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有机/无机材料智能识别与砖/混凝土高效分离

申报人：刘团国 申报日期：2025-01-09

基本情况

2025年批次
有机/无机材料智能识别与砖/混凝土高效分离 学生申报
创新训练项目
工学
土木类
学生自主选题
一年期
本项目在已经研究出的可变风量、可变风压风选机自适应可拓智能控制技术、高效智能分选长条状物料的立体防堵筛分技术、城镇建设装修垃圾处置专用系列筛分技术的基础上，结合正在进行的建筑垃圾有机/无机材料智能识别与高效分离技术对砖、混凝土的高效分选技术进行研究，提高砖、混凝土的分离精度，最终形成环境好、低成本、高分离效率的砖、混凝土分选技术，为我国建筑的规模化、合理化、产业化提供技术支持。
负责人曾参与一项国家级大学生创新创业训练项目，参与中国国际大学生创新大赛并获得了区级银奖，曾主持过一项大学生创新创业训练项目。
[1]安邦国.钢渣-再生混凝土混合骨料透水砖制备与性能研究[D].桂林理工大学,2020.DOI:10.27050/d.cnki.gglgc.2020.000041.
[2]王磊,安邦国,易金,等.钢渣制备透水砖基层强度及透水性能试验研究[J].混凝土,2021,(07):122-125.
[3]安邦国,骆岩松,李学祺,梁月清,等.基于贝叶斯理论的再生混凝土强度预测模型优势分析[J].四川水泥,2023,(01):17-19.
[4]李学祺,安邦国,郭鑫淼,等.适用于机械化施工的再生砂浆研究[J].科技创新与应用,2022,12(27):71-74.DOI:10.19981/j.CN23-1581/G3.2022.27.017.
[5]余大鹏,易金,宋兆萍,安邦国,等.骨料粒径对珊瑚混凝土力学性能影响[J].华东交通大学学报,2020,37(04):1-6.DOI:10.16749/j.cnki.jecjtu.2020.04.001.
[6]王磊,章明明,汪稔,安邦国,等.全珊瑚混凝土徐变性能试验研究[J].混凝土,2020,(05):1-4.
安邦国老师主要研究方向为高校工程教育与大学生思想政治教育，主持完成校级课题1项，作为主要成员参与区级课题1项、校级课题3项，先后在国家正式刊物上公开发表学术论文4篇，曾指导学生荣获第八届中国国际“互联网+”大学生创新创业大赛铜奖。指导老师可为项目组提供翔实、全面、细致的技术指导，协调相关部门为项目组开展试验提供场地和仪器设备支持，项目组为项目开展试验提供配套的研究经费支持。
校级

项目成员

序号 学生 所属学院 专业 年级 项目中的分工 成员类型
刘团国 土木工程学院 土木工程 2023 总负责人
刘翔 计算机科学与工程学院 人工智能 2023 网络搭建
赖俊锦 土木工程学院 智能建造 2022 产品研发
崔恬祎 材料科学与工程学院 高分子材料与工程（创新班） 2023 材料选用与处理
陈俊宇 土木工程学院 智能建造 2024 设备维护

