基于固体废弃物的透水混凝土研究进展

赵洪凯，耿庆林，任伟

(吉林建筑大学 材料科学与工程学院，吉林 长春 130118)

随着城市化进程的不断加快，地面道路大多被不透水路面所覆盖，外加上城区排水设施偏少，导致地表面积水渗透困难，使得部分城市内涝灾害频发，对人类经济社会和生态环境产生的影响越来越大[1]。透水混凝土内部多孔结构使其具有优异的透水性，随着海绵城市的提出，其被迅速推广使用。

与此同时，人类的生产、生活消耗大量资源，必定也会产生各种废弃物，我国目前各类固废累积堆存800多亿t，每年产生将近120亿t，且呈现逐年增长趋势[2]。固废所带来的环境污染和资源浪费问题，已引起社会各界广泛关注[3]。为此当下亟需提高固体废弃物的综合利用率，积极寻求更多的消耗方式[4]。在满足透水混凝土各项性能的前提下，将固体废弃物用于透水混凝土制备，不仅可以解决废弃物造成的环境污染问题，对缓解城市内涝灾害也有一定的促进作用。

建筑业是我国国民经济的重要组成部分，在整个国家的发展进程中占有重要位置，而与建筑密切相关的行业也出现了一股快速增长的浪潮，同时产生的废石废料数量每年都在增加。将建筑垃圾经处理后资源化应用到建筑工程、市政交通等领域已逐渐普及，对于改善环境污染问题具有一定的意义[5]。

再生骨料表面孔隙率和粗糙度能够使其更好与水泥浆体结合，对于提高透水混凝土耐磨性和强度具有良好作用，且天然骨料制备透水混凝土导热系数为0.78 W/(m·K)，而采用再生骨料制备透水混凝土导热系数在0.78～0.99 W/(m·K)之间[6]。但再生沥青骨料(RAP)表面存在沥青层会导致RAP与胶凝材料之间出现额外的空隙，影响骨料与胶凝材料之间的黏接[7]。Yap等[8]使用再生建筑粗骨料(RCA)替代天然骨料(NA)制备透水混凝土，认为RCA完全替代NA时，按体积计可有效利用固废约73%，此时可以实现24%的CO2减排。Jike等[9]通过再生砖混废渣作细骨料制备透水混凝土，发现透水混凝土总孔隙率和连通孔隙率得到有效提升，且有助于形成富钙基质，并减少CO2排放约 107 kg/m3。金宇飞[10]对废弃过烧砖进行改性用于透水混凝土制备，发现砖粉和水泥复掺对过烧砖进行包裹可形成保护层，并降低压碎指标，且经过硅烷改性的过烧砖外层会生成一层膜，从而使砖渣不易脱落，但硅烷自身易吸水，故吸水率会变大。Lu等[11]使用再生陶瓷骨料替代NA，加入生物基聚氨酯(PU)黏合剂。发现与传统沥青透水路面相比，PU的强内聚性和黏合性以及陶瓷骨料的特殊形态，促使其具有较高的透水率，且PU结合再生陶瓷的透水路面不需要加热，因此可以减少能源使用和温室气体排放。

石材类固废除了可以充当骨料，还可作为胶凝材料用于透水混凝土制备。Oggu等[12]通过在透水混凝土中掺加大理石废粉(MWP)，发现孔隙率会随着MWP的增加而减小，当MWP掺量达到30%时，28 d抗压强度会提升约54.9%。而Agrawal等[13]发现经机械研磨至50～75 μm的花岗岩废料，可使骨料与胶凝材料之间填充密实。Zeng等[14]采用不同(Al+Si)/Na比的碱激发剂对地砖粉进行活化处理。发现经碱激发剂处理过的再生砖粉(AARBP)砂浆抗压强度可达50 MPa，且在胶骨比相同的情况下，AARBP取代水泥，CO2排放量可减少约33.7%。Wu等[15]采用生料煤矸石(CG)生成固废基硫铝酸盐水泥(WSAC)，将WSAC和自然煤矸石(SCG)用于制备高强透水混凝土(HSPC)。发现WSAC熟料砂浆矿物组成合理，晶体发育良好，且SCG的加入可有效促进水化反应，当SCG掺量为10%时，30次冻融循环质量损失率仅为0.84%，此外，HSPC对重金属具有良好的固化能力。

综上所述，石材类固体废弃物大多充当骨料和胶凝材料用于透水混凝土制备，当用作骨料时，可通过改变固废掺量、表面改性等提升透水混凝土性能；
当用作胶凝材料时，可使用碱激发活化处理、改变细度等方法改善胶凝材料强度。但对于碱激发胶凝材料缺乏相关规范和耐久性研究，使其大规模发展受到很大限制。

