摘要:随着城市化的发展和工业化的推进，水资源受到污染，生态环境被破坏的问题与日俱增，城市洪涝灾害频发。因此近年来我国正处于加快推进建设海绵城市的进程中。本文通过对海绵城市建设的发展现状及海绵城市中透水混凝土的应用分析，研究生物炭透水混凝土的作用效益以及存在的一些问题，指出生物炭透水混凝土在推进海绵城市建设中的重要作用，对未来海绵城市建设材料应用的深入研究提供参考和建议。
关键词:生物炭;透水混凝土;海绵城市
近年来，我国多个城市经常受到内涝灾害、水资源污染等问题的困扰，这类情况在雨季尤为严重。人们的出行安全、城市的建筑安全还有发展都受到了威胁［1］。城市的生态环境也受到了破坏。传统的混凝土路面透气性和透水性较差，调节空气温湿度的能力较弱，从而容易造成积水内涝、水体污染和热岛效应等环境问题［2］。鉴于此，国内外的学者对海绵城市中透水混凝土的应用以及混凝土的性能改善问题进行了深入研究。
1生物炭概念
生物炭是一种将植物或动物废弃物在密闭缺氧环境下热解形成的一种多孔炭材料，质地坚硬，吸附能力较强。生物炭的化学成分中主要包含无定形碳元素、芳香结构碳和灰分三类［3］。将生物炭应用于透水混凝土中，可以替代部分水泥，改善混凝土的力学性能和透水性能，提高透水混凝土的水质净化和生态环境功能，实现可持续化发展，具有很高的社会效益和经济效益。随着城市化的开发利用，建筑原材料越来越稀缺，天然砂石骨料等建材的价格也水涨船高。因此，利用农业废弃物加工制备成低耗能高性能的混凝土等建材具有重大的意义。近年来，国内外很多学者研究了利用稻壳灰等农产品废弃物作为外加剂或者集料制作生物炭水泥砂浆对其性能的影响。如果将这些废弃农副产品制成生物炭应用于透水混凝土中，不仅可以提高我国丰富的废弃农副产品资源利用率，也为海绵城市建设的主要材料提供了广阔的市场。
2海绵城市理念
2013年12月，中央城镇化工作会议中提到“建设自然积存、自然渗透、自然净化的海绵城市”。从2013年至今，全国各城市、各区县已经按要求逐步落实了海绵城市建设的基本要求，多个海绵城市试点建设区域已经在治理城市洪涝灾害、解决城市水资源污染问题等方面取得了显著的成效。通过加大政府财政投入、创新建设运营机制、完善融资支持等措施使得我国海绵城市建设项目成效越来越好。希望在10年内，我国大部分城市都能够达到将所在区域70%的雨水消纳和利用的基本目标要求。海绵城市作为一种新一代的城市雨洪管理理念，通过新建各类雨水、积水的吸收、净化、疏导设施，使城市能够像“海绵”一样具有“韧性”与“弹性”，从而抵抗强降雨等突发性自然灾害造成的洪水等不利影响。海绵城市的应用，可以有效降低城市化施工改造等过程中对环境带来的不利影响，达到保护生态环境、节能减排的效果。作为新型生态城市建设中一个不可或缺的重要组成部分，海绵城市的本质是回归自然，亲近自然的绿色生态型发展理念，最终实现人与城市生态环境之间的和谐共生［4］。随着海绵城市建设的不断推进，对水体净化效果和更大的排水蓄水量的透水建筑材料的需求也与日俱增。因此，对透水混凝土改性的深入研究刻不容缓。经相关研究表明，在透水混凝土中掺入生物炭是一种解决这类需求的可能性。海绵城市理念构建的初衷，不仅是为了我国城市经济的发展，更重要的是创造一个能够让人与自然生灵和谐共生的良好生活环境。海绵城市的建设是实现可持续发展的一条极好的出路，相信只要我们不断地努力改进，坚持创新，一定可以克服海绵城市建设中遇到的各种问题和困难，将海绵城市工程发展得越来越好。
3透水混凝土在海绵城市建设中的应用
