废弃混凝土再生集料的生产流程及破碎工艺研究.pdf

科技创新导报 Science and Technology Innovation Herald科技创新导报2022 NO.30 Science and Technology Innovation Herald土 木 与 建 筑 工 程废弃混凝土再生集料的生产流程及破碎工艺研究张志远1 季正军2*张文虎1 杨永富2（1.山东省路桥集团有限公司 山东济南 250014；2.山东省交通科学研究院 山东济南 250031）摘要：高速公路改扩建过程中会产生大量废弃结构物混凝土，由于再生集料资源化利用价值意识不足、技术条件受限、废旧混凝土破碎加工设备不匹配等因素，导致现有加工方式较为粗放，生产效率低，再生料品质难以保证。本文从硬件设施优化、生产工艺改进、再生集料质量控制等方面出发，提出相应的技术路线及改进措施，实现结构物混凝土再生集料资源化利用。关键词：废弃混凝土 再生集料 生产流程 破碎工艺 参数控制中图分类号：TU528文献标识码：A文章编号：1674-098X(2022)10(c)-0177-06Study on the Production Process and Crushing Technology of Recycled Aggregate from Waste ConcreteZHANG Zhiyuan1 JI Zhengjun2*ZHANG Wenhu1 YANG Yongfu2(1.Shandong Luqiao Group Co.Ltd.,Jinan,Shandong Province,250014 China;2.Shandong Transportation Institute,Jinan,Shandong Province,250031 China)Abstract:A large number of waste structure concrete will be produced in the process of highway reconstruction and expansion.Due to the lack of value awareness of recycling aggregate resource utilization,limited technical conditions,mismatching of waste concrete crushing and processing equipment and other factors,the existing processing methods are relatively extensive,the production efficiency is low,and the quality of recycled material is difficult to guarantee.In this paper,from the aspects of hardware facilities optimization,production process improvement,and recycled aggregate quality control,the corresponding technical route and improvement measures are proposed to realize the resource utilization of recycled aggregate for structural concrete.Key Words:Waste concrete;Recycled aggregate;Production process;Crushing process;Parameter control高速公路改扩建过程中会产生大量的废弃结构物混凝土，从目前工程应用的角度来看，应用范围及模式较为局限，且技术附加值较低，如何提高再生集料的规模化利用是亟需解决的关键问题1。本文根据公路工程混凝土结构物技术特性、组成材料及环保要求，结合结构物拆除到再生集料产出整个过程，提出合理的生产流程、设备组合及工艺参数改进。1 混凝土再生集料生产工艺流程混凝土再生集料的生产加工过程破碎是最为关键的环节，但除此以外，还包括分拣、除筋、筛分等多个工艺环节2，要想得到满足使用要求且能产生较大经济效益的再生集料，需要进一步提出合理的生产工艺流程及设备组合。