（材料学专业论文）再生骨料制备与改性研究.pdf

摘要 随着建筑业的快速发展，混凝土用量越来越大，因开采砂石骨料而造成 的资源枯竭和环境破坏成为人们关注的焦点，另一方面，因废弃建筑物的拆 除而产生了越来越多的建筑垃圾，造成了极大的环境污染。 再生骨料作为一种环境友好材料，在建筑领域越来越得到广泛应用。本 文从建筑垃圾的处置与资源化现状入手，对以废弃混凝土为原料的再生骨料 的制备与改性进行了系统研究。 本论文首先对再生骨料的制备进行了研究。研究表明，运用系统工程原 理建立的新型再生骨料制备系统，同现有的再生骨料制各系统相比较具有显 著的优点。另外，根据工程需要，本论文同时提出了对再生骨料的质量进行 控制和优化设计的设想。 本论文还针对现有再生骨料改性方法存在的问题和缺陷，提出了更为有 效的改性方法。研究表明，外掺桐油改性剂，对提高再生混凝土的力学性能 具有显著作用，同比其它改性措施强度增长更加明显。同时，本文还对桐油 的改性机理、再生混凝土的微观结构进行了分析和研究。 生态建材已经被列为先进制造业，本论文的研究成果可为再生骨料标准 的制订和再生骨料产业化经营提供参考依据。 关键词建筑垃圾；再生骨料；制备；改性；微观结构 a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to ft h eb u i l d i n gi n d u s t r y , t h ev a l u eo fc o n c r e t ei s d e i i l a n d e dm o r ea n dm o r eg r e a t l ya n dt h er e s o b r c ee x l l a u s t i o na n de n v i r o n m e n t d e s t r u c t i o nd u et ot h ee x p l o i t a t i o ns a n da n ds t o n ea g g r e g a t eh a v eb e c o m eaf o c u s a m o n gp e o p l e a tt h es a m et i m em a n yo l db u i l d i n g sa r ep u l l e dd o w nw h i c h p r o d u c e s al a r g es c a l eo fc o n s t r u c t i o nw a s t ea n dp o l l u t e st h ee n v i r o n m e n t s e r i o u s l y r e c y c l e da g g r e g a t ea sa ne n v i r o n m e n t a lf r i e n d l ym a t e r i a lh a sb e e na p p l i e di n t h ef i e l do fb u i l d i n gm o r ea n dm o r e a c c o r d i n gt ot h ed i s p o s a ls t a t u s o f c o n s t r u c t i o nw a s t e ，t h i sp a p e re m p h a s i z e so nt h es t u d yo ft h er e c y c l e da g g r e g a t e p r e p a r a t i o na n d m o d i f i c a t i o n i nt h i sp a p e r , t h er e c y c l e da g g r e g a t ep r e p a r a t i o nw a ss t u d i e df i r s t l y t h er e s u l t s h o w s ，t h en e w s t y l ep r e p a r a t i o ns y s t e mo fr e c y c l e da g g r e g a t i o nw h i c hw a s e s t a b l i s h e di ns y s t e me n g i n e e r i n gi sm o r eo u t s t a n d i n gt h a ne x i s t i n gp r e p a r a t i o n s y s t e mo f r e c y c l e da g g r e g a t e i na d d i t i o n ，t h i sp a p e rm a k eap r o p o s a la b o u th o w t o r u n n i n gt h eq u a l i t yc o n t r o la n do p t i m i z e dd e s i g no f t h er e c y c l e da g g r e g a t e i nv i e w i n go f t h eq u e s t i o na n dd e f i c i e n c yo