建筑废弃混凝土回收再利用技术现状与展望

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转载自 同济混凝土外加剂 2017-11-13 由同济大学孙振平教授课题组葛好升整理

1引言

建筑垃圾又称建筑废弃物,是建筑物(构筑物)拆除、建设、装修和修缮过程中产生的废弃物,包括废混凝土、废砖石、废砌块、渣土,以及废玻璃、废塑料、废木材和废金属等[1]。

随着我国经济的快速发展,城市化进程不断加快,建筑行业在我国得到突飞猛进的发展,与此同时,产生的建筑垃圾量也屡创纪录。而当前对建筑垃圾的处理方式主要是简单地进行填埋,这给生态环境造成了极大的负担。废弃混凝土作为建筑垃圾的主要组成部分,对其进行回收处理及合理利用,不仅能使有限的自然资源得以循环利用,还可以解决填埋处理所带来的环境污染问题,对实现建材行业的节能减排、可持续发展具有重要意义[2]。

本文简要介绍我国建筑废弃物的产生量及资源化利用所存在的问题,就废弃混凝土回收利用方式及如何加快建筑垃圾资源化利用的措施进行了详细讨论,并进行了展望,希望为加快建筑垃圾特别是废弃混凝土的资源化利用提供一定参考价值。

2 我国建筑垃圾的现状

我国正处于经济建设高速发展时期,每年不可避免地产生数亿吨建筑垃圾。截至2011年,我国城市固体生活垃圾存量已达70亿吨,而建筑垃圾的数量已占到城市垃圾总量的30%-40%,可推算建筑垃圾总量为21亿至28亿吨。每年新产生建筑垃圾超过3亿吨,若采取简单的堆放方式处理,对其处理都将占1.5亿至2亿平方米用地。如果不及时处理和利用,必将给社会和环境带来不利影响。根据中华研普行业调研报告对国内建筑垃圾产生量的预测(图1),2015年至2020年建筑垃圾产生量逐年增长,到2020年时将达到39.66亿吨[3]。

图1 2015-2020年建筑垃圾产生量预测

作为混凝土生产大国,中国的混凝土年产量占世界年总产量的45%。目前中国废弃混凝土年产生量为1-2亿t,预计到2020 年将产生20亿t的废弃混凝土[4-6]。然而,根据2014年度的《中国建筑垃圾资源化产业发展报告》,我国建筑废弃物的回收利用率仅为5%左右,绝大多废弃混凝土被直接填埋甚至非法倾倒,这与发达国家的高回收利用率相比差距巨大(图2)。

图2 各国建筑废弃物的产生及处置状况[7]

3 我国废弃混凝土资源化处理存在的问题

基于我国对废弃混凝土再利用的科学研究尚处于起步和试验阶段,在很多核心技术及政策制度上,与国外发达国家相比,还有非常大的差距,主要可以概括以下几点。

(1)建筑垃圾的处置处于简单和无序化状态。部分城市建设中的设计、施工与拆除等行为仍采用传统的粗放型生产方式,造成大量建筑垃圾的产生。且对建筑垃圾的分类、回收和消纳缺乏管理,导致建筑垃圾被随意处置或简单填埋。

(2)建筑垃圾的回收和资源化利用在市场条件下难以自发形成产业链。政府和法律并未规定建筑垃圾排放者具有强制回收或处理建筑垃圾的义务,因此生产者往往将建筑垃圾任意填埋或倾倒,使得建筑垃圾处理企业缺乏生产原材料,制约了建筑垃圾资源化利用。

(3)再生混凝土的耐久性较差,使其难以推向市场。国内尚未对再生混凝土的应用制定统一的规范,且目前再生混凝土的生产成本较普通混凝土高,加之人们对再生混凝土的耐久性认知较浅,致使再生混凝土在实际结构工程中的推广应用步伐缓慢[8]。

4 目前废弃混凝土的主要回收再利用方式

废弃混凝土作为建筑垃圾的重要组成部分,约占其组成的30%-50%左右,对其进行资源化利用,对解决填埋处理带来的环境污染、资源浪费问题具有重要意义。目前废弃混凝土在建材领域的利用主要有生产再生水泥、生产再生混凝土、生产再生砖和砌块,以及作为基础和道路垫层等几个方面。

