关于建筑工程的再生骨料制备方法及应用

周哲

中国水利水电第八工程局有限公司 湖南长沙 410004

【摘要】  以建筑废料生产再生骨料制备再生混凝土技术是建筑企业共同关心的课题，现已成为工程界和学术界关注的热点和前沿问题之一。本文根据自己参建项目对建筑废料的处理实践，分析研究了有关重复利用的回收技术，总结出一种较为高效的再生骨料的生产工艺供相关人员参考。

【关键词】 再生骨料生产工艺；工艺评价分析；现阶段再生骨料生产存在的问题及有关措施。

引言：高品质的再生集料的制备技术是建筑废弃物高效利用的关键。对建筑废料中的废弃混凝土进行回收处理，可用以制备再生骨料。一方面，废弃混凝土块经破碎后，可作为天然粗骨料的代用材料制作混凝土；另一方面，废弃混凝土块进一步粉碎后,可作为细骨料拌制砌筑砂浆和抹灰砂浆。美国、日本和欧洲等发达国家在利用废弃混凝土制备再生骨料和再生混凝土研究方面走在世界的前列，并取得一些成功的应用。据不完全统计，我国目前每年由于建筑物拆除产生的废弃混凝土已达1360万吨。对废弃混凝土回收利用作为再生骨料应用于配制新的混凝土，不但可以有效回收利用资源，且可解决部分环境问题，具有明显的社会、经济和环境效益。

  一、再生骨料生产工艺

　　目前我国一些从事这方面研究的专家学者提出了多种较为先进的工艺改进技术，如长安大学赵悟教授提出采用循环压研破碎技术，设计研制出一套循环压研破碎废旧混凝土块的专用设备。通过试验测试再生集料，其性能有所改善。武汉理工大学的水中和教授提出用热—机械力分离法制备高品质再生骨料。它的主要原理是：在热作用下，废弃混凝土粗骨料界面和砂浆基体结构发生弱化，废弃混凝土在热与机械力作用下结构和性能将发生变化，从而通过废弃混凝土之间的机械碰撞与磨擦作用进行粗骨料分离，但此项技术还仍处于试验研究阶段。

1． 循环压研破碎法

(1) 循环压研破碎技术

　 根据硬化混凝土的结构组成与破坏机理，采用循环压研破碎技术改善再生混凝土集料的性能与生产。

破碎中的挤压、剪切、研磨联合作用机理：在混凝土的破碎中，运用两块相对转动的粗糙锥面衬板对其间混凝土块连续施加挤压、剪切、搓研和摩擦作用力，使混凝土微结构中最薄弱的组成相——水泥石一集料间过渡区内产生压应力和剪应力甚至拉应力的联合作用，导致裂纹快速扩展而破坏，使混凝土块中的原始集料尽可能多的与硬化水泥浆体分离。

(2) 循环压研破碎装置

根据循环压研破碎机理，设计出一种机械传动的混凝土破碎装置，其工作原理如图1所示。

破碎时混凝土块由顶角不同的固定与可旋转的粗糙锥面衬板同向倾斜安装构成的破碎腔上部敞开角度最大处进入，在可转衬板的旋转过程中被夹人携带至空间和夹角都逐渐变小的破碎腔，受到两块粗糙衬板的压研作用而破碎，如此反复循环作用直至被破碎的物料粒径小于工作腔底部边缘缝隙最小处的出料口尺寸时排出。调节旋转锥面衬板与固定衬板的安装夹角和间隙以及出料口的位置，就可控制破碎粒度。调节旋转速度既可改变生产效率，又能调整再生集料的粒形。

图2是这种破碎装置的结构图，主要包括：破碎腔、可动衬板伞形托架的旋转驱动机构、动力输入装置以及机架等。破碎腔的形状、大小与两衬板的锥面顶角和安装倾角有关。为了获得较大的进料口尺寸，在满足最大啮角(钳角)的情况下，使固定衬板的锥面顶角较大，而旋转衬板的锥面顶角较小，同时，使旋转衬板的安装倾角较大。根据粗碎锥式破碎机中对抗压强度平均为150MPa岩石的啮(钳)角取21°～23°，考虑到混凝土与岩石相比摩擦角大，整体强度低，因而粗糙衬板对混凝土块的啮（钳）角取值大于23°，整个工作腔内衬板对混凝土块的啮（钳）角在0°～30°之间。破碎腔中粗糙锥面为工作面，易磨损，需用高强耐磨材料(如锰钢)制成能够拆卸更换的衬板。两块衬板的工作面具有合适的棱、槽状纹理，有利于衬板对混凝土块的夹持、折断、剪切、研磨和循环流动，以及物料从锥面衬板中心向边缘散开，纹理的总体走向为小旋角放射状折断线或弧线形(如图3所示)。

