建筑垃圾再生骨料砖砼分离设备的研究

胡　魁， 韩　森， 薛　雪， 雷　天， 尚为公

(1.长安大学 公路学院， 陕西 西安　710061；　2.西安市政设计研究院有限公司， 陕西 西安　710068；　3.陕西交通建设养护工程有限公司， 陕西 西安　710117)



建筑垃圾再生骨料砖砼分离设备的研究

胡魁1， 韩森1， 薛雪2， 雷天1， 尚为公3

(1.长安大学 公路学院， 陕西 西安710061；2.西安市政设计研究院有限公司， 陕西 西安710068；3.陕西交通建设养护工程有限公司， 陕西 西安710117)

[摘要]建筑垃圾应用于道路工程是目前消纳建筑垃圾的有效途径，建筑垃圾再生料中粘土砖与混凝土的分离可以提高其工程价值。基于两种物料不同的物理性质，通过重力重力分选、阶梯筛板、偏心运动轨迹以及适当辅助手段等对研发机械的技术参数进行计算。最终设计出相应的机械设计方案，通过设备的生产与调试，实现了粘土砖和混凝土的有效分离，建筑垃圾再生料中粘土砖与混凝土的分离为建筑垃圾的消纳和应用提供了技术基础。

[关键词]建筑垃圾； 砖砼分离； 技术参数

0前言

随着我国工业化和城市化进程的加快，房地产业的快速发展致使城市建筑垃圾的排放量快速增加，我国截止2013年底，我国建筑垃圾总量约40亿t，已经成为世界上建筑垃圾排放最多的国家，人们不得不面临垃圾围城和环境污染的尴尬现状[1，2]。日本、美国、澳大利亚等国家经过长期努力，采用科学管理、有效控制、资源化利用等措施，已经实现了建筑垃圾减量化、资源化[3，4，5]，我国建筑垃圾再生利用目前受资金、技术、政策的限制仍处在一个较低的水平[6，7]。建筑垃圾再生骨料可以用作建筑用再生混凝土以及用于道路工程基础下垫层、素混凝土、道路面层[8，9]。再生材料中粘土砖物料与混凝土物料的工程性质差异很大，混凝土物料可以作为高强度骨料用于再生混凝土[8，10]，粘土砖物料则可以作为彩色景观砖骨料，实现两者的分离可以大幅提高建筑垃圾再生料的市场价值[11，12]。

本文借鉴农业、工业重力分选设备[13，14]的应用经验，针对建筑垃圾粘土砖物料与混凝土物料的特点设计了一种建筑垃圾砖砼分离设备。通过相关力学原理及数学方法，研究了粘土砖物料运动规律、混凝土运动规律最终确定了适合于建筑垃圾再生料砖砼分离的技术参数。所得到的研究成果对于建筑垃圾再生料的综合利用、建筑垃圾消纳具有重要的现实意义。

1砖砼分离技术现状

经过破碎、磁选、风选、筛分之后的建筑垃圾再生料中粘土砖、混凝土块、其他物料的比例通常分布在40%：40%：20%～45%：45%：10%。将建筑垃圾再生材料中的粘土砖与混凝土进行人工挑练，选取再生料中粒径范围在10～20 mm范围的石子、混凝土块、粘土砖，按照《公路工程集料试验规程》(JTG E42-2005)中T0308-2005粗集料吸水率试验(容量瓶法)、T0316-2005粗集料压碎值试验、T0314-2000粗集料坚固性试验测试粘土砖、混凝土块、石子(玄武岩)的表观密度、表干密度、毛体积密度、吸水率、坚固性、压碎值，结果见表1。

表1 石子、混凝土、粘土砖的物理指标Table1 PhysicalIndexesofstone,concreteandclaybrick物理指标表观密度/(g·cm-3)表干密度/(g·cm-3)毛体积密度/(g·cm-3)吸水率/%压碎值/%坚固性/%石子2.7092.6412.6020.01516.14.2混凝土2.6782.5202.4210.039523.19.2粘土砖2.4801.9731.6300.21074.731.6

通过表1的试验结果可知：石子、混凝土、粘土砖的表观密度差异不到0.2 g/cm3，而粘土砖与石子、混凝土的表干密度、毛体积密度的差异较大；在吸水率指标上，粘土砖是石子与混凝土吸水率的5～14倍[8]。从压碎值和坚固性指标上来看，粘土砖与石子、混凝土有非常大的差异。因此，与石子、混凝土相比，粘土砖具有吸水率大、强度低、坚固性差的特点。