随着生活水平的不断提高，日常垃圾不断增加，如不规范处理，必会对环境带来严重污染，尤其是厨余垃圾类，腐烂时会散发不良气味，危害人体健康。

玻璃粉表面光滑、吸水率不高，可以有效提高混凝土水泥浆体间的流动性，并在后期加快水泥颗粒水化，从而进一步优化混凝土内部微观结构[16]。Li等[17]采用废玻璃粉(WGP)部分替代水泥制备透水混凝土，分析了不同WGP含量对透水混凝土性能影响。发现随着WGP含量(最佳掺量20%)的增加，抗冻性会逐渐改善，并采用非线性表面拟合分析方法建立了WGP含量与抗压强度和透水性的方程。Zhou等[18]采用纳米Fe2O3乳液对玻璃骨料进行表面处理的方法制备了一种多孔玻璃沥青路面。结果表明经过纳米Fe2O3乳液处理过的玻璃，可以更好增强与沥青材料的结合。

Kong等[19]使用废弃牡蛎壳和再生骨料制备多孔生态混凝土(PEC)用于人工鱼礁，研究表明PEC的28 d浸出液最低pH值可达到8.52，与海水的pH值接近，生物附着性也因此得到很大提高，使PEC表现出优异的相容性，但废弃牡蛎壳的掺量不宜超过20%。王冬丽等[20]通过厨余牡蛎固废、工厂牡蛎固废、厨余扇贝固废、工厂扇贝固废作透水混凝土原材料，发现在冻融过程中贝壳层会被逐渐侵蚀，与厨余废弃物相比，工厂废弃物的抗冻性和强度更高，且扇贝表面的致密化构造会使其具有良好的抗冻性。

Gesoglu等[21]通过不同粒径橡胶研究其对透水混凝土性能的影响，发现小尺寸橡胶具有较高的比表面积，从而使透水混凝土内部生成较多细孔，有效吸收冻结而增加的水体积，且尺寸越小的橡胶颗粒，抗冻性越好。Juradin等[22]通过废布条((5±1)cm)充当纤维按1%的体积掺量制备透水混凝土，发现废布条的加入可以有效增强透水混凝土延性，从而提高其抗压、抗弯强度和耐磨性，但试件放置过程中如压实力不足，会导致试件在横截面上出现一些大孔。Govedarica等[23]研究固化废水处理污泥(SWWTS)作为补充胶凝材料对透水混凝土性能的影响，发现由于SWWTS没有火山灰性，水化产物会填充在胶凝材料的微孔中，导致混合料的体积密度略有下降，吸水率增加，从而在一定程度上会降低力学性能，但仍能满足低交通道路使用。

综上所述，城市垃圾类固废大部分可在透水混凝土中被资源化利用，通过分析不同种类固废对透水混凝土性能的影响，大致可以分为两类：①具有一定的火山灰性固废：废玻璃作为城市垃圾的一部分，有一定的火山灰性，将其加入透水混凝土可显著提高性能；
②无火山灰性固废：橡胶、布条等固废在透水混凝土中虽然不能进行物理化学反应提升微观结构性能，却可在宏观基础上显著提高其韧性。

农业废弃物的乱堆乱放产生的气体和细小垃圾都会随着风吹扩散，尤其是秸秆类废弃物曾面临严重的焚烧问题，导致生态环境污染严重，因此，农业类固废的综合利用变得尤为重要。

Opiso等[24]将木屑废料(FSD)充当填料，粉煤灰(FA)作部分水泥替代物制备透水混凝土。研究表明通过掺入两种废料，可以使水泥用量相应减少10%，且FSD和FA的掺入也并没有显著降低透水混凝土强度和透水性。Liu等[25]使用梧桐叶柄作为原材料制备环保轻质透水混凝土，发现叶柄可以提供良好的延性，降低透水混凝土的密度，且叶柄的长度和力学性能有着直接关系。Ibrahim等[26]将棕榈油熟料(POC)作为粗骨料替代天然骨料加入透水混凝土，研究表明POC的形状具有不一致和不规则性，从而导致骨料之间的黏结效果不好，且最优掺量为25%，只可应用于低强度道路使用。

Hesami等[27]使用稻壳灰(RHA)增强水泥浆体用于提高界面过渡区强度，发现透水混凝土透水性会随着RHA用量的增加而降低，且12%的RHA掺量更适用于透水混凝土路面。Dasilva等[28]将甘蔗渣灰(SCBA)和甘蔗秸秆灰(SCSA)作胶凝材料用于透水混凝土制备，发现SCBA内部含有大量SiO2和少量Al2O3及Fe2O3，相较于SCSA表现出较高的火山灰性，因此抗压强度更高。Tijani等[29]通过高粱壳灰(SHA)和RCA制备透水混凝土，发现透水混凝土力学性能会随着SHA的增加而逐渐降低，但在5%掺量时却高于对照组，SHA对于透水混凝土后期强度增强较明显，且当25%SHA与100%RCA相结合时，CO2排放最大降低量约为38.23%。Tan等[30]在水泥中添加生物炭用来制备透水混凝土，发现1.0%～3.0%(按重量计)对透水混凝土抗压与抗折强度效果较好，透水混凝土的吸水性能和蒸发冷却效果也会随着生物炭含量的增加而增大。