f t h ee x i s t i n gm o d i f i e dm e a s u r eo f r e c y c l e da g g r e g a t em o d i f i c a t i o n ，i nt h i sp a p e r , t h e r ei s a o r ee f f e c t i v em o d i f i e d m e a s u r eh a sb e e nb r i n go u t t h er e s u l ts h o w s ，m i x e st h et u n go i lm o d i f i c a t i o nc a l l e n h a n c et h em e c h a n i c a lp r o p e r t yo ft h er e c y c l e da g g r e g a t ec o n e r c t eo b v i o u s l y , a n d t h em o d i f i e de f f e c ti sm o r ee f f e c t i v e l yc o m p a r e dt oo t h e rm o d i f i e dm e a s u r e a tt h e s a m et i m e ，t h et u n go i lm o d i f i e dm e c h a n i s ma n dt h em i c r o s c o p i cs t r u c t u r eo ft h e r e c y c l e da g g r e g a t ec o n c r e t ei sa n a l y z e da n dr e s e a r c h e di nt h i sp a p e r t h ec o o - b u i l d i n gm a t e r i a lh a sb e e nc l a s s i f i e da sa d v a n c e dm a n u f a c t u r i n g , s o t h er e s e a r c hr e s u l t so ft h ep a p e rc a nb ep r o v i d e da sar e f e r e n c ef o rt h es t a n d a r d m a k i n ga n dt h ei n d u s t r ym a n a g e m e n to f r e c y c l e da g g r e g a t e k e yw o r d sc o n s t r u c t i o nw a s t e ；r e c y c l e da g g r e g a t e ；p r e p a r a t i o n ；m o d i f i e d ； m i c r o s c o p i cs t r u c t u r e i i i 独创眭声明 本人声明所呈交论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教 育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的 任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 及关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的 全部或部分内容，可以采用影印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在船密后应遵守此规定) 魏i 弛，名：窿查璋蹴啦 第1 章绪论 1 1 课题研究背景 人类进入二十一世纪，正日益面临人口膨胀、自然资源和能源短缺以及 生态环境恶化三大问题的严峻挑战。相比较而言，我国由于人口众多，当前 又正处在前面建设小康社会的关键时期，以上问题在我国显得尤为突出。所 以如何实现有限资源的循环再生利用，降低环境污染，减轻环境负荷对我国 坚持科学发展观，大力发展循环经济，构建社会主义和谐社会均具有重大的 指导价值和现实意义。 在人类面临的三大问题之中，其中后面两项就与水泥混凝土技术密切相 关，因为水泥及混凝土的生产制造需要消耗大量的自然资源并排放大量的二 氧化碳、粉尘及其它有害气体从而最终导致生态环境的恶化。统计表明，我 国近年混凝土生产每年需消耗约1 2 亿吨粗骨料和9 亿吨细骨料“1 。现在全世 界正以每年约8 0 亿吨的速度消耗着天然骨料。 2 0 0 5 年1 1 月1 3 日，工人日报报道：有关资料显示，全世界垃圾年均增 长速度为8 4 2 ，而我国垃圾增长率达到1 0 以上，我国已经成为世界上垃圾 包围城市最严重的国家之一。全国6 8 8 座城市，除县城外，已有2 3 的大中 城市陷入垃圾包围之中，且有1 4 的城市已经没有合适的场所用来堆放垃圾。 在工业固体废弃物中，建筑垃圾的排放量最大，约占4 0 。我国每年建筑垃圾 的产量还没有准确的统计数字，据权威部门估计其排放量已超过4 亿吨年。 