廢棄加氣混凝土的應(yīng)用現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)

賀行洋 王庭葦 曾三海 蘇英 鄭正旗 楊進(jìn)

（1 湖北工業(yè)大學(xué) 土木建筑與環(huán)境學(xué)院，湖北 武漢 430068； 2 湖北工業(yè)大學(xué) 湖北省建筑防水工程技術(shù)研究中心，湖北 武漢 430068）

1 引言

國(guó)家“十三五”規(guī)劃綱要指出：“以提高環(huán)境質(zhì)量為核心，以解決生態(tài)環(huán)境領(lǐng)域突出問(wèn)題為重點(diǎn)，加大生態(tài)環(huán)境保護(hù)力度，提高資源利用效率。實(shí)施循環(huán)發(fā)展引領(lǐng)計(jì)劃，推進(jìn)生產(chǎn)系統(tǒng)循環(huán)鏈接，加快工業(yè)固廢等大量廢棄物資源化利用，規(guī)范發(fā)展再制造?！钡珦?jù)《〈中華人民共和國(guó)固體廢棄物污染環(huán)境防治法〉實(shí)施情況的報(bào)告》顯示，我國(guó)固體廢棄物產(chǎn)量大、積存量多，僅建筑垃圾每年就產(chǎn)生約18 億噸，固體廢棄物的污染防治工作必須引起高度重視。因此，實(shí)現(xiàn)建筑垃圾的資源化利用是可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的一部分。一直以來(lái)，中國(guó)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展消耗大量的資源，建筑材料行業(yè)更需要大量的資源支撐，同時(shí)在不斷發(fā)展的過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量的建筑廢棄物，而將建筑廢棄物轉(zhuǎn)變成可再生利用的資源是實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的根本途徑。

加氣混凝土由于其具有自重輕，保溫隔熱性能良好等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛用作墻體材料，對(duì)我國(guó)新型墻體材料的改革起著至關(guān)重要的作用[1]。然而，在發(fā)展的同時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量的廢棄加氣混凝土，一方面是因?yàn)槲覈?guó)大力推行新型墻體材料的改革，加氣混凝土砌塊在現(xiàn)代建筑中的應(yīng)用非常廣泛，但達(dá)到其使用周期后，必將產(chǎn)生大量的廢棄加氣混凝土；另一方面是因?yàn)榧託饣炷疗鰤K的強(qiáng)度較低，在生產(chǎn)過(guò)程中易破損，一般破損率可達(dá)到5%～8%，再加上運(yùn)輸和使用過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)不同程度的破損，廢料占比可達(dá)10%左右，甚至達(dá)到15%[2]。據(jù)報(bào)道，在泰國(guó)廢棄加氣混凝土生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的廢物約達(dá)3%～5%，每月達(dá)58噸，大量的廢棄加氣混凝土只能露天堆放，占用大量土地。但大多數(shù)國(guó)家目前處理廢棄加氣混凝土的普遍方法仍然是傳統(tǒng)的簡(jiǎn)單回填和堆積，直接或間接地對(duì)環(huán)境造成了很大的危害，不僅占用大量的土地，而且對(duì)土壤、水資源造成污染。研究表明，廢加氣混凝土用于住宅建筑能夠節(jié)約7%的能量，每平方米的加氣混凝土墻在其生命周期內(nèi)能減少大約350kg 的CO2排放[3，4]，隨著人們環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng)，各國(guó)研究學(xué)者都相繼開(kāi)展工業(yè)固體廢棄物的資源化再利用的研究，有利于節(jié)約天然資源、節(jié)約成本、保護(hù)環(huán)境，具有顯著的社會(huì)效益、經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)保效益，對(duì)國(guó)家的可持續(xù)發(fā)展具有非常深遠(yuǎn)的意義。

2 廢棄加氣混凝土在建筑材料中的應(yīng)用現(xiàn)狀

為了促進(jìn)相關(guān)行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，人們更加致力于開(kāi)展將各種工業(yè)廢棄物轉(zhuǎn)變成其他行業(yè)原材料的研究。通常，消耗工業(yè)廢料最簡(jiǎn)單的方法就是將其作為水泥或混凝土的替代原材料，例如用作水泥摻合料或混凝土骨料。加氣混凝土砌塊是1923年在瑞典發(fā)明的一種輕質(zhì)多孔的墻體材料，擁有國(guó)家制備標(biāo)準(zhǔn)，如今已成為一種國(guó)內(nèi)外廣泛使用的建筑材料。加氣混凝土是由石英砂、粉煤灰等硅質(zhì)原料、石灰、水泥等鈣質(zhì)原料、水、適量的發(fā)氣劑和其它外加劑相互攪拌混合、然后經(jīng)過(guò)澆注發(fā)泡、坯體靜停和切割等工序后，再經(jīng)蒸壓或常壓蒸氣養(yǎng)護(hù)制備而成，具有容重小、保溫效果好等優(yōu)點(diǎn)。

