孙金坤1,2 欧先军3 马海萍1,2 侯永斌3
(1.攀枝花学院 土木与建筑工程学院，四川 攀枝花 617000； 2.工业固态废弃物土木工程综合开发利用四川省高校重点实验室，四川 攀枝花 617000； 3.攀枝花市恒德废物集中处理有限公司，四川 攀枝花 617000)
摘要：在分析国内建筑垃圾分类及传统处理工艺现状的基础上，针对传统工艺存在的问题进行改进和优化。所设计的新型处理工艺流程从提高破碎比、改善筛分效果，增强骨料强度和降低扬尘4个方面进行了改进，重点为破碎后骨料的颗粒整形强化工艺、凝胶强化工艺、破碎喷淋除尘工艺。具体表现为：在通用处理流程的基础上，把破碎环节改进为筛分后再进行二次破碎，改进筛分为多次筛分，利用不同的筛分原理实现不同筛分效果；骨料形成后的回收环节增加凝胶喷淋提高骨料强度，弥补了当前处理工艺流程的不足，提高了建筑垃圾的处理效率及品质，可为建筑垃圾资源化处理提供参考。
关键词：建筑垃圾；资源化；处理工艺；骨料特性
建筑垃圾资源化是在低碳、节能环保背景下诞生的新课题[1]。20世纪90年代以来，部分西方国家就已开始进行建筑垃圾资源化处理的研究[2]，这些国家的建筑垃圾资源化利用率在70%～90%，且具有较为系统的标准体系。而目前我国的建筑垃圾处理还处于初级阶段，城市改建扩建、地震破坏等产生的大量建筑废弃物在通过传统的回收处理流程后，被露天堆置或填埋处置，造成资源和土地的巨大浪费，同时传统处理方式产生的粉尘和遗撒也造成了环境污染[3]。在实现建筑垃圾资源化处理方面的主要问题包括：缺乏成套实用的核心技术和装备；缺乏形成完整的标准体系和相应的政策法规；缺乏建筑垃圾资源化利用的示范产业基地等。迄今我国建筑废物资源化率不足5%。
经过分析，全国建筑废物资源化利用产业发展大都是止步于传统砂石破碎线工艺与设备的局限性。我国“十五”、“十一五”、“十二五”三个阶段建设的建筑废物资源化利用项目都没能实现良性循环，表明传统砂石破碎线工艺与设备不能满足建筑废物再生处理要求，建筑废物资源化再生工艺与装备创新势在必行。
对此，课题组针对建筑垃圾资源化处理工艺存在的核心技术需改进和流程设备不完善的问题，在分析当前建筑废弃物通用处理方法的基础上，对原有建筑废弃物处理流程进行了改进，并设计了新的建筑垃圾高效处理工艺流程。
对建筑垃圾的准确定义和分类是建筑垃圾资源化的前提。住建部2005年颁布的《城市建筑垃圾管理规定》中给过建筑垃圾的定义[4]。在此基础上，本文将建筑垃圾的定义做了更为准确的描述，定义为“新建、改建、扩建和拆除各类建筑物、构筑物、市政工程等以及建筑装饰装修过程中所产生的废弃砖瓦、混凝土、砂浆、碎石、弃土及其他工程废弃物”。建筑垃圾中，混凝土与砂浆砌块占30%～40%，砖瓦占35%～45%，陶瓷和玻璃占5%～8%，其他占10%[5]。我国建筑垃圾的具体分类如图1所示。
图1 我国建筑垃圾分类
Fig.1 The classification of construction waste in domestic
2.1 当前建筑废弃物处理利用现状
当前我国建筑垃圾利用大致可以分为3级[6]。
一级为“未处理堆放”，建筑垃圾未经处理而直接运往郊外空地堆放。目前我国许多城市的近郊处通常成为建筑垃圾的堆放场所，而每堆积10 000 t建筑垃圾约需占用670 m2土地，进一步加剧了城市地区土地资源的紧缺。部分发达地区规划较好的是一般性露天填埋，占建筑垃圾总量的50%左右；在多山地区，例如香港等，多采用深井填埋和堆埋方式。
二级为“原始利用”，即初级分拣，原始利用。将建筑垃圾根据不同材料分拣(如混凝土块、砖石砌块、钢材金属、木材、塑料等)，简单破碎再利用，作建筑基础垫层、道路基层填料、边坡料石等。但原始分拣和简单破碎仅仅将大块垃圾变成小块垃圾，作为地基填充料或临时道路路基等，无法应用于城镇等基础设施建设，且按此途径再利用的建筑垃圾也不超过建筑垃圾总量的2%。
三级为“中高级利用”，如经加工厂的处理，形成再生骨料，用作再生混凝土等建筑材料。其通用处理流程为“破碎—分拣—筛选—骨料”。
2.2 传统处置工艺的缺点
传统处置工艺流程简单，分拣层级单一，分拣技术不过关；分级处理工艺还不够完善，使建筑垃圾分级不清；破碎过程产生的较严重扬尘，可能污染周边环境；再生骨料质量等级不高，造成使用范围有限，附加值不高，难以达到市场化应用。
