生物炭透水混凝土在海綿城市中的應(yīng)用研究

王西成

(四川農(nóng)業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院,四川 成都 611830)

近年來(lái), 我國(guó)多個(gè)城市經(jīng)常受到內(nèi)澇災(zāi)害、水資源污染等問(wèn)題的困擾，這類(lèi)情況在雨季尤為嚴(yán)重。人們的出行安全、城市的建筑安全還有發(fā)展都受到了威脅[1]。城市的生態(tài)環(huán)境也受到了破壞。

傳統(tǒng)的混凝土路面透氣性和透水性較差, 調(diào)節(jié)空氣溫濕度的能力較弱, 從而容易造成積水內(nèi)澇、水體污染和熱島效應(yīng)等環(huán)境問(wèn)題[2]。鑒于此, 國(guó)內(nèi)外的學(xué)者對(duì)海綿城市中透水混凝土的應(yīng)用以及混凝土的性能改善問(wèn)題進(jìn)行了深入研究。

1 生物炭概念

生物炭是一種將植物或動(dòng)物廢棄物在密閉缺氧環(huán)境下熱解形成的一種多孔炭材料，質(zhì)地堅(jiān)硬，吸附能力較強(qiáng)。生物炭的化學(xué)成分中主要包含無(wú)定形碳元素、芳香結(jié)構(gòu)碳和灰分三類(lèi)[3]。將生物炭應(yīng)用于透水混凝土中,可以替代部分水泥，改善混凝土的力學(xué)性能和透水性能，提高透水混凝土的水質(zhì)凈化和生態(tài)環(huán)境功能，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)化發(fā)展，具有很高的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。

隨著城市化的開(kāi)發(fā)利用，建筑原材料越來(lái)越稀缺，天然砂石骨料等建材的價(jià)格也水漲船高。因此，利用農(nóng)業(yè)廢棄物加工制備成低耗能高性能的混凝土等建材具有重大的意義。近年來(lái), 國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者研究了利用稻殼灰等農(nóng)產(chǎn)品廢棄物作為外加劑或者集料制作生物炭水泥砂漿對(duì)其性能的影響。如果將這些廢棄農(nóng)副產(chǎn)品制成生物炭應(yīng)用于透水混凝土中, 不僅可以提高我國(guó)豐富的廢棄農(nóng)副產(chǎn)品資源利用率, 也為海綿城市建設(shè)的主要材料提供了廣闊的市場(chǎng)。

2 海綿城市理念

2013年12月，中央城鎮(zhèn)化工作會(huì)議中提到“建設(shè)自然積存、自然滲透、自然凈化的海綿城市”。從2013年至今，全國(guó)各城市、各區(qū)縣已經(jīng)按要求逐步落實(shí)了海綿城市建設(shè)的基本要求,多個(gè)海綿城市試點(diǎn)建設(shè)區(qū)域已經(jīng)在治理城市洪澇災(zāi)害、解決城市水資源污染問(wèn)題等方面取得了顯著的成效。通過(guò)加大政府財(cái)政投入、創(chuàng)新建設(shè)運(yùn)營(yíng)機(jī)制、完善融資支持等措施使得我國(guó)海綿城市建設(shè)項(xiàng)目成效越來(lái)越好。希望在10年內(nèi)，我國(guó)大部分城市都能夠達(dá)到將所在區(qū)域70%的雨水消納和利用的基本目標(biāo)要求。

海綿城市作為一種新一代的城市雨洪管理理念，通過(guò)新建各類(lèi)雨水、積水的吸收、凈化、疏導(dǎo)設(shè)施，使城市能夠像“海綿”一樣具有“韌性”與“彈性”，從而抵抗強(qiáng)降雨等突發(fā)性自然災(zāi)害造成的洪水等不利影響。海綿城市的應(yīng)用,可以有效降低城市化施工改造等過(guò)程中對(duì)環(huán)境帶來(lái)的不利影響,達(dá)到保護(hù)生態(tài)環(huán)境、節(jié)能減排的效果。

作為新型生態(tài)城市建設(shè)中一個(gè)不可或缺的重要組成部分，海綿城市的本質(zhì)是回歸自然，親近自然的綠色生態(tài)型發(fā)展理念，最終實(shí)現(xiàn)人與城市生態(tài)環(huán)境之間的和諧共生[4]。

