废弃加气混凝土的应用现状与发展趋势

2018-01-26贺行洋王庭苇曾三海苏英郑正旗杨进

中国建材科技 2018年5期

贺行洋王庭苇曾三海苏英郑正旗杨进

（1 湖北工业大学土木建筑与环境学院，湖北武汉 430068； 2 湖北工业大学湖北省建筑防水工程技术研究中心，湖北武汉 430068）

1 引言

国家“十三五”规划纲要指出：“以提高环境质量为核心，以解决生态环境领域突出问题为重点，加大生态环境保护力度，提高资源利用效率。实施循环发展引领计划，推进生产系统循环链接，加快工业固废等大量废弃物资源化利用，规范发展再制造。”但据《〈中华人民共和国固体废弃物污染环境防治法〉实施情况的报告》显示，我国固体废弃物产量大、积存量多，仅建筑垃圾每年就产生约18 亿吨，固体废弃物的污染防治工作必须引起高度重视。因此，实现建筑垃圾的资源化利用是可持续发展战略的一部分。一直以来，中国的经济发展消耗大量的资源，建筑材料行业更需要大量的资源支撑，同时在不断发展的过程中会产生大量的建筑废弃物，而将建筑废弃物转变成可再生利用的资源是实现可持续发展的根本途径。

加气混凝土由于其具有自重轻，保温隔热性能良好等优点，被广泛用作墙体材料，对我国新型墙体材料的改革起着至关重要的作用[1]。然而，在发展的同时会产生大量的废弃加气混凝土，一方面是因为我国大力推行新型墙体材料的改革，加气混凝土砌块在现代建筑中的应用非常广泛，但达到其使用周期后，必将产生大量的废弃加气混凝土；另一方面是因为加气混凝土砌块的强度较低，在生产过程中易破损，一般破损率可达到5%～8%，再加上运输和使用过程中会出现不同程度的破损，废料占比可达10%左右，甚至达到15%[2]。据报道，在泰国废弃加气混凝土生产过程中产生的废物约达3%～5%，每月达58吨，大量的废弃加气混凝土只能露天堆放，占用大量土地。但大多数国家目前处理废弃加气混凝土的普遍方法仍然是传统的简单回填和堆积，直接或间接地对环境造成了很大的危害，不仅占用大量的土地，而且对土壤、水资源造成污染。研究表明，废加气混凝土用于住宅建筑能够节约7%的能量，每平方米的加气混凝土墙在其生命周期内能减少大约350kg 的CO2排放[3，4]，随着人们环保意识的增强，各国研究学者都相继开展工业固体废弃物的资源化再利用的研究，有利于节约天然资源、节约成本、保护环境，具有显著的社会效益、经济效益和环保效益，对国家的可持续发展具有非常深远的意义。

2 废弃加气混凝土在建筑材料中的应用现状

为了促进相关行业的可持续发展，人们更加致力于开展将各种工业废弃物转变成其他行业原材料的研究。通常，消耗工业废料最简单的方法就是将其作为水泥或混凝土的替代原材料，例如用作水泥掺合料或混凝土骨料。加气混凝土砌块是1923年在瑞典发明的一种轻质多孔的墙体材料，拥有国家制备标准，如今已成为一种国内外广泛使用的建筑材料。加气混凝土是由石英砂、粉煤灰等硅质原料、石灰、水泥等钙质原料、水、适量的发气剂和其它外加剂相互搅拌混合、然后经过浇注发泡、坯体静停和切割等工序后，再经蒸压或常压蒸气养护制备而成，具有容重小、保温效果好等优点。

