双碳背景下市政工程拆除混凝土循环再生利用探讨.pdf

d o i:1 0.3 9 6 3/j.i s s n.1 6 7 4-6 0 6 6.2 0 2 3.0 4.0 1 1双碳背景下市政工程拆除混凝土循环再生利用探讨石 雯1,张宁洁2,杜 婷2(1.武汉市政工程设计研究院有限责任公司,武汉4 3 0 0 2 3;2.华中科技大学土木与水利工程学院,武汉4 3 0 0 7 4)摘 要:市政工程拆除会产生大量的废弃混凝土,拆除混凝土经过分拣、破碎等处理后可作为垫层、生产水泥的原材料以及生产再生骨料等方式实现资源化再利用,这解决了市政工程拆除废弃混凝土处理难的问题,同时节约了自然资源和减少了碳排放。基于此,论文针对目前市政工程拆除混凝土循环再生骨料这一最广泛的资源化途径,结合工程实践和国外先进经验,对废弃混凝土循环再生骨料的现场和工厂化生产工艺流程进行了梳理,分析了一般现场处理和工厂化生产再生骨料存在的问题,介绍了日本高品质再生骨料生产工艺流程,并提出了推动市政工程拆除垃圾资源化利用的相关建议。关键词:市政工程;拆除混凝土;再生骨料;循环再生A p p r o a c ho nR e c y c l i n ga n dU t i l i z a t i o no fD e m o l i t i o nC o n c r e t e i nM u n i c i p a lE n g i n e e r i n gU n d e rD u a lC a r b o nB a c k g r o u n dSH IW e n1,ZHANGN i n g-j i e2,DUT i n g2(1.Wu h a nM u n i c i p a lE n g i n e e r i n gD e s i g n&R e s e a r c hI n s t i t u t eC o,L t d,Wu h a n4 3 0 0 2 3,C h i n a;2.S c h o o l o fC i v i la n dH y d r a u l i cE n g i n e e r i n g,H u a z h o n gU n i v e r s i t yo fS c i e n c e&T e c h n o l o g y,W u h a n4 3 0 0 7 4,C h i n a)A b s t r a c t:Al o to fw a s t ec o n c r e t e i sp r o d u c e d i nt h ed e m o l i t i o np r o c e s so fm u n i c i p a l e n g i n e e r i n g,w h i c hc a nb eu s e da sc u s h i o n l a y e r,r a w m a t e r i a l sf o rc e m e n ta n dr e c y c l e da g g r e g a t ea f t e rs o r t e da n dc r u s h e d,a n ds oo n.R e c y c l i n gt h ed e m o l i t i o nc o n c r e t ec a ns o l v et h ep r o b l e mo fd i s p o s i n gd e m o l i t i o nc o n c r e t ei nm u n i c i p a le n g i n e e r i n g,s a v en a t u r a lr e-s o u r c e s a n dr e d u c e c a r b o ne m i s s i o n s.I n t h i sp a p e r,a i m e da t t h e r e c y c l i n g t h ed e m o l i t i o nc o n c r e