北京市建筑垃圾，2 0 0 2 年已经高达3 6 0 0 万吨，且每年仍在高速增长。随着北 京城市化建设规模的不断扩展，特别是面向2 0 0 8 年奥运会的大规模场馆建设 以及原有废旧建筑物的拆除，北京市建筑垃圾的数量还将大幅攀升。所以解 决建筑垃圾的科学处置及综合利用问题迫在眉睫。 在城市建筑垃圾组分中，废弃混凝土的占有量在4 8 3 5 0 1 。建筑垃圾的 再生利用已经成为一个迫切解决的问题，而利用废弃混凝土制造再生骨料全 部或部分替代天然骨料是实现城市建筑垃圾资源化的最为有效途径的途径之 一。这一课题的研究和技术开发最先始于二战后的前苏联、德国和日本等工 业发达国家，目前，城市建筑垃圾资源化处理是2 0 世纪9 0 年代以来世界众 北京_ t 业大学丁学硕一卜学位论文 多国家，特别是发达国家环境保护和可持续发展战略目标之一，尤其在再生 混凝土方面的开发利用发展最快，2 0 0 1 年中期，可持续发展研究机构( s r l ) 为再生混凝土骨料提供了环保标准。再生骨料的利用已经成为发达国家的共 同研究课题，取得了一定的成果，形成了一系列的使用规范和操作标准，有 些国家甚至采用立法形式来保证该项研究和应用的发展。 我国对再生骨料的研究明显晚于发达的工业国家，不过我国已经对再生 骨料和再生骨料混凝土的开发利用进行立项研究，同时把再生骨料和再生混 凝土的制造列为新型制造行业。 1 2 与再生骨料有关的术语 再生骨料：建筑物( 或构筑物) 解体后的废弃混凝土经过破碎、筛分、 配合等工艺加工而成的混凝土骨料，称为再生混凝土骨料( r e c y c l e dc o n c r e t e a g g r e g a t e ) 简称再生骨科( r e c y c l e da g g r e g a t e ，r a ) 。 再生混凝土：利用再生骨料作为全部或部分代替天然骨科配制的混凝土 叫做再生骨科混凝土，简称再生混凝土( r e c y c l e da g g r e g a t ec o n c r e t e ，r a c ) e 3 ) 1 3 再生骨料的研究与应用现状 再生骨料的研究最早开始于二战后的欧洲，他们在重建家园的时候开始 注意到废弃混凝土的再生利用。废弃混凝土的循环利用不仅可以减少建筑垃 圾的处理费用，同时还可以节约有限的天然矿产资源保护环境。目前，再生 骨料和再生混凝土技术是世界各国共同关心的课题，已成为国内外工程界和 学术界重点关注的热点和前沿问题之一，。 日本由于国土面积小，资源相对匮乏，因此将建筑垃圾视为“建筑副产 品”，十分重视将废弃混凝土作为可再生资源而重新开发利用。早在1 9 7 7 年 日本政府就制定了再生骨料和再生混凝土使用规范，并相继在各地建立了 以处理废弃混凝土为主的再生加工厂，并制定了多项法规来保证再生骨料和 再生混凝土的发展。据有关资料报道，东京在1 9 9 8 年对建筑垃圾的再生利用 率就已经达到5 6 以上。同时，他们还对再生骨料混凝土的性能进行了系统 第1 苹绪论 研究。川。 美国是较早提出环境标志的国家，据美国联邦公路局统计，现在已有超 过2 0 个州在公路建设中采用再生骨料替代天然骨料，2 6 个州允许将再生骨料 作为基层材料。在将再生骨料应用于基层或底基层的2 8 个州级机构中，有1 5 个机构制定了再生骨料的使用规范。美国政府制定的超级基金法给再生 混凝土的发展提供了法律保障。美国一家公司采用微波技术，可1 0 0 地回收 利用再生旧沥青混凝土路面料，而且其质量与新拌沥青混凝土路面料相同， 成本降低了1 3 ，大大减轻了环境污染。美国的研究机构通过实验，表明采用 再生骨料的再生混凝土其干缩率大于天然混凝土“。 在前苏联，7 0 年代末就开始利用废弃混凝土制备再生骨料。俄罗斯 o s m a n g a z i 大学的研究者着重研究了再生骨料在应用于生产再生混凝土中的 配合比设计，并得出了弹性模量随再生骨料变化而变化的关系。德国钢筋委 员会1 9 9 8 年8 月提出了“在混凝土中采用再生骨料的应用指南”，对再生骨 料的品质进行了规范。 比利时和荷兰，利用废弃的混凝土做骨料生产再生混凝土，并对其强度、 吸水性、收缩性等特性进行了研究，法国还利用废弃的碎混凝土块和碎砖生 产出了砖石混凝土砌块，所得的混凝土块已被测定，符合与砖石混凝土材料 有关的n b n b 2 1 - 0 0 1 ( 1 9 9 8 ) 标准。奥地利的有关实验表明，采用5 0 的再生 骨料的再生混凝土，其强度值可达到奥地利标准b 2 2 5 3 0 0 ，并且抗盐侵蚀性 也有所提高，同时发现再生混凝土的弹性模量降低。另外，意大利、澳大利 亚、以色列、韩国等国家也对再生混凝土进行了大量的研究“1 “。 从各国对再生骨料的研究情况可以看出，大多数研究者把再生骨料的研 究重点集中在再生混凝土的各项性能及配比设计的研究中“”3 ，相比较而言， 对再生骨料的制各技术、再生骨料改性及其改性机理的研究较少。九十年代 中后期，我国高等院校和一些科研院所也开始了对再生骨料及其应用的研究， 在国外研究成果的基础上，也取得了一些理论突破。但是由于我国在再生骨 料和再生混凝土方面的研究比发达工业国家晚，而且在实际应用领域不够广 泛，加之政府的扶植保障不够得力，一定程度上制约了再生骨料的推广应用。 