环保视域下透水砖的制备与性能研究进展

朱俊涛 万蕾 张翠英

摘要：指出了海绵城市是新一代城市雨洪管理概念，国际通用术语为低影响开发雨水系统构建;透水砖铺装系统是现阶段我国海绵城市建设中重要的透水铺装系统技术之一。为了充分认识近年来我国透水砖的发展状况，主要从环境保护角度对透水砖制备的材料与性能及其在控制径流和削减污染物的作用方面进行了总结，并且提出了相关建议及进行了展望，以期为海绵城市建设和废弃物的综合利用提供借鉴参考。

关键词：透水砖;制备与性能;作用;研究进展

中图分类号：TU522 文献标识码：A 文章编号：1674-9944（2019）22-0147-03

1 引言

城市化的快速发展导致城市下垫面的结构与功能的改变，地表被混凝土、水泥砂浆等铺设的不透水表面覆盖，人渗量减少，径流量加大，加重受纳水体的污染物负荷，增大防洪及生态系统风险。与普通的不透水路面相比，透水砖具有其独特的优势，如：补充地下水资源;吸纳城市噪音;缓解热岛效应;缓解城市的排水压力等[1]。与国外的透水砖研究发展相比，我国对透水砖的研究起步相对较晚，直到2005年7月国家才出台并制定了JC/T945-2005《透水砖》的行业标准。目前，对于透水砖的研究主要集中在制砖技术和砖体性能方面，本文从环境保护角度对近年来我国透水砖的制备材料及其性能与作用进行了总结，以期为透水砖应用于海绵城市建设中的问题以及废弃物的综合利用，提供借鉴参考。

2 透水砖的制备及其性能

透水砖的制备材料种类繁多，按照制备工艺主要分为养护型透水砖和烧结型透水砖[2]。烧结型透水砖主要原料有废地砖、各种尾矿、废陶瓷、废玻璃、粉煤灰等，掺人适量的粘结剂用以提高坯体强度，经搅拌后压制成型，放入炉中高温烧制，冷却后即可。养护型透水砖选用粗颗粒的石子、钢渣、废旧混凝土、煤研石等为主要原料，外添加水泥、粉煤灰作为粘结剂，通过混匀、搅拌、压力成型，使水泥等粘结剂包裹住骨料，随着时间固化，制成养护型透水砖[2]。目前，我国以固体废弃物为主要原料制备的透水砖多是烧结型透水砖。

2.1 以污泥、疏浚泥为主要原料

我国污水厂对污泥的处理并不完善，处理方法主要有浓缩、稳定、脱水等;处置方法主要有卫生填埋、焚烧、直接海洋倾倒、堆肥、制备饲料等。因此，亟待采用诸如建材焚烧、农用以及其他资源化途径处置污泥，而污泥制砖工艺，有着广阔的发展前景。有研究者利用污水厂和给水厂污泥制备透水砖，如宫厚杰[3]采用生活污泥制备透水砖，实践的最佳工艺为物料配比（污泥：粘土：煤渣=16%：74%：10%）。仇付国[4]采用黏土作为黏结材料添加到给水厂污泥中烧结透水砖，将污泥的比例控制在45%左右，其对COD、NH₄⁺-N和TP的去除率均超过25%。袁柯馨[5]研究了深度脱水污泥制备透水砖，发现当砂砾添加量不大于20%，尿素添加量不大于1%时，透水砖的抗压强度达到30MPa的要求。

近年来，我国疏浚泥的产生量呈现增加的趋势，疏浚泥的资源化处理主要有制备肥料、陶粒、砖等。关于利用疏浚泥制备透水砖的研究，彭孟啟[6]研究以疏浚泥替代天然粘土原料作为低温黏结剂制备生态透水砖，确定了疏浚泥透水砖的基础配方（wt%）为：疏浚泥25%，废瓷60%，玻璃粉15%。周超群[7，8]利用疏浚泥、废瓷粒、废玻璃粉作为原料制备生态透水环保砖，制成的透水砖抗压强度达60MPa，透水系数为6.38×10^-2cm/s。

