预拌混凝土厂使用返厂混凝土作为再生骨料的评价

日出蒙汜 2024-4-5 10:56 9人围观混凝土

预拌混凝土厂使用返厂混凝土作为再生骨料的评价Luiz de Brito Prado Vieira, Antonio Domingues de Figueiredo, Vanderley Moacyr John翻译：宁夏，杨莉［摘要］预拌混凝土（RMC）厂每年都会产生大量的废弃物，对这 ...

预拌混凝土厂使用返厂混凝土作为再生骨料的评价

Luiz de Brito Prado Vieira, Antonio Domingues de Figueiredo, Vanderley Moacyr John

翻译：宁夏，杨莉

［摘要］预拌混凝土（RMC）厂每年都会产生大量的废弃物，对这些废弃物处理的环境影响与经济后果是相关的。因此，将返厂的硬化混凝土进行破碎和筛分，作为骨料重新使用，已成为回收预拌混凝土残留物的一个可能的选择。本文介绍了在巴西最大的 RMC 生产商之一进行的一项试验性研究。通过实验室分析和工业规模的生产对再生骨料进行了评估，以验证其对新混凝土配制技术的影响和适用性。测试表明，再生骨料在生产后 48 小时内使用具有良好的应用潜力，此时混凝土的可泵性没有差异。再生骨料混凝土的标准偏差比仅用天然骨料生产的混凝土略高，这影响了达到相同特征强度所需的平均抗压强度，可能会增加 RMC 的生产成本。然而，在所研究的案例中，增加的该项成本低于在垃圾填埋场处置材料以及购买传统骨料的相关成本。因此，本研究得出结论，混凝土使用再生骨料在经济上是可行的，特别是对于特征强度低于 30MPa 等级的混凝土。

［关键词］再生骨料；再生骨料；预拌混凝土；实验室试验；现场试验；工业应用

Evaluation of the use of crushed returned concrete as recycled aggregate in ready-mix concrete plant

Luiz de Brito Prado Vieira, Antonio Domingues de Figueiredo, Vanderley Moacyr John

Abstract: Every year, a significant amount of waste is generated in ready-mix concrete (RMC) plants. Further, the environmental and economic consequences of the disposal of this residue are relevant. Therefore, crushing and sieving the hardened concrete returned to the plant has emerged as a possible and interesting alternative to recycle RMC residue for use as aggregates. This paper presents an experimental study performed by one of the largest producers of RMC in Brazil. The recycled aggregates were evaluated through laboratory analysis and industrial-scale production, to verify their technical impact and applicability in new concrete formulations. The tests demonstrate that recycled aggregate, when used within 48 h after production, has good application potential because no differences in pumpability were found. The standard deviation of the recycled aggregate concrete is slightly higher than that of concrete produced only with natural aggregates, which affects the average compressive strength needed to achieve the same characteristic strength. This condition may increase the production costs of RMC. However, in the case studied, this cost increment was less than the costs associated with disposing of the material in landfills and those related to the purchase of conventional aggregates. Therefore, this study concludes that concretes with recycled aggregates have conditions to be economically viable, especially for classes with a characteristic strength of less than 30 MPa.

Keywords: Recycled concrete aggregate; Ready-mix concrete; Laboratory tests; Field test; Industrial application

1 简介

在预拌混凝土工厂中废弃物的产量巨大，无法忽视。在巴西，近期的研究^[1]表明，返回预拌混凝土厂的混凝土体积约占生产混凝土总体积的3%。全世界范围内每年浪费的混凝土总量很难确定，但是，可以通过巴西的需求量估算出其他国家的混凝土浪费比例。文献[2]表明，在英国，该数值可达750,000吨/年（占混凝土产量的2.3%）。文献[3]估计，美国2006年约有415,000,000方混凝土返厂（占混凝土产量的1.4%）。其中主要由混凝土罐车将混凝土从施工现场拉回预拌混凝土厂，常被称为“返厂混凝土”（RC），目前巴西的返厂混凝土占废弃混凝土的45%^[1]。对废弃物的处理是行业在环境和经济方面面临的一大难题。将废弃混凝土回收作为再生骨料（RA）是解决废弃物丢弃问题的一个途径，这通常涉及到破碎和筛分。这一方案可将大部分废弃物变成产品，并且处理过程中不需要水。因为骨料一般是由冲洗未硬化的返厂混凝土生产出来的^[4]。

文献[5]作了该方面的研究，指出预拌混凝土行业缺少一个在经济、环境和技术方面对比使用不同处理策略处理混凝土生产余料的系统方法。同时，许多国家都在向可持续生产方向转变，目前的废弃物处理策略需要改进。这表明，无论预拌混凝土厂采用何种废弃物循环利用系统，为了使其可行，都必须分析再利用过程的成本。需要强调的是，现有研究^[6]表明，在同一RMC厂生产再生骨料，运输的成本和对环境的影响明显降低，每吨再生骨料的成本可能比天然骨料（NA）的价格还低。这种情况受当地原生骨料的影响，也受运输的影响。除此之外，在RMC的生产过程中回收再利用RC将会带来额外的环境效益。根据参考文献[7]，出现这种情况是因为运输产生1/3的CO₂排放，并且在RMC中回收生产的混凝土需要较少的能源，因为它不需要拆分废弃物时的除杂质过程。

