生物炭透水混凝土在海綿城市中的應用研究

王西成

(四川農業大學土木工程學院,四川 成都 611830)

近年來, 我國多個城市經常受到內澇災害、水資源污染等問題的困擾，這類情況在雨季尤為嚴重。人們的出行安全、城市的建筑安全還有發展都受到了威脅[1]。城市的生態環境也受到了破壞。

傳統的混凝土路面透氣性和透水性較差, 調節空氣溫濕度的能力較弱, 從而容易造成積水內澇、水體污染和熱島效應等環境問題[2]。鑒于此, 國內外的學者對海綿城市中透水混凝土的應用以及混凝土的性能改善問題進行了深入研究。

1 生物炭概念

生物炭是一種將植物或動物廢棄物在密閉缺氧環境下熱解形成的一種多孔炭材料，質地堅硬，吸附能力較強。生物炭的化學成分中主要包含無定形碳元素、芳香結構碳和灰分三類[3]。將生物炭應用于透水混凝土中,可以替代部分水泥，改善混凝土的力學性能和透水性能，提高透水混凝土的水質凈化和生態環境功能，實現可持續化發展，具有很高的社會效益和經濟效益。

隨著城市化的開發利用，建筑原材料越來越稀缺，天然砂石骨料等建材的價格也水漲船高。因此，利用農業廢棄物加工制備成低耗能高性能的混凝土等建材具有重大的意義。近年來, 國內外很多學者研究了利用稻殼灰等農產品廢棄物作為外加劑或者集料制作生物炭水泥砂漿對其性能的影響。如果將這些廢棄農副產品制成生物炭應用于透水混凝土中, 不僅可以提高我國豐富的廢棄農副產品資源利用率, 也為海綿城市建設的主要材料提供了廣闊的市場。

2 海綿城市理念

2013年12月，中央城鎮化工作會議中提到“建設自然積存、自然滲透、自然凈化的海綿城市”。從2013年至今，全國各城市、各區縣已經按要求逐步落實了海綿城市建設的基本要求,多個海綿城市試點建設區域已經在治理城市洪澇災害、解決城市水資源污染問題等方面取得了顯著的成效。通過加大政府財政投入、創新建設運營機制、完善融資支持等措施使得我國海綿城市建設項目成效越來越好。希望在10年內，我國大部分城市都能夠達到將所在區域70%的雨水消納和利用的基本目標要求。

海綿城市作為一種新一代的城市雨洪管理理念，通過新建各類雨水、積水的吸收、凈化、疏導設施，使城市能夠像“海綿”一樣具有“韌性”與“彈性”，從而抵抗強降雨等突發性自然災害造成的洪水等不利影響。海綿城市的應用,可以有效降低城市化施工改造等過程中對環境帶來的不利影響,達到保護生態環境、節能減排的效果。

作為新型生態城市建設中一個不可或缺的重要組成部分，海綿城市的本質是回歸自然，親近自然的綠色生態型發展理念，最終實現人與城市生態環境之間的和諧共生[4]。

隨著海綿城市建設的不斷推進，對水體凈化效果和更大的排水蓄水量的透水建筑材料的需求也與日俱增。因此，對透水混凝土改性的深入研究刻不容緩。經相關研究表明，在透水混凝土中摻入生物炭是一種解決這類需求的可能性。

海綿城市理念構建的初衷，不僅是為了我國城市經濟的發展，更重要的是創造一個能夠讓人與自然生靈和諧共生的良好生活環境。海綿城市的建設是實現可持續發展的一條極好的出路，相信只要我們不斷地努力改進，堅持創新，一定可以克服海綿城市建設中遇到的各種問題和困難，將海綿城市工程發展得越來越好。

3 透水混凝土在海綿城市建設中的應用

透水混凝土的制備一般不使用細骨料，由粗骨料表面包覆一薄層水泥漿粘結而成，從而在混凝土內部形成由大量的均勻孔隙組成的蜂窩狀結構，因此透水混凝土具有透氣、透水、質輕等特點。由于透水混凝土需同時兼具透水性和強度,所以在設計配合比的過程中要高度注意水灰比和骨料粒徑之間的聯系。