透水混凝土的制备一般不使用细骨料，由粗骨料表面包覆一薄层水泥浆粘结而成，从而在混凝土内部形成由大量的均匀孔隙组成的蜂窝状结构，因此透水混凝土具有透气、透水、质轻等特点。由于透水混凝土需同时兼具透水性和强度，所以在设计配合比的过程中要高度注意水灰比和骨料粒径之间的联系。透水混凝土能将降水引入地下径流，有效补充地下水，达到储水蓄水的效果。同时利用透水混凝土的过滤、吸附等作用，可以有效去除雨水径流中的环境污染物。除此之外，透水混凝土还具有降噪控温、保护生态系统等作用。透水混凝土作为海绵城市建设中“渗”的主要技术措施之一，在海绵城市建设中得到了广泛的应用。目前，透水混凝土主要应用于路面铺装以及广场、停车场以及园林景观工程等领域［5］。随着城市化的发展和工业化的推进，海绵城市工程对透水混凝土的性能需求不断提高。因此对透水混凝土的性能改善研究目前显得愈加重要。
4生物炭的研究
近年来，由于温室气体带来的危害和可持续化发展的深入研究，加上石油储量的稀缺以及工业生产对低能源成本的需求，生物炭作为一种节能环保研究的关键性材料，受到了人们的密切关注。生物炭材料作为一种由农业废弃资源生产而来的新型材料，有着很好的发展前途。生产生物炭的原材料主要为农业残留物、农副产品垃圾以及平时日常生活中产生的有机废弃物等材料，来源丰富，生产便捷，可以大规模地制备。目前通常采用采用管式炉分解和微波反应器这两种方法来制备改性混凝土需要的生物炭材料。这两种制备方法较易，能耗较低，清洁环保，对于节能减排，构建低碳高效经济发展模式很有帮助。现已广泛用于固碳减排、净化水体、重金属吸附和土壤改良等领域。此外，研究人员经常采取多种改性方法来改善生物炭的理化特性，常用的改性方法有活化法、复合法等，通过改性后，生物炭的比表面积、孔容积、疏水性以及微观形貌等性质性能都会有很大改善［6］。随着建筑材料越来越广泛的应用，未来在海绵城市工程材料领域的研究也许会有更加深入的进展。
5生物炭透水混凝土的作用
生物炭材料疏松多孔，比表面积较高。如果将透水混凝土作为母体材料，掺入适宜量的生物炭粉末作为保水材料制备生物炭透水混凝土，这样不仅可以提高透水混凝土的吸热调温等效果，还可以将稳定态的碳元素保存在混凝土内部。相较于传统的填埋、焚烧等废弃物处理方法，不仅不会对环境造成二次污染，还能达到固碳排水、节能减排的作用，大力促进了可持续发展。与普通透水混凝土相同，生物炭透水混凝土具有较高的孔隙率和透水性，具有减轻城市排水排涝系统的压力，净化雨水中的氮、磷和重金属等污染物，与土壤之间进行湿热交换来缓解城市的热岛效应等多重作用。
5．1调节气温
透水混凝土孔隙率较高的特性使得混凝土内部储存的雨水通过蒸腾作用达到快速降温的效果。加上良好的透气性，因此，可以起到促进水汽循环和大气循环，调节环境温湿度，改善城市热岛效应的作用。同时也能够有效缓解温室效应，减少二氧化碳的排放对环境带来的危害，维护生态气候的平衡。
5．2吸附污染物，净化水质
生物炭一般情况下呈碱性，具有高度羧酸酯化和芳香化的结构，这些基本性质和结构使生物炭具备了极强的吸附力、抗氧化力以及分解污染物等能力。因此，将生物炭掺入透水混凝土中可以有效去除雨水径流中的氮、磷和重金属等污染物，从而净化水体。
5．3固炭作用，降低碳排放
我国是一个典型农业大国，每年产生的农业废弃物的量巨大，其中稻壳的年产量就超过4000万t。然而，每年大部分的稻壳都作为农业废弃物处理或者当作垃圾焚烧。如果将这些农业废弃物制备成生物炭，通过制作生物炭透水混凝土加以利用，可以减少浪费和燃烧产生的二氧化碳，达到降低碳排放的效果。
5．4节能减排的作用
水泥生产耗能高，环境污染大，相比之下生物炭材料的生产更加的绿色环保。如果在透水混凝土的制备过程中通过掺杂一定量的生物炭在水泥中，可以在强度不变的情况下，减少水泥用量，从而达到节能减排的目的。
5．5改善生态环境的作用