4.1 生产再生水泥

(1)用作再生水泥原料

废弃混凝土中含有的部分钙质原料和硅质原料及硬化的水泥浆体在高温下脱水形成氧化钙、氧化硅和氧化铁等氧化物,都是制造水泥所必需的氧化物。万惠文等[9]在实验室利用部分废弃混凝土作钙质原料取代60%石灰石,煅烧出强度可达到47.4MPa的水泥熟料。但随着废弃混凝土替代比例的提高,生产的水泥熟料质量变差。这主要是因为未分离出废弃混凝土中的河砂含有活性特别差的SiO2(大多是结晶的SiO2),导致生料既难磨又难烧,熟料的f-CaO含量增加,质量变差。袁启涛等[10]将废弃混凝土破碎、分离得到的以石灰石为主的废弃混凝土颗粒作为钙质原料,取代天然石灰石,煅烧出的水泥熟料与市售水泥熟料无明显的差异,只是C3S的含量相对较少,其3d抗压强度较低,28d强度与市售的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浆约占混凝土总量的25%,其中砂浆中又包括细集料、水泥、辅助胶凝材料、水化产物和未水化水泥(辅助胶凝材料)颗粒等。在低水胶比的高强度等级废弃混凝土中,未水化水泥的量甚至达到水泥用量的30%以上,这部分未水化水泥在混凝土中仅充当微集料,没有发挥其水化活性,如果这些未水化的水泥和辅助性胶凝材料与水充分接触,可以继续进行水化反应,发挥胶凝作用。因此,废弃混凝土中的砂浆经处理和磨细后,可以作为水泥的混合材和混凝土的掺合料使用。田芳等[11-12]掺加10%废弃混凝土磨细粉(作为混合材)生产出了42.5级水泥,掺加20%废弃混凝土磨细粉(作为混合材)生产出了32.5级水泥。他们指出,硅酸盐类激发剂对废弃混凝土磨细粉有较好的激发效果,其中Na2SiO3激发剂的合适掺量为1%左右;NaOH激发剂的激发效果不明显;随着废弃混凝土磨细粉掺量的增加,水泥的胶砂强度降低。

4.2 生产再生混凝土

再生混凝土是指利用再生骨料(将废弃的混凝土块经过分拣、破碎、清洗和筛分分级后,按一定比例搭配组合生产的骨料,分为再生粗骨料和再生细骨料两类)部分或全部代替天然骨料所配制的混凝土。根据所用再生骨料的种类,再生混凝土分为再生粗骨料混凝土(只用了再生粗骨料)、再生细骨料混凝土(只用了再生细骨料)和再生粗、细骨料混凝土(同时用了再生粗骨料和再生细骨料)三种[13]。

混凝土的性能取决于混凝土的原材料、配合比和制备工艺等多个方面。其中原材料和配合比是最重要的因素。再生混凝土配合比设计对再生混凝土的质量至关重要。M.C.Limbachiya等[14]对高强再生骨料混凝土的配合比设计进行了研究,利用建立的28d强度与水灰比之间的关系确定合适的水灰比。研究发现,取代率不超过30%时,再生骨料对混凝土的强度没有影响。周静海等[15]把废弃的混凝土破碎制备了再生骨料,用水泥浆浸泡再生骨料,参照普通混凝土配合比设计方法配制再生混凝土,对再生骨料不同取代率的混凝土进行了试验。试验结果表明:再生混凝土立方体抗压强度、劈裂抗拉强度、抗折强度,以及受力后的破坏过程、破坏形态、应力-应变曲线等都与普通混凝土基本一致;再生混凝土的抗压强度、弹性模量、劈裂抗拉强度相对于普通混凝土均有所降低,但再生骨料取代率为50%时,立方体抗压强度比取代率为30%时提高了2%,可以获得较高的抗压强度。他们指出,不宜采用《混凝土结构设计规范》的计算公式计算再生混凝土的抗拉强度和弹性模量,并提出了再生混凝土抗拉强度和弹性模量的计算公式。

除此之外,很多学者进行了再生混凝土的抗冻、抗碳化等耐久性能的试验研究。尚永康[16]研究了再生混凝土的抗冻融耐久性以及冻融后的力学性能。通过试验得出引气骨料(将原生混凝土采用机械破碎、过筛从而得到两种类型的再生粗骨料即引气再生粗骨料ARG和非引气再生粗骨料NRG)再生混凝土抗冻性低于非引气骨料再生混凝土,并得到冻融后混凝土峰值应力降低而峰值应变增加,再生混凝土峰值应变大于天然骨料混凝土的结论。雷斌等[17]通过试验研究得出:再生混凝土的碳化深度随再生粗集料取代率的增加而增大,而当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随原始混凝土强度的增大而减小,再生粗集料中掺加砖类集料时,再生混凝土碳化深度增大。

