《武汉工程大学学报》  2021年05期 539-545   出版日期：2021-10-31   ISSN:1674-2869   CN:42-1779/TQ

---

固体废弃物在轻质泡沫混凝土中应用研究进展


泡沫混凝土（多孔混凝土）具有低自重、高流动性、低集料用量、可控的低强度和极好的隔热性能［1-2］。通过控制泡沫混凝土形貌结构、组织成分和尺寸分布，获得各种密度（400~1 850 kg/m3）的泡沫混凝土。由于泡沫混凝土具有轻质和更经济的特性，其在建筑行业应用中作为更轻质的非结构性和半结构性材料越来越受欢迎。与普通混凝土一样，泡沫混凝土的生产也消耗水泥和二氧化硅，这便涉及可持续性和环境问题［3-5］。例如，水泥工业是导致二氧化碳排放温室气体的主要源头之一，产生了全世界人为二氧化碳排放总量的8%［6］。由于现实中预计水泥产量将增加，因此这一百分比仍在持续增长［7］。而且，二氧化硅是不可再生的自然资源，因此避免对其过度消耗很重要。由于建筑行业对这种材料的巨大需求和兼有的环保要求，可考虑采用潜在的水泥和二氧化硅替代品帮助减缓资源过度消耗问题，从而使建筑业朝着可持续的方向发展。在这方面，最流行最实用的方法之一是利用固体废弃物替代普通混凝土成分（例如水泥和二氧化硅）。世界范围内有大量此类固体废弃物，包括农业、采矿、工业、市政和建筑业的废物。处理这些废物的传统方法是倾倒废物或回收利用。废物的倾倒通常是以垃圾掩埋或焚化方式来进行的，但这两种方法成本都非常昂贵，并且极容易造成环境和健康问题。垃圾填埋场常见的问题是土壤危害和风吹碎屑,而焚化方法则会产生有害于环境的气体污染物。尽管在混凝土制造中可利用固体废弃物，但是仍存在某些局限性，例如强度较低和耐久性不够等，尤其是在建筑轻质泡沫混凝土结构中。因此，泡沫混凝土中掺入大量各种类型的固体废弃物，为制备更加环保耐用和可持续利用的新型建筑材料提供了极好的基础。通常，在泡沫混凝土中掺入固体废弃物可以制备具有低导热率、低密度和高抗压强度的非承重泡沫混凝土。因此，在泡沫混凝土制备中充分利用好固体废弃物是解决二氧化碳排放以及自然资源开发和建筑业废物管理过程中产生有关的环境问题关键切入点。目前，尽管已经有学者研究将固体废弃物掺入轻质泡沫混凝土的技术，但该技术在现实应用中尚不广泛。因此，为促进这项技术在实际生活中广泛的应用，本综述对泡沫混凝土的当前材料性能做了评估，并对改善轻质泡沫混凝土的设计比例和选择组成材料加以分析阐述，例如，可使用补充材料部分替代硅酸盐水泥，可利用采石场粉尘作为全部或部分泡沫混凝土集料，并通过添加适量的增塑剂使泡沫混凝土的可加工性能得到提高，等等。同时，分析了不同类型的固体废弃物及对泡沫混凝土性能的影响、优点和局限性，并提出了未来研究方向和发展应用前景。1　用于泡沫混凝土的固体废弃物改进泡沫混凝土的设计配合比和组成材料的选择，可以丰富其在新鲜状态和硬化状态下的性能。由于轻质泡沫混凝土的强度或重量比的提高，以及新型胶凝原料、发泡剂、填充剂和催化剂的开发，泡沫混凝土的应用得到了扩展［7-8］。来自不同材料的固体废弃物现已用于轻质泡沫混凝土中的制备中，可以部分或完全替代水泥或细骨料。图1展示了在通常情况下，制备轻质泡沫混凝土的各种材料，其中主要成分是水泥和细骨料（砂）。由于泡沫混凝土的独特性能，包括密度降低、导热系数低和高流动性，因此泡沫混凝土已在许多土木结构工程领域得到应用。[Water][Foam][Foam concrete][Foam concrete][Sand][Cement]图1 　轻质泡沫混凝土材料［9］Fig. 1　 Constituents of foam concrete［9］泡沫混凝土的稳定生产取决于许多因素，如发泡剂的种类、制备方法、发泡材料截面的工艺以及泡沫混凝土的生产等。发泡剂接近中性，不含苯、甲醛等有害物质。为了生产稠度和稳定性高的泡沫混凝土，可以减少泡沫剂的体积，使用粉煤灰或硅粉替代水泥和轻质骨料，以减少水化热的过程。泡沫剂使孔隙分布均匀，减少了孔隙的早期离析问题，防止了氯离子的渗入和硫酸盐的侵蚀，增加了着火的时间范围，同时提高了耐火性能。