1. 研究目的与意义（文献综述包含参考文献）

文 献 综 述

摘要

近年来随着我国城市建设日益加快，建筑业发展迅速，在拆迁和新建过程中产生了大量的建筑垃圾。目前，我国处理这些建筑垃圾的主要手段还是露天堆放以及填埋。这些处理方式有着许多危害，不但大量土地因此长期被占用，而且消耗了大量的建设经费，同时对土壤、水源、河道等与我们生活环境息息相关的生态系统造成严重危害。因此迫切需要对建筑垃圾回收再利用，而在建筑垃圾的再生利用中，细粉的综合利用是难点之一。本文在系统综述国内外有关再生建筑垃圾细粉、混凝土植生材料的研究成果以及与其相关的海绵城市的概念，并对再生细粉的应用前景作了展望。

关键词：再生建筑垃圾 细粉 植生材料 海绵城市

1. 前言

随着中国城镇化和城市建设的不断发展，基础设施建设速度加快，建筑垃圾的产量在近年高速的增长，建筑垃圾的数量也已经占到城市垃圾总量的30%~40%^[1]。每万平米新建建筑物的施工过程，就会产生大约500~600t的建筑垃圾。再加上老建筑物的拆除改造等，建筑垃圾的产量惊人。国家发改委2011年12月印发《大宗固体废物综合利用实施方案》的数据显示，2005年我国建筑废弃物产量为4亿吨，2010年为8亿吨^[2]。大量的建筑垃圾需要大量的空地存放，污染环境，浪费耕地，成为城市一大公害。

纵观上述，建筑垃圾资源化循环利用势在必行，也是建材及建筑业可持续发展的重要出路之一。这也已引起了很多科学工作者的重视和研究兴趣。

2. 再生建筑垃圾细粉

建筑垃圾主要是指工程新建、改扩建及危旧建筑物的拆除过程中产生的固体垃圾。^[3]主要包括建筑废砖、渣土、废瓦、散落的砂装、再生混凝土和混凝土，此外还有少量的塑料、钢材、玻璃、木材、各种包装材料等^[4]。

为了实现建筑垃圾再利用，将其破碎、筛分来制作再生骨料是目前普遍且有效的手段；然而，现有技术通常将废弃混凝土破碎成细骨料加以利用，破碎后的细粉部分却被忽视了^[5]。破碎的建筑垃圾会产生质量分数约为10%、粒径小于0.16 mm的细粉粒，该粉粒统称为再生细粉^[6-7]。由于其颗粒细小，因此很容易扩散在大气中造成空气污染等环境问题。同时，再生细粉中的水化产物和未水化的水泥颗粒等成分决定了其仍然具有一定化学活性，可以进一步再利用。

2.1 细粉组成

有的实验研究表明，建筑垃圾粉料的主要成分包括大量的水泥浆粉末、水泥石和石灰石颗粒，含有C₂S， C₃S及SiO₂等，所以具有潜在活性^[8]。Saeed Ahmari等^[9]对再生细粉的XRD测试结果如下图1：

图1. 再生粉体的化学成分

不同建筑材料的再生细粉的成分含量会有所差别，但再生微粉的化学组成与水泥基本相同。相关X射线衍射试验结果表明^[10-11]，混凝土再生微粉中多为水泥石粉、砂石破碎形成的石粉等晶体矿物，其中水泥颗粒也主要以水化凝胶体存在，而砖再生微粉主要由伊利石、多水高岭石、石英、方解石、钙斜长石等矿物组成。

2.2 再生细粉的应用

(1)再生细粉用作水泥混合材

有研究表明，建筑废弃物再生细粉可用作水泥混合材，当掺量在15%^[12]以下时，可生产42. 5R或42. 5普通硅酸盐水。

(2)再生细粉用作水泥原料

建筑废弃物作为生产水泥的原料时，一方面可以混合使用，直接将废弃混凝土和废弃砖瓦不加区分的破碎、粉磨得到的再生细粉加以利用；另一方面可以单独利用其中的某种特定组分，比如单独用废弃粘土砖、硬化水泥石再生的细粉加以利用。

