再生集料的破碎性能及破碎工艺

丁龙亭，王选仓，何 璐，翟 勇，张文刚，彭洋洋

(1.长安大学 公路学院，陕西 西安 710064； 2.山东理工大学 建筑工程学院，山东 淄博 255049； 3.济南城建集团有限公司，山东 济南 250000)

0 引 言

一些发达国家和地区对于废旧混凝土的再生研究比较成熟，再生利用率超过90%，而国内的废旧混凝土再生技术刚刚起步，综合再生利用率不超过5%，与发达国家差距很大[1-10]。Chen How-Ji通过研究发现，再生集料经过清洗，不会导致再生混凝土强度的降低。李惠强等提出了包括大块体破碎、预处理、破碎分选、强化处理等再生集料加工工艺[11-12]。史巍等研究出一种新型破碎加工工艺：废旧混凝土首先通过初级破碎装置破碎，再筛分成小于10 mm、10～40 mm这2种范围的粒径，然后进行二次筛分、风力分级，得到微粉(<0.15 mm)、再生细集料(0.15～5 mm)和再生粗集料(5～25 mm)。这种加工工艺简洁高效、结构新颖、加工成本低，比较适合当前中国发展需要，但是目前缺乏系统深入的研究[[13-15]。

针对中国目前没有统一的废旧混凝土再生集料破碎工艺这一问题，本文通过建立破碎模型，进行不同破碎机对再生集料和天然石材的破碎试验，分析各自的破碎性能，并提出新的再生集料破碎工艺，以期为再生集料的推广应用提供技术依据。

1 破碎模型的建立

1.1 破碎模型的基本框架

相比于原砾石，新产生的碎石破碎面更粗糙，具有较好的棱角性、表面构造和表面轮廓，即更高的颗粒指数。通过建立破碎模型并比选母岩破碎前的规格，能够得出母岩预筛分的筛孔尺寸。根据破碎面与总表面两者之间的面积比，可以求出满足不同破碎要求的母岩尺寸[16-17]。

假定母岩的表面积破碎前是SA，破碎后是SB，新的破碎面面积则为SB-SA，记作SC。石料的破碎面面积占总面积的比例为

(1)

破碎前与破碎后相比，面积发生改变，而体积没有变化，不同尺寸的母岩加工处理成不同粒径的再生集料后，求出常见的几种粒料特征的α值，通过研究α值与破碎后石料质量之间的关系可间接给出破碎母岩的控制粒径，进而达到控制石料破碎生产的目的。

1.2 破碎模型的建立

(1)确定母岩的形状特征。母岩形状特征如图1所示，影响母岩颗粒形状特征的因素有很多，因此其形状很难用单一的标准去衡量，相比之下，比表面积值较容易测量。

图1 母岩形状特征

(2)确定母岩破碎后的颗粒特征。集料的颗粒形状除了可以用表面积分析仪测出的比表面积表示外，也可用规格立方体近似表示。根据工程实际，模型计算采用的四档集料分别是5～10 mm、10～20 mm、20～40 mm、40～60 mm[18-19]。

(3)基于破碎前后表面积变化的数学模型。为了便于计算，以单位体积的表面积表征比表面积SA，母岩的表观密度ρα假设为2.70 g·cm-3[20]。

破碎前

式中：V为单颗粒母岩的平均体积(cm3)；m0为各母岩质量分级范围的前值(kg)，则各档母岩的平均质量为1.25mo；i为变量，表示不同的粒径，i=1、2、3、4、…。

破碎后

式中：ni为破碎后单颗粒母岩的各种形状或是各种粒径的粒料数量平均值；Vi为破碎后各粒级单颗粒体积，本项目中为4种形状按一定比例合成后的体积(cm3)；SBi为破碎后的各种形状或者各种粒径的表面积(cm2)。

2 再生集料破碎流程

2.1 试验仪器与材料

(1)颚式破碎机，型号为Y132S-4，功率为5.5 kW。

(2)锤式破碎机，型号为YX3 132S-4，功率为5.5 kW。

(3)圆形方孔筛，所需筛孔依次为：16、9.6、4.75、2.36、1.18、0.6、0.3、0.15、0.075 mm。

(4)废旧的混凝土试块要求完整，试块数量要满足试验所需。

(5)天然石材要求硬度要大，不得含有黏土岩、片岩等，以石灰岩、花岗岩为宜。

2.2 试验方法

取满足试验要求的4组废旧混凝土和4组天然石材，其中1号天然石材、2号天然石材、1号废旧混凝土、2号废旧混凝土均使用颚式破碎机破碎，3号天然石材、4号天然石材、3号废旧混凝土、4号废旧混凝土用锤式破碎机破碎。破碎结束后将破碎集料收集好，之后用圆形方孔筛筛分，分别装袋并做好编号。筛分结束之后观察采用2种破碎方式破碎后与破碎前破碎面的变化，并分析2种破碎方式破碎集料的石屑比和破碎比。

3 再生集料的破碎性能

3.1 破碎前后的表观特征

3.1.1 废旧混凝土破碎的表观特征

(1)废旧混凝土用颚式破碎机破碎后的表观特征如图2所示。破碎后的破碎面数量基本保持不变，都是6个；集料颗粒棱角分明，介于卵石和碎石之间，含有较多的孔隙，表面附有硬化的水泥砂浆，破碎面粗糙不规则。