透水混凝土能將降水引入地下徑流，有效補充地下水，達到儲水蓄水的效果。同時利用透水混凝土的過濾、吸附等作用，可以有效去除雨水徑流中的環境污染物。除此之外，透水混凝土還具有降噪控溫、保護生態系統等作用。

透水混凝土作為海綿城市建設中“滲”的主要技術措施之一，在海綿城市建設中得到了廣泛的應用。目前，透水混凝土主要應用于路面鋪裝以及廣場、停車場以及園林景觀工程等領域[5]。

隨著城市化的發展和工業化的推進，海綿城市工程對透水混凝土的性能需求不斷提高。因此對透水混凝土的性能改善研究目前顯得愈加重要。

4 生物炭的研究

近年來，由于溫室氣體帶來的危害和可持續化發展的深入研究，加上石油儲量的稀缺以及工業生產對低能源成本的需求，生物炭作為一種節能環保研究的關鍵性材料，受到了人們的密切關注。生物炭材料作為一種由農業廢棄資源生產而來的新型材料，有著很好的發展前途。生產生物炭的原材料主要為農業殘留物、農副產品垃圾以及平時日常生活中產生的有機廢棄物等材料，來源豐富，生產便捷，可以大規模地制備。

目前通常采用采用管式爐分解和微波反應器這兩種方法來制備改性混凝土需要的生物炭材料。這兩種制備方法較易，能耗較低，清潔環保，對于節能減排，構建低碳高效經濟發展模式很有幫助。現已廣泛用于固碳減排、凈化水體、重金屬吸附和土壤改良等領域。此外，研究人員經常采取多種改性方法來改善生物炭的理化特性，常用的改性方法有活化法、復合法等，通過改性后，生物炭的比表面積、孔容積、疏水性以及微觀形貌等性質性能都會有很大改善[6]。

隨著建筑材料越來越廣泛的應用，未來在海綿城市工程材料領域的研究也許會有更加深入的進展。

5 生物炭透水混凝土的作用

生物炭材料疏松多孔，比表面積較高。如果將透水混凝土作為母體材料，摻入適宜量的生物炭粉末作為保水材料制備生物炭透水混凝土，這樣不僅可以提高透水混凝土的吸熱調溫等效果，還可以將穩定態的碳元素保存在混凝土內部。相較于傳統的填埋、焚燒等廢棄物處理方法，不僅不會對環境造成二次污染，還能達到固碳排水、節能減排的作用，大力促進了可持續發展。與普通透水混凝土相同，生物炭透水混凝土具有較高的孔隙率和透水性，具有減輕城市排水排澇系統的壓力，凈化雨水中的氮、磷和重金屬等污染物，與土壤之間進行濕熱交換來緩解城市的熱島效應等多重作用。

5.1 調節氣溫

透水混凝土孔隙率較高的特性使得混凝土內部儲存的雨水通過蒸騰作用達到快速降溫的效果。加上良好的透氣性，因此，可以起到促進水汽循環和大氣循環,調節環境溫濕度, 改善城市熱島效應的作用。同時也能夠有效緩解溫室效應，減少二氧化碳的排放對環境帶來的危害，維護生態氣候的平衡。

5.2 吸附污染物，凈化水質

生物炭一般情況下呈堿性，具有高度羧酸酯化和芳香化的結構，這些基本性質和結構使生物炭具備了極強的吸附力、抗氧化力以及分解污染物等能力。因此，將生物炭摻入透水混凝土中可以有效去除雨水徑流中的氮、磷和重金屬等污染物，從而凈化水體。

5.3 固炭作用，降低碳排放

我國是一個典型農業大國，每年產生的農業廢棄物的量巨大，其中稻殼的年產量就超過4 000萬t。然而，每年大部分的稻殼都作為農業廢棄物處理或者當作垃圾焚燒。如果將這些農業廢棄物制備成生物炭，通過制作生物炭透水混凝土加以利用，可以減少浪費和燃燒產生的二氧化碳，達到降低碳排放的效果。

5.4 節能減排的作用

水泥生產耗能高，環境污染大，相比之下生物炭材料的生產更加的綠色環保。如果在透水混凝土的制備過程中通過摻雜一定量的生物炭在水泥中，可以在強度不變的情況下，減少水泥用量，從而達到節能減排的目的。