3. 植生材料

3.1 植生材料的特点

适用于不同植物的种植材料的要求是不同的，但优良的种植材料应具有一些共同的特征。即必须具备良好的物理化学和生物学特性；具备质轻、通透性好、保肥保水能力强；酸碱性适宜，材料易得；无毒害成份及有害微生物等。

Oslash; 适宜的物理特性

种植材料的物理性质包括孔隙率、质地、结构、容(比)重等。这些特性决了材料的保水、排水、通气性和种了发芽率、根系附着力。因此需针对某一植物的特殊要求，种植的方式和容器的形状来选配各种材料材料的适宜比例，制备不同结构和形状的种植材料。

Oslash; 适宜的化学特性

种植材料的化学特性是指其酸碱度、保肥性和缓冲力(CEC)、养分含量及组成等，这些化学性质将影响植物的生长速度、高度及株型。因此要根据栽培植物的特性，来设计各种材料材料的配方比例，达到一定的酸碱度、养分组成及没有有害化学物质的要求。保证植物有适宜的生长速度，健康的株型及较大的忍耐力。

Oslash; 良好的生物学特性

种植材料还必须有良好的生物学特性，即含有活跃的有益微生物菌群使之促进植物的健康生长、养分吸收和成活率、抗病率等。

3.2 混凝土植生材料

3.2.1 植生混凝土的相关定义及特点

植生混凝土又称植物相容型生态混凝土或植被混凝土，由多孔混凝土、保水材料和营养物质、表层土以及植物组成^[13]。植生混凝土以多孔混凝土为粗骨料，多孔混凝土的孔隙应是连续型的；在混凝土孔隙中填充保水材料和植物生长所需的营养，上层由表层土覆盖；表层土中所含的水分和营养成分使植物的种子萌发，填充的营养物质和保水材料保证了植物幼苗的生长，根系通过多孔混凝土连续贯通的孔隙到达底层土壤，保证了植物的进一步生长（图2）。

图2.植生混凝土结构

由于植物和混凝土能相容，呈现生态特性；其耐久性、耐侵蚀性好，同时具有较高的强度，在积雪融化和集中暴雨、水流速度较快时，植生混凝土具有良好的抗冲刷性^[14]。植生混凝土硬化速度快，方便现场浇筑施工；也可以预制，进行大规模的集中生产。由于植生混凝土具有上述特点，可以被大规模应用于河道护岸、公路护坡等生态修复工程，将生物防护和工程防护有机的结合在一起；也可以用于屋顶绿化、建筑物墙面的绿化、停车场等。进一步开发有望应用于沙漠，发挥固沙作用。

3.2.2 植生混凝土的研究现状

1. 降碱技术

水泥在水化时会产生大量的氢氧化钙Ca(OH)₂，由于Ca(OH)₂的溶解度很低，通常以固体形式存在，使孔隙内的pH值高达12~13，非常不适宜植物的生长^[15]。另外，因在生产水泥的过程中原料粘土和燃料煤将Na ，K 等金属离子的带入，硫酸盐和碳酸盐也会产生一定的碱度。外加剂同样会产生一定的碱度，如减水剂、防冻剂、早强剂等。根据目前的研究，降碱技术主要有:

(1) 调整所用水泥

可以选用低碱度的胶凝材料来代替普通水泥。Chen等^[16,17]以绊根草为对象，在不同水泥含量下研究了种子的萌发和幼苗的生长过程，试验表明水泥含量小于8%时有助于绊根草的发芽和幼苗的成长。

