固體廢棄物在輕質(zhì)泡沫混凝土中應(yīng)用研究進(jìn)展

高巧玲，范功端

1. 福建船政交通職業(yè)學(xué)院土木工程學(xué)院，福建 福州350007；2. 福州大學(xué)土木工程學(xué)院，福建 福州350108

泡沫混凝土（多孔混凝土）具有低自重、高流動(dòng)性、低集料用量、可控的低強(qiáng)度和極好的隔熱性能［1-2］。通過控制泡沫混凝土形貌結(jié)構(gòu)、組織成分和尺寸分布，獲得各種密度（400～1 850 kg/m3）的泡沫混凝土。由于泡沫混凝土具有輕質(zhì)和更經(jīng)濟(jì)的特性，其在建筑行業(yè)應(yīng)用中作為更輕質(zhì)的非結(jié)構(gòu)性和半結(jié)構(gòu)性材料越來越受歡迎。與普通混凝土一樣，泡沫混凝土的生產(chǎn)也消耗水泥和二氧化硅，這便涉及可持續(xù)性和環(huán)境問題［3-5］。例如，水泥工業(yè)是導(dǎo)致二氧化碳排放溫室氣體的主要源頭之一，產(chǎn)生了全世界人為二氧化碳排放總量的8%［6］。由于現(xiàn)實(shí)中預(yù)計(jì)水泥產(chǎn)量將增加，因此這一百分比仍在持續(xù)增長［7］。而且，二氧化硅是不可再生的自然資源，因此避免對(duì)其過度消耗很重要。由于建筑行業(yè)對(duì)這種材料的巨大需求和兼有的環(huán)保要求，可考慮采用潛在的水泥和二氧化硅替代品幫助減緩資源過度消耗問題，從而使建筑業(yè)朝著可持續(xù)的方向發(fā)展。在這方面，最流行最實(shí)用的方法之一是利用固體廢棄物替代普通混凝土成分（例如水泥和二氧化硅）。世界范圍內(nèi)有大量此類固體廢棄物，包括農(nóng)業(yè)、采礦、工業(yè)、市政和建筑業(yè)的廢物。處理這些廢物的傳統(tǒng)方法是傾倒廢物或回收利用。廢物的傾倒通常是以垃圾掩埋或焚化方式來進(jìn)行的，但這兩種方法成本都非常昂貴，并且極容易造成環(huán)境和健康問題。垃圾填埋場常見的問題是土壤危害和風(fēng)吹碎屑,而焚化方法則會(huì)產(chǎn)生有害于環(huán)境的氣體污染物。盡管在混凝土制造中可利用固體廢棄物，但是仍存在某些局限性，例如強(qiáng)度較低和耐久性不夠等，尤其是在建筑輕質(zhì)泡沫混凝土結(jié)構(gòu)中。因此，泡沫混凝土中摻入大量各種類型的固體廢棄物，為制備更加環(huán)保耐用和可持續(xù)利用的新型建筑材料提供了極好的基礎(chǔ)。通常，在泡沫混凝土中摻入固體廢棄物可以制備具有低導(dǎo)熱率、低密度和高抗壓強(qiáng)度的非承重泡沫混凝土。因此，在泡沫混凝土制備中充分利用好固體廢棄物是解決二氧化碳排放以及自然資源開發(fā)和建筑業(yè)廢物管理過程中產(chǎn)生有關(guān)的環(huán)境問題關(guān)鍵切入點(diǎn)。

目前，盡管已經(jīng)有學(xué)者研究將固體廢棄物摻入輕質(zhì)泡沫混凝土的技術(shù)，但該技術(shù)在現(xiàn)實(shí)應(yīng)用中尚不廣泛。因此，為促進(jìn)這項(xiàng)技術(shù)在實(shí)際生活中廣泛的應(yīng)用，本綜述對(duì)泡沫混凝土的當(dāng)前材料性能做了評(píng)估，并對(duì)改善輕質(zhì)泡沫混凝土的設(shè)計(jì)比例和選擇組成材料加以分析闡述，例如，可使用補(bǔ)充材料部分替代硅酸鹽水泥，可利用采石場粉塵作為全部或部分泡沫混凝土集料，并通過添加適量的增塑劑使泡沫混凝土的可加工性能得到提高，等等。同時(shí)，分析了不同類型的固體廢棄物及對(duì)泡沫混凝土性能的影響、優(yōu)點(diǎn)和局限性，并提出了未來研究方向和發(fā)展應(yīng)用前景。