可喜的是，进入2 1 世纪以来，国家制定了以科学发展观为指导的发展方略， 北京丁业大学t 学硕十学位论文 大力推导发展循环经济，并逐步制定和完善相应的法律法规，对开发和应用 以建筑垃圾为原料的制品企业给以政策支持和鼓励，这必将促进我国再生骨 料和再生混凝土领域的研究更新更快发展。 1 4 本课题主要研究内容 根据国内外研究现状可知，目前对再生骨料及再生混凝土的研究在骨料 制备、改性以及改性机理的研究方面还存在不足。结合我国再生骨料推广度 不够、应用面不广泛等实际情况，本课题确定的研究重点主要在以下几个方 面。 1 、从北京市的具体情况出发，对我国建筑垃圾处置与资源化现状进行研 究。 2 、对再生骨料制备技术包括工艺与设备等内容进行系统研究。主要在了 解国内外现行的再生骨料制备技术及工艺现状的基础上，针对再生骨料制备 过程中存在的问题和不足，结合现行制备工艺实际，提出适合我国具体情况 的再生骨料制备技术，以及如何对制备出的再生骨料进行质量控制与优化。 3 、再生骨料改性试验研究。针对现有再生骨料改性方法存在的问题和缺 陷，提出更为有效的改性方法。本课题将对再生骨料的改性，以及对改性后 再生骨料、再生混凝土的性能进行研究，对新改性剂的改性机理进行分析研 究。 4 、再生骨料混凝土微观结构研究。具体内容包括再生骨料混凝土界面过 渡区体积分数的计算；改性前后再生骨料混凝土空隙结构和s e m 分析。 第2 章城市建筑垃圾处置与资源化现状 2 1 引言 伴随着我国城市化、工业化进程的不断加快，建筑垃圾的产生和排放也 在高速增长，据统计我国建筑垃圾的排放总量由以往的4 0 0 0 万吨年增加到 现在的4 亿吨年。由此，业界一致认为我国建筑垃圾的排放高峰已经来临。 大量的建筑垃圾的产生，给城市生态环境、市容卫生管理以及交通运输等带 来了巨大压力，已经成为各城市固体废弃物综合治理的重要内容。建筑垃圾 集中处置，既有利于实现建筑垃圾资源化综合利用，又有利于建筑垃圾资源 化、产业规模化和规范化发展，同时又能有效解决建筑垃圾的去处，避免建 筑垃圾对城市市容环境卫生的影响，是一种科学的处置方式。本章通过对北 京市建筑垃圾的来源、产生量、成分、管理处置现状与资源化等情况的调研， 进一步分析了我国城市建筑垃圾处置现状与资源化水平，针对目前在城市建 筑垃圾处置与资源化方面存在的问题，提出了适当的建议。 2 2 城市建筑垃圾主要来源 城市建筑垃圾的来源，主要途径大体都是相似的。但由于城乡现代化程 度的差异、所处地理环境及建设规模等不同，城乡建筑垃圾来源侧重点均会 有所不同的。北京市建筑垃圾主要来源于以下几个方面： 1 拆除老化的旧建筑物而产生的建筑垃圾，这是北京市建筑垃圾的重要 来源。 2 市政工程的动迁以及重大基础设施的改造产生的建筑垃圾( 如西直门 立交改造、首都机场改扩建等) ，是北京市建筑垃圾的主要来源。 3 因意外原因( 如地震、台风、洪水、战争、豆腐渣工程等) 造成建筑 物倒塌而产生的建筑垃圾。 4 商品混凝土工厂和新建筑物施工( 土地开挖、建筑装潢) 产生的建筑 垃圾，由此产生的建筑垃圾约占建筑垃圾总量的2 0 。 其中由一、二项产生的建筑垃圾，约占建筑垃圾总量的7 5 以上。另外由 于其来源多样，决定建筑垃圾组分相对较复杂。 北京t 业大学丁学硕十学位论文 2 3 建筑垃圾的产生量 2 0 0 0 年以来，随着北京奥林匹克运动会的申办成功和奥运工程的相继启 动，北京市建筑垃圾在2 0 0 1 年就已经到达排放高峰期，当年总量达3 3 0 0 万 吨，而且近年来一直高居全国建筑垃圾排量首位。北京市的建筑固体废物( 建 筑垃圾) ，是城市垃圾的三大要素之一，年发生量约为同期全市生活固体废物 量的7 倍。据统计，2 0 0 5 年北京市建筑垃圾排放量达3 6 0 0 万吨，平均每日 排放l o 万吨。按北京市常住人口1 8 0 0 万人口计算，人均排放建筑垃圾约2 吨年，远远超出我国人均排放建筑垃圾0 5 吨年的平均水平。发达国家人 均排放约0 3 吨年，北京市的建筑垃圾人均排放量将近是他们的7 倍。上海 市2 0 0 5 年建筑垃圾总量达到2 3 5 0 万吨，远远超过生活垃圾总量( 5 0 0 万吨 年) ，即将全面开工的上海世博工程预计将产生建筑垃圾达4 0 0 0 万吨( 包括 配套工程) 嘞1 截至2 0 0 5 年，我国建筑垃圾年排放量位4 亿吨，是世界建筑垃 圾排放最多的国家。北京以占全国建筑垃圾9 的份量位居第一，而且近年来 北京市建筑垃圾年均排放量一直维持在这种高水平。近五年排放量见下图 2 一】。 _ 3 6 0 0 最3 3 5 0 蚶3 1 0 0 蘧2 8 5 0 2 6 0 0 2 0 0 12 0 0 22 0 0 32 0 0 4 2 0 0 5 年份年 图2 一l 近五年北京市建筑垃圾排放总量 f i g 2 一lg r o s so f c o n s t r u d i o nw 舔t ei i lr 。g e n tf i v ey e a r si nb 喇m g 尽管近几年北京建筑垃圾产量持续走高，很大程度是因为受城市建设和 奥运工程的影响，但可以预见，就算奥运工程完工后，建筑垃圾也不会有较 第2 章城市建筑蚌圾处置与资源化现状 大的回落，据市渣土管理部门预测，预计很长一段时间建筑垃圾年排放量仍 将超过3 0 0 0 万吨。