2.1 替代部分水泥

由于加氣混凝土具有孔隙率高、能源和材料消耗少的特點(diǎn)，可視作為一種可持續(xù)發(fā)展的建筑材料。目前面臨的挑戰(zhàn)主要是相較于其他石材和工業(yè)廢渣，加氣混凝土廢料的強(qiáng)度較低，僅1～9MPa。針對(duì)廢棄加氣混凝土再利用過(guò)程中強(qiáng)度低的問(wèn)題，許多學(xué)者提出不同的激發(fā)方法，主要是以機(jī)械激發(fā)、化學(xué)激發(fā)為主。利用粉磨方式激發(fā)廢加氣混凝土的活性，當(dāng)粉磨時(shí)間在0～70min 范圍內(nèi)時(shí)，其力學(xué)強(qiáng)度隨著粉磨時(shí)間的延長(zhǎng)不斷增強(qiáng)，但超過(guò)一定時(shí)間后其力學(xué)強(qiáng)度隨粉磨時(shí)間的增加緩慢，趨于平緩[5]。而馬保國(guó)等[6]將磨細(xì)的廢棄加氣混凝土替代部分水泥，摻入化學(xué)激發(fā)劑激發(fā)其活性，選定Ca（OH）2、CaSO4、激發(fā)劑T 三種激發(fā)劑評(píng)價(jià)其激發(fā)效果，綜合力學(xué)性能、SEM、XRD 等結(jié)果發(fā)現(xiàn)不摻激發(fā)劑，將磨細(xì)的廢棄加氣混凝土微粉摻入水泥中會(huì)降低砂漿強(qiáng)度，當(dāng)廢棄加氣混凝土的摻量為40%時(shí)，激發(fā)劑的激發(fā)效果為T ＞Ca（OH）2＞CaSO4，其中CaSO4幾乎沒(méi)有激發(fā)效果，但摻入0.02%激發(fā)劑T，28d 強(qiáng)度提高約80%，激發(fā)機(jī)理猜想與其降低表面能有關(guān)，還需進(jìn)一步研究。Boehme[7]研究了由砂、水泥與高達(dá)25%廢棄加氣混凝土復(fù)合配制而成的砂漿的力學(xué)性能，可用作室內(nèi)砂漿。

2.2 作為硅質(zhì)原材料

由于廢棄加氣混凝土的主要物相為碳酸鈣、二氧化硅和低鈣硅比及無(wú)定形的水化硅酸鈣，采用低溫煅燒的方法能促進(jìn)水化硅酸鈣相脫水發(fā)生晶型轉(zhuǎn)變，形成更多的β-C2S 晶體，提高其膠凝活性，因此采用磨細(xì)和分別經(jīng)450℃、550℃、650℃、750℃煅燒后的廢棄加氣混凝土砌塊部分替代粉煤灰，與生石灰、水泥、陶粒等復(fù)合制備陶粒加氣混凝土，結(jié)果表明當(dāng)煅燒溫度為750℃時(shí)，廢砌塊粉體水化活性最高，制得的加氣混凝土抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)率最大，為26.7%[8]。柳東[9]也研究了經(jīng)600℃、700℃、800℃煅燒處理的粉煤灰加氣混凝土廢砌塊礦相變化，結(jié)果表明適宜煅燒溫度為700℃，摻量為15%時(shí)，可達(dá)P·C42.5 水泥強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)。胡彪[10]成功利用高溫煅燒活化后的砂加氣混凝土制備出性能優(yōu)異的托貝莫來(lái)石型硅酸鈣絕熱材料。郭武明[11]以廢棄加氣混凝土為主要硅質(zhì)原料，摻入一定量的鋯渣或硅藻土，采用一次靜態(tài)水熱合成的方法，在反應(yīng)過(guò)程中以廢棄加氣混凝土中的托貝莫來(lái)石晶相作為晶核促進(jìn)反應(yīng)，從而制備托莫來(lái)石晶型的硅酸鈣絕熱材料，并且制備的托貝莫來(lái)石晶體生長(zhǎng)好，片狀晶體結(jié)構(gòu)疏松，相互交叉搭接形成網(wǎng)架狀多孔結(jié)構(gòu)。

