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建筑廢棄混凝土回收再利用技術現狀與展望

時間:2017年11月16日信息來源:同濟混凝土外加劑 點擊:

  1 引 言
  建筑垃圾又稱建筑廢棄物,是建筑物(構筑物)拆除、建設、裝修和修繕過程中產生的廢棄物,包括廢混凝土、廢磚石、廢砌塊、渣土,以及廢玻璃、廢塑料、廢木材和廢金屬等[1]

  隨著我國經濟的快速發展,城市化進程不斷加快,建筑行業在我國得到突飛猛進的發展,與此同時,產生的建筑垃圾量也屢創紀錄。而當前對建筑垃圾的處理方式主要是簡單地進行填埋,這給生態環境造成了極大的負擔。廢棄混凝土作為建筑垃圾的主要組成部分,對其進行回收處理及合理利用,不僅能使有限的自然資源得以循環利用,還可以解決填埋處理所帶來的環境污染問題,對實現建材行業的節能減排、可持續發展具有重要意義[2]

  本文簡要介紹我國建筑廢棄物的產生量及資源化利用所存在的問題,就廢棄混凝土回收利用方式及如何加快建筑垃圾資源化利用的措施進行了詳細討論,并進行了展望,希望為加快建筑垃圾特別是廢棄混凝土的資源化利用提供一定參考價值。

  2 我國建筑垃圾的現狀

  我國正處于經濟建設高速發展時期,每年不可避免地產生數億噸建筑垃圾。截至2011年,我國城市固體生活垃圾存量已達70億噸,而建筑垃圾的數量已占到城市垃圾總量的30%-40%,可推算建筑垃圾總量為21億至28億噸。每年新產生建筑垃圾超過3億噸,若采取簡單的堆放方式處理,對其處理都將占1.5億至2億平方米用地。如果不及時處理和利用,必將給社會和環境帶來不利影響。根據中華研普行業調研報告對國內建筑垃圾產生量的預測(圖1),2015年至2020年建筑垃圾產生量逐年增長,到2020年時將達到39.66億噸[3]

建筑廢棄混凝土回收再利用技術現狀與展望
圖1 2015-2020年建筑垃圾產生量預測

  作為混凝土生產大國,中國的混凝土年產量占世界年總產量的45%。目前中國廢棄混凝土年產生量為1-2億t,預計到2020 年將產生20億t的廢棄混凝土[4-6]。然而,根據2014年度的《中國建筑垃圾資源化產業發展報告》,我國建筑廢棄物的回收利用率僅為5%左右,絕大多廢棄混凝土被直接填埋甚至非法傾倒,這與發達國家的高回收利用率相比差距巨大(圖2)。

建筑廢棄混凝土回收再利用技術現狀與展望
圖2 各國建筑廢棄物的產生及處置狀況[7]

  3 我國廢棄混凝土資源化處理存在的問題

  基于我國對廢棄混凝土再利用的科學研究尚處于起步和試驗階段,在很多核心技術及政策制度上,與國外發達國家相比,還有非常大的差距,主要可以概括以下幾點。

  (1)建筑垃圾的處置處于簡單和無序化狀態。部分城市建設中的設計、施工與拆除等行為仍采用傳統的粗放型生產方式,造成大量建筑垃圾的產生。且對建筑垃圾的分類、回收和消納缺乏管理,導致建筑垃圾被隨意處置或簡單填埋。

  (2)建筑垃圾的回收和資源化利用在市場條件下難以自發形成產業鏈。政府和法律并未規定建筑垃圾排放者具有強制回收或處理建筑垃圾的義務,因此生產者往往將建筑垃圾任意填埋或傾倒,使得建筑垃圾處理企業缺乏生產原材料,制約了建筑垃圾資源化利用。

  (3)再生混凝土的耐久性較差,使其難以推向市場。國內尚未對再生混凝土的應用制定統一的規范,且目前再生混凝土的生產成本較普通混凝土高,加之人們對再生混凝土的耐久性認知較淺,致使再生混凝土在實際結構工程中的推廣應用步伐緩慢[8]

  4 目前廢棄混凝土的主要回收再利用方式

  廢棄混凝土作為建筑垃圾的重要組成部分,約占其組成的30%-50%左右,對其進行資源化利用,對解決填埋處理帶來的環境污染、資源浪費問題具有重要意義。目前廢棄混凝土在建材領域的利用主要有生產再生水泥、生產再生混凝土、生產再生磚和砌塊,以及作為基礎和道路墊層等幾個方面。

  4.1 生產再生水泥

  (1)用作再生水泥原料

  廢棄混凝土中含有的部分鈣質原料和硅質原料及硬化的水泥漿體在高溫下脫水形成氧化鈣、氧化硅和氧化鐵等氧化物,都是制造水泥所必需的氧化物。萬惠文等[9]在實驗室利用部分廢棄混凝土作鈣質原料取代60%石灰石,煅燒出強度可達到47.4MPa的水泥熟料。但隨著廢棄混凝土替代比例的提高,生產的水泥熟料質量變差。這主要是因為未分離出廢棄混凝土中的河砂含有活性特別差的SiO2(大多是結晶的SiO2),導致生料既難磨又難燒,熟料的f-CaO含量增加,質量變差。袁啟濤等[10]將廢棄混凝土破碎、分離得到的以石灰石為主的廢棄混凝土顆粒作為鈣質原料,取代天然石灰石,煅燒出的水泥熟料與市售水泥熟料無明顯的差異,只是C3S的含量相對較少,其3d抗壓強度較低,28d強度與市售的P˙O42.5水泥相差不大。

