城市廢棄物的利用及經(jīng)濟(jì)效益分析

羅章　楊亞楠

作者簡介：羅章（1970-），男，湖南衡陽人，工學(xué)博士，副教授，湖南工業(yè)大學(xué)碩士生導(dǎo)師（外聘），湖南省首批新世紀(jì)121人才工程人選，中國巖石力學(xué)與工程學(xué)會(huì)巖石破碎工程專業(yè)委員會(huì)第六屆委員會(huì)委員，21世紀(jì)應(yīng)用型本科實(shí)用規(guī)劃教材土建系列教材編委，湖南省自然科學(xué)基金評審專家，湖南省綜合評標(biāo)專家，2004年5月于中南大學(xué)安全技術(shù)及工程專業(yè)獲得博士學(xué)位.主要研究方向?yàn)榛炷令惒牧媳緲?gòu)關(guān)系，土木工程技術(shù)及災(zāi)害防治。

楊亞楠（1989-），女，河南周口人，湖南工業(yè)大學(xué)財(cái)經(jīng)學(xué)院研究生，專業(yè)：項(xiàng)目管理專業(yè)，研究方向：工程項(xiàng)目管理。

摘 要：本文探討利用聚苯乙烯（EPS）、爐渣、建筑廢渣等城市固體廢棄物，摻入水泥、砂、發(fā)泡劑等材料，通過試驗(yàn)室調(diào)整原材料與發(fā)泡劑的配合比，研制出了一種節(jié)能、利用廢棄物，又具備良好的物理、力學(xué)、熱工性能等新型墻體的材料。該輕質(zhì)砌塊節(jié)能、利廢、經(jīng)濟(jì)、環(huán)保，產(chǎn)品的所有指標(biāo)都能達(dá)到國家規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)指標(biāo)，同時(shí)有效地實(shí)現(xiàn)了城市固體廢物變“廢”為寶的目的。非常適合目前砌塊材料的發(fā)展方向，展現(xiàn)出良好地工程實(shí)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：廢棄物EPS泡沫；爐渣；建筑廢渣；研制；經(jīng)濟(jì)效益

引言

當(dāng)前，能源問題已經(jīng)成為全世界最熱門話題之一，我國作為世界上最大的發(fā)展中國家，更是把能源上升到前所前所未有的國家戰(zhàn)略高度。近幾年來，我國對房屋建筑節(jié)能方面的工作已越來越關(guān)注，在一些相對特殊的地方，對于新的建筑已經(jīng)開始節(jié)能的要求。充分利用當(dāng)?shù)刈匀毁Y源，開發(fā)出節(jié)能、保溫、輕質(zhì)、利廢的建筑材料是我國節(jié)能工作地有利保證。

提高資源的利用效率、開發(fā)資源使用新的高效技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對環(huán)境有益模式，是我國可持續(xù)發(fā)展經(jīng)濟(jì)的一項(xiàng)持久戰(zhàn)略方針。利用聚苯乙烯泡沫、爐渣、建筑廢渣這類工業(yè)廢料研制混凝土保溫砌塊，不但可以保護(hù)耕地、治理環(huán)境的污染、節(jié)省治污資金[1]，而且可以將聚苯乙烯泡沫、爐渣、建筑廢渣這類工業(yè)的廢料作為再生材料利用，為國家及企業(yè)創(chuàng)造相當(dāng)可觀的經(jīng)效益。