t e i nm u n i c i p a l e n g i n e e r-i n g,c o m b i n e dw i t he n g i n e e r i n gp r a c t i c e a n dr e f e r r e d t o t h e a d v a n c e d f o r e i g ne x p e r i e n c e,t h e f i e l da n d f a c t o r yp r o d u c t i o np r o c e s s e so f r e c y c l e da g g r e g a t e f r o mw a s t e c o n c r e t ew a s s o r t e do u t,a n d t h ep r o b l e m s e x i s t i n g i ng e n e r a l f i e l d t r e a t m e n ta n df a c t o r yp r o d u c t i o nw a sa n a l y z e d,t h e nt h ep r o d u c t i o np r o c e s so fh i g h-q u a l i t yr e c y c l e da g g r e g a t e i nJ a p a nw a s i n t r o-d u c e d.S o m es u g g e s t i o n so nt h er e c y c l i n go fd e m o l i t i o nw a s t e i nm u n i c i p a l e n g i n e e r i n gw a sp u t f o r w a r d.K e yw o r d s:m u n i c i p a l e n g i n e e r i n g;d e m o l i t i o nc o n c r e t e;r e c y c l e dc o n c r e t ea g g r e g a t e;r e c y c l i n g收稿日期:2 0 2 3-0 6-2 5.基金项目:国家自然科学基金面上项目(5 2 0 7 8 2 3 2).作者简介:石 雯(1 9 8 9-),硕士,工程师.E-m a i l:3 6 5 5 0 2 4 7 8q q.c o m通讯作者:杜 婷(1 9 6 9-),教授.E-m a i l:t i n g d u 1 2 6.c o m近2 0多年来,随着我国城市化进程的推进,我国温室气体排放量也在剧增,2 0 1 8年二氧化碳排放量达到了9 8.3 9亿t,占全球二氧化碳总排放量的2 9.6 9%1。我国于2 0 2 1年提出“碳达峰”和“碳中和”的目标,大力推进生态文明的建设。而在所有行业中,建筑业碳排放量占到了全国碳排放总量的5 0.9%,而建材生产阶段产生的碳排放在建筑全过程中又是最大的2,因此建材行业具有很大的碳减排潜力。基于此,如能将建筑垃圾作为再生资源加以利用生产再生建材,可以大大减少资源和能源的耗用,减少二氧化碳排放量。据有关报告统计,我国建筑垃圾排放量逐年上升,2 0 2 0年已突破3 0亿t3,其中废弃混凝土占比4 0%左右。根据计算,一条宽9m、面板厚2 4c m的二级混凝土公路翻新改造每公里会产生废弃混凝土21 6 0m3,一条十几、几十公里的公路废弃混凝土就高达几万m3和几十万m34。因此,市政工程拆除混凝土作为再生资源循64建材世界 2 0 2 3年 第4 4卷 第4期环利用,可以大大减少自然资源的开采,节省能源,降低对环境的负面影响,具有很好的经济效益、社会效益和环保效益,有利于建材行业的节能减排和低碳发展。当前我国市政工程中对于废弃混凝土大多采用运往郊外填埋的方式处理,少部分作为建筑或道路垫层使用。