環保視域下透水磚的制備與性能研究進展

朱俊濤 萬蕾 張翠英

摘要：指出了海綿城市是新一代城市雨洪管理概念，國際通用術語為低影響開發雨水系統構建;透水磚鋪裝系統是現階段我國海綿城市建設中重要的透水鋪裝系統技術之一。為了充分認識近年來我國透水磚的發展狀況，主要從環境保護角度對透水磚制備的材料與性能及其在控制徑流和削減污染物的作用方面進行了總結，并且提出了相關建議及進行了展望，以期為海綿城市建設和廢棄物的綜合利用提供借鑒參考。

關鍵詞：透水磚;制備與性能;作用;研究進展

中圖分類號：TU522 文獻標識碼：A 文章編號：1674-9944（2019）22-0147-03

1 引言

城市化的快速發展導致城市下墊面的結構與功能的改變，地表被混凝土、水泥砂漿等鋪設的不透水表面覆蓋，人滲量減少，徑流量加大，加重受納水體的污染物負荷，增大防洪及生態系統風險。與普通的不透水路面相比，透水磚具有其獨特的優勢，如：補充地下水資源;吸納城市噪音;緩解熱島效應;緩解城市的排水壓力等[1]。與國外的透水磚研究發展相比，我國對透水磚的研究起步相對較晚，直到2005年7月國家才出臺并制定了JC/T945-2005《透水磚》的行業標準。目前，對于透水磚的研究主要集中在制磚技術和磚體性能方面，本文從環境保護角度對近年來我國透水磚的制備材料及其性能與作用進行了總結，以期為透水磚應用于海綿城市建設中的問題以及廢棄物的綜合利用，提供借鑒參考。

2 透水磚的制備及其性能

透水磚的制備材料種類繁多，按照制備工藝主要分為養護型透水磚和燒結型透水磚[2]。燒結型透水磚主要原料有廢地磚、各種尾礦、廢陶瓷、廢玻璃、粉煤灰等，摻人適量的粘結劑用以提高坯體強度，經攪拌后壓制成型，放入爐中高溫燒制，冷卻后即可。養護型透水磚選用粗顆粒的石子、鋼渣、廢舊混凝土、煤研石等為主要原料，外添加水泥、粉煤灰作為粘結劑，通過混勻、攪拌、壓力成型，使水泥等粘結劑包裹住骨料，隨著時間固化，制成養護型透水磚[2]。目前，我國以固體廢棄物為主要原料制備的透水磚多是燒結型透水磚。

2.1 以污泥、疏浚泥為主要原料

我國污水廠對污泥的處理并不完善，處理方法主要有濃縮、穩定、脫水等;處置方法主要有衛生填埋、焚燒、直接海洋傾倒、堆肥、制備飼料等。因此，亟待采用諸如建材焚燒、農用以及其他資源化途徑處置污泥，而污泥制磚工藝，有著廣闊的發展前景。有研究者利用污水廠和給水廠污泥制備透水磚，如宮厚杰[3]采用生活污泥制備透水磚，實踐的最佳工藝為物料配比（污泥：粘土：煤渣=16%：74%：10%）。仇付國[4]采用黏土作為黏結材料添加到給水廠污泥中燒結透水磚，將污泥的比例控制在45%左右，其對COD、NH₄⁺-N和TP的去除率均超過25%。袁柯馨[5]研究了深度脫水污泥制備透水磚，發現當砂礫添加量不大于20%，尿素添加量不大于1%時，透水磚的抗壓強度達到30MPa的要求。

近年來，我國疏浚泥的產生量呈現增加的趨勢，疏浚泥的資源化處理主要有制備肥料、陶粒、磚等。關于利用疏浚泥制備透水磚的研究，彭孟啟[6]研究以疏浚泥替代天然粘土原料作為低溫黏結劑制備生態透水磚，確定了疏浚泥透水磚的基礎配方（wt%）為：疏浚泥25%，廢瓷60%，玻璃粉15%。周超群[7，8]利用疏浚泥、廢瓷粒、廢玻璃粉作為原料制備生態透水環保磚，制成的透水磚抗壓強度達60MPa，透水系數為6.38×10^-2cm/s。