相对的两块锥面衬板安装时，旋角方向相反，纹理相错。为了便于制造、安装以及调整更换，锥面衬板一般不是整体式结构，而是做成3至4块同样大小的分体式可拆卸扇形结构。为了获得较大的转矩和减速比，旋转锥面的驱动采用衬板托架边缘齿轮啮合(蜗轮蜗杆)传动来实现。旋转托架可正反向转动，正转时，混凝土块从进料口向出料口流动被夹紧、挤压、研磨，同时物料从破碎腔中心向边缘移动，破碎腔内约2／3处为受压物料，1／3为松散物料；反转时情况相反，片刻反转能消除卡料现象。动力输入通过电动机由皮带传至蜗杆。机架用于安装固定衬板和旋转衬板的传动机构及其动力输入装置。同时具备进料口、出料口及其他安装结构形状。

(3) 工艺评价

①再生混凝土集料的有些性能不如普通集料好，主要在于拆除、破碎原始混凝土时，原始集料表面固结了相当数量的硬化水泥浆体；原始混凝土(尤其是路面混凝土)在使用过程中以及解体与破碎时产生累积损伤造成的集料颗粒内部大量微裂纹；

②循环压研破碎机理及其试验装置的工作原理是可行的，试验样机选取了适合废旧混凝土块破碎的合理结构与工作参数；

③采用循环压研破碎装置加工出来的再生混凝土粗集料各项路用性能指标中除了吸水率外，基本达到了行业标准：公路水泥混凝土路面施工技术规范中对粗集料技术要求的Ⅱ级水平；再生细集料级配、细度模数和密度接近天然中砂，但吸水率很大；

④再生混凝土粗集料可用于高速公路、一级公路、二级公路及有抗(盐)冻要求的三、四级公路混凝土路面；再生细集料因其吸水率很大及其他性能指标不稳定而应慎重使用，可适量用于无抗(盐)冻要求的高速、各级公路路面下面层、基层。

2． 热-机械力分离法

(1) 工艺流程：

骨料（加热至600°C）→脱粘、带裂纹骨料（机械研磨）→粗骨料+砂浆

(2) 试验方法

①材料热膨胀测试：试验室用Worldaorse.1型热膨胀仪(Anter Corporation，美国)测试了常温至高温(600℃)下废旧混凝土中主要组成相的热膨胀，籍此了解各组分热膨胀的协调性对其结构和性能的影响。

②显微结构观察：废旧混凝土块采用切片方法制样，经过快速温度处理后，利用偏光显微镜(Zeiss Axioshop 40，德国)的反光原理观察界面的破坏规律。

③热一机械力分离：废旧混凝土块首先在加热体( HZK- 30高温电炉) 内快速升一降温处理后，放置于φ500x500 mm的磨机内进行旋转分离。

(3) 高温热处理

   由表1混凝土组成相粗骨料，砂浆和水泥石三相在常温到不同温度点之间的平均热膨胀系数可知，当混凝土遭受高温后，一方面水泥石由于自身成分的热化学反应会产生体积的收缩；另一方面砂浆组成相与粗骨料的热不相容性差异产生热应力作用于界面处。因此，两者相互联系的蠕变形式在高温差作用下将会产生混凝土内部机构的一系列性能变化。

表1混凝土组成相的热膨胀系数

温度/℃		100	200	300	400	450	500	550	600
CTE/ 10-6℃	石灰石	7.6	8.8	9.9	11.3	11.9	12.6	13.6	14.6
	砂浆	11.9	7.6	7.7	7.9	7.8	7.6	8.7	13.1
	水泥石	8.1	-29.9	-31.4	-49.6	-58.4	-69.2	-56.0	-16.6

而当温度发生变化时，两个热性能不相同的组成相将会在界面处有相对的运动或错动的趋势，从而使得截面产生微裂纹损伤且界面粘结力降低。通过偏光显微镜的反光原理，可以明显的观察到废弃混凝土在热处理过程中骨料过渡区的裂纹产生和发展，表明在热作用下其界面结构在弱化。而且由于硬化水泥石与骨料的热变形差异，硬化水泥石内部的自身高温化学反应，砂浆内部同样也存在大量的微裂纹。

(4) 机械力分离

    在热处理过程中骨料与水泥浆体界面已经发生了脱粘，再利用混凝土块体之间的摩擦和碰撞作用，可以使得两者达到分离，这个过程可在球磨机筒体或类似设备中实现。通过控制适当的转速及安装适宜的衬板类型使废弃物混凝土块处于抛落状态。此时，在筒体转动离心力的作用下被提升至一定高度后自由降落，具有一定的动能E=1/2 mv²。在废弃混凝土之间接触时，他们之间发生瞬间的能量和动量传递，从而将它们分离开来。

图4：为废旧混凝土块之间的相互碰撞摩擦分离过程。在此过程中，废弃混凝土整个体积受到粉碎力的作用，且在内部缺陷局部薄弱处（如界面和基体微裂纹）产生明显的应力集中，由于热作用废弃混凝土内部已存在大量的裂纹，实际上经过一定机械力作用很容易分离出原状天然粗骨料。

 