1 用于泡沫混凝土的固體廢棄物

改進(jìn)泡沫混凝土的設(shè)計(jì)配合比和組成材料的選擇，可以豐富其在新鮮狀態(tài)和硬化狀態(tài)下的性能。由于輕質(zhì)泡沫混凝土的強(qiáng)度或重量比的提高，以及新型膠凝原料、發(fā)泡劑、填充劑和催化劑的開發(fā)，泡沫混凝土的應(yīng)用得到了擴(kuò)展［7-8］。來自不同材料的固體廢棄物現(xiàn)已用于輕質(zhì)泡沫混凝土中的制備中，可以部分或完全替代水泥或細(xì)骨料。圖1 展示了在通常情況下，制備輕質(zhì)泡沫混凝土的各種材料，其中主要成分是水泥和細(xì)骨料（砂）。由于泡沫混凝土的獨(dú)特性能，包括密度降低、導(dǎo)熱系數(shù)低和高流動(dòng)性，因此泡沫混凝土已在許多土木結(jié)構(gòu)工程領(lǐng)域得到應(yīng)用。

圖1 輕質(zhì)泡沫混凝土材料［9］Fig. 1 Constituents of foam concrete［9］

泡沫混凝土的穩(wěn)定生產(chǎn)取決于許多因素，如發(fā)泡劑的種類、制備方法、發(fā)泡材料截面的工藝以及泡沫混凝土的生產(chǎn)等。發(fā)泡劑接近中性，不含苯、甲醛等有害物質(zhì)。為了生產(chǎn)稠度和穩(wěn)定性高的泡沫混凝土，可以減少泡沫劑的體積，使用粉煤灰或硅粉替代水泥和輕質(zhì)骨料，以減少水化熱的過程。泡沫劑使孔隙分布均勻，減少了孔隙的早期離析問題，防止了氯離子的滲入和硫酸鹽的侵蝕，增加了著火的時(shí)間范圍，同時(shí)提高了耐火性能。表1 給出了用于輕質(zhì)泡沫混凝土的固體廢棄物的主要化學(xué)組成［10］。發(fā)電廠的固體廢棄物，例如粉煤灰和底灰具有一定的火山灰反應(yīng)性和細(xì)度，可替代水泥。此外，諸如稻殼灰、廢玻璃和硅粉之類的固體廢棄物含有無定形二氧化硅，可用作水泥替代材料。另一方面，可利用具有較大尺寸且不具有高火山灰反應(yīng)性的固體廢棄物，例如碎屑橡膠、建筑和拆除廢料等，主要用作輕質(zhì)泡沫混凝土中的細(xì)骨料替代品［11］。通常，使用固體廢棄物作為細(xì)骨料的替代量要高于水泥替代量，而過量替代又會(huì)導(dǎo)致輕質(zhì)泡沫混凝土的強(qiáng)度顯著降低。相比之下，固體廢棄物可以完全、有效地替代輕質(zhì)泡沫混凝土中的細(xì)骨料，以降低密度而又不會(huì)過度減弱其強(qiáng)度。

表1 不同固體廢棄物的主要化學(xué)組成［10］Tab. 1 Main chemical compositions of different kinds of solid wastes［10］ %

1.1 固體廢棄物在輕質(zhì)泡沫混凝土中的應(yīng)用

1.1.1 工業(yè)無機(jī)固體廢棄物 燃煤電廠在燃燒粉煤時(shí)，會(huì)產(chǎn)生粉煤灰的細(xì)碎殘?jiān)Ｍǔ？蓮娜济喊l(fā)電廠的煙囪中捕獲到這種殘留物。如果處理不當(dāng)，粉煤灰會(huì)對(duì)環(huán)境造成威脅，導(dǎo)致土壤和水污染，破壞生態(tài)循環(huán)。此外，在燃煤鍋爐中，通常從爐底去除較粗的灰，通常稱為底灰，其粒徑較大［11］。