本文研究的主要目的是利用廢棄的聚苯乙烯泡沫、爐渣和建筑廢渣研制輕質(zhì)節(jié)能型的混凝土砌塊，研究的主要內(nèi)容為：

試驗(yàn)研究廢棄聚苯乙烯與建筑廢渣及爐渣混凝土輕質(zhì)砌塊的力學(xué)性能及物理性質(zhì)，用工程實(shí)踐的方式來證明其優(yōu)越性。具體包括兩個(gè)步驟：

a材料準(zhǔn)備

配備好水泥、砂、水、粉碎的泡沫塑料、建筑廢渣、爐渣、增粘劑。

b制作砌塊

（1）根據(jù)市場需求生產(chǎn)砌塊的模具，在研制砌塊前，要在模具的內(nèi)壁涂廢舊的機(jī)油，為了便利于脫模。

（2）采用一定比例的水泥、骨料、水與發(fā)泡劑均勻混合，再加入粉碎的塑料泡沫顆粒，均勻混合，制成砂漿。

（3）將漿體灌入模具中，制成所需的砌塊。

（4）根據(jù)所摻的泡沫塑料的不同與水泥、骨料等制成砂漿，澆制成所摻塑料不同的砌塊。

（5）用試驗(yàn)與對比的方法測試砌塊的力學(xué)性質(zhì)與物理性質(zhì)，評估其經(jīng)濟(jì)與產(chǎn)品優(yōu)勢。

1.砌塊的研制

1.1原材料的選取

（1）聚苯乙烯：選取用聚苯乙烯塑料的各類包裝材料，用在一些貴重限量的易碎物件和一些熟食品的包裝。聚苯乙烯泡沫粒徑宜小于等于10mm（聚苯乙烯可用電動(dòng)砂輪粉碎成泡沫）。

（2）爐渣、建筑廢渣：爐渣、建筑廢渣都屬于工業(yè)廢渣。經(jīng)過一系列的物理力學(xué)試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)含建筑廢渣屬于非均質(zhì)級配良好土，具有較高的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)[2]。

（3）水泥：水泥作為較重要的鈣質(zhì)材料，在輕質(zhì)泡沫混凝土中使用，它是此砌塊材料中Ca（OH）2的主要來源。所以選取32.5#普通硅酸鹽水泥；

（4）砂：中砂；

（5）水：就是普通的自來水；

（6）發(fā)泡劑：泡沫的作用是研制此新型砌塊的關(guān)鍵，所以發(fā)泡劑的選擇會(huì)直接影響到砌塊的質(zhì)量，因此，就選取了杭州妙能生物科技生產(chǎn)的砌塊的發(fā)泡劑。5000元/噸；

實(shí)際施工時(shí)，可視原材料情況及地區(qū)氣溫，適當(dāng)添加減水劑、增粘劑、早強(qiáng)劑。

1.2配合比及工藝流程

1.2.1EPS泡沫、爐渣和建筑廢渣制混凝土的配合比

配合比是生產(chǎn)EPS泡沫、爐渣和建筑廢渣制混凝土砌塊的核心技術(shù)，較佳的一般需要經(jīng)過小試試驗(yàn)、期間試驗(yàn)并在生產(chǎn)中經(jīng)過多次調(diào)整才能得到。下面就簡要介紹EPS泡沫、爐渣和建筑廢渣制混凝土砌塊配合比的確定。

（1）聚苯乙烯材料用量的確定：因?yàn)榫郾揭蚁┚哂邢鄬γ芏刃。?.05g/cm）、熱導(dǎo)率較低、吸水性很小、耐沖擊及振動(dòng)、隔熱、隔音、介電性能優(yōu)良、防潮、減振等優(yōu)點(diǎn)，以聚苯乙烯泡沫作為輕骨料取代石子，可以降低砌塊的容重，提高保溫隔熱性能和其抗折、抗壓性能等特點(diǎn)；該墻體材料研制試驗(yàn)主要分為兩個(gè)階段，首先是對EPS、建筑廢渣、爐渣的原材料的性能和作用的分析比較，同時(shí)對EPS顆粒表面進(jìn)行預(yù)處理的研究，通過這些研究初步確定材料摻量，并對不同摻量做對比試驗(yàn)；其次是根據(jù)第一階段得出的數(shù)據(jù)，進(jìn)一步不斷的調(diào)整原材料和外加劑材料的用量，以便確定最佳配合比。通過這兩個(gè)過程的試驗(yàn)，最終確定了砌塊混凝土優(yōu)化質(zhì)量配合比[3]。