2.2 以建筑材料为主要原料

我国每年产生的建筑垃圾数以亿计，不但侵占大量的土地资源，而且对环境造成了不利影响。城市建筑垃圾的减量化处理与资源化利用属于城市和人居可持续发展的课题，是我国城市化发展进程中必须面对和处理的问题。我国对建筑垃圾的资源化利用的研究尚处于起步阶段，综合利用率尚不足5%[9]。利用建筑垃圾制备透水砖是一种变废为宝的有效方式，不仅解决了建筑垃圾的处理问题，还能带来一定的社会效益和经济效益[10]。例如，薛俊等[11]将废旧混凝土进行破碎、分级处理成为再生建筑混凝土，并以其为骨料来制备透水砖，制备的透水砖满足JC/945—2005《透水砖》标准要求。赵训等[12]研究了利用建筑垃圾为主要原料制备透水砖，当建筑垃圾再生骨料粒径在4.7 5～9.5mm时，透水砖的各项性能指标可以满足《透水路面砖和透水路面板》GB/T25993-2010标准的要求。除了以建筑垃圾作为原料外，徐向舟、王萍萍等[13～15]还研究了以沙漠中的烘干沙和风积沙为骨料制备透水砖。

2.3 以粉煤灰、煤歼石、炉渣等为主要原料

中国是以煤炭为主要能源的国家，采煤和燃煤过程所产生的煤研石、粉煤灰和炉渣量很大，利用粉煤灰、煤研石、炉渣等制备透水砖，既可以充分的利用固體废弃物，又为透水砖的生产找到一种廉价的原料。王能健和李珠等[1，16]以高碳粉煤灰为基料制备烧结透水砖，制得性能较优的透水砖。时浩等[17]利用粉煤灰和长英质尾矿为主要原料制备出一种免烧路面透水砖，随着骨料粒径增大，制品的透水系数增大，劈裂抗拉强度和抗折强度减小。李珠，刘家乐，赵亚兵、李学军等[18～21]以煤研石为主要原料制备透水砖，既实现了煤研石的废物利用，又具有一定的经济效益。张飞和周紫晨等[22，23]以高炉矿渣烧结透水砖，并且研究了其最佳工艺条件。罗绍华等[24]以流化床燃煤固硫渣为骨料，水泥为胶凝剂，添加一定量的碱激发剂制备透水砖，制备出的透水砖抗压强度达32MPa，透水系数为1.3×10^-2cm/s，满足JC/T945-2005《透水砖》相关要求，为固硫渣的综合利用提供了一条新途径。

2.4 以其它废弃物为主要原料

除了建筑垃圾，废弃的炉渣、粉煤灰等，还有其它工业废弃物也可以作为透水砖的主要原料。例如鲍志蕾等[25，26]以赣南离子型稀土尾砂提取高岭土后的二次尾砂为主要原料，添加适量高温粘结剂，采用压制成型法制备陶瓷透水砖。吴建锋等[27]用废陶瓷制备透水砖，废陶瓷质量含量可以高达60%，烧成温度1100℃，保温时间1h，透水砖样品抗压强度为48.9MPa，抗折强度为7.8MPa，透水系数为0.0312cm/s。王继娜等[28]研究了水玻璃旧砂掺量、煤研石粒径、烧结温度和保温时间对透水烧结路面砖透水系数和抗压强度的影响，水玻璃旧砂掺量为70%时，透水烧结路面砖的综合性能较好。贾兴新[29]以糖厂废弃物糖滤泥作成孔剂，李国昌等[30]以镍铁矿渣为主要原料，周云开[31]在透水砖掺人废弃橡胶粉，都制得性能较好的透水砖。张丽等[32]分析了涤棉混纺和涤纶织物含量和尺寸等因素对复合透水砖抗压性能、透水性和保水性的影响。随着织物掺加体积分数的增加，织物增强水泥基复合透水砖的抗压强度、压缩韧性指数和最终耗能先增大后减小，透水系数和保水系数增大。王奕仁等[33]通过对垃圾气化后的无机底渣在制备透水砖中不同掺量和集灰比的试验研究得出，水灰比为2.8，集灰比为3.0，气化底渣掺量为20%的透水砖性能最优。

