摘 要:用循環經濟理論闡述了管樁廢漿利用研究的意義,對管樁廢漿循環再利用研究的主要技術問題進行了詳盡的分析,提出了管樁廢漿循環再利用研究的方向。
關鍵詞:管樁廢漿;循環利用;循環經濟;廢漿均化
中圖分類號: TU473.1 文獻標識碼: B 文章編號: 1008 - 1933 (2008) 01 - 0094 - 03
1管樁廢漿處理的現狀分析
目前,采用混凝土高速離心成型密實工藝生產的預應力混凝土管樁已大量投入工程應用。據不完全統計,至2005年底我國現有管樁生產企業280多家,年生產管樁2億米,年產值近250億元,已成為國際上生產和使用預應力混凝土管樁數量最多的國家,取得了十分顯著的經濟效益和社會效益。然而管樁生產時,混凝土在高速離心成型的同時,管壁內腔將產生大量呈懸濁液、強堿性(pH值大于12) 、含有水泥、細砂、水和極少量外加劑的廢漿。據有關文獻資料介紹,廣東省2005年共生產管樁約8000萬米,產生的廢漿約在80萬噸左右(按每立方米混凝土管樁經離心后平均產生100 kg廢漿計) 。浙江省按2005年產管樁7000萬米計,廢漿的排放量將達到70萬噸之多。
廣東、福建等地區由于在生產預應力高強混凝土管樁(簡稱PHC管樁)時,為提高強度、降低成本,一般均摻30%左右的磨細建筑砂,因此,將這些廢漿用傳統的生產工藝和手段來生產一般的混凝土制品,其強度和耐久性等性能均無法保證。管樁生產企業處理廢漿的通常方法是將之倒入特制的容器中,待廢漿凝結硬化后人工將其破碎,再用卡車運至垃圾填埋場。這種處理方式在一定程度上而言,不僅是資源的浪費,也是人力財力的浪費。據有關文獻資料[ 224 ]介紹,某些企業也曾開展過一些將廢漿用于生產建筑砌塊、混凝土磚或加氣混凝土砌塊等制品的研究。但一般單個管樁廠的廢漿產量不能滿足大批量的生產需求,需要多個管樁廠的供應,這勢必由于廢漿異地運輸造成二次污染。同時,由于廢漿化學成分的不穩定,其技術的可行性難以在具體的工程中得到應用。
特別值得關注的是,如果這些大量呈強堿性的廢漿隨意排放,對周圍環境的污染和破壞是非常嚴重的,特別是一些早年投產且離城區較近的企業,大量廢漿的處理問題已經嚴重制約了企業的生存和發展。如何有效地利用管樁廢漿,將其變廢為寶,一直是困擾管樁生產企業的一大難題。
2 用循環經濟理論認識管樁廢漿利用研究的意義
2. 1 循環經濟是我國建筑經濟發展的必然
據世界銀行和國內有關機構測算[ 5, 6 ] , 20世紀90年代中期,中國經濟增長有2 /3是在對生態環境透支的基礎上實現的,且有8%的環境污染嚴重影響了人民身體健康,成為群眾日益關注的社會問題,影響了社會穩定和國家的形象。另據2001年研究表明,環境污染造成的經濟損失約占我國當年GDP的3%～4%。中國每創造1美元GDP所消耗的能源是美國的4.3倍,是日本的11.5倍。中國的能源利用率僅為美國的26.9%,日本的11.5%。我國與發達國家相比,每增加單位GDP的廢水排放量要高出4倍,單位工業產值產生的固體廢棄物要高出10倍以上。
循環經濟(Circular Economy)是運用生態學規律來指導人類社會的經濟活動,是以資源的高效利用和循環利用為核心,以“減量化、再利用、再循環”為原則,以低消耗、低排放、高效率為基本特征的社會生產和再生產范式,其實質是以盡可能少的資源消耗和盡可能小的環境代價實現最大的發展效益。循環經濟的核心在于“主動”地減少廢棄物,以期達到把廢棄物排放限于環境自凈能力的閾值之內,實現資源節約和環境改善的目的,循環經濟要求確定未來需要達到的技術目標,然后指導現有的技術向既定的方向發展,它所要求的技術體系是以能夠大幅度降低輸入和輸出經濟系統的物質流,優化物質在經濟系統內部的運行,即以物盡其用為條件的。