2.1 替代部分水泥

由于加气混凝土具有孔隙率高、能源和材料消耗少的特点，可视作为一种可持续发展的建筑材料。目前面临的挑战主要是相较于其他石材和工业废渣，加气混凝土废料的强度较低，仅1～9MPa。针对废弃加气混凝土再利用过程中强度低的问题，许多学者提出不同的激发方法，主要是以机械激发、化学激发为主。利用粉磨方式激发废加气混凝土的活性，当粉磨时间在0～70min 范围内时，其力学强度随着粉磨时间的延长不断增强，但超过一定时间后其力学强度随粉磨时间的增加缓慢，趋于平缓[5]。而马保国等[6]将磨细的废弃加气混凝土替代部分水泥，掺入化学激发剂激发其活性，选定Ca（OH）2、CaSO4、激发剂T 三种激发剂评价其激发效果，综合力学性能、SEM、XRD 等结果发现不掺激发剂，将磨细的废弃加气混凝土微粉掺入水泥中会降低砂浆强度，当废弃加气混凝土的掺量为40%时，激发剂的激发效果为T ＞Ca（OH）2＞CaSO4，其中CaSO4几乎没有激发效果，但掺入0.02%激发剂T，28d 强度提高约80%，激发机理猜想与其降低表面能有关，还需进一步研究。Boehme[7]研究了由砂、水泥与高达25%废弃加气混凝土复合配制而成的砂浆的力学性能，可用作室内砂浆。

2.2 作为硅质原材料

由于废弃加气混凝土的主要物相为碳酸钙、二氧化硅和低钙硅比及无定形的水化硅酸钙，采用低温煅烧的方法能促进水化硅酸钙相脱水发生晶型转变，形成更多的β-C2S 晶体，提高其胶凝活性，因此采用磨细和分别经450℃、550℃、650℃、750℃煅烧后的废弃加气混凝土砌块部分替代粉煤灰，与生石灰、水泥、陶粒等复合制备陶粒加气混凝土，结果表明当煅烧温度为750℃时，废砌块粉体水化活性最高，制得的加气混凝土抗压强度增长率最大，为26.7%[8]。柳东[9]也研究了经600℃、700℃、800℃煅烧处理的粉煤灰加气混凝土废砌块矿相变化，结果表明适宜煅烧温度为700℃，掺量为15%时，可达P·C42.5 水泥强度标准。胡彪[10]成功利用高温煅烧活化后的砂加气混凝土制备出性能优异的托贝莫来石型硅酸钙绝热材料。郭武明[11]以废弃加气混凝土为主要硅质原料，掺入一定量的锆渣或硅藻土，采用一次静态水热合成的方法，在反应过程中以废弃加气混凝土中的托贝莫来石晶相作为晶核促进反应，从而制备托莫来石晶型的硅酸钙绝热材料，并且制备的托贝莫来石晶体生长好，片状晶体结构疏松，相互交叉搭接形成网架状多孔结构。

2.3 用作集料

将废弃加气混凝土用作混凝土生产中的轻集料，不仅提高工业副产物的利用率，减少能源的消耗，而且有利于内养护过程中的强度提升一级，减轻混凝土的重量。因为多孔的废弃加气混凝土可以在材料准备和混合过程中吸收水分，然后在硬化过程中逐渐释放混合物内的保留水。此外，废弃加气混凝土作为轻集料粗糙的表面和粗糙的孔隙结构可以成为水泥浆体和骨料过渡区之间的粘结剂，从而提高其力学性能。轻质及均匀分布的孔隙特征是将废弃加气混凝土作为一种内养护材料的重要原因，也为水泥水化提供了充分的条件。宿茹等[12]利用废弃的加气混凝土制备密度小、保温隔热、防火性能良好的轻砂，替代天然河砂制备保温型砌筑砂浆，研究发现，当轻砂掺量为75%时，砂浆的强度等级为M7.5，干密度和导热系数分别在1000～1300kg/m3，0.3～0.5W/（m·K）之间。也可将废弃加气混凝土砌块用作轻集料制备轻质多孔混凝土，其导热系数低，密度低，可以作为隔热混凝土，并且是一种环境友好型的轻质混凝土，能广泛用于建筑工业中[13]。另外，将废弃加气混凝土破碎至0～8mm 作为细集料应用于地板砂浆底层中，在高pH（＞12）和石膏含量低的条件下使可溶的磷酸盐转变成不溶的钙矾石，不仅能有效减少硫酸盐的溶出，而且使利用废弃加气混凝土制备高性能建筑产品成为可能[14]。废弃加气混凝土也可作为粗骨料制备低热混凝土，掺入废弃加气混凝土为内养护提供条件，制备高附加值的轻质混凝土[15]。