同样的道理，由于城市化、工业化发展速度加快，东北老 工业基地改造、西部大开发、中部崛起、泛北部湾建设以及天津滨海经济开 发区等相继开工，伴随丽来的必是建筑垃圾产生量的持续上升。由此分析， 城市外延急速开发与内涵旧城大规模改造以及住宅小区规模化建设等使得我 国建设高峰已经到来。 2 4 城市建筑垃圾组分分析 建筑垃圾主要由新建筑物建设施工所产生的垃圾和旧建筑物拆除所产生 的垃圾组成。新建筑物施工产生的垃圾占建筑总垃圾量的5 - 1 0 ( 北京为7 ) 。 而且随着建筑施工单位技术和管理的不断完善，这种比例会不断下降。本文 重点讨论废弃建筑物拆除所产生的垃圾。 废弃建筑物拆除所产生的垃圾组成：不同结构类型建筑物所产生的建筑 垃圾各种成分的含量会有所不同，其基本组成致，主要由渣土、灰尘、砖 块、混凝土、沥青、玻璃、竹木、塑料、金属、有机杂质以及其他杂物等组 成。 废弃建筑物垃圾各组分含量：废弃建筑物垃圾各组分含量与建筑物的种 类有关。废弃的旧居民建筑物中，砖块、混凝土块、瓦砾占大部分，约为8 0 ( 其中废弃混凝土约为3 8 ) ，其余为木料、碎玻璃、石灰、黏土渣等；废 旧工业厂房、楼宇建筑中，混凝土块约占5 0 多，其余为金属、砖块、砌块、 塑料制品、玻璃、有机涂料等；桥梁、道路、堤坝等建筑中主要为废弃混凝 土，约占8 0 。 另外，我国建筑垃圾组分以及其含量还与建筑年代有密切关系，通常6 0 年代前的建筑物所拆除的垃圾主要是混凝土、砖块、金属及木材等，从总体 组成来看，混凝土约占4 8 ，陶瓷、玻璃、石膏板、瓦、石材等占2 3 ，木 材以天然实木和胶合板为主，约占2 0 。6 0 年代后的建筑物垃圾，逐步使用 复合材料、塑料等替代木材，所以垃圾中木材的含量相对较少，有机废料的 含量逐步增加。到了2 0 世纪七、八十年代，由于混凝土结构的大量出现，废 弃物中废弃混凝土的含量增加到5 5 。 北京t 业大学工学硕十学位论文 i i 综上所述，北京市建筑垃圾具有如下的特点：1 、由于北京市建筑物平均 使用寿命只为设计寿命的5 0 不到，被拆建筑大多为七、八十年代的旧建筑物， 达7 0 以上；2 、建筑物多以烧结黏土砖和混凝土预制构件组合的混合结构为 主，屋面由瓦面转变为预制混凝土空心楼板，以沥青油毡防水，门窗以木门 窗为主转为以木门窗、钢门窗并举，砌筑抹面以水泥砂浆、水泥石灰砂浆为 主，在市郊周边及农村仍有极少使用石灰泥浆。3 、八十年代后期建筑，建筑 结构、建筑材料均发生了质的变化。除多层砖混合结构外，大量发展了全混 凝土现浇框架剪力墙结构、混凝土框架结构、钢结构等。 随着建筑物种类和建筑材料的不断发展，建筑垃圾的组成也发生了改变， 北京市建筑装潢垃圾的比例就由2 0 0 1 年的5 提高到2 0 0 5 年的8 。从侧面也 说明新开工商品房及住宅建筑量有了较大增长。2 0 0 5 年北京市建筑垃圾中， 产生废旧建材垃圾2 7 0 0 万吨，开挖工程泥浆6 0 0 万吨，建筑装潢垃圾3 0 0 万 吨。分别占垃圾总量的7 5 7 6 、1 7 7 6 和8 。表2 - 1 为废旧建筑物垃圾各组分含量。 表2 - 1 北京市建筑物垃圾组分 t a b l e 2 - 1c o n s t r u c t i o nw a s t ec o m p o n e n t a n a l y s i si nb e i j i n g 混凝土 渣土 碎砖石 查塑堕堕垄垒星望坚壹垫叁堕基些 6 1 o 4 5 0 ，7 1 5 5 ，3 5 4 0 1 2 ，o 1 5 从上表中，我们可以直观的发现，在所有建筑垃圾的组分中，废弃混凝 土的量是非常大的，占全部垃圾比重的5 4 o 。所以实现废弃混凝土的再生利 用，为建筑垃圾的有效处置和资源化指明了正确的方向，具有重大而深远的 意义。本课题正是从这一角度出发，确立了以废弃混凝土为原料的再生骨料 的制各与改性研究。 2 5 城市建筑垃圾管理现状 按照北京市行政许可程序规定，建筑垃圾产生单位要到工地所在区的渣 土管理部门办理渣土消纳手续。然后渣土管理部门按照该工程土方量和申报 车辆给其设计从源头产生到销纳地点最合理的路线，并规定许可时间。施工 单位必须在规定的时间内按照指定的路线把渣土运输到指定的消纳场，然后 进行填埋等处理。同时，该部门还会对施工现场进行勘查：检查各项防尘设 第2 鼋城市建筑埽圾处置与资源化现状 施是否到位，对于运输渣土车辆的管理，主要是进行专项检查，管理部门的 工作人员会在运输渣土得主要通行路线上进行夜查，检查其密闭情况，有无 扬撤等。对于消纳这一环节，北京市每年大约设置二、三十个消纳场并定期 公布。这些消纳场大部分在五环以外。主要是将一些历史遗留的大坑、窑地 等经过整理，设置照明，专人管理，用作消纳场。这些消纳场由一些企业来 经营，并按照市场化的物价标准向运输单位收取费用。有时大量的建筑垃圾 导致垃圾处理设施不足，一部分垃圾只能倾饲在非正规垃圾场。由此我们可 以看出，北京市的建筑垃圾没有固定专用的综合处置场，只是停留在简单的 回填和填埋水平，距离资源化的要求还很远。同时如此简单的处理方式，给 城市和居民带来的危害是显而易见的。相对其它城市而言，北京作为首都在 建筑垃圾的管理方面还算是走在全国前列。 