3 透水砖控制径流和削减污染物的作用

透水铺装作为一种新的铺装，其主要应用于人行道、停车场、花园步道、轻荷载公路等。现行透水铺装的材料主要有：透水砖、透水混凝土、透水沥青、植草砖等[34]。其中透水砖多用于人行道路，透水水泥混凝土多用于轻负荷的人行道、机动车道或公园、住宅等园区内便捷道路，透水沥青路面则多用于城市快速路、高速公路等需具有一定负荷能力的机动车道路[35]。与传统道路相比较，透水铺装在减小径流、延迟径流出现时间及削减径流污染物等方面具有显著作用。有研究发现透水砖对径流的控制效果优于透水混凝土和植草砖，对TP、，COD和TN有一定的去除效果[36]，塑料网格砂基透水砖对SS、COD、TN、TP等的去除及削减效果优于其他透水铺装[34]，陶瓷透水砖更适合降雨时间集中、降雨量大的地区使用[37]，透水砖铺装对特征污染物的去除率随雨强增大而增大，去除率随雨量增大到一定程度趋于稳定[38]。也有研究提出，透水砖能有效去除SS、TP，但对COD及含氮污染物的去除效果并不佳[39]。而对SS的去除，砂基透水砖对SS的去除率要高于复合砖，进一步研究发现，复合透水砖对颗粒物粒径小于100μm的SS去除率较高，对颗粒物粒径小于600μm的SS去除率较低;而砂基砖正好相反[40]。

4 总结与展望

透水铺装可以改善城市内涝，平衡水资源，是海绵城市建设的重要课题之一。同时将生活与生产中的废弃物加以利用、变废为宝制备高附加值的透水砖，可以实现经济效益与社会效益高度统一。

（1）关于透水砖的应用领域。目前，透水砖多用于停车场、城市道路、公园、小区道路、步行街、城市广场等。透水砖还可以应用于水利、公路、铁路、河流护坡，特别是生态恢复、荒漠治理等工程领域。在城市河流和湖泊的坡岸及底部铺设透水砖，有利于削减径流，截留面源污染，增加水体的自净能力。透水砖使用一段时间后，其表面是否有生物膜生长，不同原料和不同孔隙度的透水砖其生物膜的生物量、微生物种类是否相同，有待进一步研究，建议加大透水砖对污染物去除的长期效果研究。

（2）透水砖的寿命。由于受透水砖的透水原理制约，其抗压强度不能与普通的混凝土地砖相比，直接导致透水砖的使用寿命较短，长时间使用会产生大规模的劈裂、磨损，其破坏程度很高、而且大规模使用透水砖的成本很高，极大地影响了透水砖在海綿城市中的推广使用。且透水砖在使用过程中，表面及孔隙容易被污泥堵塞住，导致其透水效果及截留污染物效果下降。因此，在保证透水率的前提下如何增强透水砖的抗压强度，研制自清洁的透水砖等是今后的研究方向之一，同时管理部门应该加强对透水砖的养护与管理。

（3）透水砖的制备技术。大部分研究者将建筑垃圾、工业废渣等作为透水砖的主要原材料，经烧结以后制成透水砖，烧结过程消耗大量能源，造成环境污染。但养护型透水砖在原料选取上有一定的局限性，生产周期又比较长，使用寿命较短。研究高效无害的粘结剂，探求固体废弃物的破碎处理方法，开发多种养护型透水砖应是今后的发展方向。

参考文献：

[1]王能健.以高碳粉煤灰为基料制备烧结透水砖的实验研究[D].太原：太原理工大学，2018.

[2]金海，贾晓林.浅谈我国透水砖的研究现状[J].中国新技术新产品，2017，5（下）：86～87.

[3]宫厚杰.城市污水污泥为基料制备透水砖的工艺技术研究[D].杨凌：西北农林科技大学，2012.

[4]仇付国，王娟丽，付昆明，等.水厂污泥制备可吸附污染物的生态透水砖[J].科学技术与工程，2018，18（32）：248～254.

[5]袁柯馨.城市深度脱水污泥燃料化及制砖资源化技术研究[D].厦门：华侨大学，2014.

[6]彭孟敲.应用疏浚泥制备透水砖及性能研究[D].广州：华南理工大学，2013.

[7]周超群.生态透水环保砖的制备及性能研究[D].广州：华南理工大学，2018.

[8]周超群，曾令可，程小苏，等.疏浚泥透水砖制备及性能研究[J].陶瓷，2017，2：12～I6.

[9]刘富业.利用建筑垃圾制作生态透水砖研究[D].广州：广东工业大学，2012.

[10]李凡，李湘洲.加快利用生活垃圾制砖的步伐[J].砖瓦世界，2014（5）：22～24.

[11]薛俊，刘军，季明旭，等.以再生建筑混凝土为骨料制备透水砖[J].武汉工程大学学报，2012，34（5）：51～55.

[12]赵训，柳华实，李国忠.建筑垃圾透水砖的工艺与性能研究[J].砖瓦，2016（10）：31～34.

