基于固體廢棄物的透水混凝土研究進展

趙洪凱，耿慶林，任偉

(吉林建筑大學 材料科學與工程學院，吉林 長春 130118)

隨著城市化進程的不斷加快，地面道路大多被不透水路面所覆蓋，外加上城區排水設施偏少，導致地表面積水滲透困難，使得部分城市內澇災害頻發，對人類經濟社會和生態環境產生的影響越來越大[1]。透水混凝土內部多孔結構使其具有優異的透水性，隨著海綿城市的提出，其被迅速推廣使用。

與此同時，人類的生產、生活消耗大量資源，必定也會產生各種廢棄物，我國目前各類固廢累積堆存800多億t，每年產生將近120億t，且呈現逐年增長趨勢[2]。固廢所帶來的環境污染和資源浪費問題，已引起社會各界廣泛關注[3]。為此當下亟需提高固體廢棄物的綜合利用率，積極尋求更多的消耗方式[4]。在滿足透水混凝土各項性能的前提下，將固體廢棄物用于透水混凝土制備，不僅可以解決廢棄物造成的環境污染問題，對緩解城市內澇災害也有一定的促進作用。

1 石材類固廢對透水混凝土性能的影響

建筑業是我國國民經濟的重要組成部分，在整個國家的發展進程中占有重要位置，而與建筑密切相關的行業也出現了一股快速增長的浪潮，同時產生的廢石廢料數量每年都在增加。將建筑垃圾經處理后資源化應用到建筑工程、市政交通等領域已逐漸普及，對于改善環境污染問題具有一定的意義[5]。

再生骨料表面孔隙率和粗糙度能夠使其更好與水泥漿體結合，對于提高透水混凝土耐磨性和強度具有良好作用，且天然骨料制備透水混凝土導熱系數為0.78 W/(m·K)，而采用再生骨料制備透水混凝土導熱系數在0.78～0.99 W/(m·K)之間[6]。但再生瀝青骨料(RAP)表面存在瀝青層會導致RAP與膠凝材料之間出現額外的空隙，影響骨料與膠凝材料之間的黏接[7]。Yap等[8]使用再生建筑粗骨料(RCA)替代天然骨料(NA)制備透水混凝土，認為RCA完全替代NA時，按體積計可有效利用固廢約73%，此時可以實現24%的CO2減排。Jike等[9]通過再生磚混廢渣作細骨料制備透水混凝土，發現透水混凝土總孔隙率和連通孔隙率得到有效提升，且有助于形成富鈣基質，并減少CO2排放約 107 kg/m3。金宇飛[10]對廢棄過燒磚進行改性用于透水混凝土制備，發現磚粉和水泥復摻對過燒磚進行包裹可形成保護層，并降低壓碎指標，且經過硅烷改性的過燒磚外層會生成一層膜，從而使磚渣不易脫落，但硅烷自身易吸水，故吸水率會變大。Lu等[11]使用再生陶瓷骨料替代NA，加入生物基聚氨酯(PU)黏合劑。發現與傳統瀝青透水路面相比，PU的強內聚性和黏合性以及陶瓷骨料的特殊形態，促使其具有較高的透水率，且PU結合再生陶瓷的透水路面不需要加熱，因此可以減少能源使用和溫室氣體排放。

石材類固廢除了可以充當骨料，還可作為膠凝材料用于透水混凝土制備。Oggu等[12]通過在透水混凝土中摻加大理石廢粉(MWP)，發現孔隙率會隨著MWP的增加而減小，當MWP摻量達到30%時，28 d抗壓強度會提升約54.9%。而Agrawal等[13]發現經機械研磨至50～75 μm的花崗巖廢料，可使骨料與膠凝材料之間填充密實。Zeng等[14]采用不同(Al+Si)/Na比的堿激發劑對地磚粉進行活化處理。發現經堿激發劑處理過的再生磚粉(AARBP)砂漿抗壓強度可達50 MPa，且在膠骨比相同的情況下，AARBP取代水泥，CO2排放量可減少約33.7%。Wu等[15]采用生料煤矸石(CG)生成固廢基硫鋁酸鹽水泥(WSAC)，將WSAC和自然煤矸石(SCG)用于制備高強透水混凝土(HSPC)。發現WSAC熟料砂漿礦物組成合理，晶體發育良好，且SCG的加入可有效促進水化反應，當SCG摻量為10%時，30次凍融循環質量損失率僅為0.84%，此外，HSPC對重金屬具有良好的固化能力。

綜上所述，石材類固體廢棄物大多充當骨料和膠凝材料用于透水混凝土制備，當用作骨料時，可通過改變固廢摻量、表面改性等提升透水混凝土性能；當用作膠凝材料時，可使用堿激發活化處理、改變細度等方法改善膠凝材料強度。但對于堿激發膠凝材料缺乏相關規范和耐久性研究，使其大規模發展受到很大限制。