目前,我國建筑經濟必須首先解決兩大基本問題。一是降低建筑能耗。我國是耗能大國,目前建筑能耗占總能耗的28%。能耗總量居世界第二位,平均建筑能耗是發達國家的3倍。據統計,即使在日本、美國等發達國家,建筑能耗也只占總能耗的30%～40%。二是減少建筑污染。我國傳統的建筑經濟是一種按“資源—生產—消費—廢棄物排放”單向流動的線性經濟,建筑經濟的發展以犧牲人類生存環境為代價。運用循環經濟理論的要旨就是將建筑經濟活動組成一個“資源—生產—消費—二次資源”的閉環過程,把建筑經濟活動重組為“資源利用—產品—資源再生”的封閉流程和“低開采、高利用、低排放”的循環模式,強調建筑經濟系統與自然生態系統和諧共生。
2. 2 循環經濟對于管樁廢漿利用研究的意義
管樁廢漿利用研究就是運用循環經濟理論,在管樁廢漿處理上,通過清潔生產技術、信息技術、能源綜合利用技術、回收和再循環技術、資源重復利用和替代技術、環境監測技術以及網絡運輸技術等,強調首先減少管樁單位產出的廢漿,節約使用資源,通過管樁生產企業的技術革新,逐步形成清潔生產工藝,從而減少管樁生產過程中污染排放甚至“零”排放,通過對管樁廢漿綜合回收利用和再生利用,實現建筑資源的循環使用。其研究的意義在于:
(1)管樁廢漿處理技術研究是提高建筑資源利用效率、緩解資源約束矛盾的根本出路;
(2)管樁廢漿處理技術研究是從根本上減輕大量呈強堿性廢漿隨意排放對環境污染的有效途徑;
(3)管樁廢漿處理技術研究是提高建筑企業經濟效益的重要措施;
(4)管樁廢漿處理技術研究是以人為本、實現可持續發展、構建和諧社會的本質要求;
(5)管樁廢漿處理技術研究為新型建筑工業化開辟了新的道路,推進了建筑工業化、現代化的進程。
3 管樁廢漿循環再利用研究的主要技術問題
3. 1 廢漿組分對循環再利用影響的研究問題
將廢漿作為配制管樁生產時混凝土的一種原材料(二次資源或資源再生)而循環利用,這樣將大大改善廢漿排放對環境的破壞,減少管樁生產中水泥和外加劑的摻量,降低廢漿的處理費用和管樁生產的成本,提高企業的經濟效益,具有顯著的技術經濟效益和環保效益。
前期的初步試驗研究表明,在廢漿的懸濁液中,通常含有少量的水泥(而且是顆粒細度較細的水泥) 、磨細砂、二水石膏、減水劑及泥土水分等雜質。如從礦物組成和氧化物等化學成分來說,它主要有:水泥熟料中的4種礦物組成(C3 S, C2 S, C3A, C4AF)以及石膏(CaSO4 ·2H2O) ,泥土中4種氧化物(氧化鈣、氧化硅、氧化鐵和氧化鋁)以及外加劑中的帶有陰離子或陽離子極性基團的表面活性物質。這些廢漿中的各種成分的含量嚴格來說,每個管樁生產企業是不盡相同的,即使是同一個管樁生產企業,在不同時期、不同品種,其廢漿成分的含量也是變化的。影響這些變化的主要因素有:
(1)水泥品種和水泥中的細組分顆粒。由于離心成型,水泥中細組分顆粒被“擠”到廢漿中,它們水化反應快,易凝結。
(2)外加劑品種。目前管樁生產中,外加劑的摻量(固含量計) 約為凝膠材料總量的0.6% ～1.0%左右,在離心成型時,其中有相當數量的外加劑隨水分一起被“擠”到廢漿中,留在成型管樁混凝土中的外加劑僅是其中一部分。外加劑此時起調節廢漿凝結時間的作用,但主要可能會引起“速凝”。
(3)石膏(CaSO4 ·2H2O) 。為了調節水泥凝結時間,石膏在水泥熟料粉磨時,其摻量為5%左右,熟料粉磨時,有可能已脫水成半水石膏或無水石膏,由于它的比重比熟料(顆粒)輕,所以,離心時也較容易“跑”到廢漿中,引起廢漿快速凝結。