圖2 表明She 等［12］在100% 細(xì) 骨料替代程 度時(shí)，存在未反應(yīng)的粉煤灰顆粒，從而限制了泡沫混凝土的抗壓強(qiáng)度的提高。研究發(fā)現(xiàn)，用粉煤灰代替細(xì)骨料可改善泡沫混凝土的抗壓強(qiáng)度。與不含粉煤灰的泡沫混凝土相比，含粉煤灰高達(dá)100% 的細(xì)骨料的泡沫混凝土的抗壓強(qiáng)度提高了60%［12］。另一方面，HILAL 等［13］觀察到在用粗粒粉煤灰（尺寸為98 μm）替代50% 砂粒時(shí)，泡沫混凝土獲得了最高的強(qiáng)度，這表明用粉煤灰存在最佳的細(xì)骨料替代水平，若超過此強(qiáng)度則會(huì)由于氫氧化鈣不足而降低強(qiáng)度。

圖2 泡沫混凝土中未水合的粉煤灰顆粒采用100% 粉煤灰：（a）對(duì)照試樣，（b）固化56 d［12］Fig. 2 Un-hydrated particles in foamed concrete with 100%fly ash：（a）control sample，（b）curing for 56 days［12］

煉鐵行業(yè)產(chǎn)生的大量高爐爐渣固體廢棄物，對(duì)環(huán)境構(gòu)成了巨大威脅，因?yàn)樗鼘?dǎo)致了水污染和占用垃圾填埋場等一系列的問題。在高爐中生產(chǎn)生鐵時(shí)，會(huì)產(chǎn)生高爐礦渣形式的副產(chǎn)品，其中包括鋁硅酸鹽、鈣和其他堿的硅酸鹽。過去高爐礦渣的使用是在泡沫混凝土中進(jìn)行的，其典型的抗壓強(qiáng)度為4～12 MPa，密度為1 300 kg/m3。磨碎的高爐礦渣（ground granulated blastfurnace slag，GGBS）由于其細(xì)度更高而降低了泡沫混凝土的坍落度，當(dāng)GGBS 在30%～70% 含量下使用時(shí)，可以提高泡沫混凝土的抗壓強(qiáng)度，觀察到的抗壓強(qiáng)度增加歸因于通過摻入GGBS 產(chǎn)生的更致密的基體［14］。

硅粉（silicon powder，SP）和廢玻璃（waste glass，WG）是含硅量高的固體廢棄物。SP 是硅和硅鐵工業(yè)的副產(chǎn)品。 一般情況下，在質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.20% 的取代范圍內(nèi)使用SP 可以提高泡沫混凝土的抗壓強(qiáng)度。含SP 泡沫混凝土抗壓強(qiáng)度的提高是由于SP 與氫氧化鈣之間的火山灰反應(yīng)，產(chǎn)生了額外的硅酸鈣水合物。對(duì)于WG 粉末，當(dāng)用作水泥替代物時(shí)，其強(qiáng)度幾乎沒有改善。WG 細(xì)粉通常會(huì)降低泡沫混凝土的和易性，這可能歸因于其更具棱角的顆粒形狀。

1.1.2 化工有機(jī)固體廢棄物 化工產(chǎn)品是通過化學(xué)合成制成的物質(zhì)，其中聚丙烯、聚乙烯和橡膠是該產(chǎn)品的示例。聚丙烯是衍生自烯烴單體丙烯的下游石化產(chǎn)品。它在商品塑料中具有較低密度，該材料具有出色的力學(xué)性能（拉伸強(qiáng)度和沖擊強(qiáng)度）以及耐化學(xué)和高溫性能［15］。Shi 等［16］認(rèn)為摻有膨脹聚苯乙烯顆粒的河流沉積物基泡沫混凝土具有良好的耐高溫性和耐水性，并且在高溫高濕條件下具有出色的隔熱性能。因此，被污染的河流中的沉積物無需加熱和加壓即可轉(zhuǎn)化為環(huán)保型泡沫混凝土（圖3）。

圖3 污染的河流沉積物轉(zhuǎn)化為環(huán)保型泡沫混凝土流程圖［16］Fig. 3 Flow chart of conversion of polluted river sediments into environmental friendly foamed concrete［16］

