趙洪凱，耿慶林，任偉

(吉林建筑大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春 130118)

隨著城市化進(jìn)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(qū)排水設(shè)施偏少，導(dǎo)致地表面積水滲透困難，使得部分城市內(nèi)澇災(zāi)害頻發(fā)，對(duì)人類經(jīng)濟(jì)社會(huì)和生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生的影響越來(lái)越大[1]。透水混凝土內(nèi)部多孔結(jié)構(gòu)使其具有優(yōu)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(shí)，人類的生產(chǎn)、生活消耗大量資源，必定也會(huì)產(chǎn)生各種廢棄物，我國(guó)目前各類固廢累積堆存800多億t，每年產(chǎn)生將近120億t，且呈現(xiàn)逐年增長(zhǎng)趨勢(shì)[2]。固廢所帶來(lái)的環(huán)境污染和資源浪費(fèi)問(wèn)題，已引起社會(huì)各界廣泛關(guān)注[3]。為此當(dāng)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(xiàng)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(huán)境污染問(wèn)題，對(duì)緩解城市內(nèi)澇災(zāi)害也有一定的促進(jìn)作用。

1 石材類固廢對(duì)透水混凝土性能的影響

建筑業(yè)是我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的重要組成部分，在整個(gè)國(guó)家的發(fā)展進(jìn)程中占有重要位置，而與建筑密切相關(guān)的行業(yè)也出現(xiàn)了一股快速增長(zhǎng)的浪潮，同時(shí)產(chǎn)生的廢石廢料數(shù)量每年都在增加。將建筑垃圾經(jīng)處理后資源化應(yīng)用到建筑工程、市政交通等領(lǐng)域已逐漸普及，對(duì)于改善環(huán)境污染問(wèn)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(jié)合，對(duì)于提高透水混凝土耐磨性和強(qiáng)度具有良好作用，且天然骨料制備透水混凝土導(dǎo)熱系數(shù)為0.78 W/(m·K)，而采用再生骨料制備透水混凝土導(dǎo)熱系數(shù)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(huì)導(dǎo)致RAP與膠凝材料之間出現(xiàn)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(rèn)為RCA完全替代NA時(shí)，按體積計(jì)可有效利用固廢約73%，此時(shí)可以實(shí)現(xiàn)24%的CO2減排。Jike等[9]通過(guò)再生磚混廢渣作細(xì)骨料制備透水混凝土，發(fā)現(xiàn)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(zhì)，并減少CO2排放約 107 kg/m3。金宇飛[10]對(duì)廢棄過(guò)燒磚進(jìn)行改性用于透水混凝土制備，發(fā)現(xiàn)磚粉和水泥復(fù)摻對(duì)過(guò)燒磚進(jìn)行包裹可形成保護(hù)層，并降低壓碎指標(biāo)，且經(jīng)過(guò)硅烷改性的過(guò)燒磚外層會(huì)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(huì)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(fā)現(xiàn)與傳統(tǒng)瀝青透水路面相比，PU的強(qiáng)內(nèi)聚性和黏合性以及陶瓷骨料的特殊形態(tài)，促使其具有較高的透水率，且PU結(jié)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(dāng)骨料，還可作為膠凝材料用于透水混凝土制備。Oggu等[12]通過(guò)在透水混凝土中摻加大理石廢粉(MWP)，發(fā)現(xiàn)孔隙率會(huì)隨著MWP的增加而減小，當(dāng)MWP摻量達(dá)到30%時(shí)，28 d抗壓強(qiáng)度會(huì)提升約54.9%。而Agrawal等[13]發(fā)現(xiàn)經(jīng)機(jī)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(shí)。Zeng等[14]采用不同(Al+Si)/Na比的堿激發(fā)劑對(duì)地磚粉進(jìn)行活化處理。發(fā)現(xiàn)經(jīng)堿激發(fā)劑處理過(guò)的再生磚粉(AARBP)砂漿抗壓強(qiáng)度可達(dá)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(qiáng)透水混凝土(HSPC)。發(fā)現(xiàn)WSAC熟料砂漿礦物組成合理，晶體發(fā)育良好，且SCG的加入可有效促進(jìn)水化反應(yīng)，當(dāng)SCG摻量為10%時(shí)，30次凍融循環(huán)質(zhì)量損失率僅為0.84%，此外，HSPC對(duì)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(dāng)骨料和膠凝材料用于透水混凝土制備，當(dāng)用作骨料時(shí)，可通過(guò)改變固廢摻量、表面改性等提升透水混凝土性能；當(dāng)用作膠凝材料時(shí)，可使用堿激發(fā)活化處理、改變細(xì)度等方法改善膠凝材料強(qiáng)度。但對(duì)于堿激發(fā)膠凝材料缺乏相關(guān)規(guī)范和耐久性研究，使其大規(guī)模發(fā)展受到很大限制。

