廢棄加氣混凝土的應用現狀與發展趨勢

賀行洋 王庭葦 曾三海 蘇英 鄭正旗 楊進

（1 湖北工業大學 土木建筑與環境學院，湖北 武漢 430068； 2 湖北工業大學 湖北省建筑防水工程技術研究中心，湖北 武漢 430068）

1 引言

國家“十三五”規劃綱要指出：“以提高環境質量為核心，以解決生態環境領域突出問題為重點，加大生態環境保護力度，提高資源利用效率。實施循環發展引領計劃，推進生產系統循環鏈接，加快工業固廢等大量廢棄物資源化利用，規范發展再制造。”但據《〈中華人民共和國固體廢棄物污染環境防治法〉實施情況的報告》顯示，我國固體廢棄物產量大、積存量多，僅建筑垃圾每年就產生約18 億噸，固體廢棄物的污染防治工作必須引起高度重視。因此，實現建筑垃圾的資源化利用是可持續發展戰略的一部分。一直以來，中國的經濟發展消耗大量的資源，建筑材料行業更需要大量的資源支撐，同時在不斷發展的過程中會產生大量的建筑廢棄物，而將建筑廢棄物轉變成可再生利用的資源是實現可持續發展的根本途徑。

加氣混凝土由于其具有自重輕，保溫隔熱性能良好等優點，被廣泛用作墻體材料，對我國新型墻體材料的改革起著至關重要的作用[1]。然而，在發展的同時會產生大量的廢棄加氣混凝土，一方面是因為我國大力推行新型墻體材料的改革，加氣混凝土砌塊在現代建筑中的應用非常廣泛，但達到其使用周期后，必將產生大量的廢棄加氣混凝土；另一方面是因為加氣混凝土砌塊的強度較低，在生產過程中易破損，一般破損率可達到5%～8%，再加上運輸和使用過程中會出現不同程度的破損，廢料占比可達10%左右，甚至達到15%[2]。據報道，在泰國廢棄加氣混凝土生產過程中產生的廢物約達3%～5%，每月達58噸，大量的廢棄加氣混凝土只能露天堆放，占用大量土地。但大多數國家目前處理廢棄加氣混凝土的普遍方法仍然是傳統的簡單回填和堆積，直接或間接地對環境造成了很大的危害，不僅占用大量的土地，而且對土壤、水資源造成污染。研究表明，廢加氣混凝土用于住宅建筑能夠節約7%的能量，每平方米的加氣混凝土墻在其生命周期內能減少大約350kg 的CO2排放[3，4]，隨著人們環保意識的增強，各國研究學者都相繼開展工業固體廢棄物的資源化再利用的研究，有利于節約天然資源、節約成本、保護環境，具有顯著的社會效益、經濟效益和環保效益，對國家的可持續發展具有非常深遠的意義。

2 廢棄加氣混凝土在建筑材料中的應用現狀

為了促進相關行業的可持續發展，人們更加致力于開展將各種工業廢棄物轉變成其他行業原材料的研究。通常，消耗工業廢料最簡單的方法就是將其作為水泥或混凝土的替代原材料，例如用作水泥摻合料或混凝土骨料。加氣混凝土砌塊是1923年在瑞典發明的一種輕質多孔的墻體材料，擁有國家制備標準，如今已成為一種國內外廣泛使用的建筑材料。加氣混凝土是由石英砂、粉煤灰等硅質原料、石灰、水泥等鈣質原料、水、適量的發氣劑和其它外加劑相互攪拌混合、然后經過澆注發泡、坯體靜停和切割等工序后，再經蒸壓或常壓蒸氣養護制備而成，具有容重小、保溫效果好等優點。

2.1 替代部分水泥

由于加氣混凝土具有孔隙率高、能源和材料消耗少的特點，可視作為一種可持續發展的建筑材料。目前面臨的挑戰主要是相較于其他石材和工業廢渣，加氣混凝土廢料的強度較低，僅1～9MPa。針對廢棄加氣混凝土再利用過程中強度低的問題，許多學者提出不同的激發方法，主要是以機械激發、化學激發為主。利用粉磨方式激發廢加氣混凝土的活性，當粉磨時間在0～70min 范圍內時，其力學強度隨著粉磨時間的延長不斷增強，但超過一定時間后其力學強度隨粉磨時間的增加緩慢，趨于平緩[5]。而馬保國等[6]將磨細的廢棄加氣混凝土替代部分水泥，摻入化學激發劑激發其活性，選定Ca（OH）2、CaSO4、激發劑T 三種激發劑評價其激發效果，綜合力學性能、SEM、XRD 等結果發現不摻激發劑，將磨細的廢棄加氣混凝土微粉摻入水泥中會降低砂漿強度，當廢棄加氣混凝土的摻量為40%時，激發劑的激發效果為T ＞Ca（OH）2＞CaSO4，其中CaSO4幾乎沒有激發效果，但摻入0.02%激發劑T，28d 強度提高約80%，激發機理猜想與其降低表面能有關，還需進一步研究。Boehme[7]研究了由砂、水泥與高達25%廢棄加氣混凝土復合配制而成的砂漿的力學性能，可用作室內砂漿。

