国外发达国家再生骨料应用对我国的启示
孙继成 杨莉 宁夏
建筑材料工业技术情报研究所 北京 100024
[摘要]本文综合分析对比了国内外再生骨料生产工艺,并对国外再生骨料应用现状进行了介绍,最后对我国再生骨料应用的困境进行了分析,提出了我国扩大对再生骨料应用的相关建议。
[关键词]再生骨料;生产工艺;困境;政策
0、前言
再生骨料是指将建(构)筑物拆除、路面翻修、混凝土生产、工程施工或其他状况下产生的废混凝土块,经过破碎、清洗和分级等一系列加工后,按一定的比例相互配合,所得到的粒径在 40mm 以下的骨料。其中粒径在 5~40mm 范围内的为再生粗骨料,粒径 0.5~5mm 范围内的为再生细骨料。
再生骨料可以作为再生混凝土、再生路基稳定材料原料使用。伴随着我国城镇化进程的发展,建筑垃圾排放量逐年增长。根据相关报导,我国建筑垃圾用于再生骨料利用率不到5%,而国外一些发达国家均在50%以上,有些甚至80-90%。建筑业实现可持续发展必须实现资源循环利用,再生骨料产业健康发展,关系到我国绿色建筑发展。
本文从国外发达国家对再生骨料应用进行分析,对我国再生骨料应用的实际情况给出相关建议。
1.再生骨料的生产工艺
再生骨料的生产工艺大都是将切割破碎设备、传送机械、筛分设备、除杂设备、吸尘设备等有机地结合起来,完成破碎、除杂、分级和筛分等工序。
1.1 国外再生骨料生产工艺
俄罗斯、德国、日本等国家已有较成熟的再生骨料生产工艺与装置。资料显示,国外采用的破碎工艺基本上是将废弃混凝土首先去除金属、玻璃及木材等杂质,然后进行两次破碎和筛分,在筛分过程中进一步去除杂质,最终获得各种粒径的再生骨料。
国外再生骨料生产工艺自动化程度高,分离木料、塑料等杂质均可实现自动化;设有磁铁分离装置以去除铁质成分;日本的生产工艺还添加了直充型加热装置,用于骨料生产时的升温、二次破碎加工,该工艺中设置的二级筛分破碎可以提高剩余粗骨料的强度。
国外再生骨料生产工艺的缺点是加工设备繁多,工艺整个处理流程投资费用巨大且工程占地面积大,导致初期的投资规模较大,不利于在短期内推广应用。
1.2、国内再生骨料生产工艺
国内再生骨料的生产基本仍采用天然骨料的生产设备,如腭式破碎机、碾磨破碎机、反击式破碎机等。
国内再生骨料生产多是利用房屋、道路、桥梁等混凝土建(构)筑物的拆除以及混凝土生产、施工等过程中产生的废弃混凝土、砖瓦等建筑垃圾,经过破碎、清洗、分级等一系列加工后,按比例配合,得到粒径在
40mm以下的骨料。生产再生骨料对所需生产设备要求不高,基本可沿用天然骨料的生产设备,如碾磨破碎机、腭式破碎机、反击式破碎机等。
而对于试验研究用再生骨料, 通常原生混凝土质量较好且来源稳定,杂质含量很小,因此无需除杂,采用最简单的单次破碎制备即可。
1.3、国内外再生骨料生产工艺对比
目前国内外用废弃混凝土制造再生骨料过程和天然碎石骨料的制造过程相似,仅仅把不同的破碎天然石料的破碎、筛分、输送等设备尽可能合理地组合在一起,以及在适当环节上设置人工或机械设备去除杂质。
如此处理也存在一定的不足:(1)处理对象的变化导致对设备技术要求不同,而现有工艺未充分考虑;(2)再生混凝土能否大量生产、广泛运用的关键因素之一是再生骨料的质量,即与天然骨料特性上的差异,如何通过工艺手段尽可能减小这些差异,国内研究尚未作深入讨论;(3)现有工艺未对破碎设备进行技术改造或采用专用破碎设备来提高再生骨料质量和回收利用率,经济性不好。