2 6 建筑垃圾资源化率 我国建筑废料的回收利用率较低，绝大部分建筑垃圾未经任何处理，便 被施工单位运往郊外或乡村，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、垃圾清运等建设经费，同时，清运和堆放过程中的遗撒和 粉尘、灰砂飞扬等问题又造成了严重的环境污染。 北京市建筑垃圾回收利用率还没有具体准确的数据，但据相关部门推算， 把土地开挖回填、废旧高附加值垃圾( 如钢筋、铁丝、电缆等) 有专人回收 加以利用、施工垃圾回填等计算在内，其回收利用率应该不会超过4 0 ，按这 一数据，同比国外发达国家”“和港、台地区，以及上海市，我们的努力还 远远不够，要做的还很多。世界各国( 地区) 建筑垃圾处置水平见表2 - 2 。 表2 - 2 建筑垃圾处置水平 t a b l e 2 - 2c o n s t m c t i o f f m s t ed i s p o s a ls t a t u s 我国建筑垃圾处置水平低下，原因是多方面的。既有相关法规法律的不 北京t 业大学t 学硕十学位论文 够完善，也有现行法律法规的执行力度不够的原因；既存在建筑垃圾科学管 理缺陷，也存在处置工艺落后等原因。近年来，关于固体废弃物综合治理和 资源化，从全国人大到国务院、建设部以及地方政府等相继颁布了一系列的 法律、法规，建筑垃圾资源化基本可以做到有法可依。我国建筑垃圾资源化 率低下的主要原因是综合产业政策基础上的技术创新能力不足，所以我国建 筑垃圾资源化应以大力发展技术创新产品为主要方向。废弃混凝土再生骨料 的开发利用，对我国新型建材的发展具有重要意义。 2 7 建筑垃圾处置工艺 本文通过调查研究及查阅相关文献嘲“1 ，分别总结出北京市建筑垃圾处 置工艺流程图和发达工业国家建筑垃圾处置工艺流程图，见见图2 2 和图2 3 ： 图2 - 2 北京市建筑垃圾处理工艺流程图 f i g 2 - 2f l o wc h a r to f c o n s t r u c t i o nw a s t ed i s p o s a li nb 两i n g 建 筑 垃 圾 开挖土地 碎旧建材 施工垃圾 综 合 处 置 场 废旧金属 砖石 同填 同收利用 同收利埘 分选h 无机质垃圾h 微粉h 回收利用 其他杂质 回填 废弃混凝十块h 同收利用 图2 3 发达国家建筑垃圾处理工艺流程图 f i g 2 - 3f l o wc h a l to f c o n s t r u c t i o nw a s l cd i s p o s a li nd e v e l o p e dc o u n t r i e s 回收利用 从以上图中，我们不难看出北京市建筑垃圾处置工艺简单划一，按线性 模式操作。与之不同，国外在处理建筑垃圾的过程中完全是遵从循环模式操 作，所有被回收利用的垃圾可以被作为再生资源应用于建筑场合，真正实现 了变废为宝。因此，真正实现我国废弃建筑物的有效处置与资源化，借鉴发 达国家的处置模式，走可循环再生利用之路是必然途径。 2 8 存在的问题及建议 应该说，目前我国大部分建筑工地在建筑垃圾处理方面都还算比较规范， 不会在路边或工地周围随意堆放。但是建筑垃圾处理方面问题仍然很多。现 在的垃圾处理技术还比较落后，建筑垃圾的综合处理利用处于初探阶段，绝 大多数建筑垃圾只是进行简单的填埋。给城市环境和居民生活造成了不便。 存在的问题主要体现在以下几点：首先是建筑垃圾分类收集的水平不高。绝 大部分依然是混合收集，这无疑增大了垃圾资源化、无害化处理的难度。其 次，北京市建筑垃圾回收利用率低。而且主要集中在对废旧金属、钢筋等少 数具有更高附加值的废弃物的回收，相对来说，对含量较大的废弃物混凝土 的回收率几乎为零。而且目前主要依赖于人工分拣，而专业分拣人员又很少， 北京丁业大学t 学硕十学位论文 所以大多数可以回收的资源白自浪费掉了。再者就是建筑垃圾处理工艺技术 水平落后。建筑垃圾处理缺乏新技术、新工艺开发能力，设备陈旧落后，另 外，建筑垃圾处理相关法规还不健全，这也为建筑垃圾处理的规范化增加了 难度。 庞大的建筑垃圾排放量，加之极其简单的处理方式，使得垃圾问题没有 得到最终解决，与国家正在极力倡导的循环经济发展模式相背离。所以建立 健全适合我国实际情况的建筑垃圾综合处置系统势在必行且意义重大。 要从根本上解决城市建筑垃圾存在的问题，应采取建筑垃圾循环使用模 式，改变传统建筑垃圾的线性处置方式，走再生利用之路，减少建筑物对自 然资源的依赖程度，真正实现建筑垃圾全部资源化，在保护环境的同时争取 更大的经济利益和社会效益。 首先，从源头抓起，最大限度的减少建筑垃圾的产生。对产生建筑垃圾 的全过程进行严格监控，统一备案，实行专人专管。 其次，除开挖土地用于回填外，建筑垃圾应存放在专门的固定的综合处 置场，分选后分类堆放。 第三，对不同类别的建筑垃圾分别加以回收利用，在回收利用过程中不 能采取简单划一的做法，要因地制宜，根据垃圾的不同而采取不同的回收利 用途径。只有这样才不至于造成建筑垃圾的价值灭失，同时可以最大限度的 节约建筑资源和创造社会财富。