表1给出了用于轻质泡沫混凝土的固体废弃物的主要化学组成［10］。发电厂的固体废弃物，例如粉煤灰和底灰具有一定的火山灰反应性和细度，可替代水泥。此外，诸如稻壳灰、废玻璃和硅粉之类的固体废弃物含有无定形二氧化硅，可用作水泥替代材料。另一方面，可利用具有较大尺寸且不具有高火山灰反应性的固体废弃物，例如碎屑橡胶、建筑和拆除废料等，主要用作轻质泡沫混凝土中的细骨料替代品［11］。通常，使用固体废弃物作为细骨料的替代量要高于水泥替代量，而过量替代又会导致轻质泡沫混凝土的强度显著降低。相比之下，固体废弃物可以完全、有效地替代轻质泡沫混凝土中的细骨料，以降低密度而又不会过度减弱其强度。1.1　固体废弃物在轻质泡沫混凝土中的应用1.1.1　工业无机固体废弃物　燃煤电厂在燃烧粉煤时，会产生粉煤灰的细碎残渣。通常可从燃煤发电厂的烟囱中捕获到这种残留物。如果处理不当，粉煤灰会对环境造成威胁，导致土壤和水污染，破坏生态循环。此外，在燃煤锅炉中，通常从炉底去除较粗的灰，通常称为底灰，其粒径较大［11］。图2表明She等［12］在100%细骨料替代程度时，存在未反应的粉煤灰颗粒，从而限制了泡沫混凝土的抗压强度的提高。研究发现，用粉煤灰代替细骨料可改善泡沫混凝土的抗压强度。与不含粉煤灰的泡沫混凝土相比，含粉煤灰高达100%的细骨料的泡沫混凝土的抗压强度提高了60%［12］。另一方面，HILAL等［13］观察到在用粗粒粉煤灰（尺寸为98 μm）替代50%砂粒时，泡沫混凝土获得了最高的强度，这表明用粉煤灰存在最佳的细骨料替代水平，若超过此强度则会由于氢氧化钙不足而降低强度。[ b ][ a ][50 μm][10 μm]图2 　泡沫混凝土中未水合的粉煤灰颗粒采用100%粉煤灰：（a）对照试样，（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］炼铁行业产生的大量高炉炉渣固体废弃物，对环境构成了巨大威胁，因为它导致了水污染和占用垃圾填埋场等一系列的问题。在高炉中生产生铁时，会产生高炉矿渣形式的副产品，其中包括铝硅酸盐、钙和其他碱的硅酸盐。过去高炉矿渣的使用是在泡沫混凝土中进行的，其典型的抗压强度为4~12 MPa，密度为1 300 kg/m3。磨碎的高炉矿渣（ground granulated blastfurnace slag， GGBS）由于其细度更高而降低了泡沫混凝土的坍落度，当GGBS在30%~70%含量下使用时，可以提高泡沫混凝土的抗压强度，观察到的抗压强度增加归因于通过掺入GGBS产生的更致密的基体［14］。硅粉（silicon powder， SP）和废玻璃（waste glass， WG）是含硅量高的固体废弃物。SP是硅和硅铁工业的副产品。一般情况下，在质量分数0.20%的取代范围内使用SP可以提高泡沫混凝土的抗压强度。含SP泡沫混凝土抗压强度的提高是由于SP与氢氧化钙之间的火山灰反应，产生了额外的硅酸钙水合物。对于WG粉末，当用作水泥替代物时，其强度几乎没有改善。WG细粉通常会降低泡沫混凝土的和易性，这可能归因于其更具棱角的颗粒形状。1.1.2　化工有机固体废弃物　化工产品是通过化学合成制成的物质，其中聚丙烯、聚乙烯和橡胶是该产品的示例。聚丙烯是衍生自烯烃单体丙烯的下游石化产品。它在商品塑料中具有较低密度，该材料具有出色的力学性能（拉伸强度和冲击强度）以及耐化学和高温性能［15］。Shi等［16］认为掺有膨胀聚苯乙烯颗粒的河流沉积物基泡沫混凝土具有良好的耐高温性和耐水性，并且在高温高湿条件下具有出色的隔热性能。因此，被污染的河流中的沉积物无需加热和加压即可转化为环保型泡沫混凝土（图3）。化工有机固体废弃物即聚乙烯、聚丙烯和轮胎橡胶已用于泡沫塑料中。这些固体废弃物通常用作泡沫混凝土中的细骨料，其含量各不相同可以用作部分或全部替代品（密度为600~2 000 kg/m3时的抗压强度为1~16 MPa）。研究发现以质量分数30%细骨料替代的研磨聚乙烯废料的泡沫混凝土的抗压强度是对照混凝土的两倍以上［16］。