2.2 以建筑材料為主要原料

我國每年產生的建筑垃圾數以億計，不但侵占大量的土地資源，而且對環境造成了不利影響。城市建筑垃圾的減量化處理與資源化利用屬于城市和人居可持續發展的課題，是我國城市化發展進程中必須面對和處理的問題。我國對建筑垃圾的資源化利用的研究尚處于起步階段，綜合利用率尚不足5%[9]。利用建筑垃圾制備透水磚是一種變廢為寶的有效方式，不僅解決了建筑垃圾的處理問題，還能帶來一定的社會效益和經濟效益[10]。例如，薛俊等[11]將廢舊混凝土進行破碎、分級處理成為再生建筑混凝土，并以其為骨料來制備透水磚，制備的透水磚滿足JC/945—2005《透水磚》標準要求。趙訓等[12]研究了利用建筑垃圾為主要原料制備透水磚，當建筑垃圾再生骨料粒徑在4.7 5～9.5mm時，透水磚的各項性能指標可以滿足《透水路面磚和透水路面板》GB/T25993-2010標準的要求。除了以建筑垃圾作為原料外，徐向舟、王萍萍等[13～15]還研究了以沙漠中的烘干沙和風積沙為骨料制備透水磚。

2.3 以粉煤灰、煤殲石、爐渣等為主要原料

中國是以煤炭為主要能源的國家，采煤和燃煤過程所產生的煤研石、粉煤灰和爐渣量很大，利用粉煤灰、煤研石、爐渣等制備透水磚，既可以充分的利用固體廢棄物，又為透水磚的生產找到一種廉價的原料。王能健和李珠等[1，16]以高碳粉煤灰為基料制備燒結透水磚，制得性能較優的透水磚。時浩等[17]利用粉煤灰和長英質尾礦為主要原料制備出一種免燒路面透水磚，隨著骨料粒徑增大，制品的透水系數增大，劈裂抗拉強度和抗折強度減小。李珠，劉家樂，趙亞兵、李學軍等[18～21]以煤研石為主要原料制備透水磚，既實現了煤研石的廢物利用，又具有一定的經濟效益。張飛和周紫晨等[22，23]以高爐礦渣燒結透水磚，并且研究了其最佳工藝條件。羅紹華等[24]以流化床燃煤固硫渣為骨料，水泥為膠凝劑，添加一定量的堿激發劑制備透水磚，制備出的透水磚抗壓強度達32MPa，透水系數為1.3×10^-2cm/s，滿足JC/T945-2005《透水磚》相關要求，為固硫渣的綜合利用提供了一條新途徑。

2.4 以其它廢棄物為主要原料

除了建筑垃圾，廢棄的爐渣、粉煤灰等，還有其它工業廢棄物也可以作為透水磚的主要原料。例如鮑志蕾等[25，26]以贛南離子型稀土尾砂提取高嶺土后的二次尾砂為主要原料，添加適量高溫粘結劑，采用壓制成型法制備陶瓷透水磚。吳建鋒等[27]用廢陶瓷制備透水磚，廢陶瓷質量含量可以高達60%，燒成溫度1100℃，保溫時間1h，透水磚樣品抗壓強度為48.9MPa，抗折強度為7.8MPa，透水系數為0.0312cm/s。王繼娜等[28]研究了水玻璃舊砂摻量、煤研石粒徑、燒結溫度和保溫時間對透水燒結路面磚透水系數和抗壓強度的影響，水玻璃舊砂摻量為70%時，透水燒結路面磚的綜合性能較好。賈興新[29]以糖廠廢棄物糖濾泥作成孔劑，李國昌等[30]以鎳鐵礦渣為主要原料，周云開[31]在透水磚摻人廢棄橡膠粉，都制得性能較好的透水磚。張麗等[32]分析了滌棉混紡和滌綸織物含量和尺寸等因素對復合透水磚抗壓性能、透水性和保水性的影響。隨著織物摻加體積分數的增加，織物增強水泥基復合透水磚的抗壓強度、壓縮韌性指數和最終耗能先增大后減小，透水系數和保水系數增大。王奕仁等[33]通過對垃圾氣化后的無機底渣在制備透水磚中不同摻量和集灰比的試驗研究得出，水灰比為2.8，集灰比為3.0，氣化底渣摻量為20%的透水磚性能最優。

