摘 要:用循环经济理论阐述了管桩废浆利用研究的意义,对管桩废浆循环再利用研究的主要技术问题进行了详尽的分析,提出了管桩废浆循环再利用研究的方向。
关键词:管桩废浆;循环利用;循环经济;废浆均化
中图分类号: TU473.1 文献标识码: B 文章编号: 1008 - 1933 (2008) 01 - 0094 - 03
1管桩废浆处理的现状分析
目前,采用混凝土高速离心成型密实工艺生产的预应力混凝土管桩已大量投入工程应用。据不完全统计,至2005年底我国现有管桩生产企业280多家,年生产管桩2亿米,年产值近250亿元,已成为国际上生产和使用预应力混凝土管桩数量最多的国家,取得了十分显著的经济效益和社会效益。然而管桩生产时,混凝土在高速离心成型的同时,管壁内腔将产生大量呈悬浊液、强碱性(pH值大于12) 、含有水泥、细砂、水和极少量外加剂的废浆。据有关文献资料介绍,广东省2005年共生产管桩约8000万米,产生的废浆约在80万吨左右(按每立方米混凝土管桩经离心后平均产生100 kg废浆计) 。浙江省按2005年产管桩7000万米计,废浆的排放量将达到70万吨之多。
广东、福建等地区由于在生产预应力高强混凝土管桩(简称PHC管桩)时,为提高强度、降低成本,一般均掺30%左右的磨细建筑砂,因此,将这些废浆用传统的生产工艺和手段来生产一般的混凝土制品,其强度和耐久性等性能均无法保证。管桩生产企业处理废浆的通常方法是将之倒入特制的容器中,待废浆凝结硬化后人工将其破碎,再用卡车运至垃圾填埋场。这种处理方式在一定程度上而言,不仅是资源的浪费,也是人力财力的浪费。据有关文献资料[ 224 ]介绍,某些企业也曾开展过一些将废浆用于生产建筑砌块、混凝土砖或加气混凝土砌块等制品的研究。但一般单个管桩厂的废浆产量不能满足大批量的生产需求,需要多个管桩厂的供应,这势必由于废浆异地运输造成二次污染。同时,由于废浆化学成分的不稳定,其技术的可行性难以在具体的工程中得到应用。
特别值得关注的是,如果这些大量呈强碱性的废浆随意排放,对周围环境的污染和破坏是非常严重的,特别是一些早年投产且离城区较近的企业,大量废浆的处理问题已经严重制约了企业的生存和发展。如何有效地利用管桩废浆,将其变废为宝,一直是困扰管桩生产企业的一大难题。
2 用循环经济理论认识管桩废浆利用研究的意义
2. 1 循环经济是我国建筑经济发展的必然
据世界银行和国内有关机构测算[ 5, 6 ] , 20世纪90年代中期,中国经济增长有2 /3是在对生态环境透支的基础上实现的,且有8%的环境污染严重影响了人民身体健康,成为群众日益关注的社会问题,影响了社会稳定和国家的形象。另据2001年研究表明,环境污染造成的经济损失约占我国当年GDP的3%～4%。中国每创造1美元GDP所消耗的能源是美国的4.3倍,是日本的11.5倍。中国的能源利用率仅为美国的26.9%,日本的11.5%。我国与发达国家相比,每增加单位GDP的废水排放量要高出4倍,单位工业产值产生的固体废弃物要高出10倍以上。
循环经济(Circular Economy)是运用生态学规律来指导人类社会的经济活动,是以资源的高效利用和循环利用为核心,以“减量化、再利用、再循环”为原则,以低消耗、低排放、高效率为基本特征的社会生产和再生产范式,其实质是以尽可能少的资源消耗和尽可能小的环境代价实现最大的发展效益。循环经济的核心在于“主动”地减少废弃物,以期达到把废弃物排放限于环境自净能力的阈值之内,实现资源节约和环境改善的目的,循环经济要求确定未来需要达到的技术目标,然后指导现有的技术向既定的方向发展,它所要求的技术体系是以能够大幅度降低输入和输出经济系统的物质流,优化物质在经济系统内部的运行,即以物尽其用为条件的。