建筑垃圾再生料砖砼分离技术与当下的粮食加工以及矿选行业技术有着较大的区别，这使得建筑垃圾再生料砖砼分离难以实现的原因，表2列出了几种物料的物理性质。

表2 几种物料的部分物理性质Table2 Physicalpropertiesofsomematerials分离物料类别表观密度/(kg·m-3)内摩擦角/(°)尺寸代表值(长×宽×高mm)悬浮速度/(m·s-1)外形圆滑程度小麦0.75318×3×38.5～11.2优大豆0.72～0.76297×6×611.8～12.8优大米0.67～0.77317×3×29.8～11.4优石子2.70934～387×6×518～22良混凝土2.67830～3524×19×1414～18差粘土砖2.48030～3624×19×1412～16差

从表2的对比分析可知，于粘土砖与混凝土表观密度相差仅0.2，相当于大豆与石子密度差异的十分之一，并且粘土砖与混凝土形状不规则，不利于分级和相向流动。比如大豆去石机，大豆去石机的工作原理是同种粒径下的大豆和石子混合后分布到筛面时，比重小、表面光滑、形状接近球形的大豆颗粒在振动和风力综合作用下实现自动分级并滑落到筛板的较低一端并排出，石子相对大豆表面粗糙、形状不规则、比重大沉在筛板的底部，在连续的物料推挤和振动下由上部的出料口排出[15]。采用传统的粮食去石设备不能实现建筑垃圾再生料中砖砼分离的目的。

2砖砼分离技术原理及设备的构建

2.1砖砼分离原理与方法

基于重力分离原理，借助一定的方法实现建筑垃圾再生料粘土砖、混凝土的分离技术[16]，粘土砖与混凝土分离原理及其对应的设计方案构建如下：

① 粘土砖和混凝土块的表观密度不同，在合适的悬浮力与振动条件下实现分层。在相同的粒度范围内，物料成分的比重与空气动力学特性的不同使得在适当的振动和气流参数的作用下，比重较小的粘土砖浮在混合料的上层，比重较大的石子沉入混合料的底层与阶梯筛板相接触。由下而上的气流穿过物料，物料之间空隙增大，料层及物料之间的正压力和摩擦阻力降低，物料整体处于流化状态，有利于分层的实现。

② 阶梯筛板的设计实现分层后的粘土砖与混凝土块物料移动。图1为阶梯筛板的设计，阶梯筛板在特有的振动方式与频率下给予混凝土块在下层移动的动力进而实现混凝土块沿阶梯筛板向上移动。阶梯筛板的运动轨迹为椭圆形，在振动电机的带动之下运动每一个周期，筛板阶梯推动混凝土块向上移动0～2个筛孔间隔。

图1　阶梯筛板的设计Figure 1　Design of ladder sieve plate

③ 偏心振动机具有合理配合阶梯筛板的运动参数，在粘土砖与混凝土块分离的过程中配合阶梯筛板的设计理念，使阶梯筛板按照椭圆形形的运动轨迹前进，运动轨迹方程理论设定为：

x2/102+y2/62=1。

④ 适当的辅助手段：鼓风机产生的一部分风从混凝土出料口部位以30°～45°的角度的挡风板吹向排杂口方向，这样在风力整体的运动方向是后上方，将混凝土出料口端点部位可能存在的部分烧制粘土砖出口吹向后端，提高了分离纯度。

2.2设备的设计

根据建筑垃圾再生料粘土砖与混凝土的物理特性，基于以上砖砼分离的原理与方法，设计了针对建筑垃圾再生料的砖砼分离设备，见图2。

图2　建筑垃圾再生料砖砼分离设备设计图Figure 2　Design of brick and concrete separation equipment

砖砼分离设备在工作时，物料从上部左端进入筛面，由于粘土砖与混凝土物料的比重和空气动力学特征差异，在适当的振动和气流的作用下，比重小的粘土砖浮在上层，比重较大的混凝土物料沉入筛底，形成自动分级。在自下而上的气流作用下，物料之间的空隙增大，料层之间的正压力和摩擦力减小，形成的流花状态促进了自动分级的形成。比重小的粘土砖物料在重力、气流、惯性力、连续进料的推动下相对于筛面下滑到下部出料口。比重较大的水泥混凝土物料在振动筛的作用下沿筛面向上运动，借助特殊阶梯筛板的作用逐渐从上部出料口排出。