2.3 用作集料

將廢棄加氣混凝土用作混凝土生產(chǎn)中的輕集料，不僅提高工業(yè)副產(chǎn)物的利用率，減少能源的消耗，而且有利于內(nèi)養(yǎng)護(hù)過(guò)程中的強(qiáng)度提升一級(jí)，減輕混凝土的重量。因?yàn)槎嗫椎膹U棄加氣混凝土可以在材料準(zhǔn)備和混合過(guò)程中吸收水分，然后在硬化過(guò)程中逐漸釋放混合物內(nèi)的保留水。此外，廢棄加氣混凝土作為輕集料粗糙的表面和粗糙的孔隙結(jié)構(gòu)可以成為水泥漿體和骨料過(guò)渡區(qū)之間的粘結(jié)劑，從而提高其力學(xué)性能。輕質(zhì)及均勻分布的孔隙特征是將廢棄加氣混凝土作為一種內(nèi)養(yǎng)護(hù)材料的重要原因，也為水泥水化提供了充分的條件。宿茹等[12]利用廢棄的加氣混凝土制備密度小、保溫隔熱、防火性能良好的輕砂，替代天然河砂制備保溫型砌筑砂漿，研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)輕砂摻量為75%時(shí)，砂漿的強(qiáng)度等級(jí)為M7.5，干密度和導(dǎo)熱系數(shù)分別在1000～1300kg/m3，0.3～0.5W/（m·K）之間。也可將廢棄加氣混凝土砌塊用作輕集料制備輕質(zhì)多孔混凝土，其導(dǎo)熱系數(shù)低，密度低，可以作為隔熱混凝土，并且是一種環(huán)境友好型的輕質(zhì)混凝土，能廣泛用于建筑工業(yè)中[13]。另外，將廢棄加氣混凝土破碎至0～8mm 作為細(xì)集料應(yīng)用于地板砂漿底層中，在高pH（＞12）和石膏含量低的條件下使可溶的磷酸鹽轉(zhuǎn)變成不溶的鈣礬石，不僅能有效減少硫酸鹽的溶出，而且使利用廢棄加氣混凝土制備高性能建筑產(chǎn)品成為可能[14]。廢棄加氣混凝土也可作為粗骨料制備低熱混凝土，摻入廢棄加氣混凝土為內(nèi)養(yǎng)護(hù)提供條件，制備高附加值的輕質(zhì)混凝土[15]。

2.4 替代引氣劑

室外混凝土結(jié)構(gòu)受環(huán)境影響較大，其中一個(gè)重要的影響因素是凍融破壞，直接導(dǎo)致其強(qiáng)度降低，甚至造成整個(gè)結(jié)構(gòu)破壞。目前常見(jiàn)的解決方法是加入引氣劑，引入微孔，增加其抗凍融循環(huán)能力，提高其耐久性。然而，引氣劑存在成本高，顯著降低混凝土強(qiáng)度的問(wèn)題。為解決引氣劑存在的問(wèn)題，有研究[16]表明，以廢棄多孔混凝土粉代替引氣劑制備混凝土，不僅能降低成本，而且能大大提高其強(qiáng)度（37%），也對(duì)混凝土的抗凍性有積極作用。

3 廢棄加氣混凝土在環(huán)境保護(hù)中的應(yīng)用現(xiàn)狀

依據(jù)傳統(tǒng)回收利用蒸壓加氣混凝土廢料的方法，其化學(xué)成分會(huì)面臨應(yīng)用技術(shù)問(wèn)題，并可能對(duì)環(huán)境造成不利影響。據(jù)統(tǒng)計(jì)，每1kg 蒸壓加氣混凝土中含有12.6g 可過(guò)濾的硫酸，若應(yīng)用于建筑材料中會(huì)導(dǎo)致風(fēng)化及內(nèi)部硫酸鹽侵蝕等耐久性問(wèn)題，并且若硫酸鹽侵入地下水會(huì)導(dǎo)致硫化物的形成以及帶來(lái)水質(zhì)富營(yíng)養(yǎng)化等問(wèn)題。那么，在水泥水化的過(guò)程中利用化學(xué)反應(yīng)固化硫酸鹽的方法是有效方法之一。