目前,我国建筑经济必须首先解决两大基本问题。一是降低建筑能耗。我国是耗能大国,目前建筑能耗占总能耗的28%。能耗总量居世界第二位,平均建筑能耗是发达国家的3倍。据统计,即使在日本、美国等发达国家,建筑能耗也只占总能耗的30%～40%。二是减少建筑污染。我国传统的建筑经济是一种按“资源—生产—消费—废弃物排放”单向流动的线性经济,建筑经济的发展以牺牲人类生存环境为代价。运用循环经济理论的要旨就是将建筑经济活动组成一个“资源—生产—消费—二次资源”的闭环过程,把建筑经济活动重组为“资源利用—产品—资源再生”的封闭流程和“低开采、高利用、低排放”的循环模式,强调建筑经济系统与自然生态系统和谐共生。
2. 2 循环经济对于管桩废浆利用研究的意义
管桩废浆利用研究就是运用循环经济理论,在管桩废浆处理上,通过清洁生产技术、信息技术、能源综合利用技术、回收和再循环技术、资源重复利用和替代技术、环境监测技术以及网络运输技术等,强调首先减少管桩单位产出的废浆,节约使用资源,通过管桩生产企业的技术革新,逐步形成清洁生产工艺,从而减少管桩生产过程中污染排放甚至“零”排放,通过对管桩废浆综合回收利用和再生利用,实现建筑资源的循环使用。其研究的意义在于:
(1)管桩废浆处理技术研究是提高建筑资源利用效率、缓解资源约束矛盾的根本出路;
(2)管桩废浆处理技术研究是从根本上减轻大量呈强碱性废浆随意排放对环境污染的有效途径;
(3)管桩废浆处理技术研究是提高建筑企业经济效益的重要措施;
(4)管桩废浆处理技术研究是以人为本、实现可持续发展、构建和谐社会的本质要求;
(5)管桩废浆处理技术研究为新型建筑工业化开辟了新的道路,推进了建筑工业化、现代化的进程。
3 管桩废浆循环再利用研究的主要技术问题
3. 1 废浆组分对循环再利用影响的研究问题
将废浆作为配制管桩生产时混凝土的一种原材料(二次资源或资源再生)而循环利用,这样将大大改善废浆排放对环境的破坏,减少管桩生产中水泥和外加剂的掺量,降低废浆的处理费用和管桩生产的成本,提高企业的经济效益,具有显著的技术经济效益和环保效益。
前期的初步试验研究表明,在废浆的悬浊液中,通常含有少量的水泥(而且是颗粒细度较细的水泥) 、磨细砂、二水石膏、减水剂及泥土水分等杂质。如从矿物组成和氧化物等化学成分来说,它主要有:水泥熟料中的4种矿物组成(C3 S, C2 S, C3A, C4AF)以及石膏(CaSO4 ·2H2O) ,泥土中4种氧化物(氧化钙、氧化硅、氧化铁和氧化铝)以及外加剂中的带有阴离子或阳离子极性基团的表面活性物质。这些废浆中的各种成分的含量严格来说,每个管桩生产企业是不尽相同的,即使是同一个管桩生产企业,在不同时期、不同品种,其废浆成分的含量也是变化的。影响这些变化的主要因素有:
(1)水泥品种和水泥中的细组分颗粒。由于离心成型,水泥中细组分颗粒被“挤”到废浆中,它们水化反应快,易凝结。
(2)外加剂品种。目前管桩生产中,外加剂的掺量(固含量计) 约为凝胶材料总量的0.6% ～1.0%左右,在离心成型时,其中有相当数量的外加剂随水分一起被“挤”到废浆中,留在成型管桩混凝土中的外加剂仅是其中一部分。外加剂此时起调节废浆凝结时间的作用,但主要可能会引起“速凝”。
(3)石膏(CaSO4 ·2H2O) 。为了调节水泥凝结时间,石膏在水泥熟料粉磨时,其掺量为5%左右,熟料粉磨时,有可能已脱水成半水石膏或无水石膏,由于它的比重比熟料(颗粒)轻,所以,离心时也较容易“跑”到废浆中,引起废浆快速凝结。