  (2)用作再生水泥混合材

  混凝土原材料中的砂漿約占混凝土總量的25%,其中砂漿中又包括細集料、水泥、輔助膠凝材料、水化產物和未水化水泥(輔助膠凝材料)顆粒等。在低水膠比的高強度等級廢棄混凝土中,未水化水泥的量甚至達到水泥用量的30%以上,這部分未水化水泥在混凝土中僅充當微集料,沒有發揮其水化活性,如果這些未水化的水泥和輔助性膠凝材料與水充分接觸,可以繼續進行水化反應,發揮膠凝作用。因此,廢棄混凝土中的砂漿經處理和磨細后,可以作為水泥的混合材和混凝土的摻合料使用。田芳等[11-12]摻加10%廢棄混凝土磨細粉(作為混合材)生產出了42.5級水泥,摻加20%廢棄混凝土磨細粉(作為混合材)生產出了32.5級水泥。他們指出,硅酸鹽類激發劑對廢棄混凝土磨細粉有較好的激發效果,其中Na2SiO3激發劑的合適摻量為1%左右;NaOH激發劑的激發效果不明顯;隨著廢棄混凝土磨細粉摻量的增加,水泥的膠砂強度降低。

  4.2 生產再生混凝土

  再生混凝土是指利用再生骨料(將廢棄的混凝土塊經過分揀、破碎、清洗和篩分分級后,按一定比例搭配組合生產的骨料,分為再生粗骨料和再生細骨料兩類)部分或全部代替天然骨料所配制的混凝土。根據所用再生骨料的種類,再生混凝土分為再生粗骨料混凝土(只用了再生粗骨料)、再生細骨料混凝土(只用了再生細骨料)和再生粗、細骨料混凝土(同時用了再生粗骨料和再生細骨料)三種[13]

  混凝土的性能取決于混凝土的原材料、配合比和制備工藝等多個方面。其中原材料和配合比是最重要的因素。再生混凝土配合比設計對再生混凝土的質量至關重要。M.C.Limbachiya等[14]對高強再生骨料混凝土的配合比設計進行了研究,利用建立的28d強度與水灰比之間的關系確定合適的水灰比。研究發現,取代率不超過30%時,再生骨料對混凝土的強度沒有影響。周靜海等[15]把廢棄的混凝土破碎制備了再生骨料,用水泥漿浸泡再生骨料,參照普通混凝土配合比設計方法配制再生混凝土,對再生骨料不同取代率的混凝土進行了試驗。試驗結果表明:再生混凝土立方體抗壓強度、劈裂抗拉強度、抗折強度,以及受力后的破壞過程、破壞形態、應力-應變曲線等都與普通混凝土基本一致;再生混凝土的抗壓強度、彈性模量、劈裂抗拉強度相對于普通混凝土均有所降低,但再生骨料取代率為50%時,立方體抗壓強度比取代率為30%時提高了2%,可以獲得較高的抗壓強度。他們指出,不宜采用《混凝土結構設計規范》的計算公式計算再生混凝土的抗拉強度和彈性模量,并提出了再生混凝土抗拉強度和彈性模量的計算公式。

  除此之外,很多學者進行了再生混凝土的抗凍、抗碳化等耐久性能的試驗研究。尚永康[16]研究了再生混凝土的抗凍融耐久性以及凍融后的力學性能。通過試驗得出引氣骨料(將原生混凝土采用機械破碎、過篩從而得到兩種類型的再生粗骨料即引氣再生粗骨料ARG和非引氣再生粗骨料NRG)再生混凝土抗凍性低于非引氣骨料再生混凝土,并得到凍融后混凝土峰值應力降低而峰值應變增加,再生混凝土峰值應變大于天然骨料混凝土的結論。雷斌等[17]通過試驗研究得出:再生混凝土的碳化深度隨再生粗集料取代率的增加而增大,而當再生粗集料取代率大于70%后,再生混凝土的碳化深度有所降低;再生混凝土碳化深度隨原始混凝土強度的增大而減小,再生粗集料中摻加磚類集料時,再生混凝土碳化深度增大。