例如：废钢筋、废铁丝、废电线和其他废钢 配件等金属，经分拣、集中、重新回炉等工艺后可以再加工制成各种规格的 钢材和其他金属制品；废竹木、木屑等则可以用于制造各种人造板材；废弃 混凝土可用用于生产再生骨料和作为水泥生产的原料、水泥混合材等；废砖 瓦可用于水泥生产原料，水泥混合材或用于烧制再生砖瓦；沥青也可以重新 回收利用生产再生沥青、热拌沥青路面材料、冷拌填充路面材料等；微粉可 用于制成硅酸钙砌块及其他覆盖材料等。 第四，政府相关职能部门要强化建筑垃圾管理，加大对建筑再生制品企 业和使用再生制品单位的扶持力度，在政策上给予一定的优惠，采取积极措 施，鼓励建筑垃圾的再生利用。 最后，由于废弃建筑物垃圾中，主要组分为废弃混凝土，所以实现废弃 混凝土的再生利用，为建筑垃圾的有效处置和资源化指明了正确的方向，具 有重大而深远的意义。本课题正是从这一角度出发，确立了以废弃混凝土为 原料的再生骨料的制备与改性研究。 2 9 本章小结 本章从北京市的具体情况出发，对我国建筑垃圾处置与资源化现状进行 了研究，得出以下几点结论： 1 、我国城市建筑垃圾产生量高峰期已经到来。 2 、实现城市建筑垃圾集中处置与资源化，走可循环再生利用之路是一种 科学的方式。 3 、我国建筑垃圾处置与资源化率低下的重要原因是综合产业政策上的 技术创新能力低下。 4 、废弃混凝土在建筑垃圾中的含量非常大，达5 0 以上，所以实现城市 建筑垃圾的资源化主要是实现废弃物混凝土的再生利用，再生骨料为 废弃混凝土的资源化提供有效途径。 第3 章再生骨料制备技术研究 3 1 引言 以废弃混凝土为原料的再生骨料制备大同小异，其主要工艺可表述为： 即将不同破碎设备、传输设备、筛分设备和除杂设备有机的组合在一起，共 同完成破碎、筛分、除杂等工序，最后得到符合要求的再生骨料。如图3 - 1 示： 筛分预处理( 去 除大块或杂质) l 级破碎 1 级磁性分选( 去 除铁质杂质) 图3 - 1 再生骨料生产的典型工艺流程” f i g 3 - lt y p i c a li l o wc h a r to f r e c y c l e da g g r e g a t ep r o d u c i n g 目前，国外己成熟使用且比较典型的再生骨料制备工艺生产线分别是由 俄罗斯、德国、日本等发达工业国家所设计。见图3 - 3 、和图3 - 4 ：我国因为 推广应用还远远不够，再生骨料制备工艺仅仅停留在设计思路上，实际应用 领域没有成熟的工艺线，也尚未研发出生产设备。比较典型的是史巍、侯景 鹏和李惠强、杜亭等设计的流程图。见图3 - 5 和图3 6 ： 北京t 业大学丁学硕十学位论文 图3 - 3 俄罗斯再生骨料生产工艺。8 1 f i g 3 - 3f l o wc h a r to f r e c y c l e da g g r e g a t ei nr u s s i a 从上图，我们可以看出，俄罗斯再生骨料制备原理为，通过设置磁铁分 离器与分离台等装置以便除去铁质成分，并配有两台转子破碎机，分别对混 凝土颗粒进行预破碎与二次破碎，最终进行双筛分处理，得到适合粒度的再 生骨料。虽然该流程可以很好的使废弃混凝土进行破碎、除杂和筛分，但其 亦有自身的缺点，主要表现为：加工设备繁多，初期投资过大，不利于短期 推广应用。 图3 4 为德国的典型再生骨料生产工艺流程图。从图中我们可以看出， 德国的废弃混凝土再生工艺流程主要由一个二档等级的破碎机组成，分为前 破碎机和后破碎机，还必须装置两个鄂式破碎机。经破碎的石料须烘干。其 它的组成设备包括铁件收料台等。再生骨料的级配被筛分为o 一4 i i 、4 - 1 6 m m 、 1 6 - 4 5 m m 及4 5 r a m 以上。见下图： l 一藏| 毒车；2 一辩q - ；3 一土破静觇；4 - 铣摊收秘台；奠仍瓣分祝；6 - 分筛帆l ；7 r 输i 蓉带；8 一分筛机1 1 9 一结赭佛翦ll o _ 4 h m 毂差垄 静奉辜；1 1 舢3 2 m m 耘经忖辩；1 2 - 0 - 蠢5 l n l n 粒径嚣辩；1 3 4 5 9 0 m l 粒疑骨科；1 4 一1 6 h 4 5 粒穗臀辩：j 5 - 4 5 一1 5 0 m m 板径臂辩；1 6 4 - - 1 6 r n m 孽荽径臀料；1 7 - 破碎枧 图3 4 德国再生骨料生产工艺1 f i g 3 - 4f l o w c h a r t o f r e c y c l e da g g r e g a t ei ng e r m a n y 从图中我们可以看出，该工艺由于整个处理流程需要安装两台鄂式破碎 机及四台筛分机，因此投资费用巨大而且工程占地面积大。 北京t 业大学t 学硕十学位论文 ii 图3 5 为史巍和侯景鹏设计的再生骨料生产工艺，该生产工艺使用了风 力分级装置及吸尘设备，为循环利用再生细骨料奠定了基础。但再生细骨料 尚未深入系统研究，还不具备直接应用于工程的条件。 图3 - 5 史巍、侯景鹏设计的再生骨料生产工艺“1 f i g 3 5r e c y c l e da g g r e g a t ef l o wc h a r td e s i g n e db yw e is h ia n dj i n g p e n gh o u 同样，李惠强等提出的设计思路除涉及再生细骨料外，还增加了加温、 二级碾磨等设备，操作繁杂且带来生产成本的提高喃1 。