现有研究^[8]表明，与原生骨料相比，既使是使用高品质的RA，要达到相同等级的抗压强度，也增加5%以上的水泥。参考文献[9]显示，只有当NA十分稀缺且能补偿由于长距离运输对环境造成影响时，高性能的RA才在环境上具有可行性。这些研究将再生骨料与质量上乘的天然骨料对比，但事实上，在大型的消耗中心，例如巴西圣保罗市，这些优质的RA正变得越来越稀缺。另外，随着混凝土技术的发展，使用RA并不是一定会增加水泥的额外消耗^[10]。

关于生命周期分析的已有研究^[11,12]认为，如果不考虑填埋，NA和RA混凝土生产对环境的影响是相似的。需要强调的是，参考文献[12]的研究考虑了不同的情况，包括RA需要额外的水泥消耗，得出的结论是RA与NA相比对环境的影响更小。这是因为，由于RA混凝土可能需要额外的水泥而产生的影响被较低的运输距离所补偿。然而，当RA来自于RMC，而不是由回收厂提供，并且考虑到防止了填埋，生产RA混凝土的环境影响明显低于NA混凝土。因此，对使用RA的可行性分析应考虑这些可能性。

在巴西，只有少数工厂拥有从建筑垃圾中生产优质骨料的设备和知识^[13]。然而，对硬化的RC进行粉碎和筛分，以确保材料的尺寸与通常用于混凝土生产的骨料相似是可能的。这样就可以将其重新引入到专门为使用这种类型的RA而配制的拌合物中。

一些有趣的研究已在进行中，以研究RA对RMC的适用性。其中，参考文献[14]研究了通过粉碎未经适当处理的RMC废弃物获得的RA，并得出结论：对于最低强度水平（17MPa），骨料替代率高达50%时，混凝土的平均抗压强度仅比传统混凝土低10%；对于较高强度水平（30MPa），再生混凝土的平均抗压强度比基准混凝土低16%。参考文献[15]在实验室范围内研究了预制混凝土废弃物的再利用，并得出结论：由于需要更多的水泥，并不是所有的替代率都有优势。参考文献[16]得出结论，用RA生产的混凝土经过预处理，可以替代50%的NA，而不会对平均抗压强度为30MPa的混凝土产生明显的影响。尽管这些实验室研究最终验证了该材料的应用潜力，但它们显然不能评估真实规模的生产条件。这些条件可能会干扰材料在实际生产规模上的适用性（例如可泵送性）和可变性，这直接影响到结构应用所需的特征强度值。值得注意的是，没有一项研究在生产RMC时使用了小于48小时的RA（来自混凝土）。

根据参考文献[17]，附着砂浆对抗压强度的影响取决于RA中的水泥水化程度。在混凝土中重新使用破碎后不到24小时的骨料，其抗压强度比基准混凝土高25%。另一方面，在混凝土中使用储存了7天的骨料，其抗压强度比基准混凝土低10%。因此，该研究认为，使用“新鲜”的RA往往更适合于生产混凝土。

从RMC生产商的角度来看，RA的一个重要因素是RA的匀质性。较高的异质性和孔隙率被认为是RA与NA的关键差异^[18]。如果没有进行很好的配合比设计，使用RA可能会引起混凝土匀质性变差，而导致不安
全^[19]。为了获得具有统计学意义的数据，参考文献[19]通过在实验室中生产大批量的混凝土（0.35m³），分析了用RA生产的混凝土包括抗压强度在内的几个物理性能的变化。主要目的是为了避免由于典型的实验室实验规模缩小而导致的变化被低估的风险。然而，在一定时期内，实验室的条件总是比工厂生产的条件更稳定，因此，需要进行实际规模的研究，以评估RA混凝土的适用性，即这种异质性对材料的特征抗压强度的影响。实际规模的变化将影响混凝土的配合比设计。因此，为了保证结构应用的安全条件，必须考虑验证RA混凝土生产的可行性。因此，应该对使用结果分散度较大的骨料进行可行性分析，考虑它们对工业规模上获得的特征强度值的影响。

坍落度等级是能够表征所有类型RMC混凝土特性的重要参数之一。坍落度等级是能确保混凝土具有足够的密实度和足够的精加工条件的一个典型的参数^[20]。参考文献[4]已经表明，使用回收的骨料生产RMC，作为废物再利用的一种形式，从这一方面来说具有可行性，但对混凝土的可泵性会有不良影响。如果混凝土的泵送能力受到影响，在实践中使用RA则不具可行性。因此，将材料的工作性能分析扩大到标准实验室评估条件之外，是非常重要的。