（2）爐渣、建筑廢渣材料用量地確定：對爐渣及建筑垃圾作為細(xì)集料取代天然河砂，我們通過壓制成型的方法對制備水泥基材料進(jìn)行研究，探索了在建筑垃圾摻量固定的前提下，同時(shí)摻加爐渣對水泥基材料強(qiáng)度、吸水率及抗凍融性能的影響規(guī)律，經(jīng)查閱相關(guān)資料及試驗(yàn)研究：在建筑垃圾取代40%天然河砂的前提下，水泥基材料的強(qiáng)度隨天然河砂被爐渣取代量的逐漸增加先增大后減小，吸水率則呈逐漸增大的變化趨勢；在抗凍融性方面，在一定摻量范圍內(nèi)，爐渣、建筑垃圾復(fù)摻制備的水泥基材料滿足《普通混凝土長期性能和耐久性能實(shí)驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》中D25抗凍等級指標(biāo)要求[4]，并對其機(jī)理進(jìn)行分析。

（3）水料比和用水量的確定

在試驗(yàn)中如果使用的原材料不同，那么就會(huì)引起水料比的不一樣，而實(shí)際生產(chǎn)中，水料比在很大程度上仍主要憑經(jīng)驗(yàn)試配確定。

（4）發(fā)泡劑用量的確定及配比原則

本試驗(yàn)所使用的發(fā)泡劑為濃縮很高效復(fù)合的發(fā)泡液，它具有抗堿能力強(qiáng)、穩(wěn)氣性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)；發(fā)泡液產(chǎn)生的氣泡不僅體積小，而且分布均勻，提高了混凝土的工作度和粘聚性，減少離析和泌水，提高抗凍融性和耐久性；在新拌混凝土澆注時(shí)或澆注后，水泥漿凝結(jié)前產(chǎn)生的氣泡，減少了混凝土沉陷和泌水這些現(xiàn)象，使混凝土更接近于澆注時(shí)的體積。加入輕質(zhì)砌塊制品中使其具有保溫、輕質(zhì)、保濕、抗?jié)B、隔音的效果。發(fā)泡液用量取決于發(fā)泡混凝土體積質(zhì)量，體積質(zhì)量大，發(fā)泡液用量少；體積質(zhì)量小，發(fā)泡液用量多[5]。發(fā)泡液用量（AL）可由下面公式求得[6]。

AL=[V-（C/r1+SL/r2+F/r3+W）]/Vtp

式中：V—發(fā)泡混凝土膨脹后總體積，L；AL—發(fā)泡劑用量，kg；C—水泥用量，kg；

r1—水泥密度，kg/m3；SL—爐渣超細(xì)粉用量，kg；r2—爐渣超細(xì)粉密度，kg/m3；

F—建筑廢渣用量，kg；r3—建筑廢渣密度，kg/m3；W—總用水量，L；

Vtp—發(fā)泡液理論發(fā)氣量，L/kg。

1.2.2工藝流程

砌塊生產(chǎn)的工藝流程是先將水泥、聚苯乙烯泡沫、砂、建筑廢渣、爐渣、和水分別的計(jì)量、攪拌混合，再計(jì)量發(fā)泡劑、攪拌，然后把得到的混合料加入制得的泡沫攪拌均勻。其中發(fā)泡劑的泡沫是采用發(fā)泡劑通過機(jī)械制出的泡沫，攪拌均勻后，立即注模、進(jìn)行預(yù)養(yǎng)護(hù)、脫模、養(yǎng)護(hù)得到制品。

1.3試驗(yàn)的調(diào)整

經(jīng)過多次試驗(yàn)的調(diào)整，其原材料的配合比（范圍）：水：水泥：聚苯乙烯泡沫：砂：建筑廢渣：粉煤灰或煤渣：發(fā)泡劑=1.8：1.0：0.012～0.018：0.4：2.0：3.0：0.015

1.4測試數(shù)據(jù)