2 城市垃圾類固廢對(duì)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(guī)范處理，必會(huì)對(duì)環(huán)境帶來(lái)嚴(yán)重污染，尤其是廚余垃圾類，腐爛時(shí)會(huì)散發(fā)不良?xì)馕?，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(dòng)性，并在后期加快水泥顆粒水化，從而進(jìn)一步優(yōu)化混凝土內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)[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(duì)透水混凝土性能影響。發(fā)現(xiàn)隨著WGP含量(最佳摻量20%)的增加，抗凍性會(huì)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(qiáng)度和透水性的方程。Zhou等[18]采用納米Fe2O3乳液對(duì)玻璃骨料進(jìn)行表面處理的方法制備了一種多孔玻璃瀝青路面。結(jié)果表明經(jīng)過(guò)納米Fe2O3乳液處理過(guò)的玻璃，可以更好增強(qiáng)與瀝青材料的結(jié)合。

Kong等[19]使用廢棄牡蠣殼和再生骨料制備多孔生態(tài)混凝土(PEC)用于人工魚(yú)礁，研究表明PEC的28 d浸出液最低pH值可達(dá)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(xiàn)出優(yōu)異的相容性，但廢棄牡蠣殼的摻量不宜超過(guò)20%。王冬麗等[20]通過(guò)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(fā)現(xiàn)在凍融過(guò)程中貝殼層會(huì)被逐漸侵蝕，與廚余廢棄物相比，工廠廢棄物的抗凍性和強(qiáng)度更高，且扇貝表面的致密化構(gòu)造會(huì)使其具有良好的抗凍性。

Gesoglu等[21]通過(guò)不同粒徑橡膠研究其對(duì)透水混凝土性能的影響，發(fā)現(xiàn)小尺寸橡膠具有較高的比表面積，從而使透水混凝土內(nèi)部生成較多細(xì)孔，有效吸收凍結(jié)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(guò)廢布條((5±1)cm)充當(dāng)纖維按1%的體積摻量制備透水混凝土，發(fā)現(xiàn)廢布條的加入可以有效增強(qiáng)透水混凝土延性，從而提高其抗壓、抗彎強(qiáng)度和耐磨性，但試件放置過(guò)程中如壓實(shí)力不足，會(huì)導(dǎo)致試件在橫截面上出現(xiàn)一些大孔。Govedarica等[23]研究固化廢水處理污泥(SWWTS)作為補(bǔ)充膠凝材料對(duì)透水混凝土性能的影響，發(fā)現(xiàn)由于SWWTS沒(méi)有火山灰性，水化產(chǎn)物會(huì)填充在膠凝材料的微孔中，導(dǎo)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(huì)降低力學(xué)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(guò)分析不同種類固廢對(duì)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(wú)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(jìn)行物理化學(xué)反應(yīng)提升微觀結(jié)構(gòu)性能，卻可在宏觀基礎(chǔ)上顯著提高其韌性。

3 農(nóng)業(yè)類固廢對(duì)透水混凝土性能的影響

農(nóng)業(yè)廢棄物的亂堆亂放產(chǎn)生的氣體和細(xì)小垃圾都會(huì)隨著風(fēng)吹擴(kuò)散，尤其是秸稈類廢棄物曾面臨嚴(yán)重的焚燒問(wèn)題，導(dǎo)致生態(tài)環(huán)境污染嚴(yán)重，因此，農(nóng)業(yè)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(dāng)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(guò)摻入兩種廢料，可以使水泥用量相應(yīng)減少10%，且FSD和FA的摻入也并沒(méi)有顯著降低透水混凝土強(qiáng)度和透水性。Liu等[25]使用梧桐葉柄作為原材料制備環(huán)保輕質(zhì)透水混凝土，發(fā)現(xiàn)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(zhǎng)度和力學(xué)性能有著直接關(guān)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(guī)則性，從而導(dǎo)致骨料之間的黏結(jié)效果不好，且最優(yōu)摻量為25%，只可應(yīng)用于低強(qiáng)度道路使用。

Hesami等[27]使用稻殼灰(RHA)增強(qiáng)水泥漿體用于提高界面過(guò)渡區(qū)強(qiáng)度，發(fā)現(xiàn)透水混凝土透水性會(huì)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(fā)現(xiàn)SCBA內(nèi)部含有大量SiO2和少量Al2O3及Fe2O3，相較于SCSA表現(xiàn)出較高的火山灰性，因此抗壓強(qiáng)度更高。Tijani等[29]通過(guò)高粱殼灰(SHA)和RCA制備透水混凝土，發(fā)現(xiàn)透水混凝土力學(xué)性能會(huì)隨著SHA的增加而逐漸降低，但在5%摻量時(shí)卻高于對(duì)照組，SHA對(duì)于透水混凝土后期強(qiáng)度增強(qiáng)較明顯，且當(dāng)25%SHA與100%RCA相結(jié)合時(shí)，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(lái)制備透水混凝土，發(fā)現(xiàn)1.0%～3.0%(按重量計(jì))對(duì)透水混凝土抗壓與抗折強(qiáng)度效果較好，透水混凝土的吸水性能和蒸發(fā)冷卻效果也會(huì)隨著生物炭含量的增加而增大。