但填埋方式不仅会产生较大的环境污染和占用土地资源,还会耗费大量的垃圾清运费用和处理费用,也不符合我国当前碳达峰、碳中和的目标,严重制约了土木工程的可持续发展。事实上,将市政拆除垃圾进行分拣、破碎和筛分后,大多是可以作为再生资源重新利用的,即用作土木工程材料生产的原材料5,这显然是建材行业碳减排的一个很好途径。根据相关研究,废弃混凝土循环再生利用生产再生骨料每吨可减少碳排放8.0 2 8k g6。以建筑面积3 74 6 0m2的四层框架结构为例,如将再生骨料应用于混凝土的制备中,再生骨料取代率5 0%的再生混凝土相比天然骨料混凝土可减少二氧化碳排放8.8 21 04k g7。因此,将废弃混凝土进行循环利用生产天然骨料不仅可以减少垃圾排放量、减轻环境污染,还可以减少土木工程原材料的消耗,促进碳减排,对加速我国“双碳目标”的实现具有重要意义。1 废弃混凝土循环再生利用方式市政工程拆除混凝土其成分相对其它建筑垃圾简单得多,其经过分拣、破碎和筛分后,基本可以实现1 0 0%的循环再利用,实现垃圾的零排放。这不仅解决了市政工程拆除垃圾处理难的问题,同时可节约自然资源和能源,大大减少原材料生产和运输过程中产生的碳排放。目前其主要的循环再生利用方式有以下三种:1.1 作为道路和基础垫层将废弃混凝土进行破碎,按照一定级配混合后用于道路、桩基、地基等的填料。作为道路和基础垫层的再利用方式可以将废弃混凝土就地利用,最为简单直接,且处理成本较低,可以减少垃圾清运费用,并减少清运过程中粉尘污染和处理占用的土地资源,减少此过程中产生的碳排放。1.2 作为生产水泥的原材料将废弃混凝土烘干、破碎并粉磨后制成再生粉料,其可作为钙质原料和天然石灰石混合后在高温炉中进行煅烧成熟料,将此熟料进行碾磨可制成水泥。由于废弃混凝土大颗粒中含有惰性S i O2,煅烧难度大,最终产品f-C a O含量高,导致水泥熟料质量下降。且随着废弃混凝土替代石灰石的比例增加,生产的水泥熟料质量逐渐降低,只有当废弃混凝土取代石灰石的比例在6 0%以内时,方可煅烧出正常的水泥熟料8。1.3 生产再生骨料将废弃混凝土进行破碎、筛分后生产再生骨料,替代天然砂石用于制作再生建材,如再生水稳基层、再生砖、再生砌块、再生混凝土等。生产的再生骨料须按照再生粗骨料和再生细骨料的相关规范和应用规程使用。目前循环再生骨料是目前我国市政工程拆除混凝土最广泛的资源化利用途径,可以大量减少天然砂石的消耗,节约资源和能源,其节能减排效果也明显。根据计算,我国一年要消耗2 9亿t的砂石骨料,占全球消耗量的5 0%以上,如果将所有的废弃混凝土均用于生产再生骨料,每年可以节约至少1 2亿t的砂石骨料,减少三分之一的天然石材开采9,同时减少6.41 09k g的温室气体排放量。2 废弃混凝土循环再生骨料生产工艺2.1 现场再生骨料生产工艺道路和桥梁等市政工程拆除垃圾大多为混凝土或钢筋混凝土。目前我国市政工程现场拆除混凝土资源化利用主要采用如图1所示“二级破碎、二级筛分”的方式。即先通过颚式破碎机对废弃混凝土进行初步破碎,破碎后的主料通过皮带上安装的磁选机剔除废铁料,大的钢筋则通过人工分拣,通过破碎、磁选和分拣后的混凝土块体通过一级筛分机筛分出细骨料和大块体;大块体再进入反击式破碎机进行二级破碎,二级破碎后的再生骨料筛分成不同粒径用于生产再生产品,其中筛分机的筛网粒径的尺寸可根据实际生产需要进行调整。图1所示的生产线可以实现市政工程拆除混凝土现场破碎、筛分后就地利用,大大减少了对环境的负面影响和碳排放量。现场就地处理利用拆除垃圾要求循环再生工艺设备具有成套化、体积小、可移动性等特点,这样便于拆卸和安装,可以在各工地流动现场就地处理废弃混凝土。但这种移动式的生产方式主要存在74建材世界 2 0 2 3年 第4 4卷 第4期生产效率和再生骨料洁净度不高的缺点1 0,其处理的废弃混凝土的量也受到一定的限制,因此目前在市政工程中并没有得到广泛地推广和应用。2.2 再生骨料工厂化生产流程2.2.1 一般处理存在的问题目前国内外主要还是通过在郊外建立建筑垃圾再生利用处理厂,采用固定的工厂生产线实现建筑垃圾的资源化再利用。