Brouwer J P，et al.[17]研究發(fā)現(xiàn)通過(guò)硫酸鹽與水泥中的3CaO·Al2O3（C3A）反應(yīng)形成鈣礬石，可固化高達(dá)6wt%的硫酸鹽。Zhang Y，et al.[18]首次嘗試?yán)脧U棄加氣混凝土從溶液中吸附低濃度的Cd （II），其反應(yīng)原理主要是將物理與化學(xué)吸附結(jié)合，包括離子交換反應(yīng)以及金屬絡(luò)合作用。結(jié)果表明：最佳吸附條件是在pH 為6，持續(xù)時(shí)間為90min 時(shí)，每0.5g 吸附劑可吸附50mL Cd （II）。此吸附過(guò)程遵循偽二階動(dòng)力學(xué)模型和朗繆爾等溫線模型。這為廢棄加氣混凝土吸附水溶液中Cd （II）及其他重金屬元素的高附加值利用奠定了基礎(chǔ)。Bao T，et al.[19]將廢棄加氣混凝土作為曝氣生物濾池的生物膜載體，研究發(fā)現(xiàn)廢棄加氣混凝土中100-250μm 良好的多孔結(jié)構(gòu)有利于微生物群落的發(fā)展，提高生物膜層的滲透性和污染物去除效率，這是因?yàn)閺U棄加氣混凝土富含鋁、鐵和鈣氧化物，可以大量吸附磷酸鹽或使磷酸鹽沉淀，并且其孔隙率高達(dá)89.21%，比表面積可高達(dá)81m2/g，對(duì)微生物的固化提供條件。Li W，et al.[20]同時(shí)也開(kāi)展了廢棄蒸壓加氣混凝土作為固體廢棄物除去低濃度（1mg/L）磷酸鹽的研究，結(jié)果表明，隨著pH 值的增加，磷酸鹽的去除率越高。在酸性條件下，廢棄蒸壓加氣混凝土對(duì)磷酸鹽的去除有不利影響，然而，當(dāng)pH 在10～12 范圍時(shí)有顯著的去除磷酸鹽效果，這是與羥基磷灰石的形成有關(guān)。廢棄蒸壓加氣混凝土中可溶性鈣和不溶性鈣化合物可以與磷酸鹽和羥基結(jié)合在堿性條件下形成羥基磷灰石，從而去除磷酸鹽，可應(yīng)用于處理城市二級(jí)廢水中低濃度的磷酸鹽，具有廣泛的應(yīng)用前景。此外，陳朝彬[21]研究發(fā)現(xiàn)廢棄加氣混凝土塊能有效提高土壤的滲透性，提高達(dá)3.8 倍，可解決目前綠地土壤嚴(yán)重偏緊、滲透能力弱的問(wèn)題，為綠地土壤滲透性改善方法提供了新的思路。

4 展望

目前，關(guān)于廢棄加氣混凝土在建筑材料及環(huán)境影響中的研究已開(kāi)展，但建議在未來(lái)進(jìn)一步開(kāi)展以下幾個(gè)方面的系統(tǒng)研究：

1）如何解決廢棄加氣混凝土在再利用的過(guò)程中面臨的低強(qiáng)度問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)廢棄加氣混凝土的高效活化，從而提升其在可替代輔助膠凝材料方面的應(yīng)用潛力，提高廢棄加氣混凝土的利用率；

2）如何充分利用廢棄加氣混凝土輕質(zhì)多孔的特點(diǎn)，分析其在內(nèi)養(yǎng)護(hù)過(guò)程中提升強(qiáng)度的作用機(jī)理，提升了利用廢棄加氣混凝土制備的加氣混凝土、輕質(zhì)混凝土等的性能，不僅提高廢棄加氣混凝土的利用率，減少能源的消耗，而且能制備出密度低、保溫隔熱性能好的加氣混凝土，從而真正實(shí)現(xiàn)加氣混凝土行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展；

3）如何有效固化廢棄加氣混凝土中的有害化學(xué)成分，減小有害化學(xué)成分對(duì)混凝土耐久性及生態(tài)環(huán)境的影響，另外，如何將物理和化學(xué)吸附方法有機(jī)結(jié)合，降低水溶液中的重金屬含量和磷酸鹽，在處理城市二級(jí)廢水中有廣泛的應(yīng)用前景。