4.3 生产墙体砖

为促进新型墙体材料的发展和应用,保护土地资源和生态环境,节能利废,建设节约型社会,国家大力提倡非黏土砖墙体材料的研发、推广和应用。目前的砌体块材有混凝土砌块、加气混凝土砌块、矿渣混凝土砌块等。废弃混凝土破碎后加工而成的再生骨料可用于生产混凝土砌块砖、铺道砖、花格砖等建材制品,也可以制作混凝土空心砌块。杨久俊等[18]对建筑垃圾(废弃砖、废弃混凝土)磨细粉进行了成分分析和化学活性评价,并以其为主要原料(80%以上),采取压制成型、自然养护的方式制备非蒸养建筑垃圾墙体砖。结果表明:废弃碎砖块磨细粉和废混凝土粉都具有一定的反应活性,其经高温煅烧的活性SiO2、Al2O3和CaCO3,可与Ca(OH)2形成CSH凝胶及AFt;废混凝土粉的活性来自水化硅酸钙等矿物,它们可作为晶胚促进未水化的水泥熟料颗粒继续水化,废弃混凝土中基质胶凝组分(MCC)含有的细砂和磨细骨料所起的骨料作用也会提高砖的强度,是一种良好的可再生资源。徐丽娜等[19]将废弃混凝土清理杂物后,放入加热炉中加热到1000 ℃并保温5h,然后随炉冷却。破碎处理过100μm筛,然后添加适量的粉煤灰和适量水混合均匀后,在压力机上成型(成型压力60MPa)。将成型后的样品在不同温度下蒸汽养护或蒸压养护得到半干压成型砖样品。这种砖的抗压强度随着养护温度的升高而增大,达到最高强度所需的时间缩短;当养护时间达到一临界值后,强度不再明显增长;碱激发可提高半干压成型砖的早期强度,但对半干压成型砖的后期强度没有影响;所制备的半干压成型砖抗压强度和抗冻性等指标都符合相关标准。

4.4 基础和道路垫层

将废弃混凝土破碎后的再生骨料作为建筑物基础垫层或道路基层的骨料使用,是目前我国废弃混凝土最常见的再利用方法。再生利用时,只要使用普通颚式粉碎机进行轧制,超限的粒径筛出后重新加工,这样就可以得到符合要求的再生骨料,操作简单,备料方便,经济效果显著。实践中,参照《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》,以合格水泥为结合料,采用击实实验和静压成型实验会使再生骨料发生不同程度的破碎,导致再生骨料内部存在缺陷,造成所成型制作的试件测试数据离散性加大。在原材料、级配、水泥用量和养护条件都相同的情况下,试件的抗压强度区别很大。试验发现,如果采用振动压实成型的方法,并且选用合理的工艺参数,则可以避免缺陷的产生,试件的强度和变异性都满足公路基层规范的指标要求[20-22]。

5 加快实现废弃混凝土资源化处理的有效措施

废弃混凝土的资源化利用之所以步履维艰,既与经济和技术条件的制约有关,又与我国相关法律、法规、制度和标准规范的缺失和不完善等因素有关。

一方面,建筑废弃物的资源化管理是一个涉及到分类回收、运输、存放、处理和再利用等各个环节的系统工程,既需要积极的企业行为和市场运作,又需要政府部门管理的协调统一,若没有法律制度予以保障,则无法对市场和政府行为形成良好的制度约束。另一方面,我国建筑垃圾资源化利用管理体制尚不健全。目前,我国对建筑垃圾的管理实行的是分级管理与分部门管理相结合的模式,这样的分工存在主管部门不明确、联动协调机制不完善、易造成职能错位等问题,不利于建筑垃圾资源化管理和实施[23]。因此,为解决以上问题,加快我国建筑垃圾废弃混凝土的循环利用,建议采取以下措施:

(1)减少建筑垃圾的产生。施工技术人员要做好建筑材料的预算,避免材料进料过多而造成的浪费;材料员要严把质量关,坚决杜绝因工程质量而导致的建筑物的质量和耐久性差的问题;施工上采用装配式工艺代替现场浇筑和制作工艺可节约建筑材料;再者,施工中应大力推广绿色建材的使用。

(2)加强建筑垃圾尤其是废弃混凝土综合利用的研究和开发。国家和建筑开发商、建筑施工企业都应投入一定资金,联合材料研究单位和材料生产供应单位,立项开展建筑垃圾综合利用的深入研究与开发。

(3)建立完善机制,优化管理模式。为建筑企业制定相应的建筑垃圾允许产生数量和排放数量标准;采取优惠政策大力扶持创办建筑垃圾的加工企业,积极开发和推广再生材料产品;建立完善的法律法规,让材料在使用过程中得到最大程度的合理、高效、持久的利用,从而形成高利用、低排放的新型建筑模式[24-25]。

6 展望

废弃混凝土的回收再利用,一方面解决了堆放、填埋处理造成的用地问题,以及对土壤、空气和水资源等的环境污染问题,可以创造巨大的环境价值,另一方面对其资源化处理,变废为宝,可创造巨大的经济效益。废弃混凝土的资源化利用是一项长期任务。相信随着可持续发展战略的不断深入和科学技术水平的不断提升,我国对废弃混凝土的资源化利用一定会取得令人瞩目的成绩。

参考文献

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