2.4 替代引气剂

室外混凝土结构受环境影响较大，其中一个重要的影响因素是冻融破坏，直接导致其强度降低，甚至造成整个结构破坏。目前常见的解决方法是加入引气剂，引入微孔，增加其抗冻融循环能力，提高其耐久性。然而，引气剂存在成本高，显著降低混凝土强度的问题。为解决引气剂存在的问题，有研究[16]表明，以废弃多孔混凝土粉代替引气剂制备混凝土，不仅能降低成本，而且能大大提高其强度（37%），也对混凝土的抗冻性有积极作用。

3 废弃加气混凝土在环境保护中的应用现状

依据传统回收利用蒸压加气混凝土废料的方法，其化学成分会面临应用技术问题，并可能对环境造成不利影响。据统计，每1kg 蒸压加气混凝土中含有12.6g 可过滤的硫酸，若应用于建筑材料中会导致风化及内部硫酸盐侵蚀等耐久性问题，并且若硫酸盐侵入地下水会导致硫化物的形成以及带来水质富营养化等问题。那么，在水泥水化的过程中利用化学反应固化硫酸盐的方法是有效方法之一。

Brouwer J P，et al.[17]研究发现通过硫酸盐与水泥中的3CaO·Al2O3（C3A）反应形成钙矾石，可固化高达6wt%的硫酸盐。Zhang Y，et al.[18]首次尝试利用废弃加气混凝土从溶液中吸附低浓度的Cd （II），其反应原理主要是将物理与化学吸附结合，包括离子交换反应以及金属络合作用。结果表明：最佳吸附条件是在pH 为6，持续时间为90min 时，每0.5g 吸附剂可吸附50mL Cd （II）。此吸附过程遵循伪二阶动力学模型和朗缪尔等温线模型。这为废弃加气混凝土吸附水溶液中Cd （II）及其他重金属元素的高附加值利用奠定了基础。Bao T，et al.[19]将废弃加气混凝土作为曝气生物滤池的生物膜载体，研究发现废弃加气混凝土中100-250μm 良好的多孔结构有利于微生物群落的发展，提高生物膜层的渗透性和污染物去除效率，这是因为废弃加气混凝土富含铝、铁和钙氧化物，可以大量吸附磷酸盐或使磷酸盐沉淀，并且其孔隙率高达89.21%，比表面积可高达81m2/g，对微生物的固化提供条件。Li W，et al.[20]同时也开展了废弃蒸压加气混凝土作为固体废弃物除去低浓度（1mg/L）磷酸盐的研究，结果表明，随着pH 值的增加，磷酸盐的去除率越高。在酸性条件下，废弃蒸压加气混凝土对磷酸盐的去除有不利影响，然而，当pH 在10～12 范围时有显著的去除磷酸盐效果，这是与羟基磷灰石的形成有关。废弃蒸压加气混凝土中可溶性钙和不溶性钙化合物可以与磷酸盐和羟基结合在碱性条件下形成羟基磷灰石，从而去除磷酸盐，可应用于处理城市二级废水中低浓度的磷酸盐，具有广泛的应用前景。此外，陈朝彬[21]研究发现废弃加气混凝土块能有效提高土壤的渗透性，提高达3.8 倍，可解决目前绿地土壤严重偏紧、渗透能力弱的问题，为绿地土壤渗透性改善方法提供了新的思路。