[13]徐向舟，朱晓斌，刘璐，等.混凝土砂基透水路面砖制备及物理性能测试[J].大连理工大学学报，2014，54（3）：315～322.

[14]王萍萍，徐向舟.砂基透水砖的制备及性能优化研究[J].新型建筑材料，2013（8）：44～473.

[15]王萍萍.树脂砂基透水砖的制备及性能研究[D].大连：大连理工大学，2013.

[16]李珠，王能健，赵林，等.高碳粉煤灰透水砖的制备及性能研究[J].混凝土，2018（3）：118～120.

[17]时浩，马鸿文，田力男，等.长英质尾矿制备透水路面砖研究[J].硅酸盐通报，2018，37（3）：967～973.

[18]李珠，刘家乐，刘鹏，等.煤研石烧结透水砖的试验研究[J].新型建筑材料，2018（4）：21～23.

[19]刘家乐.煤矸石制备烧结透水砖及基本性能研究[D].太原：太原理工大学，2018.

[20]赵亚兵，张新朋，吴楠，等.环保免烧结煤研石透水砖的制备方法及其透水性能[J].硅酸盐通报，2014，33（12）：3255～3271.

[21]李学军，李珠，赵林，等.免烧结煤研石透水砖的试验研究[J].新型建筑材料，2019（1）：72～74.

[22]张飞，王浩，李家茂.高炉矿渣烧结透水砖的制备与其性能表征[J].安徽工业大学学报（自然科学版），2018，35（1）：5～9.

[23]周紫晨，曾明，张冰，等.利用工业废渣制备透水路面砖的研究及其应用[J].新型建筑材料，2017（3）：24～27.

[24]罗绍华，郭克石，吕方，等.流化床燃煤固硫渣基生态透水砖的制备及性能[J].稀有金属材料与工程，2015，44（增刊1）：619～623.

[25]鲍志蕾.离子型稀土尾砂制备陶瓷透水砖及性能研究[D].景德镇：景德镇陶瓷学院，2015.

[26]汪永清，鮑志蕾，杨柯，等.利用赣南稀土尾砂制备陶瓷透水砖的研究[J].陶瓷学报，2015，36（3）：260～265.

[27]吴建锋，陈金桂，徐晓虹，等.利用废陶瓷制备陶瓷透水砖的研究[J].武汉理工大学学报，2009，31（19）：27～30.

[28]王继娜，徐开东，牛季收.水玻璃旧砂基透水烧结路面砖的制备[J].辽宁工程技术大学学报（自然科学版），2016，35（12）：1470～1474.

[29]贾兴新.纳米二氧化钦镶嵌透水砖的研究[D].大连：大连工业大学，2012.

[30]李国昌，王萍.镍铁矿渣透水砖的制备及性能研究[J].矿产综合利用，2018（4）：97～100.

[31]周云开，李俊杰，李林燕，等.掺再生骨料及橡胶粉透水砖的研制与性能分析[J].太原学院学报，2017，35（3）：6～13.

[32]张丽，刘梁森，吴晓青，等.含涤废弃织物增强水泥基透水砖的制备及表征[J].复合材料学报.2016，33（4）：866～874.

[33]王奕仁，李春萍，王爱勤.等.垃圾衍生燃料气化后的无机底渣制备透水砖试验研究[J].环境工程，2014，32（增刊）：619～622.

[34]张玉玉.高效渗透减排透水铺装对径流的控制研究[D].北京：北京建筑大学，2015.

[35]韩天宇，宋璐逸，潘尚昆，等.透水铺装控制和净化地表径流的研究进展[J].建筑节能，2019（6）：98～101.

[36]李阳.透水路面对城市道路径流控制研究[D].北京：清华大学，2016.

[37]翁邦正，李亮，马竞，等.海绵城市改造工程的路面透水砖性能比选与应用研究[J].中国给水排水，2019，35（12）：19～22.

[38]秦余朝.城市典型透水铺装地面径流减控与污染物削减效果[D].西安：西安理工大学，2017.

[39]崔珍珍.透水路面结构层雨水入渗与水质净化性能及机理研究[D].天津：天津大学，2013.

[40]么海博.透水铺装控流截污试验及其设计应用研究[D].北京：北京建筑大学，2013.

收稿日期：2019-10-09

基金项目：江苏省大学生创新实践项目（编号：xcx2018O63）

作者简介：朱俊涛（1998-），男，徐州工程学院环境工程学院学生。

通讯作者：万蕾（1981-），女，副教授，博士，研究方向为水环境污染防治与生态修复。