隨著海綿城市建設(shè)的不斷推進(jìn)，對(duì)水體凈化效果和更大的排水蓄水量的透水建筑材料的需求也與日俱增。因此，對(duì)透水混凝土改性的深入研究刻不容緩。經(jīng)相關(guān)研究表明，在透水混凝土中摻入生物炭是一種解決這類(lèi)需求的可能性。

海綿城市理念構(gòu)建的初衷，不僅是為了我國(guó)城市經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，更重要的是創(chuàng)造一個(gè)能夠讓人與自然生靈和諧共生的良好生活環(huán)境。海綿城市的建設(shè)是實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的一條極好的出路，相信只要我們不斷地努力改進(jìn)，堅(jiān)持創(chuàng)新，一定可以克服海綿城市建設(shè)中遇到的各種問(wèn)題和困難，將海綿城市工程發(fā)展得越來(lái)越好。

3 透水混凝土在海綿城市建設(shè)中的應(yīng)用

透水混凝土的制備一般不使用細(xì)骨料，由粗骨料表面包覆一薄層水泥漿粘結(jié)而成，從而在混凝土內(nèi)部形成由大量的均勻孔隙組成的蜂窩狀結(jié)構(gòu)，因此透水混凝土具有透氣、透水、質(zhì)輕等特點(diǎn)。由于透水混凝土需同時(shí)兼具透水性和強(qiáng)度,所以在設(shè)計(jì)配合比的過(guò)程中要高度注意水灰比和骨料粒徑之間的聯(lián)系。

透水混凝土能將降水引入地下徑流，有效補(bǔ)充地下水，達(dá)到儲(chǔ)水蓄水的效果。同時(shí)利用透水混凝土的過(guò)濾、吸附等作用，可以有效去除雨水徑流中的環(huán)境污染物。除此之外，透水混凝土還具有降噪控溫、保護(hù)生態(tài)系統(tǒng)等作用。

透水混凝土作為海綿城市建設(shè)中“滲”的主要技術(shù)措施之一，在海綿城市建設(shè)中得到了廣泛的應(yīng)用。目前，透水混凝土主要應(yīng)用于路面鋪裝以及廣場(chǎng)、停車(chē)場(chǎng)以及園林景觀(guān)工程等領(lǐng)域[5]。

隨著城市化的發(fā)展和工業(yè)化的推進(jìn)，海綿城市工程對(duì)透水混凝土的性能需求不斷提高。因此對(duì)透水混凝土的性能改善研究目前顯得愈加重要。

4 生物炭的研究

近年來(lái)，由于溫室氣體帶來(lái)的危害和可持續(xù)化發(fā)展的深入研究，加上石油儲(chǔ)量的稀缺以及工業(yè)生產(chǎn)對(duì)低能源成本的需求，生物炭作為一種節(jié)能環(huán)保研究的關(guān)鍵性材料，受到了人們的密切關(guān)注。生物炭材料作為一種由農(nóng)業(yè)廢棄資源生產(chǎn)而來(lái)的新型材料，有著很好的發(fā)展前途。生產(chǎn)生物炭的原材料主要為農(nóng)業(yè)殘留物、農(nóng)副產(chǎn)品垃圾以及平時(shí)日常生活中產(chǎn)生的有機(jī)廢棄物等材料，來(lái)源豐富，生產(chǎn)便捷，可以大規(guī)模地制備。

目前通常采用采用管式爐分解和微波反應(yīng)器這兩種方法來(lái)制備改性混凝土需要的生物炭材料。這兩種制備方法較易，能耗較低，清潔環(huán)保，對(duì)于節(jié)能減排，構(gòu)建低碳高效經(jīng)濟(jì)發(fā)展模式很有幫助。現(xiàn)已廣泛用于固碳減排、凈化水體、重金屬吸附和土壤改良等領(lǐng)域。此外，研究人員經(jīng)常采取多種改性方法來(lái)改善生物炭的理化特性，常用的改性方法有活化法、復(fù)合法等，通過(guò)改性后，生物炭的比表面積、孔容積、疏水性以及微觀(guān)形貌等性質(zhì)性能都會(huì)有很大改善[6]。

隨著建筑材料越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，未來(lái)在海綿城市工程材料領(lǐng)域的研究也許會(huì)有更加深入的進(jìn)展。