2 城市垃圾類固廢對透水混凝土性能的影響

隨著生活水平的不斷提高，日常垃圾不斷增加，如不規范處理，必會對環境帶來嚴重污染，尤其是廚余垃圾類，腐爛時會散發不良氣味，危害人體健康。

玻璃粉表面光滑、吸水率不高，可以有效提高混凝土水泥漿體間的流動性，并在后期加快水泥顆粒水化，從而進一步優化混凝土內部微觀結構[16]。Li等[17]采用廢玻璃粉(WGP)部分替代水泥制備透水混凝土，分析了不同WGP含量對透水混凝土性能影響。發現隨著WGP含量(最佳摻量20%)的增加，抗凍性會逐漸改善，并采用非線性表面擬合分析方法建立了WGP含量與抗壓強度和透水性的方程。Zhou等[18]采用納米Fe2O3乳液對玻璃骨料進行表面處理的方法制備了一種多孔玻璃瀝青路面。結果表明經過納米Fe2O3乳液處理過的玻璃，可以更好增強與瀝青材料的結合。

Kong等[19]使用廢棄牡蠣殼和再生骨料制備多孔生態混凝土(PEC)用于人工魚礁，研究表明PEC的28 d浸出液最低pH值可達到8.52，與海水的pH值接近，生物附著性也因此得到很大提高，使PEC表現出優異的相容性，但廢棄牡蠣殼的摻量不宜超過20%。王冬麗等[20]通過廚余牡蠣固廢、工廠牡蠣固廢、廚余扇貝固廢、工廠扇貝固廢作透水混凝土原材料，發現在凍融過程中貝殼層會被逐漸侵蝕，與廚余廢棄物相比，工廠廢棄物的抗凍性和強度更高，且扇貝表面的致密化構造會使其具有良好的抗凍性。

Gesoglu等[21]通過不同粒徑橡膠研究其對透水混凝土性能的影響，發現小尺寸橡膠具有較高的比表面積，從而使透水混凝土內部生成較多細孔，有效吸收凍結而增加的水體積，且尺寸越小的橡膠顆粒，抗凍性越好。Juradin等[22]通過廢布條((5±1)cm)充當纖維按1%的體積摻量制備透水混凝土，發現廢布條的加入可以有效增強透水混凝土延性，從而提高其抗壓、抗彎強度和耐磨性，但試件放置過程中如壓實力不足，會導致試件在橫截面上出現一些大孔。Govedarica等[23]研究固化廢水處理污泥(SWWTS)作為補充膠凝材料對透水混凝土性能的影響，發現由于SWWTS沒有火山灰性，水化產物會填充在膠凝材料的微孔中，導致混合料的體積密度略有下降，吸水率增加，從而在一定程度上會降低力學性能，但仍能滿足低交通道路使用。

綜上所述，城市垃圾類固廢大部分可在透水混凝土中被資源化利用，通過分析不同種類固廢對透水混凝土性能的影響，大致可以分為兩類：①具有一定的火山灰性固廢：廢玻璃作為城市垃圾的一部分，有一定的火山灰性，將其加入透水混凝土可顯著提高性能；②無火山灰性固廢：橡膠、布條等固廢在透水混凝土中雖然不能進行物理化學反應提升微觀結構性能，卻可在宏觀基礎上顯著提高其韌性。

3 農業類固廢對透水混凝土性能的影響

農業廢棄物的亂堆亂放產生的氣體和細小垃圾都會隨著風吹擴散，尤其是秸稈類廢棄物曾面臨嚴重的焚燒問題，導致生態環境污染嚴重，因此，農業類固廢的綜合利用變得尤為重要。

Opiso等[24]將木屑廢料(FSD)充當填料，粉煤灰(FA)作部分水泥替代物制備透水混凝土。研究表明通過摻入兩種廢料，可以使水泥用量相應減少10%，且FSD和FA的摻入也并沒有顯著降低透水混凝土強度和透水性。Liu等[25]使用梧桐葉柄作為原材料制備環保輕質透水混凝土，發現葉柄可以提供良好的延性，降低透水混凝土的密度，且葉柄的長度和力學性能有著直接關系。Ibrahim等[26]將棕櫚油熟料(POC)作為粗骨料替代天然骨料加入透水混凝土，研究表明POC的形狀具有不一致和不規則性，從而導致骨料之間的黏結效果不好，且最優摻量為25%，只可應用于低強度道路使用。

Hesami等[27]使用稻殼灰(RHA)增強水泥漿體用于提高界面過渡區強度，發現透水混凝土透水性會隨著RHA用量的增加而降低，且12%的RHA摻量更適用于透水混凝土路面。Dasilva等[28]將甘蔗渣灰(SCBA)和甘蔗秸稈灰(SCSA)作膠凝材料用于透水混凝土制備，發現SCBA內部含有大量SiO2和少量Al2O3及Fe2O3，相較于SCSA表現出較高的火山灰性，因此抗壓強度更高。Tijani等[29]通過高粱殼灰(SHA)和RCA制備透水混凝土，發現透水混凝土力學性能會隨著SHA的增加而逐漸降低，但在5%摻量時卻高于對照組，SHA對于透水混凝土后期強度增強較明顯，且當25%SHA與100%RCA相結合時，CO2排放最大降低量約為38.23%。Tan等[30]在水泥中添加生物炭用來制備透水混凝土，發現1.0%～3.0%(按重量計)對透水混凝土抗壓與抗折強度效果較好，透水混凝土的吸水性能和蒸發冷卻效果也會隨著生物炭含量的增加而增大。