总的来说, 国内再生骨料生产工艺上未能很好地解决两个方面的问题:(1)再生骨料品质低(骨料表面附着大量的水泥砂浆、杂质较多);(2)回收利用率小、经济性差。
2.国外再生骨料研究进展及现状
关于废弃混凝土的合理有效利用国外其他国家研究远早于我国,二次世界大战之后前苏联
、欧洲国家如德国、法国、意大利、美国、澳大利亚和由于资源匮乏重视资源有效利用的日本都陆续开展了相关研究,废弃混凝土资源化成为各个国家重要课题之一,并在研究基础上不同程度投入实践应用。对再生骨料混凝土的研究主要是基于对再生混凝土骨料的研究。到目前为止,国际材料与结构研究试验联合会(
RILEM)已在不同国家 5 次召开过关于废弃混凝土再利用的国际专题会议,会议主旨就在“混凝土必须绿色化”。1976 年
RILEM 设立了“混凝土的拆除与再利用技术委员会 ”着手研究废弃混凝土的合理处理与再生利用技术。1988 年 11 月由日本建设省建筑研究所主办,在东京召开了“混凝土的拆除与再利用第二届
RILEM 国际会议 ”会上发表混凝土再生利用论文 29 篇。1998年在英国召开“可持续建筑
—再生混凝土集料的应用 ”。2004
年在西班牙召开“再生集料在建筑和结构中的应用 ”会议。前苏联学者
Gluzhge 早在1946 年就开始研究将废弃混凝土制作集料的可能性。在20世纪 70 年代末已经利用废弃混凝土 4000万t。其实,许多发达国家很早就开始了对再生骨料、再生混凝土的研究,他们把城市建筑垃圾资源化利用作为环境保护和社会发展的重要目标。
2.1、美国
在北美,在再生混凝土骨料(RCA)最初用于非结构性部位,如回填材料、排水系统的基层和填充、道路基层和垫层、贫混凝土基层、混凝土砖、公路声音屏障墙、隔离墙和筑堤等。混凝土行业感到将再生骨料用在结构混凝土中有很多阻碍,包括缺少技术数据,RCA和含有RCA混凝土制品的生产过程品控制方法不足,以及利用RCA生产混凝土的经济效益并不优于普通混凝土。但从监管和标准的角度看,将再生混凝土骨料应用于结构混凝土没有障碍。
美国在建筑垃圾的管理上,一直严格地依据法规和条例来管理。地方政府在建筑垃圾的回收利用中充当了重要角色,政府为企业提供技术支持,推广教育方案及指导手册,并举办研讨会。政府还通过让企业交纳押金的方式,保障建筑垃圾的回收。设立专款用于建筑垃圾回收再利用的研究,为企业提供了经济支持。美国政府制定的《超级基金法》给再生骨料产品——再生混凝土的发展提供了法律保障,其中规定:“任何生产有工业废弃物的企业,必须自行处理,不得擅自倾卸。”根据美国地质调查局的一份报告,2000 年,美国生产约 1 亿吨再生混凝土骨料,有68%用于路基材料,14% 用于快速补修材料,9% 作为沥青混凝土的骨料,6%用于硅酸盐水泥混凝土,7% 作其它用途。
2.2、德国
德国对再生骨料的研究始于二次世界大战后。二次世界大战后德国的多数建筑物毁于战争当中,需要拆除重建。大规模的建设对原材料需求量很大,同时,很多建筑垃圾要从被战争摧毁的城市中运走。
一边急需原材料,一边是大量建筑垃圾需清理,建筑垃圾资源化被提上议程。1987年,德国将柏林市的建筑垃圾再生骨料用到了高速公路的填方及道路路基的使用上。欧洲自1996年起执行的《高品质水泥及混凝土块的建造回收技术》,其跨国团队成员就包含了德国。建筑垃圾的回收利用成为了一些欧洲国际的主要砂石来源。也因此,德国的建筑垃圾再利用居于欧洲领先地位。据欧盟统计1955 年至今,德国处理建筑垃圾的工厂仅柏林就有 20 多个,已加工了约1150 万m3 再生骨料,这些再生骨料用来建造了约