5 生物炭透水混凝土的作用

生物炭材料疏松多孔，比表面積較高。如果將透水混凝土作為母體材料，摻入適宜量的生物炭粉末作為保水材料制備生物炭透水混凝土，這樣不僅可以提高透水混凝土的吸熱調(diào)溫等效果，還可以將穩(wěn)定態(tài)的碳元素保存在混凝土內(nèi)部。相較于傳統(tǒng)的填埋、焚燒等廢棄物處理方法，不僅不會(huì)對(duì)環(huán)境造成二次污染，還能達(dá)到固碳排水、節(jié)能減排的作用，大力促進(jìn)了可持續(xù)發(fā)展。與普通透水混凝土相同，生物炭透水混凝土具有較高的孔隙率和透水性，具有減輕城市排水排澇系統(tǒng)的壓力，凈化雨水中的氮、磷和重金屬等污染物，與土壤之間進(jìn)行濕熱交換來(lái)緩解城市的熱島效應(yīng)等多重作用。

5.1 調(diào)節(jié)氣溫

透水混凝土孔隙率較高的特性使得混凝土內(nèi)部?jī)?chǔ)存的雨水通過(guò)蒸騰作用達(dá)到快速降溫的效果。加上良好的透氣性，因此，可以起到促進(jìn)水汽循環(huán)和大氣循環(huán),調(diào)節(jié)環(huán)境溫濕度, 改善城市熱島效應(yīng)的作用。同時(shí)也能夠有效緩解溫室效應(yīng)，減少二氧化碳的排放對(duì)環(huán)境帶來(lái)的危害，維護(hù)生態(tài)氣候的平衡。

5.2 吸附污染物，凈化水質(zhì)

生物炭一般情況下呈堿性，具有高度羧酸酯化和芳香化的結(jié)構(gòu)，這些基本性質(zhì)和結(jié)構(gòu)使生物炭具備了極強(qiáng)的吸附力、抗氧化力以及分解污染物等能力。因此，將生物炭摻入透水混凝土中可以有效去除雨水徑流中的氮、磷和重金屬等污染物，從而凈化水體。

5.3 固炭作用，降低碳排放

我國(guó)是一個(gè)典型農(nóng)業(yè)大國(guó)，每年產(chǎn)生的農(nóng)業(yè)廢棄物的量巨大，其中稻殼的年產(chǎn)量就超過(guò)4 000萬(wàn)t。然而，每年大部分的稻殼都作為農(nóng)業(yè)廢棄物處理或者當(dāng)作垃圾焚燒。如果將這些農(nóng)業(yè)廢棄物制備成生物炭，通過(guò)制作生物炭透水混凝土加以利用，可以減少浪費(fèi)和燃燒產(chǎn)生的二氧化碳，達(dá)到降低碳排放的效果。

5.4 節(jié)能減排的作用

水泥生產(chǎn)耗能高，環(huán)境污染大，相比之下生物炭材料的生產(chǎn)更加的綠色環(huán)保。如果在透水混凝土的制備過(guò)程中通過(guò)摻雜一定量的生物炭在水泥中，可以在強(qiáng)度不變的情況下，減少水泥用量，從而達(dá)到節(jié)能減排的目的。

5.5 改善生態(tài)環(huán)境的作用

在路面鋪裝和園林景觀(guān)方面鋪設(shè)生物炭透水混凝土，可以在滿(mǎn)足使用要求的同時(shí)，起到改善周?chē)鷦?dòng)植物、微生物生活生長(zhǎng)環(huán)境的作用。從而達(dá)到人與自然生靈和諧共生的目的。

6 對(duì)生物炭透水混凝土研究的思考

6.1 生物炭透水混凝土性能研究不足

目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)添加生物炭的透水混凝土研究相對(duì)較少。生物炭透水混凝土的強(qiáng)度、透水率等基本性能指標(biāo)與生物炭摻雜量多少還缺少明確的規(guī)律。對(duì)最大可用的生物炭摻雜量等數(shù)據(jù)，也缺少較為統(tǒng)一的結(jié)論。對(duì)生物炭透水混凝土透水性能和耐久性能等方面的研究就更為缺乏。

6.2 適用于透水混凝土的生物炭制備方法

不同溫度條件下制備的生物炭表現(xiàn)出不同的特征，需要開(kāi)展適用于透水混凝土不同溫度條件和生物炭制備方法研究。生物炭用于環(huán)境中吸附材料時(shí)，進(jìn)行了大量的改性研究，結(jié)果表明可以通過(guò)改性顯著提高生物炭的吸附性能。面向生物炭透水混凝土的應(yīng)用，需積極探索和混凝土應(yīng)用相配合，既能充分發(fā)揮生物炭的環(huán)境效能，又能兼顧混凝土材料強(qiáng)度的生物炭改性方法和技術(shù)。