2.3 传统处置方法骨料的缺点
传统的建筑垃圾处理中，通过破碎等工艺流程形成的骨料，与天然骨料相比存在缺陷，具体为：1)普通工艺生产的再生骨料性能差，表现为简单破碎再生骨料颗粒棱角多，表面粗糙且附着有硬化水泥砂浆；混凝土块在破碎过程中因损伤累积在内部造成大量微裂纹；再生骨料的孔隙率大、吸水率大、堆积密度小、强度较低、压碎指标高等。2)骨料性能不稳定，不同强度等级混凝土通过简单破碎与筛分制备出的再生骨料性能差异很大，产品的针片状颗粒不均，质量离散性也较大，不利于推广应用。
3.1 设计目标
在当前处理方式的基础上改进和设计新的工艺流程和设备，以提高建筑垃圾利用效率，提高回收骨料的整体品质，以期形成“建筑原料—建筑物—建筑垃圾—高品质再生原料”的循环模式。
3.2 改进处理工艺流程设计特征
研究在通用处理流程的基础上，针对传统工艺存在的问题进行改进和优化。新工艺采用多级筛选、多环节除尘、骨料整形和强化工艺。
1)二次破碎，多级筛分工艺。建筑垃圾进料后进行第1次破碎，将大块建筑垃圾破碎为较小粒径；砖、混凝土分离后，形成砖初骨料和混凝土初骨料，再分别进行第2次破碎。一次筛分实现土块与砖、混凝土块的分离；通过磁选将钢筋与砖、混凝土混合建筑垃圾分离；二次筛分实现砖块与混凝土块的分离；三次筛分砖初骨料(混凝土初骨料)形成砖(混凝土)的细料、中料、粗料。
2)多环节除尘、降尘。在进料、破碎和骨料整形环节，采取除尘降尘措施，有效降低扬尘。进料环节降尘：进料口破碎环节设置喷淋装置，投料时湿法作业，降低扬尘。破碎环节降尘：破碎装置设微喷淋系统，物料破碎时，微喷淋形成水雾，吸附固体颗粒物从而抑制扬尘。骨料整形环节降尘：通过对骨料整形设备主动供风和引风，保持设备内部形成负压，防止扬尘逃逸；同时微粉尘通过除尘器吸附并集中收集(详见图2)。
图2 除尘流程示意
Fig.2 Diagram of dust removing process
3)骨料整形和强化。凝胶喷淋，对再生骨料进
行浸渍、淋洗、干燥等处理，使再生骨料得到强化。备选凝胶有水性聚氨酯、油性聚氨酯[7]、硅酸钠(俗称水玻璃)、丙凝(丙烯酰胺体系)、甲凝(甲基丙烯酸酯/丙烯酸盐类)、改性环氧树脂、糠酮树脂、木质素等[8]。本工艺选用凝胶的主要原则是有利于骨料裂缝填充、稳定性好、胶结能力强，考虑到动态喷淋，经对比选用水性聚氨酯凝胶。其突出特点，一是遇水自乳化，立即进行聚合反应，固结物具有良好的弹性、抗渗性、耐低温性，对岩石、混凝土、土粒等具有良好的黏接性能，灌浆后对水质无污染；二是固结物具有弹性止水和膨胀止水的双重作用。水玻璃、丙凝等其他大多数化学浆液固结体弹性、韧性差，低温反应活性小，只限于灌注稳定裂纹；丙凝单体有毒，会造成环境污染。
通过在工艺尾部加装凝胶喷淋设备对骨料进行喷淋。凝胶喷淋后经过二次振动筛的振动使凝胶渗透到骨料空隙和包裹骨料表面，达到强化骨料的目的。
3.3 改进处理工艺系统装置
改进的建筑垃圾处理工艺流程是将现有的装置，按图3组装成一条实际生产线，工艺系统包括进料系统、破碎系统、筛分系统、骨料整形增强系统4个子系统。
图3 改进的建筑垃圾处理工艺流程
Fig.3 The new designed treatment process of construction waste
1)进料系统：包括垃圾装卸机、进料斗、振动给料机和筛土、微喷淋设备装置，用于装卸预处理的建筑垃圾，并送到破碎设备。
2)破碎系统：主要设备包括大型颚式破碎机、反击破碎机、细颚式破碎机、圆锥破碎机和喷淋系统，破碎设备用于砖、砂浆和混凝土两大类建筑垃圾的多级破碎，喷淋系统则可降低扬尘。
3)筛分系统：主要包含磁选设备和骨料筛分设备。磁选设备从建筑垃圾中去除钢筋等金属；骨料筛分设备实现土与砖、混凝土渣的分离，砖、混凝土渣分离；且可筛分出不同粒径的骨料，并便于超大骨料的二次破碎。
4)骨料整形增强系统：主要包括骨料整形设备和骨料凝胶喷淋设备。骨料整形设备使骨料高速运动，让再生骨料之间反复相互冲击与摩擦，去除突出的棱角和颗粒表面所附着的砂浆和水泥石，使再生骨料强度等级得以提高；向骨料凝胶喷淋是为了增强骨料强度。
该改进生产线设备已申报专利，可根据生产量的具体大小设计。经计算，一条中型生产线处理能力可达20 t/h。