3设备参数的确定

基于方案设计中提出了独有的阶梯筛板以及对应的振动方式来实现，以表1、表2中粘土砖与混凝土块物理性质的差异为基础，按照图2所示设备设计方案，通过对粘土砖、混凝土物料运动的分析，对分离设备的以下关键技术参数进行理论计算：支撑杆与水平面的夹角，筛板与水平面的倾斜角，气流速度V，筛面运动的角速度w、振幅r。

3.1粘土砖物料的运动分析

图3为偏心振动机构驱动筛体的示意图，假定筛体上各点运动方式为直线简谐运动。筛面的位移、速度、加速度与时间的关系为：

s=r×coswt

(1)

v=-w×r×sinwt

(2)

a=-w2×r×coswt

(3)

式(1)、(2)、(3)中：s为位移；v为速度；a为加速度；r为筛面振幅；w为角速度；t为时间。

设筛面的倾角为β，支撑杆与水平的夹角为α。X轴为沿筛面方向，斜向上为正；Y轴垂直于筛面，向上为正。在曲柄位于Ⅰ、Ⅳ象限时，筛体具有向下的加速度，系统惯性力向上，粘土砖具有上滑的运动趋势。

图3　偏心振动机构Figure 3　Eccentric vibration structure

粘土砖在XOY坐标内受到以下各力的作用：

① 重力：G1=mg

(4)

② 惯性力：P1=mw2rcoswt

(5)

(6)

④ 下层物料对粘土砖的支撑力：N1

⑤ 下层物料对粘土砖的摩擦力：F1=N1tanФ

(7)

式中：m为粘土砖的重量；g为重力加速度；k为阻力系数；f为物料的迎风面积；v为气流速度；γ为空气重度；Ф为粘土砖内摩擦角。

粘土砖在筛面上作相对滑移运动，在Y方向不发生位移，所以ΣY=0。

N1+W1+P1sin(90°-α-β)-G1cosβ=0

(8)

(9)

(10)

mω2rcosωtsin(α+β+Ф)≥

(11)

(12)

在曲柄位于Ⅱ、Ⅲ象限时，筛体具有向上的加速度，系统惯性力向下，粘土砖具有下滑的运动趋势，粘土砖受力如图4所示。

图4　粘土砖物料运动分析图Figure 4

ΣY=0，即N1+W1-P1sin(90°-α-β)-

G1cosβ=0

(13)

mω2rcosωtsin(α+β-Ф)≥

(14)

(15)

当角速度ω>K1，上层的粘土砖才能以下料层为滑动面，相对筛板上滑；当角速度ω>K2，相对与筛体下滑。

3.2混凝土物料的运动分析

设筛面的倾角为β，支撑杆与水平的夹角为α，阶梯筛板凸起角θ。X轴为沿阶梯筛板方向，斜向上为正；Y轴垂直于筛板方向，向上为正。在曲柄位于Ⅰ、Ⅳ象限时，筛体具有向下的加速度，系统惯性力向上，砖块具有上滑的运动趋势。混凝土块在XOY坐标内受到以下各力的作用：

① 重力：G2=Mg；

② 惯性力：P2=Mw2rcoswt；

④ 上层物料对混凝土块的压力：N1；

⑤ 上层物料对混凝土块的摩擦力：F1；

⑥ 阶梯筛板对混凝土块的支撑力：N2；

⑦ 阶梯筛板对混凝土块的摩擦力：F2=N2tanφ，

式中：M为混凝土块的重量；f2为混凝土块的迎风面积；φ为混凝土块的内摩擦角。

混凝土块在筛面上相对滑移，因上层砖块对其的作用，混凝土块与筛面保持接触，所以ΣY=0。

P2tanφcos(α+β+θ)-

W2tanφcosθ+(F1cosθ-N1tanφcosθ)-

F1tanφsinθ-N1sinθ

(16)

因F1cosθ=N1tanФcosθ，取N1tanФcosθ≈N1tanφcosθ，故F1cosθ-N1tanφcosθ≈0；N1sinθ=0；F1tanφsinθ=0。

简化并整理方程(13)：

(17)

(18)

当曲柄位于Ⅱ、Ⅲ象限时，系统惯性力向下，混凝土块具有下滑的运动趋势。

(N1tanφcosθ-F1cosθ)-

F1tanφsinθ-N1sinθ

(19)

因F1cosθ=N1tanФcosθ，取N1tanФcosθ≈N1tanφcosθ，故N1tanφcosθ-F1cosθ≈0；θ值较小，近似为：N1sinθ=0；F1tanφsinθ=0。