3 透水磚控制徑流和削減污染物的作用

透水鋪裝作為一種新的鋪裝，其主要應用于人行道、停車場、花園步道、輕荷載公路等?，F行透水鋪裝的材料主要有：透水磚、透水混凝土、透水瀝青、植草磚等[34]。其中透水磚多用于人行道路，透水水泥混凝土多用于輕負荷的人行道、機動車道或公園、住宅等園區內便捷道路，透水瀝青路面則多用于城市快速路、高速公路等需具有一定負荷能力的機動車道路[35]。與傳統道路相比較，透水鋪裝在減小徑流、延遲徑流出現時間及削減徑流污染物等方面具有顯著作用。有研究發現透水磚對徑流的控制效果優于透水混凝土和植草磚，對TP、，COD和TN有一定的去除效果[36]，塑料網格砂基透水磚對SS、COD、TN、TP等的去除及削減效果優于其他透水鋪裝[34]，陶瓷透水磚更適合降雨時間集中、降雨量大的地區使用[37]，透水磚鋪裝對特征污染物的去除率隨雨強增大而增大，去除率隨雨量增大到一定程度趨于穩定[38]。也有研究提出，透水磚能有效去除SS、TP，但對COD及含氮污染物的去除效果并不佳[39]。而對SS的去除，砂基透水磚對SS的去除率要高于復合磚，進一步研究發現，復合透水磚對顆粒物粒徑小于100μm的SS去除率較高，對顆粒物粒徑小于600μm的SS去除率較低;而砂基磚正好相反[40]。

4 總結與展望

透水鋪裝可以改善城市內澇，平衡水資源，是海綿城市建設的重要課題之一。同時將生活與生產中的廢棄物加以利用、變廢為寶制備高附加值的透水磚，可以實現經濟效益與社會效益高度統一。

（1）關于透水磚的應用領域。目前，透水磚多用于停車場、城市道路、公園、小區道路、步行街、城市廣場等。透水磚還可以應用于水利、公路、鐵路、河流護坡，特別是生態恢復、荒漠治理等工程領域。在城市河流和湖泊的坡岸及底部鋪設透水磚，有利于削減徑流，截留面源污染，增加水體的自凈能力。透水磚使用一段時間后，其表面是否有生物膜生長，不同原料和不同孔隙度的透水磚其生物膜的生物量、微生物種類是否相同，有待進一步研究，建議加大透水磚對污染物去除的長期效果研究。

（2）透水磚的壽命。由于受透水磚的透水原理制約，其抗壓強度不能與普通的混凝土地磚相比，直接導致透水磚的使用壽命較短，長時間使用會產生大規模的劈裂、磨損，其破壞程度很高、而且大規模使用透水磚的成本很高，極大地影響了透水磚在海綿城市中的推廣使用。且透水磚在使用過程中，表面及孔隙容易被污泥堵塞住，導致其透水效果及截留污染物效果下降。因此，在保證透水率的前提下如何增強透水磚的抗壓強度，研制自清潔的透水磚等是今后的研究方向之一，同時管理部門應該加強對透水磚的養護與管理。

（3）透水磚的制備技術。大部分研究者將建筑垃圾、工業廢渣等作為透水磚的主要原材料，經燒結以后制成透水磚，燒結過程消耗大量能源，造成環境污染。但養護型透水磚在原料選取上有一定的局限性，生產周期又比較長，使用壽命較短。研究高效無害的粘結劑，探求固體廢棄物的破碎處理方法，開發多種養護型透水磚應是今后的發展方向。

參考文獻：

[1]王能健.以高碳粉煤灰為基料制備燒結透水磚的實驗研究[D].太原：太原理工大學，2018.

[2]金海，賈曉林.淺談我國透水磚的研究現狀[J].中國新技術新產品，2017，5（下）：86～87.

[3]宮厚杰.城市污水污泥為基料制備透水磚的工藝技術研究[D].楊凌：西北農林科技大學，2012.

[4]仇付國，王娟麗，付昆明，等.水廠污泥制備可吸附污染物的生態透水磚[J].科學技術與工程，2018，18（32）：248～254.

[5]袁柯馨.城市深度脫水污泥燃料化及制磚資源化技術研究[D].廈門：華僑大學，2014.

[6]彭孟敲.應用疏浚泥制備透水磚及性能研究[D].廣州：華南理工大學，2013.

[7]周超群.生態透水環保磚的制備及性能研究[D].廣州：華南理工大學，2018.

[8]周超群，曾令可，程小蘇，等.疏浚泥透水磚制備及性能研究[J].陶瓷，2017，2：12～I6.

[9]劉富業.利用建筑垃圾制作生態透水磚研究[D].廣州：廣東工業大學，2012.

[10]李凡，李湘洲.加快利用生活垃圾制磚的步伐[J].磚瓦世界，2014（5）：22～24.

[11]薛俊，劉軍，季明旭，等.以再生建筑混凝土為骨料制備透水磚[J].武漢工程大學學報，2012，34（5）：51～55.

[12]趙訓，柳華實，李國忠.建筑垃圾透水磚的工藝與性能研究[J].磚瓦，2016（10）：31～34.

