
1.2发展趋势
一方面，废弃混凝土的数量在迅速增加；另一方面，随着社会经济的发展、混凝土用量的增大，因开采砂石骨料而造成的资源枯竭和环境破坏已成为人们关注的焦点，混凝土的可持续发展与骨料危机的矛盾日益突出。因此若能将废弃混凝土就地回收，经破碎、清洗、分级后作为骨料再利用，生产再生混凝土用于新建工程，则不仅能降低成本，节约天然骨料资源，缓解骨料供求矛盾，还能减轻城市环境的污染。
2废弃混凝土破碎工艺
2.1已有破碎工艺
2.1.1俄罗斯的破碎工艺
鉴于废弃混凝土中往往混有金属、玻璃及木材等杂质，因此在俄罗斯[q的工艺流程中，特别设置了磁铁分离器与分离台等装置以便去除铁质成分，见图1。配备有2台转子筛网筛分机处理，被分为0-5mm，5-40mm及40mm以上三种粒径。在普通配合比的结构混凝土中，骨料粒径一般不大于40mm，因此，为充分利用废弃混凝土资源，将40mm以上的碎石再次破碎，使粒径达到0～40mm。该工艺的主要缺点是加工设备繁多，导致初期的投资规模较大，不利于其在短期内的推广应用。
2.1.2德国的破碎工艺
德国的废弃混凝土再生工艺流程主要由1个二档等级的鄂式破碎机，见图2。经破碎的石料须烘干。其他的组成设备包括铁件收料台(电磁器)等。通过鄂式破碎机的加工，再生骨料的级配被筛分为0-4mm，4-16mm，16-45mm及45mm以上。该工艺由于整个处理流程需安装2台鄂式破碎机及4台筛分机，因此投资费用巨大且工程占地面积大。

 

图1俄罗斯典型再生骨料生产工艺

 

图2德国典型的再生骨料生产工艺
1-载荷车；2-料斗；3-主破碎机；4-铁件收料台；5-初筛分机；6-分筛机Ⅰ；7-输送带；8-分筛机Ⅱ；9-分筛机Ⅲ；10-0～4mm粒径骨料；11-0～32mm粒径骨料；12-0～45mm粒径骨料；13-45～90mm粒径骨料；14-16～45mm粒径骨料；15-45～150mm粒径骨料；16-4～16mm粒径骨料；17-破碎机
2.1.3中国的破碎工艺
(1)目前我国台湾地区[2-3]采用包括油压式履带型碎石机和重物筛选机系统的废弃混凝土块破碎及处理机具，其生产工艺流程图见图3所示。
(2)史巍和侯景鹏[4]设计了一套带有风力分级设备的骨料再生工艺，见图4。该工艺构思新颖，使用了风力分级装置及吸尘设备将粒径为0.155mm的骨料筛分出来，为循环利用再生细骨料奠定了基础；但是基于现阶段我国的实际情况，再生细骨料尚未被深入、系统地研究，尚不具备直接应用于工程中的条件。

 

图3台湾地区再生骨料生产工艺

 