（1）試件密度：0.95g/cm3

（2）保溫性能：我們分別用普通粘土磚、加氣混凝土砌塊及研制出EPS泡沫、爐渣和建筑廢渣制輕質(zhì)砌塊，制作出尺寸完全相同的三個(gè)密封的實(shí)驗(yàn)室，實(shí)驗(yàn)室的四周均用相同的材料制作。內(nèi)放功率一樣的電爐，室外的溫度平均為26℃。對三個(gè)實(shí)驗(yàn)間的電爐進(jìn)行3h的加熱后斷電，持續(xù)觀察三個(gè)實(shí)驗(yàn)間的溫度變化，其變化如下面的溫度—時(shí)間變化曲線：

（3）力學(xué)性能：在EPS泡沫、爐渣和建筑廢渣制混凝土砌塊上安放鋼制承壓板，保持均勻的加荷速度為0.1Mpa/s。對每一組（五塊）砌塊進(jìn)行抗壓試驗(yàn)，得到的抗壓強(qiáng)度范圍為3～6MPa。

2.經(jīng)濟(jì)效益分析

市場分析：按照我國土地資源保護(hù)政策的規(guī)定，中國東部一些地級市于2008年前，明確禁止使用實(shí)心粘土磚。所以，新型砌塊的市場需求有很大的空間，雖然中國沿海發(fā)達(dá)地區(qū)加氣砌塊已經(jīng)廣泛使用了很多年，但是市場還是有非常大的空擋，伴隨著城市房屋設(shè)計(jì)的步伐，住房對環(huán)境保護(hù)、節(jié)能方面的要求不斷上升，越來越重視對外墻保溫材料等級需求，新型混凝土輕質(zhì)砌塊起開正碰到難得的機(jī)遇。這種砌塊由于自身多孔及輕質(zhì)，而且有很低的熱膨脹系數(shù)、很好的隔熱性、隔音性和耐火性能，這些優(yōu)異的性能使得聚苯乙烯與建筑廢渣及爐渣混凝土輕質(zhì)砌塊的研究和應(yīng)用在國內(nèi)受到越來越多的重視[7-8]。

社會(huì)效益：聚苯乙烯與建筑廢渣及爐渣研制的輕質(zhì)砌塊具有重量輕、保溫隔熱性能好，造價(jià)低、投資小、原料來源廣等優(yōu)勢，從未來建筑保溫趨勢看加此砌塊的推廣為社會(huì)節(jié)約了大量的土地，充分利用了聚苯乙烯泡沫、爐渣、建筑廢渣，節(jié)約了處理它們對環(huán)境污染的治理的費(fèi)用，提升了建筑的質(zhì)量，達(dá)到節(jié)能環(huán)保的目的。

鼓勵(lì)政策：我國為了鼓勵(lì)和開發(fā)節(jié)能、節(jié)地、利廢的新型墻體材料，代替大量的實(shí)心粘土磚，推出了一些新的政策，內(nèi)容包括：“發(fā)展新型材料的基建、擴(kuò)建、技改項(xiàng)目，實(shí)行固定資產(chǎn)投資方向調(diào)節(jié)稅率為0%的政策；發(fā)展新型墻體材料的項(xiàng)目，可列入國家開發(fā)銀行的基本建設(shè)政策性投資項(xiàng)目，可享受政策性貸款；凡企業(yè)利用本企業(yè)外的大宗煤矸石、爐渣、粉煤灰作主要原料、生產(chǎn)建材產(chǎn)品的所得，自生產(chǎn)經(jīng)營之日起，免征所得稅5年；對企業(yè)生產(chǎn)的原料中摻有不少于30%的煤矸石、粉煤灰、爐渣及其它廢渣的建材產(chǎn)品，免征產(chǎn)品增值稅；發(fā)展節(jié)能建筑和新型墻體建筑納入城市建設(shè)總體規(guī)劃，確保新型墻材建筑每年按一定比例增長；采暖地區(qū)要按期達(dá)到國際頒布的民用建筑節(jié)能設(shè)施標(biāo)準(zhǔn)，非采暖地區(qū)要結(jié)合改善建筑物熱環(huán)境制定應(yīng)用新型墻材的具體規(guī)劃，其人力組織實(shí)施，以此推動(dòng)新型墻體材料和保溫隔熱材料發(fā)展，促進(jìn)節(jié)能建筑全面推廣?！盵9]。