DOI：10.16660/ki.1674-098X.2211-5640-3486作者简介：张志远（1996），男，本科，助理工程师，主要从事路桥施工与管理工作。通信作者简介：季正军（1988），男，硕士，高级工程师，研究方向为路面结构设计及路面新材料研发，E-mail：。177科技创新导报Science and Technology Innovation Herald2022 NO.30 科技创新导报 Science and Technology Innovation Herald土 木 与 建 筑 工 程1.1 废弃混凝土收集分级废旧水泥混凝土的收集工作比较复杂，原始混凝土设计强度等级、应用部位、收集数量等均存在差异，如在收集过程中先进行分选定级，便于再生集料的高值化利用，减少再生集料的差异性。一般情况下，强度高的废旧混凝土破碎后形成的再生集料，其各种物理性质、力学性质表现得更好一些3-4。为实现废弃混凝土高值化利用，加工生产分类用于工程建设是主要途径之一，而实现有针对性分类利用的关键是做好再生集料的分级工作，将再生集料进行分级首先要确定混凝土毛料的技术性质，这决定了后期再生集料的应用方向与价值。为科学制定废弃混凝土收集分级标准，本文调研了现场混凝土结构物的强度等级。混凝土结构物的技术状况调研主要通过现场混凝土回弹检测、推定综合强度，建立基于强度残存值的废弃混凝土毛料分类标准。有针对性地选取了桥梁等结构物进行了技术状况现场调研，综合分析了服役20年后各类桥梁等结构物的强度残存值，结果见表1。根据设计要求，强度等级C30以上的水泥混凝土，采用的集料品质好；废旧水泥混凝土经破碎后分析，强度等级C30以上的混凝土制备的再生集料砂浆少，粗集料含量高。因此，根据检测结果，同时考虑到实际操作性，作出以下分级标准：强度等级C30及以上为一级，强度等级C30以下为二级。废旧水泥混凝土在收集过程中，如果一级或二级材料占比小于总收集料的10%，则对再生集料性能基本无影响，为方便收集工作，可不分级。1.2 再生集料生产工艺流程结合高速公路改扩建工程实施情况，混凝土再生集料的生产工艺流程包括以下几个环节。1.2.1 毛料开采对于再生集料而言，毛料的开采即是指废弃结构物的拆除。公路工程领域混凝土结构物主要包括桥梁梁板、立柱、承台、台帽及护栏等其他附属结构，在改扩建工程拆除混凝土结构物时，同时也要使用机械设备将长钢筋剔除，如图1所示。由于不同结构部位的混凝土其技术性质也有所不同，为了实现分类高值化利用，拆除后要根据使用部位进行分类存放，对于隐蔽部位的混凝土构件，归于与其强度等级最接近的结构物混凝土存放。1.2.2 预处理预处理主要是将拆除的结构物混凝土毛料进行二次处理，使之成为符合破碎工艺技术要求的混凝土块体，主要包括大体积混凝土块破碎、钢筋切割、大件杂质的分拣剔除等步骤5。经过预处理后，将毛料尺寸控制在700mm以内且杂质较少，以符合破碎机的破碎要求，详见图2。表1混凝土回弹强度序号123456789101112131415构件名称6m板左腹板6m板右腹板6m板底板8m板左腹板8m板右腹板8m板底板10m板底板10m板左腹板10m板右腹板13m板底板13m板左腹板13m板右腹板16m板底板16m板左腹板16m板右腹板混凝土抗压强度推定值/MPa平均值41.844.837.343.845.956.7-50.540.3-56.052.247.652.541.7最小值39.9539.8028.0540.1042.5046.40-47.5037.20-55.9548.542.846.032.55标准差1.33.35.62.72.64.5-2.12.3-1.832.32.84.06.2推定值39.739.428.139.441.649.36047.036.56053.048.443.045.932.6平均碳化深度/mm2.502.502.502.502.502.502.502.501.503.003.500.503.502.002.502.50178科技创新导报Science and Technology Innovation Herald科技创新导报 Science and Technology Innovation Herald2022 NO.30 土 木 与 建 筑 工 程1.2.3 破碎破碎作为关键环节，如图3所示。