17.5 万套住房。与此同时,德国通过征收建筑垃圾处理费来减少建筑垃圾的产生,对未处理的建筑废弃物按 500 欧元/t 的标准征收处理费。目前,世界上生产规模最大的建筑垃圾处理厂就在德国,每小时可生产
1200 t 建筑垃圾再生材料。德国约有200 家建筑垃圾消纳企业,年营业额达
20 亿欧元。
2.3、日本
日本,十分重视建筑废弃物的再生利用。在日本立法中资源再利用企业、 政府都将建筑废弃物视为“建筑副产品”,各方责任明确,以“谁生产,谁负责”为原则实现
97% 以上的高效利用。1977 年日本政府最早制定了《再生骨料和再生混凝土使用规范》,并先后在各个地区建立了处理废弃混凝土为主的再生混凝土加工厂,同时制定了《推进建筑副产物正确处理纲要》、《建筑废弃物对策行动计划》、《建设再循环指导方针》、《再生骨料和再生混凝土使用规范》、《废弃物处理指定设施配备的有关法律》、《资源重新利用促进法》、《再循环法》、《废弃物处理法》、《绿色采购法》等多项法律法规来推进建筑废弃物的处理。1988 年,东京的建筑垃圾再利用率就达到了 56%。1990 年,日本实施了《建设循环再生法》,主要目的是控制建筑废弃物的产生,从源头减少建筑垃圾产生数量。 1991 年,又颁布了《资源重新利用促进法》,明确要求建筑垃圾必须经过“再资源化设施”处理。在这些法令规定之下,日本建设省于1992年开始以《建设副产物之减量、再生利用技术的开发》为主题,着手进行研究开发以及相关规范的基准。 1995 年,日本建筑固体废弃物的再生利用率达到 65%,2000 年,这一指标上升到 81%,2007
年的调查显示,日本建筑工地产生的废弃物总量有 6380 万t,其中最终作为垃圾处理的仅有
402 万t,再资源化的比例达 92.2%。日本相继在各地建立了以处理废混凝土为主的再生加工厂。日本的再生骨料分为三个等级(分别为H级、M级、L级),H级的为加热碾磨法制成,完全去除老砂浆,所以该再生骨料可以和天然骨料同时使用,不受任何限制;M级多为破碎方法制成,含有老砂浆,允许在基础垫层、施工道路等次要位置使用;L级杂质含量更多,允许在回填标高等位置使用。日本的垃圾分类要求十分严格,所以日本设计出产的建筑垃圾分拣机械效率很高,破碎、分离、筛选,甚至辐射监测都可一条龙完成,对于混凝土之类的建筑垃圾,或分离为骨料重新利用,或破碎后用于道路工程、回填土和碎石料等铺设。对再生骨料混凝土的强度、耐久性、吸水性、配合比、耐冻性等也进行了全面系统的研究。
2.4、英国
英国的建筑工程多半为修建工程,拆除的建筑垃圾并不多,加上英国地广人稀,有充分的土地放置垃圾,所以,建筑垃圾问题还尚未浮现。然而,英国政府仍在1995年颁布了《废弃物回收利用白皮书》(Making Waste Work),废弃物策略已经成为英国对持续发展的一项承诺,并承诺
2005 年废弃物回收率要达到60%。在具体的实施过程中,英国于1996年10月1日开始征收掩埋税,废弃物制造者将垃圾送往回收站时需缴纳掩埋税,而税款中相当一部分是用于废弃物管理及环境改善方面的研究与教育。英国政府也积极与相关部门合作,探索减少建筑垃圾及回收再利用的方法。
2.5、奥地利、法国等国
奥地利最大的特点是对建筑垃圾收取高额的处理费,提高资源消耗成本。另外,所有生成建筑垃圾的企业要求购置建筑垃圾移动处理设备,全国有
130 套左右。
法国则利用通过分离建筑固体废弃物中的碎混凝土和碎砖石块生产符合标准的砖石混凝土砌块。