图4史巍和侯景鹏设计的再生骨料生产流程图
(3)李惠强和杜亭提出了如图5所示的生产流程制备再生骨料。在这一生产流程中，块体破碎、骨料筛分均是碎石骨料生产的成熟工艺，因此在生产中关键是要控制好分选、洁净、冲洗等环节的工艺技术和质量。该工艺的突出特点是有一填充型加热装置，经加温、二级破坏、二级筛分后可获得高品质再生骨料。加温到300℃左右后，包裹在天然岩石骨料外的水泥石粘结较差的部分，或在一级破碎中天然骨料外已带有损伤裂纹的水泥石，在二级转筒式或球磨式碾压中都会脱落，剩下的粗骨料的强度相当于提高了。但加温、二级碾磨、二级筛分会带来生产成本的提高。
2.2建议破碎工艺
经比较分析国内外再生骨料的生产工艺，本文设计了一套新的工艺流程，见图6。考虑到目前我国劳动力成本相对较低，且机械不适宜处理大块杂质，因此选择人工法对废弃混凝土块进行分选，除去钢筋和木材。现阶段由于国内对粒径5mm以下的再生细骨料尚未作深入的研究，所以该工艺将这部分骨料视为杂质去除。鉴于铁屑和碎塑料等细微杂质很难采用人工分离，工艺设置了磁铁分离器和分离台，以便提高骨料的纯度。为彻底破碎废弃混凝土使之达到需要的粒径范围(5-40mm)，特配备2台破碎机。再生骨料通常含有更多的有害物质，如粘土、淤泥、细屑等，它们粘附于骨料的表面，降低再生混凝土强度，同时又增大混凝土的用水量，所以在筛分完毕后对其进行冲洗等处理。
3再生粗骨料基本性能
参照《普通混凝土用碎石或卵石质量标准及检验方法》(JGJ53-1992)，实测上述建议废弃混凝土破碎工艺生产的连续级配的再生粗骨料的主要性能如表1所示。与天然粗骨料相比，再生粗骨料具有密度小以及压碎指标值和吸水率较高等特点，但仍满足JGJ53-1992标准的有关要求，因此可以用来配制中、低强度等级的再生混凝土。
4再生骨料效益分析
4.1直接经济效益
据文献[5]介绍，欧盟、美国和日本每年废弃混凝土材料超过3.6亿t，对混凝土和钢筋混凝土废料再加工得到的再生骨料能耗仅为开采天然碎石的1/8，成本可降低25%。

图6建议的再生骨料生产工艺

表1再生粗骨料基本性能试验结果

根据上海市有关的定额标准，小规模的处理废弃混凝土，生产再生骨料，有关台班基价费用如表2所示。
假定以50m3/台班计算，再生骨料的市场价取54元/m3，接近上海市天然骨料市场价格。每台班产量带来的收入为：
54×50=2700(元/台班)
每工作台班利润为：2700-2245=455(元)
从以上经济分析中可发现，若再生骨料的市场价格低于天然骨料，那么再生骨料的生产是微利。
4.2综合经济效益
实际工程中不乏利用废弃混凝土产生良好经济效益和社会效益的实例。如某机场区域内有各类飞行跑道、停机坪、牵引道和掩体等废弃混凝土构筑物。据初步估计，暴露在地表面和被覆盖的废弃混凝土量约有10万m3，约23万t。现对这些废弃混凝土进行加工，使之成为再生骨料。有关该工程的综合经济分析如下。
(1)废弃混凝土的处理费用为1485万元(包括废弃混凝土的拆除和外运费用)。依据拆除工程的定额估算，拆除成本约68元/m3，10万m3的废弃混凝土拆除费约为680万元人民币；依据土方外运定额估算，外运成本费用约为35元/t，废弃混凝土的密度按2.3t/m3计算，废弃混凝土总量约为23万t，处置费需805万元人民币。
表2再生骨料综合台班基价分析

(2)废弃混凝土加工成道渣(用于道路的垫层)的费用按可生产道渣的数量计算：23万t的废弃混凝土按市政道路用级配(5～15mm，25～40mm，50～70mm)加工，扣除加工损耗，约可生产21万t道渣；道渣的加工成本，按现有加工成本16元/t计算，23万t的加工费用约为368万元人民币。
(3)标准道渣的市场采购价格，按市场中准价计算，5～15mm碎石为56.96元/t，25～40mm碎石为53.42元/t，50～70mm碎石为58.12元/t，送到工地的平均价格为56元/t，则21万t道渣计为2270万元。
经计算，在相同的条件下，对废弃混凝土再生利用可减少投资1222万元。对废弃混凝土进行再生循环利用，可减少建设投资，因而具有明显的综合经济效益。
4.3环境分析
由于我国经济进入高速发展阶段，基础建设规模越来越大，每年用于浇筑混凝土的骨料就达11～14亿m3。而这些山体是不可再生的资源，它的消失对人类与环境是难以估计的损失。到目前为止由于过度开采，造成许多因人为因素引起的自然灾害(洪水、水土流失、土地荒漠化、环境污染、生态破坏等)，严重影响了我国的可持续发展战略。