合理的破碎设备组合和参数调整对成品再生集料的指标性能最为关键，将在下节重点研究。1.2.4 除杂质公路工程废弃结构物混凝土再生集料生产过程中的杂质主要是原结构配筋。梁板、立柱等混凝土结构物均配有不同密度的钢筋，在再生集料生产过程中，如何有效的剔除钢筋是需要解决的重要问题之一，如图4所示。目前，在破碎设备和筛分设备中增加23套电磁铁设备是去除钢材杂质的必要措施6。1.2.5 筛分筛分作业的重点是控制超粒径颗粒。目前，在砂石筛分作业中广泛使用摇动筛和振动筛，其中，摇动筛图1毛料开采图3再生混凝土破碎设备图4电磁除铁器图2毛料混凝土预破碎179科技创新导报Science and Technology Innovation Herald2022 NO.30 科技创新导报 Science and Technology Innovation Herald土 木 与 建 筑 工 程不适用于含泥质多的物料，否则会在筛面上滚成泥团，降低筛分效率。由于再生集料由于在破碎过程中产生大量细料，遇水易结团，因而不适合采用摇动筛，宜采用振动筛。1.2.6 尾料处理在生产再生集料的过程中，会产生大量的粉尘，对周围环境造成负面影响，因此必须实施有效的环境保护措施。控制粉尘的有效方法主要是安装负压力装置，将粉尘吸收集中处理。综上所述，混凝土再生集料的生产工艺可归纳为“拆除运送预破碎破碎筛分尾料处理”等主要工艺环节，工艺流程见图5。2 混凝土再生集料破碎工艺废弃混凝土经过除筋、分拣、预破碎、破碎、筛分等诸多工艺环节后，以实现再生集料的使用性能满足要求7，其中，破碎工艺尤为关键。合理的破碎工艺包括合理的生产流程和满足要求的破碎设备，破碎工艺决定了再生集料的粒形、粒径及针片状含量等技术参数，更决定了再生集料的利用率和产出量。如何实现废弃混凝土再生集料的大规模利用，是目前亟需解决的难题。2.1 破碎工艺研究现状国内外针对废旧混凝土破碎工艺已开展了众多的研究与应用实践。目前，石料主要有挤压、劈裂、折断、磨碎和冲击等破碎方式，主流的破碎设备包括颚式破碎机、锤式破碎机、圆锥式破碎机、反击式破碎机、辊式破碎机及回旋式破碎机等8。国内对混凝土再生集料的研究起步较晚，再生集料破碎生产工艺尚不成熟，破碎工艺以两级破碎为主，并在过程中添加了去除杂质的装置，生产方式较为粗放。2.2 破碎工艺及设备参数研究再生集料的生产过程中，破碎设备的选择是影响再生集料回收质量的关键。国内一般采用“颚破+锤破”的组合破碎工艺，两级破碎设备的出料口径、动颚频率、旋转频率、锤头数量等是设备的关键技术参数9。2.2.1 一级破碎一级破碎颚式破碎机的出料口径大小、动颚工作频率高低都会对再生集料质量和再生过程的生产能力有很大的影响，鄂破技术参数及改进指标见表2。结合高速公路改扩建工程建设实际，依据上表对比结果，对一级破碎颚式破碎机（PE400600）设备提出了以下改进措施：最小进料粒径不小于300mm，不宜超过700mm；出料口径为5065mm；动颚工作频率为80120次/min。2.2.2 二级破碎一级颚破完成后，二级锤破主要为了实现集料的粒径、表面清洁，同时还要减少集料表面微裂纹及过碎集料的数量10。二级锤破的转子转速、出料口径及锤头数量同样会对再生集料质量和生产能力造成很大的影响。转子频率、锤头数量对再生集料的粒径、二次破坏率、表面微裂纹的数量和表面洁净程度的影响很大，直接影响到再生集料的质量。转速过大、锤头数量过多，会造成对集料的强烈冲击，造成集料过碎，增加集料破坏率，而且会加速破碎设备磨损；而频率太小、锤头数量太少又难以去除表面粘附性较差的砂浆，会降低集料品质。另外，减小出料口径和转速、减少锤头数量都会降低生产能力，同时还会造成堵塞等负面影响。图5再生集料工艺流程图180科技创新导报Science and Technology Innovation Herald科技创新导报 Science and Technology Innovation Herald2022 NO.30 土 木 与 建 筑 工 程将再生集料粒径合格率、生产能力及单位耗能量等关键指标作为二级锤破工作性能的评价，其技术参数及改进指标见表3。结合上表对比结果，提出二级破碎锤式破碎机（PC1000800）的改进措施：出料口径为4055mm；转速为700900r/min；锤头数量为2832个。2.3 再生集料的破碎性能取满足试验要求的2组废旧混凝土和2组天然石灰岩石材，室内通过两级破碎的方式进行破碎。