  4.3 生產墻體磚

  為促進新型墻體材料的發展和應用,保護土地資源和生態環境,節能利廢,建設節約型社會,國家大力提倡非黏土磚墻體材料的研發、推廣和應用。目前的砌體塊材有混凝土砌塊、加氣混凝土砌塊、礦渣混凝土砌塊等。廢棄混凝土破碎后加工而成的再生骨料可用于生產混凝土砌塊磚、鋪道磚、花格磚等建材制品,也可以制作混凝土空心砌塊。楊久俊等[18]對建筑垃圾(廢棄磚、廢棄混凝土)磨細粉進行了成分分析和化學活性評價,并以其為主要原料(80%以上),采取壓制成型、自然養護的方式制備非蒸養建筑垃圾墻體磚。結果表明:廢棄碎磚塊磨細粉和廢混凝土粉都具有一定的反應活性,其經高溫煅燒的活性SiO2、Al2O3和CaCO3,可與Ca(OH)2形成CSH凝膠及AFt;廢混凝土粉的活性來自水化硅酸鈣等礦物,它們可作為晶胚促進未水化的水泥熟料顆粒繼續水化,廢棄混凝土中基質膠凝組分(MCC)含有的細砂和磨細骨料所起的骨料作用也會提高磚的強度,是一種良好的可再生資源。徐麗娜等[19]將廢棄混凝土清理雜物后,放入加熱爐中加熱到1000 ℃并保溫5h,然后隨爐冷卻。破碎處理過100μm篩,然后添加適量的粉煤灰和適量水混合均勻后,在壓力機上成型(成型壓力60MPa)。將成型后的樣品在不同溫度下蒸汽養護或蒸壓養護得到半干壓成型磚樣品。這種磚的抗壓強度隨著養護溫度的升高而增大,達到最高強度所需的時間縮短;當養護時間達到一臨界值后,強度不再明顯增長;堿激發可提高半干壓成型磚的早期強度,但對半干壓成型磚的后期強度沒有影響;所制備的半干壓成型磚抗壓強度和抗凍性等指標都符合相關標準。

  4.4 基礎和道路墊層

  將廢棄混凝土破碎后的再生骨料作為建筑物基礎墊層或道路基層的骨料使用,是目前我國廢棄混凝土最常見的再利用方法。再生利用時,只要使用普通顎式粉碎機進行軋制,超限的粒徑篩出后重新加工,這樣就可以得到符合要求的再生骨料,操作簡單,備料方便,經濟效果顯著。實踐中,參照《公路工程無機結合料穩定材料試驗規程》,以合格水泥為結合料,采用擊實實驗和靜壓成型實驗會使再生骨料發生不同程度的破碎,導致再生骨料內部存在缺陷,造成所成型制作的試件測試數據離散性加大。在原材料、級配、水泥用量和養護條件都相同的情況下,試件的抗壓強度區別很大。試驗發現,如果采用振動壓實成型的方法,并且選用合理的工藝參數,則可以避免缺陷的產生,試件的強度和變異性都滿足公路基層規范的指標要求[20-22]

  5 加快實現廢棄混凝土資源化處理的有效措施

  廢棄混凝土的資源化利用之所以步履維艱,既與經濟和技術條件的制約有關,又與我國相關法律、法規、制度和標準規范的缺失和不完善等因素有關。

  一方面,建筑廢棄物的資源化管理是一個涉及到分類回收、運輸、存放、處理和再利用等各個環節的系統工程,既需要積極的企業行為和市場運作,又需要政府部門管理的協調統一,若沒有法律制度予以保障,則無法對市場和政府行為形成良好的制度約束。另一方面,我國建筑垃圾資源化利用管理體制尚不健全。目前,我國對建筑垃圾的管理實行的是分級管理與分部門管理相結合的模式,這樣的分工存在主管部門不明確、聯動協調機制不完善、易造成職能錯位等問題,不利于建筑垃圾資源化管理和實施[23]。因此,為解決以上問題,加快我國建筑垃圾廢棄混凝土的循環利用,建議采取以下措施:

  (1)減少建筑垃圾的產生。施工技術人員要做好建筑材料的預算,避免材料進料過多而造成的浪費;材料員要嚴把質量關,堅決杜絕因工程質量而導致的建筑物的質量和耐久性差的問題;施工上采用裝配式工藝代替現場澆筑和制作工藝可節約建筑材料;再者,施工中應大力推廣綠色建材的使用。

  (2)加強建筑垃圾尤其是廢棄混凝土綜合利用的研究和開發。國家和建筑開發商、建筑施工企業都應投入一定資金,聯合材料研究單位和材料生產供應單位,立項開展建筑垃圾綜合利用的深入研究與開發。

  (3)建立完善機制,優化管理模式。為建筑企業制定相應的建筑垃圾允許產生數量和排放數量標準;采取優惠政策大力扶持創辦建筑垃圾的加工企業,積極開發和推廣再生材料產品;建立完善的法律法規,讓材料在使用過程中得到最大程度的合理、高效、持久的利用,從而形成高利用、低排放的新型建筑模式[24-25]

  6 展 望

  廢棄混凝土的回收再利用,一方面解決了堆放、填埋處理造成的用地問題,以及對土壤、空氣和水資源等的環境污染問題,可以創造巨大的環境價值,另一方面對其資源化處理,變廢為寶,可創造巨大的經濟效益。廢棄混凝土的資源化利用是一項長期任務。相信隨著可持續發展戰略的不斷深入和科學技術水平的不斷提升,我國對廢棄混凝土的資源化利用一定會取得令人矚目的成績。

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(作者:孫振平等 編輯:admin)
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