另外,影響廢漿成分含量的其他因素還有管樁的規格、離心成型時不同規格管樁的離心力、混凝土物料溫度隨季節的變化和混凝土的配合比等。由于廢漿含膠量(即廢漿固相物質是水泥、細砂,其中水泥是混凝土強度的有效成分,簡稱含膠量)大小關系到廢漿摻入管樁混凝土后,原始膠凝材料用量降低程度和摻入后混凝土的質量,在基準配合比、坍落度與離心制度等生產工藝制度正常不變的條件下,管樁規格和廢漿滯停時間是影響廢漿含膠量的可能因素,因此,對廢漿各組分含量的測定研究,可按管樁規格和離心后廢漿停留時間,分別測定廢漿的各固相含量,固含量的測定方法可參照GB /T8077 -2000《混凝土外加劑勻質性試驗方法》進行。由于管樁生產使用的砂不能通過0.080 mm篩(水泥在該孔徑的篩余量小于3% ) ,所以,在廢漿組分分析中利用0.080 mm 篩過濾廢漿,分開砂粉后,再根據固含量確定膠凝材料含量。
3. 2 廢漿再利用生產管樁的生產工藝需要解決的技術研究問題
首先,摻廢漿后,管樁混凝土配合比需隨具體情況進行調整。如果原生產管樁的混凝土配合比是科學、合理的,那么,生產管樁時,經離心成型后能倒出的廢漿為每立方米混凝土中含90～120 kg。在廢漿中,固含量大致占50% ～70%。因此,要利用它,把它作為混凝土攪拌時的配料之一,就必須將原混凝土配合比進行調整,否則,所生產的管樁混凝土無法攪拌和制作。另外,如果要把前1根管樁制作時產生的廢漿全部用到后1根管樁混凝土中,從目前研究結果看,有一定困難,因此,建議摻加的廢漿量在50%～60%可能更為合理。
其次,廢漿的循環利用,必須保證流動性(包括濃度、固含量)基本保持不變。廢漿循環再生產利用的過程如圖1所示。
在整個廢漿循環再生產利用的過程中,每次生產管樁倒出廢漿的濃度和成分都是不同的,隨著生產次數的增加,廢漿變得越來越濃,固含量越來越高,管樁內壁浮漿層越來越厚,而倒出的廢漿越來越少,直到第n次離心后,管樁內就倒不出廢漿了。這樣生產的管樁混凝土質量是難以保證的,因此,必須解決廢漿流動性基本恒定的問題。
第三,廢漿均化工藝的研究。從圖1中可以看到,管樁廢漿循環再利用的關鍵技術是廢漿均化工藝。由于混凝土組分非常復雜,而且隨著各種因素的變化,管樁離心后排放的廢漿的數量和成分也是多變的,特別是不同管樁規格、不同離心時間、不同原材料等所形成的廢漿數量和成分的變化很大。但管樁生產用混凝土的強度等級為C60～C80,生產中對原材料的要求很高,因此,對廢漿在摻入新拌混凝土前必須進行均化處理。廢漿均化工藝研究基本方法是將管樁生產的廢漿傾倒入一定容量的水池中,在一定時間段內用機械方法進行攪拌,使其成為成分相對均勻的懸濁狀液體,在隨后的管道運輸中不發生沉淀。
第四,廢漿循環利用的生產工藝和設備問題。廢漿循環再生產利用的生產工藝如圖2所示。
4 結 語
日本是國際上管樁生產技術最先進的國家,開展了在混凝土離心過程中采取降低其廢漿產生的研究,即在混凝土攪拌時,摻加增稠劑或具有保水性的物質,以提高凈漿的粘性,減少廢漿的排出[ 7210 ] ;或在離心成型過程中添加速凝劑,以促使作為廢漿離析的顆粒凝聚而僅排出水[ 11212 ] 。但這些方法生產工藝復雜或所用的藥劑容易結塊,而且其化學試劑的成本很高,因此目前僅停留在理論研究上,難以在實際工程中得到應用。另外,由于廢漿成分的復雜性和不穩定性,摻入廢漿后對管樁的混凝土耐久性影響研究也是一個十分重要的研究方向。管樁廢漿循環再利用研究,可以對管樁廢漿的循環利用提出完整的可以工業化實施的處理技術,特別是在廢漿成分的均化技術和廢漿循環的配料技術控制裝備方面,將會產生實質性的突破。
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