相比之下，与替代橡胶粉相同水平（由轮胎橡胶加工而成，尺寸：0.9~2.5 mm）的泡沫混凝土的抗压强度仅为对照泡沫混凝土的50%［17］。聚乙烯废料的细颗粒可以赋予一定的火山灰反应性（SiO2，Al2O3，Fe2O3 质量分数为51.5%）以提高强度。然而，橡胶和水泥基体之间缺乏粘结（图4），抗压强度降低的主要原因是含有碎橡胶的泡沫混凝土［17］。[ b ][ a ][2.0 mm][2.0 mm]图4 　SEM图像突出泡沫混凝土中橡胶屑与水泥基体之间的弱粘结：（a）对照试样，（b）质量分数30%橡胶屑［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　农业固体废弃物　植物的农业废物例如油棕壳、棕榈油燃料灰、稻壳灰和甘蔗滤饼，可以用于生产可持续混凝土［18］。在棕榈油加工业中，提取油料时会产生称为油棕壳的废物。此外，棕榈油废物（如棕榈壳和油棕壳）的燃烧会产生棕榈油燃料灰（palm oil fuel ash， POFA）。通常，这些棕榈油燃料灰会被放置在垃圾填埋场中，导致灰烬量不断增加沉积，造成环境负担。[ b ][ a ]图5　冲击荷载对泡沫混凝土的局部影响：（a）无稻壳灰，（b）有稻壳灰［19］Fig. 5　Local effects due to impact loading on foamed concrete： （a） without rice husk ash， （b） with rice husk ash［19］研究人员利用农业废料，例如POFA、稻壳灰和油棕壳来代替泡沫混凝土中的部分骨料。Lim等［19］研究了10%~20%的POFA，替代细骨料由于其较高的吸收性而降低了泡沫混凝土的流动性。抗压韧性的提高也证明了含POFA的泡沫混凝土作为细骨料替代品的能量吸收性能有所改善。对于稻壳灰在泡沫混凝土中的使用，冲击试验结果发现局部破坏是缩孔而不是散裂（图5）［19］。这种活性二氧化硅在POFA中引发的火山灰反应（分别以10%和20%的细骨料替代）提高了泡沫混凝土的弯曲强度（32%）和劈裂抗张强度（3%）［20］。而使用农业废料（如稻壳灰和棕榈油燃料灰）有利于改善泡沫混凝土的能量吸收性能，研究证明稻壳灰和POFA中发现的高活性二氧化硅含量分别使泡沫混凝土的抗压强度提高了约70%和5%［20］。1.1.4　建筑固体废弃物　截至2019年，全球建筑骨料的需求量为510亿吨［21］。混凝土废料和废粘土砖等拆除固体废弃物（construction and demolition waste， CDW）正在迅速增加，因为这些废料通常来自拆除的旧建筑结构、测试的混凝土和多余或返回的混凝土。在这种情况下，CDW作为再生混凝土骨料，其回收对于减少环境和经济影响非常重要。之前混合CDW、细再生混凝土骨料（fine recycled concrete aggregate， FRCA）和粘土砖也作为泡沫混凝土中的细骨料替代品被研究。通常用CDW生产的泡沫混凝土其密度在600~1 600 kg/m3时，抗压强度可达7 MPa。较粗粒径（1.18～4.75 mm）掺CDW泡沫混凝土的抗压强度高于中粒径（0.6~1.18 mm）和细粒径（< 0.6 mm）掺CDW泡沫混凝土的抗压强度［22］。用FRCA替代细集料时，抗压强度提高了20%以上，其中以FRCA的抗压强度最高［23］。1.1.5　其他工业废弃物　造纸污泥灰是造纸回收行业产生的废弃物。当脱水废纸污泥燃烧以减少废物量并产生能量时，就会产生这种污泥。尽管废纸污泥灰由于其低反应性而阻碍了泡沫混凝土的强度发展，但是所获得的抗压强度（约12.5 MPa）接近于轻质泡沫混凝土的抗压强度［24］。铸造废砂和高岭土废料都被用作轻质泡沫混凝土中潜在的砂替代材料。在铸造黑色金属和有色金属时会产生一种称为废铸造砂的副产品［25］。因此，金属合金铸造行业产生了数百万吨的副产品，这些工业废料通常被填埋，但是由于处置成本上升，填埋成为一个问题。