破碎结束后用方孔筛筛分，筛分结束之后观察采用这种破碎方式破碎后与破碎前破碎面的变化，并分析破碎集料的破碎比指标。2.3.1 表观特征采用“颚破+锤破”生产的再生集料均大部分表面都附有硬化的水泥砂浆，其中一部分是破碎时的砂浆颗粒，另一部分是已经脱离砂浆的石子，再生集料表面砂浆裹附明显，结构较疏松，破碎面粗糙不规则。对比原生碎石与同粒径范围的再生集料，发现两者粒形差别较小，破碎后的破碎面数量基本保持不变，棱角性差别也比较小，最主要的差别是再生碎石表面粗糙度与孔结构明显，这是由于再生集料表面裹附砂浆造成的，如图6所示。2.3.2 破碎比分析再生集料与原生石灰岩碎石经两级破碎后进行筛分，筛分结果及破碎比见表4。由上表可知，再生集料与天然石材集料的破碎比基本控制在15%以内，且二者破碎比相差不大，破碎后的大粒径集料较多，9.5mm以上集料占比达到75%以上，原材料的减少程度较小，这表明“颚破+锤破”的组合工艺符合生产要求。3 结语本文确定了废弃混凝土再生集料的主要工艺环节，确定了“颚破+锤破”的组合破碎工艺，并提出了两级破碎设备的出料口径、动颚频率、旋转频率、锤头数量等关键技术参数要求。经过生产工艺流程的优化及破碎设备技术参数的改进，通过表观特征、破碎比等参表2颚破技术参数及改进指标对比技术参数出料口径/mm456070动颚工作频率/(次/min)751001507510015075100150验证指标集料的破坏率/%243039151729111330生产能力/(t/h)426062616680507388单位耗能量/(kJ/t)240020001700210016001400180016001300表3锤破技术参数及改进指标对比技术参数出料口径/mm354555转速/(r/min)600800100060080010006008001000锤头数量/个263034263034263034验证指标粒径合格率/%84.893.582.690.494.288.680.389.590.3生产能力/(t/h)657882759010196110126单位耗能量/(kJ/t)330031003100310028003000300029003000181科技创新导报Science and Technology Innovation Herald2022 NO.30 科技创新导报 Science and Technology Innovation Herald土 木 与 建 筑 工 程数对破碎后集料进行使用性能评价，表明生产的废弃混凝土再生集料性能较好，生产效能比较高。参考文献1 刘逢涛,周晓雨.废旧水泥混凝土再生集料在公路工程中的应用探究J.中国公路,2022(9):96-97.2 肖建庄,杜江涛.不同再生粗集料混凝土单轴受压应力-应变全曲线J.建筑材料学报,2008,11(1):111-115.3 彭立港,赵羽习,曾维来,等.再生粗骨料混凝土界面参数研究J.建筑材料学报,2022,25(7):737-743.4 梅迎军,郑建华.再生混凝土集料研究进展J.混凝土,2010(1):89-93.5 张虹,熊学忠.废弃混凝土再生骨料的特性研究J.武汉理工大学学报,2006,28(3):64-66.6 陈黎安,刘佳颖.废混凝土破碎与再生集料的加工及处理工艺J.粉煤灰,2012,24(1):28-31.7 庞琦.再生混凝土集料在沥青路面中的应用研究D.上海:同济大学,2018.8 杨小龙.混凝土再生骨料改性及其在水泥稳定碎石基层中的应用研究D.兰州:兰州交通大学,2020.9 张海伟.废弃混凝土路面再生骨料路用性能试验研究D.郑州:郑州大学,2019.10姚坤宇.废弃混凝土在水泥稳定碎石基层、底基层中的应用研究D.济南:山东大学,2021.图6原生碎石（左）与再生粗集料（右）形貌对比表4再生集料与石灰岩碎石的破碎比筛孔尺寸/mm9.54.75-9.52.36-4.751.18-2.360.6-1.180.15-0.60.15破碎比/%再生集料1号再生集料/g554.6108.462.829.816.99.93.415.62号再生集料/g509.359.635.714.310.27.53.011.1石灰岩碎石1号石灰岩碎石/g820.645.429.411.311.011.511.67.92号石灰岩碎石/g681.234.819.110.58.29.66.27.0182