[13]徐向舟，朱曉斌，劉璐，等.混凝土砂基透水路面磚制備及物理性能測試[J].大連理工大學學報，2014，54（3）：315～322.

[14]王萍萍，徐向舟.砂基透水磚的制備及性能優化研究[J].新型建筑材料，2013（8）：44～473.

[15]王萍萍.樹脂砂基透水磚的制備及性能研究[D].大連：大連理工大學，2013.

[16]李珠，王能健，趙林，等.高碳粉煤灰透水磚的制備及性能研究[J].混凝土，2018（3）：118～120.

[17]時浩，馬鴻文，田力男，等.長英質尾礦制備透水路面磚研究[J].硅酸鹽通報，2018，37（3）：967～973.

[18]李珠，劉家樂，劉鵬，等.煤研石燒結透水磚的試驗研究[J].新型建筑材料，2018（4）：21～23.

[19]劉家樂.煤矸石制備燒結透水磚及基本性能研究[D].太原：太原理工大學，2018.

[20]趙亞兵，張新朋，吳楠，等.環保免燒結煤研石透水磚的制備方法及其透水性能[J].硅酸鹽通報，2014，33（12）：3255～3271.

[21]李學軍，李珠，趙林，等.免燒結煤研石透水磚的試驗研究[J].新型建筑材料，2019（1）：72～74.

[22]張飛，王浩，李家茂.高爐礦渣燒結透水磚的制備與其性能表征[J].安徽工業大學學報（自然科學版），2018，35（1）：5～9.

[23]周紫晨，曾明，張冰，等.利用工業廢渣制備透水路面磚的研究及其應用[J].新型建筑材料，2017（3）：24～27.

[24]羅紹華，郭克石，呂方，等.流化床燃煤固硫渣基生態透水磚的制備及性能[J].稀有金屬材料與工程，2015，44（增刊1）：619～623.

[25]鮑志蕾.離子型稀土尾砂制備陶瓷透水磚及性能研究[D].景德鎮：景德鎮陶瓷學院，2015.

[26]汪永清，鮑志蕾，楊柯，等.利用贛南稀土尾砂制備陶瓷透水磚的研究[J].陶瓷學報，2015，36（3）：260～265.

[27]吳建鋒，陳金桂，徐曉虹，等.利用廢陶瓷制備陶瓷透水磚的研究[J].武漢理工大學學報，2009，31（19）：27～30.

[28]王繼娜，徐開東，牛季收.水玻璃舊砂基透水燒結路面磚的制備[J].遼寧工程技術大學學報（自然科學版），2016，35（12）：1470～1474.

[29]賈興新.納米二氧化欽鑲嵌透水磚的研究[D].大連：大連工業大學，2012.

[30]李國昌，王萍.鎳鐵礦渣透水磚的制備及性能研究[J].礦產綜合利用，2018（4）：97～100.

[31]周云開，李俊杰，李林燕，等.摻再生骨料及橡膠粉透水磚的研制與性能分析[J].太原學院學報，2017，35（3）：6～13.

[32]張麗，劉梁森，吳曉青，等.含滌廢棄織物增強水泥基透水磚的制備及表征[J].復合材料學報.2016，33（4）：866～874.

[33]王奕仁，李春萍，王愛勤.等.垃圾衍生燃料氣化后的無機底渣制備透水磚試驗研究[J].環境工程，2014，32（增刊）：619～622.

[34]張玉玉.高效滲透減排透水鋪裝對徑流的控制研究[D].北京：北京建筑大學，2015.

[35]韓天宇，宋璐逸，潘尚昆，等.透水鋪裝控制和凈化地表徑流的研究進展[J].建筑節能，2019（6）：98～101.

[36]李陽.透水路面對城市道路徑流控制研究[D].北京：清華大學，2016.

[37]翁邦正，李亮，馬競，等.海綿城市改造工程的路面透水磚性能比選與應用研究[J].中國給水排水，2019，35（12）：19～22.

[38]秦余朝.城市典型透水鋪裝地面徑流減控與污染物削減效果[D].西安：西安理工大學，2017.

[39]崔珍珍.透水路面結構層雨水入滲與水質凈化性能及機理研究[D].天津：天津大學，2013.

[40]么海博.透水鋪裝控流截污試驗及其設計應用研究[D].北京：北京建筑大學，2013.

收稿日期：2019-10-09

基金項目：江蘇省大學生創新實踐項目（編號：xcx2018O63）

作者簡介：朱俊濤（1998-），男，徐州工程學院環境工程學院學生。

通訊作者：萬蕾（1981-），女，副教授，博士，研究方向為水環境污染防治與生態修復。