在路面铺装和园林景观方面铺设生物炭透水混凝土，可以在满足使用要求的同时，起到改善周围动植物、微生物生活生长环境的作用。从而达到人与自然生灵和谐共生的目的。
6对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，国内外对添加生物炭的透水混凝土研究相对较少。生物炭透水混凝土的强度、透水率等基本性能指标与生物炭掺杂量多少还缺少明确的规律。对最大可用的生物炭掺杂量等数据，也缺少较为统一的结论。对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为缺乏。
6．2适用于透水混凝土的生物炭制备方法
不同温度条件下制备的生物炭表现出不同的特征，需要开展适用于透水混凝土不同温度条件和生物炭制备方法研究。生物炭用于环境中吸附材料时，进行了大量的改性研究，结果表明可以通过改性显著提高生物炭的吸附性能。面向生物炭透水混凝土的应用，需积极探索和混凝土应用相配合，既能充分发挥生物炭的环境效能，又能兼顾混凝土材料强度的生物炭改性方法和技术。
6．3加强多种来源含碳废弃物的开发和利用
将富含含碳生物质材料的各种废弃物，制备成生物炭，可以充分发挥生物炭的固炭作用，降低碳排放。目前已有将城市污水处理污泥制备成生物炭用于混凝土的实验研究，还可进一步探索将城市河道清淤污泥、下水道清淤污泥等进行生物炭制备，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应用的可能性
近年来，我国城市化进程的飞速发展导致天然砂石骨料等建筑原材料逐渐稀缺，与此同时，不少年代久远的高危建筑物正处于拆除重建的境况，施工结束后，产生了大量的建筑垃圾。如果将这些建筑垃圾进行破碎、筛分制成再生粗骨料，再掺入一定量的生物炭粉末颗粒，制成生物炭再生骨料透水混凝土。不仅同时解决了建筑垃圾和农业垃圾的处理问题，资源利用率最大化，可能还会对混凝土的力学性能和透水性能有一定的提升。当然，目前对这种混凝土的应用还处于构想阶段，实际成品的诞生还需不断地研究与实践。
6．5后期生物炭透水混凝土的维护工作
由于我国各省市地区的工程项目环境不尽相同，加上绝大多数透水混凝土都是由标准的预制部件制成，因此，在绿道、广场、公园等领域的实际应用中生物炭透水混凝土的孔隙容易因例如雨水侵蚀，碾压等外界环境带来的不利影响而发生堵塞，或者产生压痕和裂缝，造成混凝土的排水、透水性能下降。目前常用的维护方法是利用真空泵、空气压缩机等设备冲洗、吸出混凝土孔隙中的杂物，但这种维护方法可能会对混凝土造成一定的破坏。因此，如何在节约人力、物力同时保证混凝土稳定性的条件下进行维护，保证生物炭透水混凝土的透水性，能够维持正常指标，从而延长海绵城市工程项目的寿命，还需不断研究。
7结语
“海绵城市”理念的实践与应用不仅是落实生态文明建设的重要举措，也是城市现代化和创新性发展必不可少的重要条件。海绵城市的建设也是城市生态化不可或缺的一环。随着社会的发展，海绵城市建设对透水混凝土等透水铺装的需求量巨大。添加生物炭的透水混凝土作为一种新型生态建材，可以广泛用于多类型设施，对推进海绵城市的建设有着重要的意义。可见，生物炭透水混凝土的未来发展有着广阔的前景。尽管现在有大量的相关研究表明很多积极的改良效果可以促进其在建筑材料领域的资源化利用。但目前对生物炭在透水混凝土等建材领域的研究探索才刚刚起步，今后应该将重点放在生物炭对建筑材料性能影响的微观作用机理方面。只有这样才能将生物炭的改善效果最大化，达到农业废弃垃圾资源化利用和固碳减排的目的，实现经济和环保双重效益。
作者：王西成 单位：四川农业大学土木工程学院