指导教师

序号 教师姓名 所属学院 是否企业导师 教师类型
李鹏宇 党委组织部 否
安邦国 校团委、创新创业学院 否

立项依据

在城镇垃圾筛分技术，可变风量、可变风压的自适应可拓智能控制技术以及立体防堵筛分技术研究基础上，拟进一步研究解决“在分选过程中，砖、混凝土的成分比例不同导致混凝土的强度很高，和砖黏结紧密很难分离，砖、混凝土的分离效率并不是很高，同时对于建筑垃圾有机/无机材料智能识别与高效分离技术并没有达到理想中的效率”等问题。项目力求研究出砖、混凝土的高效分离技术以便于节约资源，同时控制成本，减少对于环境的污染，提高土地的利用率。同时，为了提高资源回收利用率，项目团队进行研究后发现建筑垃圾中有多种可回收利用的材料，可以通过智能识别和高效分离有机无机材料，精准地分拣出有价值的成分。例如，将废有机材料和无机材料分开，混凝土块经过破碎等处理后可用于再生建材，避免资源浪费。其次是降低环境污染风险。建筑垃圾如果未经合理分离处理，有机材料腐烂会产生渗滤液，无机材料中的重金属等有害物质可能会污染土壤和水体。智能识别和高效分离有助于不同性质的材料进行针对性的处理，如对含有重金属的无机材料进行无害化处理，从而减少对环境的危害。
本项目围绕建筑垃圾处理展开多方面深入研究与应用，涵盖多项关键技术及装备研发。在开始阶段，项目团队将结合之前研究的风选技术，通过研究其结构并进行理论测试确定最优设计，同时根据已掌握的可变风量、可变风压的自适应可拓智能控制技术，针对长条状物料，通过已有的立体防堵筛分技术，在城镇建设装修垃圾处置上，优化复合张弛筛，满足工艺与经济适用性要求；在此基础上进行深入研究砖/混凝土自动分离、智能分选等技术，解决建筑垃圾处理中的堵料与精细分离问题，且对建筑垃圾有机和无机材料，优化多机械手智能协同分拣技术，研发全新结构提升重型机器人分选率，具有重要现实与经济价值。
1.在砖、混凝土分离方面国外方面
美国在21世纪初就开始重视废弃混凝土回收，利用大型破碎机械进行精细化破碎分离，并依据粒度大小精准分级。德国采用干馏燃烧垃圾处理工艺让建筑垃圾中各种再生材料分离，对回收骨料的质量有严格标准。英国有建筑垃圾分级评估及再利用质量把关标准，还有专门回收湿润砂浆和混凝土的机器。日本通过破碎、分选、筛分流程处理废弃混凝土，研究了将混凝土分离成砂浆和石子的技术。
国内方面：中荆金建（荆门）绿色建筑材料有限公司获得“一种混凝土砂石分离机”专利，提升了筛分效率和资源回收能力。一些企业和研究机构也在探索更高效的分离技术，以提高废弃混凝土的回收利用率。
2.在有机无机材料智能识别与分离上
国外方面：在吸附分离领域，研究集中于开发新型吸附材料用于分离，如金属有机骨架材料，利用其结构可调性在轻质碳氢化合物等的分离纯化方面显示巨大潜力。
国内方面：南京工业大学金万勤教授团队研发的有机-无机复合膜获得2023年国家科学技术进步奖二等奖，解决了传统膜的一些问题，还在进一步研发混合基质膜。浙江大学通过调控材料的结构含水量和外部压力实现无定形碳酸钙颗粒从无定形状态走向定形状态，有望为材料加工及分离等提供新方法。
此次创新方向定位为采用“先识别再分离”的工艺路线，可保障系统运行的稳定性；项目为了提高效率，想寻求一种技术，达到多重分选机制、工艺耦合作用，产线模块设计及人工智能分选等关键技术的优化与结合，在降低处理成本的基础上达到预定分选效率。本项目的研究在之前已有的基础上进行研究，这样可以减少数据的错误以及减少对技术的需求，同时在本次研究中也可以优化之前的研究，相辅相成。
本工艺方案可实现建筑垃圾有机/无机材料分选率>98%，建筑垃圾资源化利用率>95%，末端产品附加值高。本工艺方案系统是由各部分模块化组合起来的，可以根据不同的混合建筑垃圾物料组分进行灵活调整，因地制宜，因时制宜的选择科学合理的方案，达到设计最优。
（五）项目特色