简化并整理方程(18)：

(20)

(21)

当角速度K1’<ω

3.3设备参数的确定

砖砼分离器的主要工作参数包括：与筛面相关的倾斜角度α、β、θ；气流速度V；筛面运动的角速度w、振幅r。从上一节物料运动分析可知，当w满足方程(21)，粘土砖下滑，满足方程(22)，混凝土块上滑。

(22)

(23)

借助计算机Excel宏代码求解分离器的主要工作参数，拟定α=15°、20°、30°、45°，β=5°-30°，θ=0°-45°，β、θ每次运算增加1°，求解风速V、角速度w。风速方程(23)，传动系统运动参数B=w2×r/g。求解结果表示：当α=15°，β=9°-14°，θ=10°-15°时，A取值为0.57-0.84，B取值为0.228-0.385；当α=20°，β=5°-10°，θ=10°-14°时，A取值0.71-0.91，B取值0.126-0.286时可实现砖砼分离。当α取值增大时，A值增大，A为表征风速的参数，随着A增大，V逐渐增大，故支撑杆与水平的夹角α仅考虑取15°、20°。

4应用效果

根据砖砼分离的设计方案和相关参数范围的确定，对设备在设计图的基础上进行生产、加工、改进、调试。图5为从建筑垃圾再生料现场对粒径范围在5～10、10～20 mm的粘土砖与混凝土物料进行取样，为了使粘土砖与混凝土物料在试验过程中观察的方便，从建筑垃圾再生料中人工挑拣40 kg的粘土砖和40 kg的混凝土，粘土砖与混凝土分离试验见图6。

图7为不同参数设置下粘土砖与混凝土的分离情况，图7(a、b、c)设置的参数情况分别为：电机风速参数A设置为0.82，角速度w设置为295 rad/s，支撑杆与水平夹角α=15°、20°、20°，筛面的倾角β=9°、12°、14°。图7为在3种设计参数模式下砖块与混凝土的分离情况，(a)、(b)、(c)3种参数下混凝土块的比例分别为50%、73%、91%，该设备目前分离效率为3.84 t/h。

图5　建筑垃圾再生料的取样Figure 5　Taking samples from construction waste

图6　粘土砖与混凝土的分离Figure 6　Separation of brick and concrete

图7　不同参数模式下砖砼分离情况Figure 7　Separation results in different parameters

5结论

① 提出了一种基于重力分选理论实现建筑垃圾再生料中粘土砖物料与混凝土物料的分离方法，并设计了建筑垃圾砖砼分离设备。该设备利用粘土砖与混凝土的比重差异，借助合理的运动参数、适当的辅助手段实现建筑垃圾中粘土砖物料和混凝土物料的分离。

③ 该项研究的建筑垃圾再生料砖砼分离设备可以将混凝土分离率达到91%，生产率可达3.84 t/h。

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Research of Separation between Clay Brick and Concrete in Construction Waste Recycled Aggregate

HU Kui1， HAN Sen1， XUE Xue2， LEI Tian1， SHANG Weigon3

(1.School of Highway， Chang’an University， Xi’an， Shanxi 710061， China；2.Xi’an Municipal Engineering Design & Research Institute Co.， Ltd.， Xi’an， Shanxi 710068， China；3.Shanxi Transportation Engineering and Maintenance Co.， LTD， Xi’an， Shanxi 710117， China)

[Abstract]It is an effective way of dealing with construction waste to use construction waste in road engineering.The value can be improved by the separation of the clay brick and concrete in the construction waste recycled material.Technical parameters of the developing machine are calculated by means of gravity separation，stepped sieve，eccentric trajectories and other aided ways based on the different physical properties of the two different kinds of materials.The design of corresponding machine is achieved finally.The clay brick and concrete are separated effectively through the equipment commissioning process.This provides technical basis for the promotion and application of construction waste.

[Key words]construction waste； clay brick and concrete separation； technical parameters

[收稿日期]2014-10-31

[基金项目]陕西省火炬计划(S2012HJ352)；2012年陕西省科技统筹创新工程计划战略性新兴产业重大产品(群)项目(2012KTCQ03-09)

[作者简介]胡魁(1987-)，男，河南正阳人，博士研究生，从事可持续交通基础设施研究。

[中图分类号]U 416.26

[文献标识码]A

[文章编号]1674-0610(2016)03-0172-06