图2 颚式破碎机破碎的废旧混凝土

(2)废旧混凝土用锤式破碎机破碎后的表观特征如图3所示。再生集料通过锤式破碎机破碎后，破碎面有明显变化，破碎前破碎面为6个，破碎后破碎面变得圆滑，数量出现4、6、7、8个；大多数的集料表面都附有硬化的水泥砂浆，其中一部分是破碎时的砂浆颗粒，另一部分是已经脱离砂浆的石子。

图3 锤式破碎机破碎的废旧混凝土

3.1.2 天然石材破碎的表观特征

(1)天然石材用颚式破碎机破碎后的表观特征如图 4所示。破碎后破碎面数量无显著变化，集料表面带有棱角，表面无明显孔隙，破碎面较规则。

图4 颚式破碎机破碎的天然石材

(2)天然石材用锤式破碎机破碎后的表观特征如图5所示，破碎后破碎面有明显变化，破碎前为6个，破碎后破碎面出现4、6、7、8个，破碎面较圆滑，与废旧混凝土的表观特征无明显差别。

图5 锤式破碎机破碎的天然石材

3.1.3 破碎结果对比

颚式破碎机破碎出的再生集料粒径较大，且破碎面无明显的数量变化，基本为6个；废旧混凝土的破碎面不规则，天然石材破碎面较规则，但两者破碎面都比较尖锐。锤式破碎机破碎出的再生集料粒径较小，破碎面有明显数量变化，且更为圆滑。

废旧混凝土破碎后的形状特征介于卵石和碎石之间，集料表面有棱角和较多的孔隙，且表面附着有硬化的水泥砂浆，其中一部分是破碎时的砂浆颗粒，另外一部分是已经脱离砂浆的石子；天然石材破碎后破碎面比较光滑，表面不存在明显的孔隙。

3.2 破碎比分析

3.2.1 废旧混凝土的破碎比分析

(1)颚式破碎机破碎废旧混凝土的破碎比如表1所示。

表1 颚式破碎机破碎废旧混凝土的破碎比

(2)锤式破碎机破碎废旧混凝土的破碎比如表2所示。

表2 锤式破碎机破碎废旧混凝土的破碎比

3.2.2 天然石材的破碎比分析

(1)颚式破碎机破碎天然石材的破碎比如表3所示。

表3 颚式破碎机破碎天然石材的破碎比

(2)锤式破碎机破碎天然石材的破碎比如表4所示。

表4 锤式破碎机破碎天然石材的破碎比

3.2.3 破碎比对比分析

由表1～4可以得出：废旧混凝土和天然石材破碎比只与破碎方式有关系，颚式破碎机破碎的集料破碎比为6.25，而锤式破碎机的破碎比为10.416；颚式破碎机和锤式破碎机的效果不同，二者的集料比率见表5，前者破碎后的大粒径集料比较多，原材料的减少程度较小，后者破碎的石屑比较大，原材料减少程度较大。

表5 颚式与锤式破碎机集料比率

3.3 石屑比分析

本文石屑比是指大于4.75 mm、2.36～4.75 mm、小于2.36 mm这3个粒径范围内的石屑所占比率。颚式破碎机破碎石屑比如表6所示，锤式破碎机破碎石屑比如表7所示。

表6 颚式破碎机破碎的石屑比

表7 锤式破碎机破碎的石屑比

通过表6、7可以发现，颚式破碎机破碎出的集料石屑比较小，锤式破碎机破碎出的集料石屑比较大，可见石屑比的大小和破碎方式有直接的关系。颚式破碎机破碎的集料中有90%的粒径不小于4.75 mm，而锤式破碎机破碎的集料中有60%以上的粒径不大于2.36 mm，相比于颚式破碎机，锤式破碎机破碎后的石屑比更大。

4 再生集料破碎工艺

通过分析2种不同的破碎方式，提出新的破碎工艺如下。

(1)对废旧混凝土进行预处理，先进行初步破碎，然后分离杂质和混凝土块。

(2)预筛分，除去多余的杂质。

(3)用颚式破碎机做初步破碎，并对废料进行处理。

(4)进行二次杂物分选，去除颗粒较小的杂质。

(5)锤式破碎机实现最后一步破碎，确保破碎质量。

(6)通过风力将破碎集料充分分级，获得高品质再生破碎集料。

再生集料破碎加工工艺流程如图6所示。

图6 破碎加工工艺流程

5 结 语

(1)本文建立了再生集料的破碎模型，分别使用颚式、锤式破碎机破碎废旧混凝土和天然石材，对比分析破碎表观特征、破碎比和石屑比等指标，发现不同的破碎方式对集料的关键性指标有很大的影响。

(2)颚式破碎机破碎出的集料粒径较大，破碎前后基本都为6个破碎面，废旧混凝土的破碎面不规则，天然石材的破碎面较规则；锤式破碎机破碎出的集料粒径较小，破碎面有明显数量变化，且破碎面更加圆滑，破碎的废旧混凝土和天然石材表观特征无明显差别。

(3)相比颚式破碎机，锤式破碎机的破碎比和石屑比更大，大粒径集料更少，原材料减少程度更大。