本项目有助于建筑垃圾中有机/无机材料进行智能化精细高效分选，同时采用更高效率的方式达到砖、混凝土的高效分离，较以往的研究，项目团队采用了更高效的人工智能辅助项目团队来达到一个实验的效果。同时项目团队计划进行多重分选机制，工艺耦合作用，最终达到一个项目团队想要的建筑垃圾砖、混凝土的分离结果。保障建筑垃圾末端产品的高附加值利用，带来良好的环境、社会、经济效益。
在本次研究开展之前，项目团队已经在创新大赛上研究了城镇垃圾筛分技术，可变风量、可变风压的自适应可拓智能控制技术以及立体防堵筛分技术并取得了一定的成绩，借此基础，项目团队决定以这些技术为基础，结合团队对于有机无机材料的研究进程，完成对于砖、混凝土高效分离的研究。针对建筑垃圾分选过程中，混凝土剥离不充分与有机无机材料分离困难问题，项目团队采用了分析多元建筑垃圾材料特征与复杂存在状态对分选效率的影响机理来解决问题的方案，在图示的技术上，对于优化处理和可行性分析对于建筑垃圾有机/无机材料智能识别与高效分离，项目团队决定采用更高效的研究方式与技术力求达到有机/无机材料分选率98%以上，相关系统技术路线主要包括：
1.板链输送机组成的上料模块；2.基于高效智能分选长条状物料的立体防堵筛分技术的一级筛分机模块，由基于城镇建设装修垃圾处置专用系列筛分装备的二级筛分机模块；3.基于可变风量、可变风压风选机自适应可拓智能控制技术的风选机模块；4.基于人工智能领域机器视觉、高光谱成像和三维激光扫描等多传感器融合检测技术，对建筑垃圾表面物理性质、材质、三维形状等信息进行融合分析计算，运用最新的深度学习技术对其进行精细分类与准确识别，从而实现建筑垃圾的智能精细分选的智能分拣机器人模块；5.建筑垃圾专用反击式破碎机组成的破碎机模块；6.建筑垃圾专用的自卸式电磁选机组成的除铁器模块；7.重型圆振筛组成的骨料筛分机模块及搭配组合的人工分拣模块。各模块之间的物料输送通过皮带输送机模块进行实现
1.混合建筑垃圾经专用运输车运输至原料仓堆放，由装载机上料至重型链板输送喂料机中，物料由输送机输送进入一级筛分机模块。
2.一级筛分机运用了高效智能分选长条状物料的立体防堵筛分技术，能将影响产线稳定运行的大件干扰物（＞450mm的物料）筛分出产线，并将物料充分的打散，物料被筛分成三种粒径的物料，分别为大件干扰物（＞450mm）、筛上物（250mm-450mm）和筛下物（<250mm），大件干扰物（大块混凝土块、大块红砖、大块木材、大块塑料、大块纸板等，>450mm）直接输送返回至堆场再进行人工预分拣，大块建筑垃圾经镐机破碎后重新上料。
3.阶梯筛筛上物（250-450mm）由输送机运输至人工+智能分拣机器人分选模块，智能分拣机器人运用人工智能领域机器视觉、高光谱成像和三维激光扫描等多传感器融合检测技术，对建筑垃圾表面物理性质、材质、三维形状等信息进行融合分析计算，运用最新的深度学习技术对其进行精细分类与准确识别。当设备检测到输送带上有垃圾经过时，利用视觉系统扫描垃圾流，识别垃圾的表面特征，然后通过深度学习，分析识别出物体材质、轮廓和抓取点，并根据物体的大小、价值和位置来确定分选的优先级，利用机械手便捷、快速地进行物料分选，防止人工意外风险的发生，并精准的挑选出其中的木材、塑料、石膏板等资源物，实现建筑垃圾智能精细分选。经人工+智能分拣机器人分拣出木材、金属及其他可燃物，落入对应的缓存货格；剩余物为大块建筑垃圾，由输送机运输至后端反击式破碎机直接破碎处理。
4.阶梯筛筛下物（<250mm）由输送机输送至二级筛分机模块，二级筛分机为复合张弛筛，上层筛面上部采用悬挑式棒条结构，上层筛面下部为格栅式筛网，筛面与水平面呈15°夹角，上层筛网从上到下阶梯式布置，上层筛面长棒条与网格筛面的法向夹角为100°，短棒条与格栅筛面的法向夹角为110°。筛面下部呈格栅布置，横向隔板与格栅筛面的切向夹角为120°。下层筛面为柔性筛网，可针对湿、黏建筑装修垃圾物料具有很好的筛分效果，筛网堵塞情况也明显改善，满足对物料的多重精细筛分要求。