綜上所述，農(nóng)業(yè)廢棄物的形狀、摻量等均會(huì)直接影響透水混凝土，可采取農(nóng)業(yè)固廢改性、復(fù)摻等方法改善透水混凝土性能。但在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，部分農(nóng)業(yè)廢棄物的摻入會(huì)顯著降低透水混凝土性能，應(yīng)根據(jù)不同類型農(nóng)業(yè)固廢選擇最佳摻量。

4 其他火山灰質(zhì)類固廢對(duì)透水混凝土性能的影響

隨著工業(yè)化的快速發(fā)展，工業(yè)固廢大量積累，使環(huán)境污染問(wèn)題愈加嚴(yán)重[3，31]。如粉煤灰、礦渣、鋼渣等火山灰質(zhì)固廢含有大量的SiO2和Al2O3等成分，可當(dāng)作硅質(zhì)材料應(yīng)用于透水混凝土的制備。既能達(dá)到工業(yè)固廢的處置和再利用，又可減少透水混凝土生產(chǎn)的費(fèi)用，從而產(chǎn)生較好的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)保效果。

鋼渣表面的粗糙和多孔結(jié)構(gòu)，可以有效提升骨料與水泥砂漿之間黏結(jié)，且會(huì)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(xué)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(duì)SSPC性能的影響。發(fā)現(xiàn)SSPC的斷裂性能具有明顯的邊界效應(yīng)，SSPC開(kāi)裂行為也會(huì)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(duì)抗裂強(qiáng)度有顯著提高作用，并利用聲發(fā)射監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)大粒徑相比小粒徑骨料的試件在斷裂過(guò)程中，會(huì)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(fā)現(xiàn)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(huì)顯著降低。

郭長(zhǎng)路等[35]通過(guò)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(fā)現(xiàn)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(xué)性能，水化的產(chǎn)物為AFT、水化鋁酸鈣、未反應(yīng)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(guò)高爐礦渣(GBFS)改性粉煤灰、偏高嶺土地質(zhì)聚合物透水混凝土，發(fā)現(xiàn)室溫固化完全可以形成相應(yīng)強(qiáng)度，且GBFS在反應(yīng)過(guò)程中也會(huì)形成新的晶體相，所以能夠?qū)崿F(xiàn)更好的表面完整性和較少的微觀裂縫，對(duì)力學(xué)性能具有顯著提升作用。Jo等[37]通過(guò)研究粉煤灰地質(zhì)聚合物透水混凝土對(duì)去除水中糞大腸菌群和磷的作用，發(fā)現(xiàn)根據(jù)不同的接觸時(shí)間透水混凝土能夠?qū)⒓S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(huì)隨著摻量的增加，使混合物變得黏稠，導(dǎo)致孔隙率增加，強(qiáng)度和耐久性下降，當(dāng)孔隙率為20%時(shí)，硅灰摻量3%～5%更有利于提高透水混凝土強(qiáng)度和耐久性[38]。Mohammed等[39]測(cè)試納米SiO2(NS)對(duì)含有粉煤灰的透水混凝土影響，發(fā)現(xiàn)NS加入可以激發(fā)更多的C—S—H凝膠，從而減少孔隙體積約13.4%，使界面過(guò)渡區(qū)處結(jié)構(gòu)致密化，并通過(guò)響應(yīng)面法建立了NS相關(guān)透水混凝土設(shè)計(jì)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(jīng)濟(jì)的快速提升應(yīng)以綠色可持續(xù)發(fā)展為前提，將固廢綜合利用于透水混凝土制備可作為未來(lái)研究發(fā)展的重點(diǎn)方向。通過(guò)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(jié)論

通過(guò)總結(jié)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(xiàn)狀，發(fā)現(xiàn)大多數(shù)固體廢棄物在透水混凝土中應(yīng)用是可行的。在制備透水混凝土過(guò)程中消耗固廢，可有效降低成本，利用物理化學(xué)改性進(jìn)一步提高固廢的活性，對(duì)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(wèn)題，以下問(wèn)題應(yīng)引起重視。

(1)固廢的摻入可能會(huì)引起堿硅酸反應(yīng)(ASR)，促使透水混凝土內(nèi)部膨脹開(kāi)裂，因此ASR問(wèn)題應(yīng)引起重視。

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

(3)透水混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，外加上荷載、凍融和堵塞等多種情況耦合，僅通過(guò)實(shí)驗(yàn)室并不能完全體現(xiàn)出基于固廢的透水混凝土實(shí)際狀況，可適當(dāng)結(jié)合離散元等軟件進(jìn)行模擬分析。