工厂化再生骨料的生产其实基本也是按图1的生产工艺流程进行,但一般在一级破碎后增加了轻物质浮选流程,通过水洗分选出塑料、纸片、木片等轻物质;并一般在流程中增加了除尘设施,降低粉尘污染和减少碳排放,有条件的情况下还可增加降噪设施。这种固定式生产线集分拣、破碎、磁选、筛分、洁净等工序为一体,可以高效有序地处理建筑垃圾。虽然建筑垃圾的工厂化处理较现场处理更为环保,但其粉尘污染和噪声污染还是较大,这是目前工厂化处理存在的最大问题。因此在生产过程中应做好生产车间的降尘措施,降低粉尘污染和碳排放。此外,市政工程大多为钢筋混凝土结构,拆除混凝土中含有一定量的废铁料、泥土等杂质。因此,在生产过程中应重点控制好分选、洁净等环节的工艺技术和质量,提高各成分的分离程度,如砖和废弃混凝土及其他杂物的分离程度。显然,由图1生产的再生骨料表面会不同程度地附着硬化旧水泥砂浆,且由于受到破碎筛分等碰撞挤压作用,骨料表面又会产生新的微细损伤和裂纹,使得再生骨料相比天然骨料具有更高的孔隙率、吸水率和压碎指标,同时其粒形较差、表观密度低1 1。这对再生混凝土的性能有较大影响:一方面再生骨料吸水率高将导致再生骨料混凝土需水量增大,流动性变差,且硬化后再生混凝土干缩和徐变较天然骨料混凝土更大;另一方面再生骨料的多孔导致再生混凝土硬化后的弹性模量减小,强度降低,刚度减小1 2。这些特性和再生混凝土的复杂界面结构导致再生骨料混凝土与天然骨料混凝土力学性能和耐久性能有很大不同,从而限制了再生骨料混凝土在实际工程中的广泛应用。2.2.2 高品质再生骨料的生产再生骨料的品质除与其原生混凝土强度有关外,还很大程度上取决于其表面包裹的旧水泥浆的程度。因此,为了提高再生骨料表面旧水泥浆的剥离率,日本设计了一套如图2所示的获得高品质再生骨料的生产工艺流程1 3,1 4。即将一般加工生产出的再生骨料经过加热、碾磨和进一步筛分后可获得高品质再生骨料,其性能可基本等同于天然骨料,由此工艺生产的再生骨料可代替天然砂石用于配制中高强度的混凝土。在图2中,首先将初步加工生产的再生骨料通过电炉或充填型加热设备进行加热,在约3 0 0的高温下加热34h,使再生骨料表面包裹的旧水泥砂浆脆裂从而更易剥落;加热后的再生骨料再通过竖轴偏心式84建材世界 2 0 2 3年 第4 4卷 第4期球形碾碎机或水平卧轴式球碎碾磨机进行二级碾磨破碎,此时原骨料表面包裹的粘结较差的以及带有损伤裂纹的硬化水泥砂浆更容易剥离脱落。竖轴偏心式球形碾碎机由于传动轴与竖轴之间存在一个偏心量,在转动过程中会产生偏心力,由此带动骨料在转筒中不断滚动和碾磨。而水平卧轴式球碾碎机包含双重圆筒,碾碎机中放有铁球介质,直径最大可达8 0mm,通过骨料与铁球的充分接触碾磨使得旧水泥浆和原骨料分离,且在双重圆筒内部设置有5mm的过滤网,可将小于5mm的细骨料连续排出。而一级筛分中小于5mm的骨料再进入水平卧轴式细骨料回收设备,其内设有通风孔,碾磨的同时还通过鼓风机不断往转筒内通风,将过细的粉尘排出系统外,由集尘装置收集,再经过二级筛分(0.1 5mm筛分机)获得高品质细骨料和再生粉料。此工艺流程中,筛分机的筛网粒径尺寸可以根据实际生产需求进行调整。该工艺的主要特点是通过加热和充分碾磨提高旧水泥浆的剥离程度,再通过多级筛分获得高品质的再生骨料。但加热装置的加热温度和时间均会影响再生骨料的性能,若加热温度过高或时间过长,会使得再生骨料发生劣化,而加热温度太低或时间太短,又会使得再生骨料表面附着的旧水泥砂浆难以脆裂,从而影响再生骨料在碾磨过程中的剥离率和剥离度。因此应严格控制再生骨料的加热温度和加热时间,且如何将再生细骨料回收设备和风力分级装置以及集尘装置合理组合在一起也是需要重点考虑的问题。3 结论与建议在我国“双碳目标”及“循环经济”的政策背景下,将市政拆除混凝土进行资源化利用不仅可以避免建筑垃圾堆放占用土地、污染土壤和水体等问题,还能有效减少建材生产所需原材料开采,并降低温室气体的排放,具有良好的环境效益和经济效益。