化工有機(jī)固體廢棄物即聚乙烯、聚丙烯和輪胎橡膠已用于泡沫塑料中。這些固體廢棄物通常用作泡沫混凝土中的細(xì)骨料，其含量各不相同可以用作部分或全部替代品（密度為600～2 000 kg/m3時(shí)的抗壓強(qiáng)度為1～16 MPa）。研究發(fā)現(xiàn)以質(zhì)量分?jǐn)?shù)30% 細(xì)骨料替代的研磨聚乙烯廢料的泡沫混凝土的抗壓強(qiáng)度是對(duì)照混凝土的兩倍以上［16］。相比之下，與替代橡膠粉相同水平（由輪胎橡膠加工而成，尺寸：0.9～2.5 mm）的泡沫混凝土的抗壓強(qiáng)度僅為對(duì)照泡沫混凝土的50%［17］。聚乙烯廢料的細(xì)顆粒可以賦予一定的火山灰反應(yīng)性（SiO2，Al2O3，F(xiàn)e2O3質(zhì)量分?jǐn)?shù)為51.5%）以提高強(qiáng)度。然而，橡膠和水泥基體之間缺乏粘結(jié)（圖4），抗壓強(qiáng)度降低的主要原因是含有碎橡膠的泡沫混凝土［17］。

圖4 SEM 圖像突出泡沫混凝土中橡膠屑與水泥基體之間的弱粘結(jié)：（a）對(duì)照試樣，（b）質(zhì)量分?jǐn)?shù)30% 橡膠屑［17］Fig. 4 SEM images highlighting weak bonding between crumb rubber and cement matrix in foamed concrete：（a）control sample，（b）with 30% of crumb rubber［17］

1.1.3 農(nóng)業(yè)固體廢棄物 植物的農(nóng)業(yè)廢物例如油棕殼、棕櫚油燃料灰、稻殼灰和甘蔗濾餅，可以用于生產(chǎn)可持續(xù)混凝土［18］。在棕櫚油加工業(yè)中，提取油料時(shí)會(huì)產(chǎn)生稱為油棕殼的廢物。此外，棕櫚油廢物（如棕櫚殼和油棕殼）的燃燒會(huì)產(chǎn)生棕櫚油燃料灰（palm oil fuel ash，POFA）。通常，這些棕櫚油燃料灰會(huì)被放置在垃圾填埋場中，導(dǎo)致灰燼量不斷增加沉積，造成環(huán)境負(fù)擔(dān)。

研究人員利用農(nóng)業(yè)廢料，例如POFA、稻殼灰和油棕殼來代替泡沫混凝土中的部分骨料。Lim等［19］研究了10%～20% 的POFA，替代細(xì)骨料由于其較高的吸收性而降低了泡沫混凝土的流動(dòng)性?？箟喉g性的提高也證明了含POFA 的泡沫混凝土作為細(xì)骨料替代品的能量吸收性能有所改善。對(duì)于稻殼灰在泡沫混凝土中的使用，沖擊試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)局部破壞是縮孔而不是散裂（圖5）［19］。這種活性二氧化硅在POFA 中引發(fā)的火山灰反應(yīng)（分別以10% 和20% 的細(xì)骨料替代）提高了泡沫混凝土的彎曲強(qiáng)度（32%）和劈裂抗張強(qiáng)度（3%）［20］。而使用農(nóng)業(yè)廢料（如稻殼灰和棕櫚油燃料灰）有利于改善泡沫混凝土的能量吸收性能，研究證明稻殼灰和POFA 中發(fā)現(xiàn)的高活性二氧化硅含量分別使泡沫混凝土的抗壓強(qiáng)度提高了約70% 和5%［20］。

圖5 沖擊荷載對(duì)泡沫混凝土的局部影響：（a）無稻殼灰，（b）有稻殼灰［19］Fig. 5 Local effects due to impact loading on foamed concrete：（a）without rice husk ash，（b）with rice husk ash［19］