5.5 改善生態環境的作用

在路面鋪裝和園林景觀方面鋪設生物炭透水混凝土，可以在滿足使用要求的同時，起到改善周圍動植物、微生物生活生長環境的作用。從而達到人與自然生靈和諧共生的目的。

6 對生物炭透水混凝土研究的思考

6.1 生物炭透水混凝土性能研究不足

目前，國內外對添加生物炭的透水混凝土研究相對較少。生物炭透水混凝土的強度、透水率等基本性能指標與生物炭摻雜量多少還缺少明確的規律。對最大可用的生物炭摻雜量等數據，也缺少較為統一的結論。對生物炭透水混凝土透水性能和耐久性能等方面的研究就更為缺乏。

6.2 適用于透水混凝土的生物炭制備方法

不同溫度條件下制備的生物炭表現出不同的特征，需要開展適用于透水混凝土不同溫度條件和生物炭制備方法研究。生物炭用于環境中吸附材料時，進行了大量的改性研究，結果表明可以通過改性顯著提高生物炭的吸附性能。面向生物炭透水混凝土的應用，需積極探索和混凝土應用相配合，既能充分發揮生物炭的環境效能，又能兼顧混凝土材料強度的生物炭改性方法和技術。

6.3 加強多種來源含碳廢棄物的開發和利用

將富含含碳生物質材料的各種廢棄物，制備成生物炭，可以充分發揮生物炭的固炭作用，降低碳排放。目前已有將城市污水處理污泥制備成生物炭用于混凝土的實驗研究，還可進一步探索將城市河道清淤污泥、下水道清淤污泥等進行生物炭制備，并用于生物炭透水混凝土。

6.4 生物炭再生骨料透水混凝土應用的可能性

近年來，我國城市化進程的飛速發展導致天然砂石骨料等建筑原材料逐漸稀缺，與此同時，不少年代久遠的高危建筑物正處于拆除重建的境況，施工結束后，產生了大量的建筑垃圾。如果將這些建筑垃圾進行破碎、篩分制成再生粗骨料，再摻入一定量的生物炭粉末顆粒，制成生物炭再生骨料透水混凝土。不僅同時解決了建筑垃圾和農業垃圾的處理問題，資源利用率最大化，可能還會對混凝土的力學性能和透水性能有一定的提升。當然，目前對這種混凝土的應用還處于構想階段，實際成品的誕生還需不斷地研究與實踐。

6.5 后期生物炭透水混凝土的維護工作

由于我國各省市地區的工程項目環境不盡相同，加上絕大多數透水混凝土都是由標準的預制部件制成，因此，在綠道、廣場、公園等領域的實際應用中生物炭透水混凝土的孔隙容易因例如雨水侵蝕，碾壓等外界環境帶來的不利影響而發生堵塞，或者產生壓痕和裂縫，造成混凝土的排水、透水性能下降。目前常用的維護方法是利用真空泵、空氣壓縮機等設備沖洗、吸出混凝土孔隙中的雜物，但這種維護方法可能會對混凝土造成一定的破壞。因此，如何在節約人力、物力同時保證混凝土穩定性的條件下進行維護，保證生物炭透水混凝土的透水性，能夠維持正常指標，從而延長海綿城市工程項目的壽命，還需不斷研究。

7 結 語

“海綿城市”理念的實踐與應用不僅是落實生態文明建設的重要舉措，也是城市現代化和創新性發展必不可少的重要條件。海綿城市的建設也是城市生態化不可或缺的一環。

隨著社會的發展，海綿城市建設對透水混凝土等透水鋪裝的需求量巨大。添加生物炭的透水混凝土作為一種新型生態建材，可以廣泛用于多類型設施，對推進海綿城市的建設有著重要的意義?？梢姡锾客杆炷恋奈磥戆l展有著廣闊的前景。

盡管現在有大量的相關研究表明很多積極的改良效果可以促進其在建筑材料領域的資源化利用。但目前對生物炭在透水混凝土等建材領域的研究探索才剛剛起步，今后應該將重點放在生物炭對建筑材料性能影響的微觀作用機理方面。只有這樣才能將生物炭的改善效果最大化，達到農業廢棄垃圾資源化利用和固碳減排的目的，實現經濟和環保雙重效益。