据报道，在泡沫混凝土中，当这些材料的替代含量为50%和100%时，发现其可加工性（最高15%）和抗压强度（最高20%）降低，发生这种情况的可能因素是这些废料的颗粒形状和低火山灰反应性［26］。2　轻质泡沫混凝土应用的意义泡沫混凝土被认为是制造大型轻型建筑材料和构件（如结构构件、隔墙、填筑和路基填充物）的经济解决方案。图6显示了每种废弃物的化学和物理组成，对轻质泡沫混凝土中使用的特定废料进行研究［21］。粉煤灰和底灰的化学成分以及足够的细度对火山灰反应性十分有利，从而提高所得轻质泡沫混凝土的抗压强度［22-23］。因此，这些废料可以适当地用作水泥或细骨料的替代品。[Quarry waste 8%][Constructionindustry waste 10%][Agricultural waste 16%][Other industrialwaste 3%][Silica-rich industrialwaste 12%][Syntheticproductwaste 8%][Iron-industrywaste 7%][Industrialwaste 66%][Power plantwaste 36%]图6　各种固体废弃物用于轻质泡沫混凝土［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业废料，尤其是硅粉和玻璃，也具有良好的火山灰性能，因此适合用作部分水泥替代品以增强轻质泡沫混凝土的硬化性能［24］。当它们用作骨料替代品时，高活性二氧化硅含量和农业废弃物（稻壳灰和棕榈油燃料灰）的多孔性可有助于轻质泡混凝土的力学和热性能的发展［25-27］。对于采石场废料和拆除性废料，由于它们的性质与普通骨料相似，因此可以被应用在泡沫混凝土中直至达到一定的替代水平。在此可持续性评估中，选择了以轻质泡沫混凝土为功能单位生产的系统边界（图7）［25］。通常固体废弃物由于其固有的颗粒形状和多孔性而增加了需水量，因此对可加工性产生不利影响［28］。应注意的是，由于泡沫混凝土通常具有高和易性，与传统混凝土相比，掺入废料将是更可行的选择。由于废料的存在，在传统混凝土中，特别是在高体积情况下通常会影响和易性，以至于需要额外的化学外加剂，这无疑将增加生产成本。通过对国内外研究者的综述，可以了解泡沫混凝土的发展现状。同时，还着重指出了泡沫混凝土中不同废弃物的替代优势和不足。如前所述，尽管将废料混入泡沫混凝土中可显著降低抗压强度，但仍可合理地满足泡沫混凝土产品非承重和半承重应用的低强度要求。本综述明确了不同类型的废料对泡沫混凝土不同性能的影响，以及它们在水泥和砂替代水平方面的可行性。为了保证轻质泡沫混凝土的合成，需要在制备过程中加速胶凝材料的凝结硬化，在泡沫劣化之前使泡沫混凝土浆料凝结硬化［29］。因此，与常规混凝土相比，在轻质泡沫混凝土中掺入废料是更有吸引力的选择。由发泡剂产生的泡沫必须稳定牢固，以使其能够抵抗混凝土浆料的压力，直到水泥开始凝结［30］。在常规混凝土的情况下，使用的混凝土需要达到相当大的抗压强度，通常要超过20 MPa［31］。采用纤维对泡沫混凝土干缩开裂、孔结构劣化进行改性。除此之外，由于在结构部件中的使用以及为了承重的目的。轻质泡沫混凝土的防水性能主要是使用防水剂来实现，通过提高材料防水性能来降低泡沫混凝土的吸水率［32］。3　结　论通过总结分析轻质泡沫混凝土生产中使用不同废料替代水泥或骨料的现状，指出了这项工作对环境绿色可持续性发展的重要性，并特别强调了各种固体废弃物对轻质泡沫混凝土性能的影响，并有大量替代常规材料的可能。与掺入常规混凝土相比，轻质泡沫混凝土在掺入废料中是有前途的研究。这是因为与常规混凝土相比，轻质泡沫混凝土应用的最低强度和耐久性要求低得多，同时允许包含大量废料。除此之外，由于各种类型的固体废弃物具有独特的性能，这些废料可以以不同的形式使用，以增强所得泡沫混凝土的某些硬化性能，使其更加节能和节约成本。另外，今后可对轻质泡沫混凝土的耐久性和功能特性进行更深入的研究，因为在非结构和半结构应用中，这些都是重要的考虑因素。