3.4 改进处理工艺流程简述
本建筑垃圾分类系统的工艺流程为：进料—1次振动筛选(土、渣分离)—1次破碎—磁选(铁、渣分离)—2次筛选(砖、混凝土分离)—砖、混凝土分别再次筛选—砖初骨料(细料、中料、粗料)和混凝土初骨料—砖(混凝土)细料、中料、粗料—混凝土骨料增强改性—新骨料。
混合砖块和混凝土的建筑垃圾通过振动给料、筛土装置去除建筑垃圾中的土块；经过大型颚式破碎机进行一次破碎(期间喷淋)后，通过磁选设备将钢筋等剔除；去除钢筋后的砖、混凝土混合物进入分离机，将砖块和混凝土进行分离，分别进入各自生产线进行处理。
混凝土初级骨料经细鄂破碎机再次破碎达到设计的尺寸要求(期间喷淋)，再通过传送带到达振动筛，筛分后输出骨料，再将骨料进入颗粒整形设备进行机械加工增强处理，通过除尘器去除粉尘后输出成品料。根据需要和用途将成品料进行凝胶喷淋，形成凝胶增强骨料。
砖块破碎工艺流程与混凝土初级骨料破碎工艺基本相同，但无骨料整形和骨料增强工艺。
改进后流程把传统破碎、筛分环节改进为多级筛分、二次破碎，且通过不同筛分原理，达到不同筛分效果。骨料形成后通过颗粒整形设备进行回收，增加凝胶喷淋以提高骨料强度。
4.1 试验指标及数据分析
为测试新处理工艺的效果，以处理1车4 t建筑垃圾料为例，垃圾主要为废弃混凝土块(一般建筑垃圾在废弃前，钢筋多已被人工回收)，且含有少量砖块，故本试验以混凝土块处理过程为对象。
在相同条件下，对同体量的建筑垃圾使用改进工艺处理，对其处理过程中破碎比、筛分效率、扬尘降低率、可用骨料量等指标进行测定，并与传统处理工艺指标进行对比，结果如表1所示。
表1 改进工艺处理与传统工艺处理对比结果
Table 1 Comparison results of the improved process and the traditional process
不同指标破碎比破碎量/%筛分效率/%扬尘降低率/%可用骨料量/%传统工艺100.450.5210.090.35改进工艺140.850.9120.960.9
4.2 新工艺骨料特性
物理特性：改进利用现有破碎设备，按本流程的多级破碎和筛选后，对破碎后骨料进行水性聚氨酯凝胶喷淋增强。经过二级破碎，骨料粒径控制在0～25 mm，通过分级筛选分离出不同级数要求的骨料。二级破碎的骨料粒径较匀，在凝胶喷淋处理后饱满圆润，片状针状颗粒明显降低。
对比天然骨料，简单破碎骨料表面粗糙，棱角较多，且在骨料表面有大量的水泥砂浆包裹，同时在破碎过程中对骨料冲击较大，产生较多轻微裂缝，进一步增大孔隙，这些因素造成原始骨料孔隙大，吸水率增大[7]，对再生利用不利。在工艺尾部增加凝胶喷淋工序，通过凝胶胶合作用和化学作用(因凝胶种类定)，可使原骨料孔隙率填充凝胶减少轻微缝隙，降低骨料的吸水率，使骨料强度得到进一步提高，形成增强骨料。将天然骨料、初级骨料与生产出的增强骨料进行吸水性实验，结果对比表2所示。可见，增强骨料的吸水性大于天然骨料的吸水性，但优于初级骨料的吸水性。
表2 再生骨料物理性能(10～15 mm)
Table 2 The physical properties of the recycled aggregates(10～15 mm)
指标细骨料粗骨料天然骨料简单破碎骨料增强骨料天然骨料简单破碎骨料增强骨料堆积密度/(kg·m-3)161512251425133011951335密实密度/(kg·m-3)173513651560148013551525表观密度/(g·cm-3)2.662.442.512.652.562.59空隙率/%0.390.490.430.490.530.485吸水率/%0.858.37.31.64.72.9
4.3 新工艺骨料应用
处理后的骨料可用作混凝土用再生骨料、砖和砌块再生骨料、再生沙等，或可根据需要做分类应用，最终形成较为完整的建筑垃圾综合应用产业链，实现建筑垃圾资源化目标，详见图4。
图4 建筑垃圾综合应用产业链
Fig.4 The comprehensive-applied industrial chain for construction waste