(2) 进行表面处理

一般可以采用环氧树脂、乳化沥青等材料对植生混凝土进行表面处理，处理后在混凝土的表面形成一层保护膜，减少或减缓碱性物质渗入到孔隙内和表层土中。

(3) 加入酸性物质

加入酸性物质，与部分碱反应，从而消耗掉部分Ca(OH)₂。比如加入矿渣、粉煤灰、硅粉等外加剂，其主要成分SiO₂与Ca(OH)₂发生反应，生成水化CaSiO₃，进而降低碱度。但由于不能过多的加入外加剂，所以外加剂降碱效果有限，应与其他方法结合使用；也可以喷入FeSO₄溶液、草酸溶液等，使其与Ca(OH)₂发生

反应，降低碱度。研究表明^[18]多孔混凝土的释碱是一个动态、持续的过程，当加入的FeSO₄溶液、草酸溶液达到一定量时，才有明显的降碱效果。

2. 选择最佳孔隙率

一般植生混凝土的孔隙率在18%一35 % ^[19]。植生混凝土的孔隙率过小植物的根不能穿透多孔混凝土到达底层土壤，所以一般要求孔隙率20%-30%，以保证植物的正常生长。但孔隙率也不宜过大，否则不能抵御降雨的冲刷或河岸的反滤作用，使孔隙中的营养物质和填充的保水材料被冲走^[20]。日本生态混凝土护岸工法规定，对植生为主的护坡植生混凝土，孔隙率需在21%-30%之间;对于承受水严重冲刷的护岸植生混凝土，孔隙率需在18%-21%之间^[21]。

3.2.3 植生混凝土的应用

韩国在植生混凝土方面也有深入的研究。1998年Choi ^[22]在文献中介绍了植生混凝土的特性和相关的建筑应用。2008年JO ^[23]研究了植生混凝土对水质的净化作用。同年，Ahn ^[24]研究了多孔混凝土的降碱技术，试验表明通过碳化技术可以将多孔混凝土孔隙内的pH值降至9. 0以下，可以满足植物的生长要求，高炉矿渣、粉煤灰等外加剂的降碱作用比较小，可以与碳化技术结合使用。欧美等国家从日本引进植生混凝土的相关技术，并且已广泛应用到河岸护坡等工程。

4. 海绵城市

海绵城市(sponge city)，顾名思义是借海绵的物理特性来形容城市的某种功能。通过国外文献研究发现，海绵城市的概念最早被澳大利亚研究学者用来隐喻城市对周边乡村人口的吸附效应^[25,26]。近年来，不少学者开始将建设海绵城市作为形容城市与水文关系的研究。Ignacio F. Bunster-Ossa用海绵城市来形容城市像海绵一样处理雨洪自然事件问题的弹性能力。通过建设绿地、可渗透路面等措施，使城市像海绵一样具有弹性，能够在雨季吸收雨水，并在旱季将雨水排出，同时还能对吸收的雨水进行净化，以防止城市的洪涝灾害，实现水的循环利用，保护城市的生态环境。

通过植生材料来在屋顶种植植物、绿化屋顶可以有效缓解城市排水困难的局面。英国的”绿色屋顶行动”^[27]通过使用惰性回收建筑材料来部分作为植生混凝土的填充基质，在下雨时可以起到吸收雨水，减小地表径流，防止城市发生排水困难的难题，同时夏天是可以缓解城市热岛效应，一举多得。这是将建筑材料废弃物与植生材料结合的典范。

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2. 研究的基本内容、问题解决措施及方案

研究问题：

废弃建筑垃圾的资源化利用是值得系统深入研究的课题之一，具有重大的社会意义和经济效益。在建筑垃圾的再生利用中，细粉的综合利用是难点之一。本课题主要研究包括细粉组成的分析、满足植生材料的孔结构、理化性能指标要求的材料配比和结构的设计及制作、性能的测试等，结合企业实际要求，尝试将细粉和其它助剂等配合制备植被生产材料，符合海绵城市建设及可持续发展的要求。

研究方案：