另外,影响废浆成分含量的其他因素还有管桩的规格、离心成型时不同规格管桩的离心力、混凝土物料温度随季节的变化和混凝土的配合比等。由于废浆含胶量(即废浆固相物质是水泥、细砂,其中水泥是混凝土强度的有效成分,简称含胶量)大小关系到废浆掺入管桩混凝土后,原始胶凝材料用量降低程度和掺入后混凝土的质量,在基准配合比、坍落度与离心制度等生产工艺制度正常不变的条件下,管桩规格和废浆滞停时间是影响废浆含胶量的可能因素,因此,对废浆各组分含量的测定研究,可按管桩规格和离心后废浆停留时间,分别测定废浆的各固相含量,固含量的测定方法可参照GB /T8077 -2000《混凝土外加剂匀质性试验方法》进行。由于管桩生产使用的砂不能通过0.080 mm筛(水泥在该孔径的筛余量小于3% ) ,所以,在废浆组分分析中利用0.080 mm 筛过滤废浆,分开砂粉后,再根据固含量确定胶凝材料含量。
3. 2 废浆再利用生产管桩的生产工艺需要解决的技术研究问题
首先,掺废浆后,管桩混凝土配合比需随具体情况进行调整。如果原生产管桩的混凝土配合比是科学、合理的,那么,生产管桩时,经离心成型后能倒出的废浆为每立方米混凝土中含90～120 kg。在废浆中,固含量大致占50% ～70%。因此,要利用它,把它作为混凝土搅拌时的配料之一,就必须将原混凝土配合比进行调整,否则,所生产的管桩混凝土无法搅拌和制作。另外,如果要把前1根管桩制作时产生的废浆全部用到后1根管桩混凝土中,从目前研究结果看,有一定困难,因此,建议掺加的废浆量在50%～60%可能更为合理。
其次,废浆的循环利用,必须保证流动性(包括浓度、固含量)基本保持不变。废浆循环再生产利用的过程如图1所示。
在整个废浆循环再生产利用的过程中,每次生产管桩倒出废浆的浓度和成分都是不同的,随着生产次数的增加,废浆变得越来越浓,固含量越来越高,管桩内壁浮浆层越来越厚,而倒出的废浆越来越少,直到第n次离心后,管桩内就倒不出废浆了。这样生产的管桩混凝土质量是难以保证的,因此,必须解决废浆流动性基本恒定的问题。
第三,废浆均化工艺的研究。从图1中可以看到,管桩废浆循环再利用的关键技术是废浆均化工艺。由于混凝土组分非常复杂,而且随着各种因素的变化,管桩离心后排放的废浆的数量和成分也是多变的,特别是不同管桩规格、不同离心时间、不同原材料等所形成的废浆数量和成分的变化很大。但管桩生产用混凝土的强度等级为C60～C80,生产中对原材料的要求很高,因此,对废浆在掺入新拌混凝土前必须进行均化处理。废浆均化工艺研究基本方法是将管桩生产的废浆倾倒入一定容量的水池中,在一定时间段内用机械方法进行搅拌,使其成为成分相对均匀的悬浊状液体,在随后的管道运输中不发生沉淀。
第四,废浆循环利用的生产工艺和设备问题。废浆循环再生产利用的生产工艺如图2所示。
4 结 语
日本是国际上管桩生产技术最先进的国家,开展了在混凝土离心过程中采取降低其废浆产生的研究,即在混凝土搅拌时,掺加增稠剂或具有保水性的物质,以提高净浆的粘性,减少废浆的排出[ 7210 ] ;或在离心成型过程中添加速凝剂,以促使作为废浆离析的颗粒凝聚而仅排出水[ 11212 ] 。但这些方法生产工艺复杂或所用的药剂容易结块,而且其化学试剂的成本很高,因此目前仅停留在理论研究上,难以在实际工程中得到应用。另外,由于废浆成分的复杂性和不稳定性,掺入废浆后对管桩的混凝土耐久性影响研究也是一个十分重要的研究方向。管桩废浆循环再利用研究,可以对管桩废浆的循环利用提出完整的可以工业化实施的处理技术,特别是在废浆成分的均化技术和废浆循环的配料技术控制装备方面,将会产生实质性的突破。
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