1.1.4 建筑固體廢棄物 截至2019 年，全球建筑骨料的需求量為510 億噸［21］。混凝土廢料和廢粘土磚等拆除固體廢棄物（construction and demolition waste，CDW）正在迅速增加，因?yàn)檫@些廢料通常來自拆除的舊建筑結(jié)構(gòu)、測試的混凝土和多余或返回的混凝土。在這種情況下，CDW 作為再生混凝土骨料，其回收對(duì)于減少環(huán)境和經(jīng)濟(jì)影響非常重要。之前混合CDW、細(xì)再生混凝土骨料（fine recycled concrete aggregate，F(xiàn)RCA）和粘土磚也作為泡沫混凝土中的細(xì)骨料替代品被研究。 通常用CDW 生產(chǎn)的泡沫混凝土其密度在600～1 600 kg/m3時(shí)，抗壓強(qiáng)度可達(dá)7 MPa。較粗粒徑（1.18～4.75 mm）摻CDW 泡沫混凝土的抗壓強(qiáng)度高于中粒徑（0.6～1.18 mm）和細(xì)粒徑（＜0.6 mm）摻CDW 泡沫混凝土的抗壓強(qiáng)度［22］。用FRCA 替代細(xì)集料時(shí)，抗壓強(qiáng)度提高了20% 以上，其中以FRCA 的抗壓強(qiáng)度最高［23］。

1.1.5 其他工業(yè)廢棄物 造紙污泥灰是造紙回收行業(yè)產(chǎn)生的廢棄物。當(dāng)脫水廢紙污泥燃燒以減少廢物量并產(chǎn)生能量時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生這種污泥。盡管廢紙污泥灰由于其低反應(yīng)性而阻礙了泡沫混凝土的強(qiáng)度發(fā)展，但是所獲得的抗壓強(qiáng)度（約12.5 MPa）接近于輕質(zhì)泡沫混凝土的抗壓強(qiáng)度［24］。鑄造廢砂和高嶺土廢料都被用作輕質(zhì)泡沫混凝土中潛在的砂替代材料。在鑄造黑色金屬和有色金屬時(shí)會(huì)產(chǎn)生一種稱為廢鑄造砂的副產(chǎn)品［25］。因此，金屬合金鑄造行業(yè)產(chǎn)生了數(shù)百萬噸的副產(chǎn)品，這些工業(yè)廢料通常被填埋，但是由于處置成本上升，填埋成為一個(gè)問題。據(jù)報(bào)道，在泡沫混凝土中，當(dāng)這些材料的替代含量為50% 和100% 時(shí)，發(fā)現(xiàn)其可加工性（最高15%）和抗壓強(qiáng)度（最高20%）降低，發(fā)生這種情況的可能因素是這些廢料的顆粒形狀和低火山灰反應(yīng)性［26］。

2 輕質(zhì)泡沫混凝土應(yīng)用的意義

泡沫混凝土被認(rèn)為是制造大型輕型建筑材料和構(gòu)件（如結(jié)構(gòu)構(gòu)件、隔墻、填筑和路基填充物）的經(jīng)濟(jì)解決方案。圖6 顯示了每種廢棄物的化學(xué)和物理組成，對(duì)輕質(zhì)泡沫混凝土中使用的特定廢料進(jìn)行研究［21］。粉煤灰和底灰的化學(xué)成分以及足夠的細(xì)度對(duì)火山灰反應(yīng)性十分有利，從而提高所得輕質(zhì)泡沫混凝土的抗壓強(qiáng)度［22-23］。因此，這些廢料可以適當(dāng)?shù)赜米魉嗷蚣?xì)骨料的替代品。

圖6 各種固體廢棄物用于輕質(zhì)泡沫混凝土［21］Fig. 6 Various types of solid waste used in lightweight foamed concrete［21］

除此之外，具有高二氧化硅含量的工業(yè)廢料，尤其是硅粉和玻璃，也具有良好的火山灰性能，因此適合用作部分水泥替代品以增強(qiáng)輕質(zhì)泡沫混凝土的硬化性能［24］。當(dāng)它們用作骨料替代品時(shí)，高活性二氧化硅含量和農(nóng)業(yè)廢棄物（稻殼灰和棕櫚油燃料灰）的多孔性可有助于輕質(zhì)泡混凝土的力學(xué)和熱性能的發(fā)展［25-27］。對(duì)于采石場廢料和拆除性廢料，由于它們的性質(zhì)與普通骨料相似，因此可以被應(yīng)用在泡沫混凝土中直至達(dá)到一定的替代水平。在此可持續(xù)性評(píng)估中，選擇了以輕質(zhì)泡沫混凝土為功能單位生產(chǎn)的系統(tǒng)邊界（圖7）［25］。