(5) 再生骨料与再生混凝土性能

   再生骨料与天然骨料的各项物理性能指标如表2所示，再生骨料的吸水率仍高于天然骨料，其原因可能是表面细小的硬化水泥浆仍具有一定的吸水性能，但其与天然骨料的吸水率已经十分接近，比直接破碎的再生骨料要小的多。其次再生骨料的针片状含量略大于天然骨料，这与废弃混凝土的初次颚式破碎有关。但是，综合各项指标的测得结果显示通过此方法得出的再生骨料与天然骨料的物理性能相近。

表2 热再生回收骨料物理性能

指标	饱和面干吸水率 ／%	饱和面干密度／(g/cm3)	压碎值 ／%	针片状含量 ／%
回收骨料	1.6	2.58	12.1	10
天然骨料	1.3	2.59	11.3	7

另外青岛理工大学李秋义教授还提出采用颗粒整形技术，改善再生集料的表面特征和性能。

但从国内这些加工工艺的改进角度来看，再生集料的基本物理性能有所改善，美中不足的是本质的缺陷仍然存在，如吸水率高、再生混凝土收缩大。而且用于生产再生骨料的原生混凝土的技术资料一般不详，对于实际工程中来源、性能不同的废弃混凝土，因其本身性能随机和变异性较大会使再生集料混凝土的性能变异性大幅增加。因此，从根本上解决再生骨料的品质问题成为这类工艺改进的关键。

二、有关问题分析与建议

1．要高度重视建筑废料的再生利用工作

    针对现阶段我国建筑废料处理及再利用的状况，政府先后颁布了《固体废料污染环境防治法》、《城市固体垃圾处理法》等，对限制垃圾废料的大量产生、推动垃圾废料回收利用技术的开发研究起到了积极作用。但是，各级政府还要加大对建筑废料再生利用的政策法规及财政上的扶持力度；有关部门及相关人员应增强环保意识，限制建筑废料的排放场所，防止业主和房屋拆除商为降低成本就近随意填埋建筑垃圾、造成环境公害，以推进建筑废料的综合利用工作。

2．应提高建筑废料处理的工艺技术水平

　　目前，建筑废料处理的费用支出主要在运输、装卸建筑废料等方面。因此，随地就填埋是建筑废料处理中存在的主要问题。一些国家的经验表明，对建筑废料采取就地分拣处理是最经济的。如欧洲、日本等已有集装箱型移动式的成套处理装置，大部分是采用较小的颚式破碎机，产量约150t／h，破碎后的骨料直径为0mm~60mm，再经二次破碎以获得较小粒径的骨料。比利时公路研究中心的资料表明，对公路的拆除重建如果就地进行废料的处理利用，可减少废料的运出及新材料运进的运输费70％，降低材料成本20％，减少废料处理费用10％。根据我国的国情，采用并加快开发就地回收处理建筑废料的装置，将使建筑废料的综合利用在经济上更可行。

3．应加强利用建筑废料制备再生骨料的研究

　　根据相关资料显示，在我国建筑废料用于基础较普遍，主要用作公路、路面的基础材料，但依然显得浪费太大，建筑废料中的大量有用成分尚未得到更合理的综合利用。西方发达国家在再生骨料方面的研究已经取得很大的进展，而我国对再生骨料的研究才刚刚起步，在实际应用方面更处于萌芽状态。因此，要加大再生骨料方面的研究工作。一方面，各级政府应大力支持再生骨料的科研工作，加大科研资金投入；另一方面，各科研院所也应积极组织专门人员进行这方面的研究，从而使得我国再生骨料研究工作能扎实有效的进行。

4．政府部门应制定相应措施，鼓励建筑废料的再利用

鼓励各建筑公司及相关行业合理处理及重利用建筑废料，还可适当派出相关专业人员进行技术指导；对不负责随便处理建筑废料的建筑公司及相关行业，可采取相应措施加以适当处罚。

政府可制定相应政策鼓励使用再生制品；出台建筑垃圾再生利用企业税费减免政策，如免收墙改费等；组织制定建筑垃圾再生制品的生产、检验、使用等标准和评估体系；制定生产企业准入标准；对再生砖的性能、优点、好处等进行适当宣传，消除公众对建筑垃圾再生产品使用的认识障碍。从而保证了建筑废料的合理处理及利用，同时也对我国环境污染治理方面做出相应贡献。

【l】孙跃东，肖建庄．再生混凝土骨料．混凝土，2004，(6)．

【2】林楠，林杉，包力新．保护环境，开发利用废弃混凝土．建筑技术开发，2003，(6)．

【3】朱红兵，王顺林，熊汉林，李秀．混凝土废弃物的再生利用[J]． 公路交通技术， 2005，(1)．

【4】范小平，徐银芳．废弃混凝土的循环再利用．建筑技术，2004， (11)．

【5】杜婷，李惠强．再生骨料回收的技术工艺探讨[A]．云南大学学报《绿色建材专辑》，2002．

作者简介：

周哲、1990.05.18、男、汉、湖南省邵阳市、本科、工程师、

研究方向：人工砂石

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