设计合理、高效的建筑垃圾处理流程能有效提高建筑垃圾资源化处理的能力，能使其达到最大化利用，且保证在利用过程中的环境保护和回收效率。本研究的高效处理工艺流程设计从提高破碎、筛分率，骨料增强率和扬尘降低率4个方面改进了改进，提高了建筑垃圾的处理效率及利用率，同时提高了建筑垃圾再生资源的经济效益。在后续的试验研究中，改进处理工艺里面存在的生产噪声等问题有待进一步解决；建筑垃圾再生骨料的品质还有待进一步提高。同时，在资源化高效处理研究中要始终贯穿“3R”原则，即“固体废弃物减量(Reduce)、减少浪费(Reuse)和回收利用(Recycle)原则”[9]，还需要国家和城市政府制订有效的长远政策，使可持续发展观念贯穿于资源化过程中。同时，建筑垃圾资源化处理产业的法规与管理体系、制度与经济激励、市场培育等问题，有待于作进一步深入探索。
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SUN Jin-kun1,2, OU Xian-jun3, MA Hai-ping1,2, HOU Yong-bin3
(1.School of Civil and Architecture Engineering, Panzhihua University, Panzhihua 617000, China; 2.Sichuan Provincial Key Lab. of Higher Education Institution for Comprehensive Development and Utilization of Industrial Solid Waste in Civil Engineering, Panzhihua 617000, China; 3.Panzhihua Hengde Waste Centralized Treatment Co., Ltd, Panzhihua 617000, China)
Abstract：By analyzing the problems existing in construction waste classification and recovery in China, a new-designed treatment process was proposed with higher crushing and sieving rate, better aggregate strength, and lower dust generating. In specific, based on the general processing flow, this new method improved the primary and basic crushing process into screening and secondary crushing, which could achieve different screening effect through different screening principles. The intensity of the concrete aggregates was increased by gel spray in the recycling process. In general, the new process improved the processing efficiency and quality of product, which could offer references to promote the treatment process of construction waste recovery in China.
Keywords：construction waste； resource recovery； treatment process； aggregate property
*西华大学四川省重点实验室开放研究基金(SZjj2014-023)。
收稿日期：2016-05-30
DOI：10.13205/j.hjgc.201612021
第一作者：孙金坤(1975-)，男，硕士，副教授。paxf66290838@163.com
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