综上所述，农业废弃物的形状、掺量等均会直接影响透水混凝土，可采取农业固废改性、复掺等方法改善透水混凝土性能。但在实际应用过程中，部分农业废弃物的掺入会显著降低透水混凝土性能，应根据不同类型农业固废选择最佳掺量。

随着工业化的快速发展，工业固废大量积累，使环境污染问题愈加严重[3，31]。如粉煤灰、矿渣、钢渣等火山灰质固废含有大量的SiO2和Al2O3等成分，可当作硅质材料应用于透水混凝土的制备。既能达到工业固废的处置和再利用，又可减少透水混凝土生产的费用，从而产生较好的经济效益和环保效果。

钢渣表面的粗糙和多孔结构，可以有效提升骨料与水泥砂浆之间黏结，且会生成大量CaCO3晶体，有效填充孔隙，使胶凝材料更加致密，从而显著提高透水混凝土力学性能[32]。Xu等[33]用钢渣作骨料制备钢渣透水混凝土(SSPC)，比较钢渣骨料粒径和凹口深度对SSPC性能的影响。发现SSPC的断裂性能具有明显的边界效应，SSPC开裂行为也会随着骨料凹口深度增加而逐渐降低，且大粒径的骨料表面由于具有较厚的浆体包裹，对抗裂强度有显著提高作用，并利用声发射监测发现大粒径相比小粒径骨料的试件在断裂过程中，会存在较多剪切裂缝。Jian等[34]将高炉矿渣和铜渣作为掺合料替代水泥制备透水混凝土，发现铜渣中的铁橄榄石可提供良好的耐磨性，使透水混凝土耐磨性提高约 38.78%，且制备的透水混凝土重金属离子的浸出浓度会显著降低。

郭长路等[35]通过赤泥、钢渣和煤矸石等固体废弃物高温制备固废基高铁铝酸盐相胶凝材料，发现固废基高铁铝酸盐相胶凝材料相比普通硅酸盐水泥具有较好的力学性能，水化的产物为AFT、水化铝酸钙、未反应的C2S，并伴有少量的方解石，可用于透水混凝土的制备。Huang等[36]通过高炉矿渣(GBFS)改性粉煤灰、偏高岭土地质聚合物透水混凝土，发现室温固化完全可以形成相应强度，且GBFS在反应过程中也会形成新的晶体相，所以能够实现更好的表面完整性和较少的微观裂缝，对力学性能具有显著提升作用。Jo等[37]通过研究粉煤灰地质聚合物透水混凝土对去除水中粪大肠菌群和磷的作用，发现根据不同的接触时间透水混凝土能够将粪便大肠菌群和磷分别减少54%～100%和25%～85%。

硅灰在透水混凝土中会随着掺量的增加，使混合物变得黏稠，导致孔隙率增加，强度和耐久性下降，当孔隙率为20%时，硅灰掺量3%～5%更有利于提高透水混凝土强度和耐久性[38]。Mohammed等[39]测试纳米SiO2(NS)对含有粉煤灰的透水混凝土影响，发现NS加入可以激发更多的C—S—H凝胶，从而减少孔隙体积约13.4%，使界面过渡区处结构致密化，并通过响应面法建立了NS相关透水混凝土设计模型。NS加入也可以有效改善透水混凝土浆体包覆性能，并提高胶凝材料在垂直方向的均匀分布，从而显著提升透水混凝土渗透性能[40]。

经济的快速提升应以绿色可持续发展为前提，将固废综合利用于透水混凝土制备可作为未来研究发展的重点方向。通过提高固废制备透水混凝土的性能，降低透水混凝土制备成本，做到固废综合利用被逐步推广。

通过总结分析不同固体废弃物替代水泥或骨料制备透水混凝土的研究现状，发现大多数固体废弃物在透水混凝土中应用是可行的。在制备透水混凝土过程中消耗固废，可有效降低成本，利用物理化学改性进一步提高固废的活性，对于透水混凝土性能的提升具有显著作用，但基于固废的透水混凝土研究还存在较多问题，以下问题应引起重视。

(1)固废的掺入可能会引起碱硅酸反应(ASR)，促使透水混凝土内部膨胀开裂，因此ASR问题应引起重视。

(2)目前研究大多通过提高固废活性研究其对透水混凝土性能的影响，但部分仅停留在短期性能测试，基于固废的透水混凝土长期性能分析较少。

(3)透水混凝土内部结构复杂，外加上荷载、冻融和堵塞等多种情况耦合，仅通过实验室并不能完全体现出基于固废的透水混凝土实际状况，可适当结合离散元等软件进行模拟分析。

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