5.复合张弛筛将物料又筛分成筛上物（60-250mm）、筛中物（20-60mm）、筛下物（<20mm）三种粒径物料，筛上物和筛中物分别由输送机经除铁器模块去除部分铁磁性金属后，分别由输送机输送至高压密度分选机模块，高压密度分选机模块运用了可变风量、可变风压风选机自适应可拓智能控制技术，设备在运行过程中通过前端识别，控制系统处理信息并发出指令控制风机运行参数、皮带机传送速度；通过调整风量分流阀位置、吹风口角度，以及拨料滚筒位置和转速，实现处理物料的动态变化，动态调整，以达到最佳使用效果。同时对后端的目标物进行图像分析比对，对处理效果进行判定并反向调节设备上述各项参数，以达到闭环最佳使用分选效果，实现重物质（水泥块、石材、加气块、陶瓷、玻璃、红砖等）和轻物质（塑料、纸板、织物等）的高效分离。
6.复合张弛筛筛下物为渣土混合物，颗粒比较小，由输送机直接运输至相对密闭的渣土堆放区后期进行资源化利用。
7.两台高压密度分选机分选出的重物质（水泥块、陶瓷、玻璃为主）由输送机汇总输送进入人工分拣房设备，进一步剔除物料中的可燃物等轻物质，与两台高压密度分选机分选出的轻物质由输送机汇总输送至可燃物缓存区域暂存。剩余的较纯重物质由输送机输送至建筑垃圾专用反击式破碎机破碎模块，破碎后的物料经除铁器模块进一步去除部分金属后由输送机输送至骨料筛分机模块进行骨料的筛分。
8.重型圆振筛骨料筛分机将破碎后的物料筛分成0-5mm、5-10mm、10-31.5mm、31.5mm四种粒径再生骨料（粒径范围及种类数可根据实际项目情况进行调节，本章节设定的骨料粒径数值仅供参考）。
9.对于0-5mm、5-10mm粒径较小再生骨料，直接由输送机输送至对应粒度的骨料仓暂存、10-31.5mm骨料则由输送机经过人工分拣模块进一步巩固剔除杂质提纯后再由输送机输送至对应粒度的骨料仓暂存，>31.5mm骨料通过输送机输送返料经过人工分拣房模块进一步剔除杂质提纯后返料至反击式破碎机中，循环破碎控制粒径，同时也保障末端再生骨料品质，含杂率<2%。
10.各缓存区域内成品料，采用装载机将物料转运至成品料堆放区，成品料堆放区物料按照容量要求定时清运。
对于砖混凝土的分离技术路线如下：
1.经过预处理的建筑垃圾原料，其粒径小于600mm，其通过装载机运送到均匀给料除土模块01，除去渣土后通过输送机输送到砖混分离模块02，砖混分离模块02初步分离出砖块和混凝土块，混凝土块输送到砖混剥离模块03。
2.砖混剥离模块03对物料进行剥离，然后依次经过第一高效筛分模块04来筛分出砖块和混凝土块，经由第一智能分选模块05筛分出少量砖块和相对纯净的混凝土块后，输送到混凝土块粉碎模块06。其中，第一高效筛分模块04和第一智能分选模块05分选出的砖块运送到红砖粉碎模块08，进行粉碎，最后形成砖骨料。另外，砖混分离模块02产生的砖块经过第二高效筛分模块07筛分出的砖块也送到红砖粉碎模块08；第二高效筛分模块07筛分出的渣土进行统一堆放。
3.混凝土粉碎模块06将上述相对纯净的混凝土块进行粉碎，形成的混凝土骨料输送到第三高效筛分模块09；第三高效筛分模块09将混凝土骨料筛分为五类，第一类为8-12mm的物料，第二类为12-20mm的物料，第三类为20-31.5mm的物料，第四类为大于31.5mm的物料，第五类为0-8mm的物料。
4.第一类的物料通过第二智能分选模块10分选为高度纯净的砖骨料和混凝土骨料；第二类的物料通过第三智能分选模块11分选为高度纯净的砖骨料和混凝土骨料；第三类的物料通过第四智能分选模块12分选为高度纯净的砖骨料和混凝土骨料。第四类的物料返回混凝土粉碎模块06循环。第五类的物料属于成品，直接输送至混凝土骨料堆。由此，即完成了建筑垃圾砖/混凝土智能分选的全部流程。
（七）拟解决的问题
项目计划完成建筑垃圾有机/无机材料智能识别与高效分离的全部流程，实现将建筑垃圾最终分选成再生骨料，金属，混合渣土，混合可燃物，木材、纸质等其他资源物五大类产物。在砖、混凝土研究方面，分离后的砖和混凝土如果要回收再利用，其质量必须达到一定标准。对于砖，要尽量减少破碎过程中产生过多粉末，保证砖体的完整性，使其能够再次作为建筑材料使用。对于混凝土，要精准分离其中的砂石和水泥成分，确保再生骨料的强度、级配等指标符合要求。其次回收的材料如果质量不佳，会影响其在新建筑中的使用性能和安全性，如用质量差的再生混凝土骨料制作的混凝土结构可能出现强度不足的情况。在环保问题方面，分离过程中会产生粉尘、噪声等污染。粉尘不仅危害操作人员的健康，还会对周边环境造成影响。需要通过改进设备、增加除尘降噪装置等方式，减少分离过程中的环境污染。同时，在处理一些含有有害物质 （如旧建筑材料中的油漆、涂层等）的砖和混凝土时，要防止有害物质泄漏和扩散。