比利时和荷兰,利用建筑垃圾中废弃的混凝土做骨料原材料来生产再生混凝土,同时对再生骨料混凝土抗压抗拉强度、吸水率、收缩耐久性等指标进行了系统研究。
北欧丹麦、芬兰、冰岛、挪威、瑞典等国家则通过统一的北欧环境标准来控制建筑垃圾产生量。
荷兰的代夫特理工大学则通过研究无结合料基层中掺加再生骨料混凝土
A 来观测其物化性能、颗粒级配、混合料组成几个因素间关系。
意大利的 Vcorinaldesi 和 GMoficoni 两位学者则研究再生混凝土与钢筋间的黏结,以及利用再生混凝土做结构的梁柱节点如何在反复荷载作用下进行抗震试验研究,同时将再生混凝土与天然骨料混凝土进行分析比较。
澳大利亚的格里菲思大学的研究结果则表明,只要生产出的再生骨料性能上完全满足使用质量标准,则作为一种基层或底基层材料再生骨料完全有可能取代原有天然骨料,这一点来说再生骨料从性能上来说完全可以取代天然骨料。
总的来说,从20世纪70年代末开始,日本、德国、美国等发达国家在再生混凝土开发应用方面的发展速度很快,取得了一系列的成果并积极将其推广应用于实际工程中。
3、我国再生骨料发展的困境分析及建议
一些发达国家和地区的建筑垃圾利用率较高,与通常“资源化率不足5%”的说法不同,北京建筑工程学院建材实验室主任陈家珑教授给出的数据是,我国实际建筑垃圾资源化利用率不足1%,且目前主要的处置方式是填埋与堆放。造成这一现象的主要原因是因为国外经济发达国家都对建筑垃圾的管理和再利用进行了立法,有了一套完整全面的措施、政策和法律,使建筑垃圾再利用有了法律保障和支持,并且享受国家政策上的优惠,这就客观上起到了积极倡导的作用。另外,上述发达国家和地区的建筑垃圾中废旧混凝土较多,甚至全是混凝土,如澳大利亚等国,房屋为木结构和混凝土结构,没有砖混结构,所以不产生废旧黏土砖建筑垃圾。废旧黏土砖建筑垃圾的问题是中国特色的,我国不少专家学者在这方面进行了一些研究,研究证明,用废旧黏土砖再生骨料配制的混凝土,其强度较用废旧混凝土再生骨料配制的低,且由于黏土砖骨料吸水率高,造成配制的混凝土工作性能降低。
所以,我国提高建筑垃圾资源化利用率迫在眉睫,各相关部门需通力合作,尽快制定统一规范的法律法规,出台系列的建筑垃圾回收再利用扶持政策,加大教育及宣传力度,推动建筑垃圾资源化进程。
3.1困境分析
近年来,由于城市建设规模的不断加大,大量旧建筑物被拆毁,或由于地震破坏产生的城市建筑垃圾量越来越大,对建筑垃圾进行再生利用已成为落实可持续发展战略的重要课题。然而,建筑垃圾回收再利用在我国还处在起步阶段,存在一定的问题,简单总结有以下几点:
(1)标准体系和法律法规不完善
经过十年左右的研究和示范性应用,以及标准规范体系建设,我国已经颁布实施GB/T
25177-2010 《混凝土用再生骨料》和GB/T 25176-2010《混凝土和砂浆用再生细骨料》,但是相关应用规范、施工规范和检测规范等仍不健全,沿用普通混凝土规范又不乏偏差和受限制之处。另外,由于国家关于建筑垃圾管理的法律法规体系不完善,各地方政府对建筑垃圾的管理未能统一,而且有时候各部门间责权不够明确,一些已有的政策并不能很好地落实。因此,国家必须研究制定一系列相关的政策措施,以保证建筑垃圾回收再利用的可持续发展。
(2)政府扶持力度不明显
鉴于建筑垃圾资源化行业经济效益不突出,政府已经给出了税收优惠政策。由于建筑垃圾再生建材价格和性能的劣势,工程建设方并不乐于选择再生建材,则政府配套的税收优惠政策也难以发挥作用。垃圾的搜集、运输、堆存、分拣、破碎、筛分等都需要投入资金,除金属、木制品、拆除后经过清理的砖通过废品回收利用取得一些回报以外,对于用废砖、废混凝土加工的骨料及配制的低标准混凝土及其空心砌块、混凝土空心隔墙板等其附加值都很低