考虑到这种情况，本研究的目的是提出一种方法，能够评估在工业规模上回收利用RA生产RC过程的可行性。在这个意义上，提出了该方法的实际应用，以证明其可行性。因此，该方法包括初步的实验室研究和实际规模的分析，在一个案例研究中，从系统实施开始依次介绍。

2 系统实施

通过破碎产生的RA的经济性和质量因所用的技术而不同^[21]。从硬化的混凝土中回收RC（通过其转化为RA）需要使用破碎机。根据参考文献[22]，破碎机的选择必须考虑满足至少三个要求：设备的破碎室中必须能够容纳要破碎的材料；破碎机必须满足项目中规定的容积能力；和/或破碎机破碎后物料必须能够满足所需的颗粒大小分布。

市场上有几种不同类型的破碎机。每台设备的特性都会影响到破碎过程和再生骨料的性能。因此，正确选择破碎机设备非常重要，它对骨料性能的影响将影响混凝土的配合比设计。破碎设备会对水泥的用量，以及对使用RA的经济性和环境性产生影响。因此，有必要进行早期分析以评估工业规模的破碎过程的效率。

破碎机的安装需要对操作因素进行分析。其中最重要的因素是破碎机的清洁准入条件、维护和保养^[23]。在考虑了购置成本、操作和维护的问题、最终产品的潜在均匀性和产品性能的因素后，混凝土生产商选择了一台颚式破碎机。

预拌混凝土厂在安装破碎机和筛分系统时，采纳了破碎机供应商的所有建议，而且破碎机供应商对破碎机操作人员进行了培训。由于破碎过程会产生大量的噪音，破碎设备被安装在室内，以减少环境噪音并避免悬浮颗粒物的散布。破碎设备被安装在RMC已有的一个棚子里，面积不到2000平方米。图1为回收厂分布图。

预拌混凝土厂为了降低送往垃圾填埋场处理废物的成本，决定在其一个厂房里安装了一台破碎机生产RA，作为土工材料（填埋场和埋地管道的压载物）出售。而该公司也决定将调查使用RA生产混凝土的可行性。

经过分析，决定采用轮式装载机（既有设备，生产预拌混凝土时在料仓和物料秤之间运输骨料）为设备供料，破碎机应该能够破碎每天生产混凝土而产生的所有废弃物。破碎机还应生产用于混凝土的尺寸合适的骨料，有能力破碎骨料上附着的材料，并能够粉碎带有尚未水化的水泥的新鲜RA。

破碎机产生的骨料粒径分布必须符合当地标准限定，并尽可能地接近常规骨料。因此，为了去除颗粒尺寸高于混凝土使用的细料，安装了一个带钢网的振动筛分系统，以去除颗粒尺寸大于12.5mm或小于2.4mm的材料。较大粒径的材料将被再次粉碎，而较小粒径的材料被送到回收细骨料存储区。破碎机产生了尺寸小于2.4mm的骨料约占35%，2.4～12.5mm的骨料约占65%。

由于对将被破碎的混凝土的强度没有控制，RMC厂生产的新混凝土在循环使用过程中，几乎都存在以下阶段：

•将所有返厂混凝土直接卸到卸载场，厚度约为10cm厚。第二天，轮式装载机收集所有散落的混凝土并运到破碎现场。

•破碎筛分RC，生成RA，收集并送至临时堆放区。

•储存至日常生产结束后，将RA运输到生产区。

•将RA储存在回收厂外的生产区，直到使用。所有储存在生产区的RA在一天内用完。

由于废弃物的产量相对于混凝土的产量来说非常小，因此产生的所有再生骨料都能被消耗。为了避免混杂纤维、色差和低强度骨料，破碎的对象不包括非结构混凝土（抗压强度小于C20）、着色混凝土和纤维混凝土。

3 方法

设计采选环节是为了使用含有未水化水泥（例如混凝土龄期不超过48h）的RA。一旦RMC实施了混凝土采选系统来生产RA，就可对使用RA进行可行性分析。

该研究被分为两个主要阶段。第一个是在实验室进行的，用于表征材料和指导配合比设计研究。第二阶段是在生产规模上进行的，其主要目的是准确地量化在工业规模上生产的RA混凝土所达到的可变性水平，并通过可泵送性验证进行适用性评估。

试验环节还评估了RA材料的性能变化，及其在实验室用作混凝土生产的原材料时，对混凝土性能的影响，随后，为实际规模生产评估而在现场测试。因此，初步研究是为了评估RA对混凝土标准偏差的影响，并确定实验室试验的标准偏差是否可代表实际规模生产的标准偏差。

在实验室和现场试验中使用的普通原材料是