2.2 作為硅質原材料

由于廢棄加氣混凝土的主要物相為碳酸鈣、二氧化硅和低鈣硅比及無定形的水化硅酸鈣，采用低溫煅燒的方法能促進水化硅酸鈣相脫水發生晶型轉變，形成更多的β-C2S 晶體，提高其膠凝活性，因此采用磨細和分別經450℃、550℃、650℃、750℃煅燒后的廢棄加氣混凝土砌塊部分替代粉煤灰，與生石灰、水泥、陶粒等復合制備陶粒加氣混凝土，結果表明當煅燒溫度為750℃時，廢砌塊粉體水化活性最高，制得的加氣混凝土抗壓強度增長率最大，為26.7%[8]。柳東[9]也研究了經600℃、700℃、800℃煅燒處理的粉煤灰加氣混凝土廢砌塊礦相變化，結果表明適宜煅燒溫度為700℃，摻量為15%時，可達P·C42.5 水泥強度標準。胡彪[10]成功利用高溫煅燒活化后的砂加氣混凝土制備出性能優異的托貝莫來石型硅酸鈣絕熱材料。郭武明[11]以廢棄加氣混凝土為主要硅質原料，摻入一定量的鋯渣或硅藻土，采用一次靜態水熱合成的方法，在反應過程中以廢棄加氣混凝土中的托貝莫來石晶相作為晶核促進反應，從而制備托莫來石晶型的硅酸鈣絕熱材料，并且制備的托貝莫來石晶體生長好，片狀晶體結構疏松，相互交叉搭接形成網架狀多孔結構。

2.3 用作集料

將廢棄加氣混凝土用作混凝土生產中的輕集料，不僅提高工業副產物的利用率，減少能源的消耗，而且有利于內養護過程中的強度提升一級，減輕混凝土的重量。因為多孔的廢棄加氣混凝土可以在材料準備和混合過程中吸收水分，然后在硬化過程中逐漸釋放混合物內的保留水。此外，廢棄加氣混凝土作為輕集料粗糙的表面和粗糙的孔隙結構可以成為水泥漿體和骨料過渡區之間的粘結劑，從而提高其力學性能。輕質及均勻分布的孔隙特征是將廢棄加氣混凝土作為一種內養護材料的重要原因，也為水泥水化提供了充分的條件。宿茹等[12]利用廢棄的加氣混凝土制備密度小、保溫隔熱、防火性能良好的輕砂，替代天然河砂制備保溫型砌筑砂漿，研究發現，當輕砂摻量為75%時，砂漿的強度等級為M7.5，干密度和導熱系數分別在1000～1300kg/m3，0.3～0.5W/（m·K）之間。也可將廢棄加氣混凝土砌塊用作輕集料制備輕質多孔混凝土，其導熱系數低，密度低，可以作為隔熱混凝土，并且是一種環境友好型的輕質混凝土，能廣泛用于建筑工業中[13]。另外，將廢棄加氣混凝土破碎至0～8mm 作為細集料應用于地板砂漿底層中，在高pH（＞12）和石膏含量低的條件下使可溶的磷酸鹽轉變成不溶的鈣礬石，不僅能有效減少硫酸鹽的溶出，而且使利用廢棄加氣混凝土制備高性能建筑產品成為可能[14]。廢棄加氣混凝土也可作為粗骨料制備低熱混凝土，摻入廢棄加氣混凝土為內養護提供條件，制備高附加值的輕質混凝土[15]。