见图3 - 6 ： 混凝士块体破碎预处理( 锤击、切割、分拣) 磁性分选 杂物分选 1 级破碎处理( 鄂式破碎机) 消除废铁料 消除废木料、塑料等杂质 0 - 4 0 m m 块体 1 级筛分( 5 m m 筛分机) 5 m m 以下粉碎体 2 级破碎处理( 内置竖轴式偏心转筒 式碾碎机或水平卧轴式球磨碾碎机) 2 级筛分( 5 r a m 筛分机) li i 高品质再生细骨科( o 1 5 - 5 m m )微细粉料( o 1 5 r a m 以下) 图3 6 李惠强、杜亭设计的再生骨料生产工艺 f i g 3 - 6r e c y c l e da g g r e g a t ef l o wc h a r td e s i g n e db yh u i q i a n gl ia n dt i n gd u 综上所述，国内外再生骨料现有制备技术，历经多年发展，己然渐趋成 熟完善，尤其在发达工业国家，更是取得了研究和应用的长足进步。但由于 受客观条件、基础研究等所限，在生产设备、生产规模、自动化程度、产品 质量及技术标准等方面都存在许多不足。我国再生骨料制备技术由于研究及 1 9 北京1 = 业大学工学硕十学位论文 推广应用较晚，所以与发达工业国家还存在一定的距离，主要体现在以下几 个方面： 1 、自动化程度：由于起步较早，基础技术研究工作比较全面，加上多年 的实践总结提高和不断完善，发达工业国家再生骨料制备工艺水平相对我国 比较先进，自动化控制程度也比较高。在德国、日本、美国等国家，在一些 较大城市都会有自己的再生骨料制备厂或建筑垃圾处理中心。和他们高度发 达的工业技术水平相适应，每个制备厂都设有中央集中控制室，自动化程度 和劳动生产率很高。相比较而言，我国建筑垃圾处理处置和再生骨料制备技 术还很落后，自动化程度低。 2 、生产规模：国外再生骨料应用较早，制各技术相对成熟，生产规模较 大。目前，仅俄罗斯乜7 1 就有不少于五条再生骨料破碎和筛分生产线投入运行， 其单线装机功率为2 7 5 k w ，处理能力为2 0 0 m 3 h 。在德国，每个地区都有大型的 再生综合加工厂，能进入破碎设备的混凝土块体不超过l m x 0 6 m 。韩国京畿 道再生骨料制备系统日处理能力为1 6 0 0 立方米。我国以废弃混凝土为原料的 再生骨料制备系统，明显存在处理处置简单、生产规模小等特点，不能适应 我国建筑垃圾高速增长的需要。 3 、生产设备：国外早在上世纪7 0 年代末，就开始了研制适用于再生骨 料的专用设备。文献 2 9 对用于废弃混凝土破碎的破碎机设备进行了专门研 究，具体探讨了那些设备更适合应用于废弃混凝土的破碎，确定该破碎设备 对再生骨料质量的影响，并得出了相关的结论。我国在设备选用方面存在盲 目和随机使用的通病，科研工作者这方面应当给予适当的理论指导，以适应 不断增长的设备的需要，促进我国机械工业的发展。据报道，日前上海筑路 机械设备有限公司研制了一套具有国际先进水平的城市建筑垃圾处理再利用 成套设备，其可以将建筑垃圾中坚硬的混凝土和钢筋咬碎后分类、筛选。该 环保设备作为一款新型的钢筋混凝土分离机，引起了同行的关注。但我们不 能否认在设备方面与发达工业国家还存在整体差别。 4 、产品质量与应用程度：由于国内建筑垃圾来源多样、成分不稳定，处 理工艺等因素的影响，再生骨料质量品质与国外相比还有一定的差距，致使 我们再生骨料只能应用于低强度等级或强度要求不高的场合，更多的是应用 第3 苹再生骨料制番技术研究 于混凝土垫层、混凝土制品、护堤护坡等一些场合，再生骨料基本没能在结 构混凝土中应用。相反国外在结构混凝土中应用再生骨料作为集料已经是再 平常不过的事情了。 5 、技术标准：再生骨料作为再生混凝土的骨架组成部分，其性能的优劣， 直接影响再生混凝土的性能。对再生骨料的质量等级划分，我国目前还没有 形成统一的标准。日本建筑师协会( h c s j ) 早在1 9 7 7 年就制定了再生骨料 与再生混凝土使用规范对再生骨料的质量作了规范。对再生骨料的表观密 度、堆积密度、压碎指标值、吸水率、洗涤损失率、杂质含量等均作了明确 规定。r i l e m 所制订的混凝土用再生骨料规范也为再生骨料的应用提出了 具体质量要求。3 “。 综上所述，我们不难发现，我国再生骨料的制备技术同发达工业国家相 比较，差距还是明显的。所以本章将在总结前人研究成果的基础上，确定再 生骨料制备技术的设计原则，并把再生骨料的制备技术作为一项系统工程， 设计出新型再生骨料制备工艺。 3 2 再生骨料制备的设计原则 3 2 1 相关术语 工艺，即利用生产工具对各种原材料、半成品进行加工或处理，使之成 为产品的方法。本文再生骨料制备工艺即以废弃物混凝土为原材料，通过加 工和处理，使之生成为再生混凝土骨料的方法。 再生骨料制备工艺设计的目的是为提高再生骨料制备过程中的工作效率 和产品质量、降低生产成本。通常我们所说的工艺设计是工艺规程设计和工 艺装备设计的总称，再生骨料制备过程的工艺设计也包括工艺规程设计和工 艺装备设计两个部分。工艺规程：即规定生产中应遵循的加工方法的技术文 件，包括工艺流程( 原料投入到成品出产，顺序连续地通过设备或管道进行 的加工过程) 、产品技术要求、检