本實(shí)驗(yàn)采用1強(qiáng)度等級為32.5的水泥：價(jià)格為309元/噸；砂的價(jià)格為88元/噸；水的價(jià)格為3元/噸；發(fā)泡劑的價(jià)格為5000元/噸；聚苯乙烯泡沫的價(jià)格約8元/千克左右；磨細(xì)爐渣的單價(jià)約為180元/噸；磨細(xì)建筑廢渣的價(jià)110元/噸。

在砌塊中水的比例為約21.9%，水泥的比例約為12.2%，聚苯乙烯泡沫的比例約為0.18%，砂的比例約為4.9%，建筑廢渣的比例約為24.3%，爐渣的比例約為36.5%，發(fā)泡劑的比例約為0.18%。

本試驗(yàn)研制的節(jié)能型的砌塊采用建筑廢渣、爐渣占總比的53.2%。此取代水泥，成本有很明顯的降低，取重1000Kg該砌塊，則其體積就是1.05m3。價(jià)格約168元，所以經(jīng)計(jì)算砌塊是160元/m3。

經(jīng)測試該試件密度為0.95g/cm3，采用此砌塊作為承重保溫墻體和用于屋面隔熱都能很大程度上降低建筑結(jié)構(gòu)的自重，從而減小了梁柱等受力構(gòu)件的尺寸，減少了工程量、縮短了工期和降低工程費(fèi)用，還可用來實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的高層化，屋面保溫隔熱工程、耐熱工程、吸音隔聲工程等如果將其作為高層建筑結(jié)構(gòu)的填充墻，可以減輕結(jié)構(gòu)的自重，從而減少鋼筋用量，降低成本；由于該砌塊較輕，可以減少人力物力的投入和消耗，同時(shí)便于施工，從而降低了成本。

3.結(jié)論

本文研究了以水泥、爐渣、建筑廢渣為復(fù)合膠凝材料，適當(dāng)加入添加劑，以聚苯乙烯泡沫為輕骨料，摻入發(fā)泡劑，研制而成的砌塊，得出如下結(jié)論：所研制的砌塊符合墻體材料的表觀密度、抗壓強(qiáng)度、保溫性能的要求；不僅解決了廢舊泡沫塑料、建筑廢渣、爐渣污染環(huán)境的問題，而且可使它們得到二次利用；該砌塊大量利用廢舊泡沫塑料、建筑廢渣、爐渣，對消除白色污染與建筑廢渣及爐渣利用起到了積極作用，有利于環(huán)境保護(hù)，可大量節(jié)約土地資源；隔聲性能良好，可以避免噪聲污染；有極佳的隔熱保溫的性能；抗震性極其突出。因?yàn)楸韧却笮〉拇u要輕得多，密度在0.8～0.9g/cm3，比水的密度低。適用于框架結(jié)構(gòu)非受力墻，尤其適用于高層建筑，能大大減輕建筑物的自身的重量，減輕了地基承受的荷載；可根據(jù)所需強(qiáng)度的不同而選擇所摻的泡沫塑料的量，能是材料得到更充分的利用；砌塊的泡沫塑料材料本身價(jià)格低廉生產(chǎn)工藝簡單，有較大的利潤空間，經(jīng)營得法，將可形成一個(gè)大產(chǎn)業(yè)。

（作者單位：湖南工業(yè)大學(xué)）

項(xiàng)目來源：湖南省科技廳科學(xué)研究項(xiàng)目“粘貼混雜碳纖維復(fù)合材料加固混凝土梁補(bǔ)強(qiáng)機(jī)理及應(yīng)用研究”。湘財(cái)企指[2014]53號2014GK20133159，2014-2015年。

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