綜上所述，農業廢棄物的形狀、摻量等均會直接影響透水混凝土，可采取農業固廢改性、復摻等方法改善透水混凝土性能。但在實際應用過程中，部分農業廢棄物的摻入會顯著降低透水混凝土性能，應根據不同類型農業固廢選擇最佳摻量。

4 其他火山灰質類固廢對透水混凝土性能的影響

隨著工業化的快速發展，工業固廢大量積累，使環境污染問題愈加嚴重[3，31]。如粉煤灰、礦渣、鋼渣等火山灰質固廢含有大量的SiO2和Al2O3等成分，可當作硅質材料應用于透水混凝土的制備。既能達到工業固廢的處置和再利用，又可減少透水混凝土生產的費用，從而產生較好的經濟效益和環保效果。

鋼渣表面的粗糙和多孔結構，可以有效提升骨料與水泥砂漿之間黏結，且會生成大量CaCO3晶體，有效填充孔隙，使膠凝材料更加致密，從而顯著提高透水混凝土力學性能[32]。Xu等[33]用鋼渣作骨料制備鋼渣透水混凝土(SSPC)，比較鋼渣骨料粒徑和凹口深度對SSPC性能的影響。發現SSPC的斷裂性能具有明顯的邊界效應，SSPC開裂行為也會隨著骨料凹口深度增加而逐漸降低，且大粒徑的骨料表面由于具有較厚的漿體包裹，對抗裂強度有顯著提高作用，并利用聲發射監測發現大粒徑相比小粒徑骨料的試件在斷裂過程中，會存在較多剪切裂縫。Jian等[34]將高爐礦渣和銅渣作為摻合料替代水泥制備透水混凝土，發現銅渣中的鐵橄欖石可提供良好的耐磨性，使透水混凝土耐磨性提高約 38.78%，且制備的透水混凝土重金屬離子的浸出濃度會顯著降低。

郭長路等[35]通過赤泥、鋼渣和煤矸石等固體廢棄物高溫制備固廢基高鐵鋁酸鹽相膠凝材料，發現固廢基高鐵鋁酸鹽相膠凝材料相比普通硅酸鹽水泥具有較好的力學性能，水化的產物為AFT、水化鋁酸鈣、未反應的C2S，并伴有少量的方解石，可用于透水混凝土的制備。Huang等[36]通過高爐礦渣(GBFS)改性粉煤灰、偏高嶺土地質聚合物透水混凝土，發現室溫固化完全可以形成相應強度，且GBFS在反應過程中也會形成新的晶體相，所以能夠實現更好的表面完整性和較少的微觀裂縫，對力學性能具有顯著提升作用。Jo等[37]通過研究粉煤灰地質聚合物透水混凝土對去除水中糞大腸菌群和磷的作用，發現根據不同的接觸時間透水混凝土能夠將糞便大腸菌群和磷分別減少54%～100%和25%～85%。

硅灰在透水混凝土中會隨著摻量的增加，使混合物變得黏稠，導致孔隙率增加，強度和耐久性下降，當孔隙率為20%時，硅灰摻量3%～5%更有利于提高透水混凝土強度和耐久性[38]。Mohammed等[39]測試納米SiO2(NS)對含有粉煤灰的透水混凝土影響，發現NS加入可以激發更多的C—S—H凝膠，從而減少孔隙體積約13.4%，使界面過渡區處結構致密化，并通過響應面法建立了NS相關透水混凝土設計模型。NS加入也可以有效改善透水混凝土漿體包覆性能，并提高膠凝材料在垂直方向的均勻分布，從而顯著提升透水混凝土滲透性能[40]。

經濟的快速提升應以綠色可持續發展為前提，將固廢綜合利用于透水混凝土制備可作為未來研究發展的重點方向。通過提高固廢制備透水混凝土的性能，降低透水混凝土制備成本，做到固廢綜合利用被逐步推廣。

5 結論

通過總結分析不同固體廢棄物替代水泥或骨料制備透水混凝土的研究現狀，發現大多數固體廢棄物在透水混凝土中應用是可行的。在制備透水混凝土過程中消耗固廢，可有效降低成本，利用物理化學改性進一步提高固廢的活性，對于透水混凝土性能的提升具有顯著作用，但基于固廢的透水混凝土研究還存在較多問題，以下問題應引起重視。

(1)固廢的摻入可能會引起堿硅酸反應(ASR)，促使透水混凝土內部膨脹開裂，因此ASR問題應引起重視。

(2)目前研究大多通過提高固廢活性研究其對透水混凝土性能的影響，但部分僅停留在短期性能測試，基于固廢的透水混凝土長期性能分析較少。

(3)透水混凝土內部結構復雜，外加上荷載、凍融和堵塞等多種情況耦合，僅通過實驗室并不能完全體現出基于固廢的透水混凝土實際狀況，可適當結合離散元等軟件進行模擬分析。