2.4 替代引氣劑

室外混凝土結構受環境影響較大，其中一個重要的影響因素是凍融破壞，直接導致其強度降低，甚至造成整個結構破壞。目前常見的解決方法是加入引氣劑，引入微孔，增加其抗凍融循環能力，提高其耐久性。然而，引氣劑存在成本高，顯著降低混凝土強度的問題。為解決引氣劑存在的問題，有研究[16]表明，以廢棄多孔混凝土粉代替引氣劑制備混凝土，不僅能降低成本，而且能大大提高其強度（37%），也對混凝土的抗凍性有積極作用。

3 廢棄加氣混凝土在環境保護中的應用現狀

依據傳統回收利用蒸壓加氣混凝土廢料的方法，其化學成分會面臨應用技術問題，并可能對環境造成不利影響。據統計，每1kg 蒸壓加氣混凝土中含有12.6g 可過濾的硫酸，若應用于建筑材料中會導致風化及內部硫酸鹽侵蝕等耐久性問題，并且若硫酸鹽侵入地下水會導致硫化物的形成以及帶來水質富營養化等問題。那么，在水泥水化的過程中利用化學反應固化硫酸鹽的方法是有效方法之一。

Brouwer J P，et al.[17]研究發現通過硫酸鹽與水泥中的3CaO·Al2O3（C3A）反應形成鈣礬石，可固化高達6wt%的硫酸鹽。Zhang Y，et al.[18]首次嘗試利用廢棄加氣混凝土從溶液中吸附低濃度的Cd （II），其反應原理主要是將物理與化學吸附結合，包括離子交換反應以及金屬絡合作用。結果表明：最佳吸附條件是在pH 為6，持續時間為90min 時，每0.5g 吸附劑可吸附50mL Cd （II）。此吸附過程遵循偽二階動力學模型和朗繆爾等溫線模型。這為廢棄加氣混凝土吸附水溶液中Cd （II）及其他重金屬元素的高附加值利用奠定了基礎。Bao T，et al.[19]將廢棄加氣混凝土作為曝氣生物濾池的生物膜載體，研究發現廢棄加氣混凝土中100-250μm 良好的多孔結構有利于微生物群落的發展，提高生物膜層的滲透性和污染物去除效率，這是因為廢棄加氣混凝土富含鋁、鐵和鈣氧化物，可以大量吸附磷酸鹽或使磷酸鹽沉淀，并且其孔隙率高達89.21%，比表面積可高達81m2/g，對微生物的固化提供條件。Li W，et al.[20]同時也開展了廢棄蒸壓加氣混凝土作為固體廢棄物除去低濃度（1mg/L）磷酸鹽的研究，結果表明，隨著pH 值的增加，磷酸鹽的去除率越高。在酸性條件下，廢棄蒸壓加氣混凝土對磷酸鹽的去除有不利影響，然而，當pH 在10～12 范圍時有顯著的去除磷酸鹽效果，這是與羥基磷灰石的形成有關。廢棄蒸壓加氣混凝土中可溶性鈣和不溶性鈣化合物可以與磷酸鹽和羥基結合在堿性條件下形成羥基磷灰石，從而去除磷酸鹽，可應用于處理城市二級廢水中低濃度的磷酸鹽，具有廣泛的應用前景。此外，陳朝彬[21]研究發現廢棄加氣混凝土塊能有效提高土壤的滲透性，提高達3.8 倍，可解決目前綠地土壤嚴重偏緊、滲透能力弱的問題，為綠地土壤滲透性改善方法提供了新的思路。

4 展望

目前，關于廢棄加氣混凝土在建筑材料及環境影響中的研究已開展，但建議在未來進一步開展以下幾個方面的系統研究：

1）如何解決廢棄加氣混凝土在再利用的過程中面臨的低強度問題，實現廢棄加氣混凝土的高效活化，從而提升其在可替代輔助膠凝材料方面的應用潛力，提高廢棄加氣混凝土的利用率；

2）如何充分利用廢棄加氣混凝土輕質多孔的特點，分析其在內養護過程中提升強度的作用機理，提升了利用廢棄加氣混凝土制備的加氣混凝土、輕質混凝土等的性能，不僅提高廢棄加氣混凝土的利用率，減少能源的消耗，而且能制備出密度低、保溫隔熱性能好的加氣混凝土，從而真正實現加氣混凝土行業的可持續發展；

3）如何有效固化廢棄加氣混凝土中的有害化學成分，減小有害化學成分對混凝土耐久性及生態環境的影響，另外，如何將物理和化學吸附方法有機結合，降低水溶液中的重金屬含量和磷酸鹽，在處理城市二級廢水中有廣泛的應用前景。