,而制造成本一般要高于用新的天然原料制造的产品,加工制造者获利很少,所以对建筑垃圾的利用很难持续发展。政府在政策层面上如何支持建筑垃圾回收再利用工作,制订什么样的政策支持促进建筑垃圾回收再利用,由哪些部门组织协调,如何将扶持落实到位,政策法规上如何引导等一系列问题,都关系到建筑垃圾回收再利用的前景。
(3)价格优势不突出
建筑垃圾再生建材价格优势不明显,甚至在某些中小型城市,再生建材的价格高于普通建材。目前大型城市土地成本又太高,如果计入土地成本,则再生建材的价格也将高于普通建材。如果仅靠市场手段,建筑垃圾处置企业甚至连土地都拿不到。
(4)建筑垃圾再生利用技术水平低,产品的附加值太低
现在除了对废弃旧钢材回炉利用的附加值比较高外,其他几种利用方法所得产品的附加值都很低,不利于建筑垃圾的长期利用。因此非常有必要加大建筑垃圾再利用的研究,研发一些先进的利用技术开发一些高附加的产品,在解决建筑垃圾产生的一系列问题的同时也能创造社会和经济效益。
3.2建议
(1)推动建筑垃圾处置的国家相关大政策和细则迟迟没有出台,各地方对建筑垃圾回收再利用的管理不一,市场缺乏统一的标准。国家制定一系列相关政策和法规是当前工作的重中之重。
(2)建筑垃圾回收再利用是一项系统工程,需要政府多部门的参与与支持。建筑垃圾清运的规范化管理,需要政府多个部门协调管理;将项目建设用地纳入城市建设规划;为建筑垃圾回收再利用企业提供融资渠道;政府应在保证工程质量的前提下,明令各工程项目使用一定比率的再生资源,鼓励建立市场机制。
(3)提升大众对再生材料的认知观念,鼓励研发再生建材新技术,扩大下游产品类型,使企业利润最大化。
(4)培训专业技术型人才,指导、监督、管理建筑垃圾回收再利用流程中各环节的工作。
(5)制定“建筑垃圾源头削减策略”,即在建筑垃圾形成之前,就通过科学管理和有效的控制措施,最大限度的减少建筑垃圾数量。
4.结论
随着经济的发展和社会的进步,自然资源日趋枯竭成为了全球面临的重大问题,合理利用资源、降低环境污染是人类亟待解决的课题。建筑业的迅猛发展,为社会带来巨大经济效益的同时,也不可避免地带来了大量的建筑垃圾。再生混凝土的应用能减少天然矿石资源的开采, 在保护环境的同时又节约了原材料成本,且能有效解决城市建筑垃圾的处理问题,是有利的一面;不利之处在于再生骨料的生产能耗不比天然骨料低,且厂房机械设备配置成本较高,如果把分散的建筑垃圾集中起来再进行回收处理,
将进一步增加运输费用。权衡二者,还需根据当地矿石资源、运输费用、建筑垃圾数量等具体情况以及政府相关政策而定。但可以肯定的是, 随着再生骨料加工工艺的进一步成熟以及矿物掺和料和化学外加剂在混凝土中的更广泛应用,再生混凝土的性能缺陷将逐步得到弥补。美国、日本和欧洲发达国家对废混凝土的再生利用率能达到
90% 以上,而我国目前这一指标只有 5%。在发达国家环保类项目再生骨料产业的发展具有绿色增长、低碳经济等优势,早已属于支柱型产业,而我国的建筑垃圾回收再利用尚处起步阶段,这不仅需要政策法规的规范,还需要政府优惠政,实现我国再生骨料事业的长久发展和造福社会。
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作者简介:孙继成,男,1976.9-,建筑材料工业技术情报研究所混凝土技术发展中心主任,高级工程师,中国砂石协会再生骨料分会秘书长。