而当前我国废弃混凝土整体资源化利用率较西方发达国家低,市场发展缓慢,存在着政策机制不健全、再生产品品质不佳、资源化技术水平偏低、资源化项目盈利能力不足等问题。因此,市政工程拆除混凝土循环再生利用需要构建“政府主导,市场主体来推动”的模式,具体发展建议如下:a.在市政工程拆除废弃混凝土循环再生利用中,应根据项目拆除混凝土的量以及与建筑垃圾处理厂的距离远近,确定其是采用现场资源化利用还是送往建筑垃圾厂再生利用的方式,且应用前根据拆除混凝土循环再生骨料和再生粉料的品质和材料的离散性,进行质量评价后确定其最合理的资源化利用途径,实现市政工程拆除混凝土的零排放。b.政府职能部门应从政策和财政上鼓励和资助废弃混凝土资源化再利用的研究开发,并设立专门的基金资助对再生骨料、再生骨料混凝土及道路水稳再生骨料基层等方面的基础和应用研究,通过研究取得完整的理论分析和技术指标参数,从而组织研究制定相应的技术规范和应用规程,为废弃混凝土循环再生利用提供理论依据,真正推动和推广拆除混凝土的循环再生利用。c.制定废弃混凝土资源化相关再生产品的质量标准,并建立完善的再生产品认证体系,同时政府还应制定有关再生产品的刺激性减免税政策和扶持性的建筑垃圾循环产业的优惠政策,刺激项目业主和企业主动积极地对拆除垃圾实行资源化再利用。d.一方面鼓励和资助各地区兴建大中型的建筑垃圾综合加工厂,实现再生骨料的生产工业化、规模化,提高建筑垃圾处理的生产效率和再生骨料的品质,另一方面,鼓励和加快研发体积小、可移动性、成套化的现94建材世界 2 0 2 3年 第4 4卷 第4期场建筑垃圾处理设备,便于各市政工程能就地处理建筑垃圾,减少垃圾外弃量。鼓励企业就地进行建筑垃圾资源化处理并利用,不便就地处理的也应送至综合处理厂进行利用,同时政府应带头在政府投资工程中使用再生产品,如再生砖、再生砌块、再生混凝土等,提高建筑垃圾的再生利用率。e.加强政府监督引导力度和对建筑垃圾资源化利用的宣传教育,强化企业和公众的资源化意识,大力推广建筑垃圾再生产品,提高社会大众对资源化产品的认可度,拉动相关市场需求。此外,应根据相关法律法规对建筑垃圾非法排放的行为进行处罚,同时提高建筑垃圾填埋收费标准,从源头控制建筑垃圾和废弃混凝土的排放量和填埋量。f.将建材行业纳入碳交易市场,根据再生建材所产生的碳减排量和环境效益,增加再生建材相关企业的免费碳配额比重,从而提高再生建材生产的经济效益和环保效益。响应国家双碳目标,新建市政工程和更新改造过程中注重从源头消减垃圾排放量,实现市政工程拆除混凝土的1 0 0%再利用,保证土木工程的可持续发展。参考文献1 陈清泉.氢能和“四网四流”融合推进“双碳”目标J.科学新闻,2 0 2 2,2 4(2):1 4-1 6.2 中国建筑节能协会.中国建筑能耗与碳排放研究报告(2 0 2 2年)J.建筑,2 0 2 3(2):5 7-6 9.3 王 鲸,孙金钊,张 松,等.国内建筑垃圾资源化利用研究分析J.四川建材,2 0 2 3,4 9(4):2 0-2 2.4 杜 婷.高性能再生混凝土微观结构及性能试验研究D.武汉:华中科技大学,2 0 0 6.5 杜 婷,李惠强,吴贤国.建筑垃圾的循环再生利用J.施工技术,2 0 0 2(3):3 9.6 赵勤贤.废弃混凝土再生骨料生命周期环境成本的计算方法研究J.混凝土,2 0 1 6(1 1):1 4 1-1 4 3.7 雷 颖,肖建庄,王春晖.太原市再生混凝土建筑结构碳排放研究J.建筑科学与工程学报,2 0 2 2,3 9(1):9 7-1 0 5.8 万惠文,钟祥凰,水中和.利用废弃混凝土生产绿色水泥的研究J.国外建材科技,2 0 0 5,2 6(2):1-2.9 田金枝.建筑垃圾生产再生骨料的综合效益分析D.重庆:重庆大学,2 0 1 9.1 0孙永泰.国外建筑废料再加工J.塑料制造,2 0 1 5(1 2):5 6-5 7.1 1K a t zA.P r o p e r t i e 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