第一阶段：2024年12月-2025年3月
1.团队组建与分工，明确各成员职责。
2.开展全面的文献调研，深入了解砖混凝土分离及有机无机材料分离分选的现有技术、方法及研究现状，掌握相关理论知识，撰写文献综述报告。
3.制定详细的研究计划和实验方案，确定研究目标、方法、步骤及预期成果，准备实验所需的材料与设备清单。
第二阶段：2025年3月-5月
1.根据实验方案，搭建小型实验平台，进行砖混凝土分离的初步尝试，如采用简单的机械破碎和筛分方法，观察不同条件下的分离效果，记录实验数据。
2.同时开展有机无机材料分离分选的探索性实验，利用密度法、溶解法等基本原理，测试不同材料的分离可能性，筛选出具有潜在可行性的分离方法，并对实验过程中的问题进行总结分析。
第三阶段：2025年5月-7月
针对前一阶段砖混凝土分离实验中存在的问题，优化破碎设备参数、改进筛分工艺，引入新的分离技术（如磁吸、风选等）进行对比实验，提高分离效率和纯度。
在有机无机材料分离分选方面，深入研究影响分离效果的因素（如温度、酸碱度、溶剂浓度等），通过设计正交实验，获取大量实验数据，并运用数据分析软件进行数据处理，建立初步的数学模型，探索各因素与分离效果之间的定量关系，确定较优的分离条件组合。
第四阶段：2025年7月-2024年9月
将优化后的砖混凝土分离技术和有机无机材料分离分选技术进行系统整合，构建完整的分离分选实验装置，确保各部分之间的协同工作稳定可靠。
对整合后的系统进行全面性能测试，使用实际的建筑垃圾和混合有机无机材料样品，评估系统在不同工况下的分离效率、产品纯度、能耗等关键性能指标，与预期目标进行对比，找出差距和不足之处，提出进一步的改进措施。
第五阶段：2025年9月-12月
整理试验数据，撰写发表小论文，申请发明专利，完成结题报告。
1.与本项目有关的研究积累和已取得的成绩
（1）项目负责人为土木工程专业大二学生，参加了多个与此相关的科研课题，曾跟随指导老师老师开展了了近一年的建筑垃圾重利用方面的试验，具体扎实的试验功底和分析能力；
（2）项目组其他组员来自土木工程、人工智能、高分子材料专业方向学生，经过相关专业的学习，具备了良好的专业功底，并且富有创新能力和吃苦肯干精神；
（3）该项目为指导教师团队主持在研项目的一部分内容，目前已开展了相关的研究工作，为本项目的实施提供了一些有利条件。

2.已具备的条件，尚缺少的条件及解决方法
项目组所在学校实验室拥有先进齐全的土工实验和材料分析设备，这些试验条件基本可以满足所开展的试验需求。另外，指导老师主持在研的科研项目可为本项目提供配套的试验经费和相关的试验场所、仪器设备等。

经费预算

开支科目 预算经费（元） 主要用途 阶段下达经费计划（元）
前半阶段 后半阶段
预算经费总额 15000.00 无 5000.00 10000.00
1. 业务费 10000.00 无 2500.00 7500.00
（1）计算、分析、测试费 5000.00 无 2500.00 2500.00
（2）能源动力费 0.00 无 0.00 0.00
（3）会议、差旅费 0.00 无 0.00 0.00
（4）文献检索费 0.00 无 0.00 0.00
（5）论文出版费 5000.00 无 0.00 5000.00
2. 仪器设备购置费 0.00 无 0.00 0.00
3. 实验装置试制费 0.00 无 0.00 0.00
4. 材料费 5000.00 无 2500.00 2500.00
结束

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