圖7 輕質(zhì)泡沫混凝土生產(chǎn)的系統(tǒng)邊界［25］Fig. 7 System boundary for lightweight foamed concrete production［25］

通常固體廢棄物由于其固有的顆粒形狀和多孔性而增加了需水量，因此對(duì)可加工性產(chǎn)生不利影響［28］。應(yīng)注意的是，由于泡沫混凝土通常具有高和易性，與傳統(tǒng)混凝土相比，摻入廢料將是更可行的選擇。由于廢料的存在，在傳統(tǒng)混凝土中，特別是在高體積情況下通常會(huì)影響和易性，以至于需要額外的化學(xué)外加劑，這無疑將增加生產(chǎn)成本。通過對(duì)國內(nèi)外研究者的綜述，可以了解泡沫混凝土的發(fā)展現(xiàn)狀。同時(shí)，還著重指出了泡沫混凝土中不同廢棄物的替代優(yōu)勢(shì)和不足。如前所述，盡管將廢料混入泡沫混凝土中可顯著降低抗壓強(qiáng)度，但仍可合理地滿足泡沫混凝土產(chǎn)品非承重和半承重應(yīng)用的低強(qiáng)度要求。本綜述明確了不同類型的廢料對(duì)泡沫混凝土不同性能的影響，以及它們?cè)谒嗪蜕疤娲椒矫娴目尚行?。為了保證輕質(zhì)泡沫混凝土的合成，需要在制備過程中加速膠凝材料的凝結(jié)硬化，在泡沫劣化之前使泡沫混凝土漿料凝結(jié)硬化［29］。因此，與常規(guī)混凝土相比，在輕質(zhì)泡沫混凝土中摻入廢料是更有吸引力的選擇。由發(fā)泡劑產(chǎn)生的泡沫必須穩(wěn)定牢固，以使其能夠抵抗混凝土漿料的壓力，直到水泥開始凝結(jié)［30］。在常規(guī)混凝土的情況下，使用的混凝土需要達(dá)到相當(dāng)大的抗壓強(qiáng)度，通常要超過20 MPa［31］。采用纖維對(duì)泡沫混凝土干縮開裂、孔結(jié)構(gòu)劣化進(jìn)行改性。除此之外，由于在結(jié)構(gòu)部件中的使用以及為了承重的目的。輕質(zhì)泡沫混凝土的防水性能主要是使用防水劑來實(shí)現(xiàn)，通過提高材料防水性能來降低泡沫混凝土的吸水率［32］。

3 結(jié) 論

通過總結(jié)分析輕質(zhì)泡沫混凝土生產(chǎn)中使用不同廢料替代水泥或骨料的現(xiàn)狀，指出了這項(xiàng)工作對(duì)環(huán)境綠色可持續(xù)性發(fā)展的重要性，并特別強(qiáng)調(diào)了各種固體廢棄物對(duì)輕質(zhì)泡沫混凝土性能的影響，并有大量替代常規(guī)材料的可能。與摻入常規(guī)混凝土相比，輕質(zhì)泡沫混凝土在摻入廢料中是有前途的研究。這是因?yàn)榕c常規(guī)混凝土相比，輕質(zhì)泡沫混凝土應(yīng)用的最低強(qiáng)度和耐久性要求低得多，同時(shí)允許包含大量廢料。除此之外，由于各種類型的固體廢棄物具有獨(dú)特的性能，這些廢料可以以不同的形式使用，以增強(qiáng)所得泡沫混凝土的某些硬化性能，使其更加節(jié)能和節(jié)約成本。另外，今后可對(duì)輕質(zhì)泡沫混凝土的耐久性和功能特性進(jìn)行更深入的研究，因?yàn)樵诜墙Y(jié)構(gòu)和半結(jié)構(gòu)應(yīng)用中，這些都是重要的考慮因素。