6.3 加強(qiáng)多種來(lái)源含碳廢棄物的開(kāi)發(fā)和利用

將富含含碳生物質(zhì)材料的各種廢棄物，制備成生物炭，可以充分發(fā)揮生物炭的固炭作用，降低碳排放。目前已有將城市污水處理污泥制備成生物炭用于混凝土的實(shí)驗(yàn)研究，還可進(jìn)一步探索將城市河道清淤污泥、下水道清淤污泥等進(jìn)行生物炭制備，并用于生物炭透水混凝土。

6.4 生物炭再生骨料透水混凝土應(yīng)用的可能性

近年來(lái)，我國(guó)城市化進(jìn)程的飛速發(fā)展導(dǎo)致天然砂石骨料等建筑原材料逐漸稀缺，與此同時(shí)，不少年代久遠(yuǎn)的高危建筑物正處于拆除重建的境況，施工結(jié)束后，產(chǎn)生了大量的建筑垃圾。如果將這些建筑垃圾進(jìn)行破碎、篩分制成再生粗骨料，再摻入一定量的生物炭粉末顆粒，制成生物炭再生骨料透水混凝土。不僅同時(shí)解決了建筑垃圾和農(nóng)業(yè)垃圾的處理問(wèn)題，資源利用率最大化，可能還會(huì)對(duì)混凝土的力學(xué)性能和透水性能有一定的提升。當(dāng)然，目前對(duì)這種混凝土的應(yīng)用還處于構(gòu)想階段，實(shí)際成品的誕生還需不斷地研究與實(shí)踐。

6.5 后期生物炭透水混凝土的維護(hù)工作

由于我國(guó)各省市地區(qū)的工程項(xiàng)目環(huán)境不盡相同，加上絕大多數(shù)透水混凝土都是由標(biāo)準(zhǔn)的預(yù)制部件制成，因此，在綠道、廣場(chǎng)、公園等領(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)用中生物炭透水混凝土的孔隙容易因例如雨水侵蝕，碾壓等外界環(huán)境帶來(lái)的不利影響而發(fā)生堵塞，或者產(chǎn)生壓痕和裂縫，造成混凝土的排水、透水性能下降。目前常用的維護(hù)方法是利用真空泵、空氣壓縮機(jī)等設(shè)備沖洗、吸出混凝土孔隙中的雜物，但這種維護(hù)方法可能會(huì)對(duì)混凝土造成一定的破壞。因此，如何在節(jié)約人力、物力同時(shí)保證混凝土穩(wěn)定性的條件下進(jìn)行維護(hù)，保證生物炭透水混凝土的透水性，能夠維持正常指標(biāo)，從而延長(zhǎng)海綿城市工程項(xiàng)目的壽命，還需不斷研究。

7 結(jié) 語(yǔ)

“海綿城市”理念的實(shí)踐與應(yīng)用不僅是落實(shí)生態(tài)文明建設(shè)的重要舉措，也是城市現(xiàn)代化和創(chuàng)新性發(fā)展必不可少的重要條件。海綿城市的建設(shè)也是城市生態(tài)化不可或缺的一環(huán)。

隨著社會(huì)的發(fā)展，海綿城市建設(shè)對(duì)透水混凝土等透水鋪裝的需求量巨大。添加生物炭的透水混凝土作為一種新型生態(tài)建材，可以廣泛用于多類(lèi)型設(shè)施，對(duì)推進(jìn)海綿城市的建設(shè)有著重要的意義?？梢?jiàn)，生物炭透水混凝土的未來(lái)發(fā)展有著廣闊的前景。

盡管現(xiàn)在有大量的相關(guān)研究表明很多積極的改良效果可以促進(jìn)其在建筑材料領(lǐng)域的資源化利用。但目前對(duì)生物炭在透水混凝土等建材領(lǐng)域的研究探索才剛剛起步，今后應(yīng)該將重點(diǎn)放在生物炭對(duì)建筑材料性能影響的微觀(guān)作用機(jī)理方面。只有這樣才能將生物炭的改善效果最大化，達(dá)到農(nóng)業(yè)廢棄垃圾資源化利用和固碳減排的目的，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)和環(huán)保雙重效益。