廢棄泥陶粒摻碎石制備植生混凝土性能研究

趙計(jì)奎 ，夏霆 ，彭惠 ，李躍 ，江宇鑫 ，盛晟

（1.南京工業(yè)大學(xué) 城市建設(shè)學(xué)院，江蘇 南京 211816；2.中國(guó)電建集團(tuán)華東勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，浙江 杭州 311122）

0 引言

植生混凝土利用骨料間大量的連通孔隙為植生生長(zhǎng)提供必需的營(yíng)養(yǎng)元素及生存空間[1]，同時(shí)又具備足夠的強(qiáng)度以抵抗外部環(huán)境的壓力與破壞。隨著環(huán)境治理以及生態(tài)保護(hù)事業(yè)的深入開展，植生混凝土已成為生態(tài)護(hù)坡以及海綿城市建設(shè)領(lǐng)域亟需的基礎(chǔ)材料[2]，如利用植生混凝土構(gòu)建河道生態(tài)護(hù)坡在實(shí)現(xiàn)對(duì)雨水徑流滲蓄與滯留的同時(shí)，可同步實(shí)現(xiàn)對(duì)污染物的吸收與凈化，并能促進(jìn)岸坡植被恢復(fù)，進(jìn)而促進(jìn)河道水質(zhì)好轉(zhuǎn)及河道生態(tài)系統(tǒng)健康恢復(fù)[3]，并能拓寬城市綠色空間，利于城市建設(shè)和生態(tài)環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展[4]。

骨料作為植生混凝土的重要組成部分，現(xiàn)有的研究結(jié)果[5]已表明，不同混凝土骨料對(duì)廢水中各種污染物的去除及吸附效果不同，摻入不同材料對(duì)生態(tài)混凝土的抗壓強(qiáng)度也有明顯影響[6]。吸附能力是選擇植生混凝土骨料的重要考慮參數(shù)[7]，常見(jiàn)的植生混凝土多采用碎石作為骨料，而陶粒具有質(zhì)地輕、孔隙度高、對(duì)污染物吸附性能良好等特點(diǎn)。劉洋洋等[8]研究表明，以清淤海泥、市政污泥等廢棄泥制備的陶粒對(duì)廢水中污染物氮磷及CODMn具有良好的吸附作用，以陶粒為骨料的厚度為10 cm的混凝土試件對(duì)總氮TN、總磷TP、化學(xué)需氧量CODcr的去除率可達(dá)到16%、63%、35%左右。本文基于前期研究[8]制備的廢棄泥陶粒，進(jìn)一步選擇陶粒與碎石作為混合骨料制備植生混凝土，探討不同骨料配比對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度、植生、凈化以及滲蓄效果的影響，以期研究結(jié)果為岸坡生態(tài)修復(fù)以及海綿城市相關(guān)建設(shè)領(lǐng)域提供參考依據(jù)。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料與試件制備

采用前期研究廢棄物資源化所制備的m（海泥）∶m（污泥）∶m（碳酸鈣）=5∶4∶1 的陶粒[8]，所用海泥均取自連云港市灘涂航道疏浚的清淤海泥，該清淤海泥色黑，基本特性見(jiàn)表1。

表1 清淤海泥的基本特性

控制預(yù)熱溫度350℃、預(yù)熱時(shí)間15 min，燒結(jié)溫度1040℃、燒結(jié)時(shí)間為9 min，能利用單一海泥燒結(jié)出堆積密度約為410 kg/m3、吸水率約為10%、抗壓強(qiáng)度大于3 MPa、膨脹率在1.9～2.3的輕質(zhì)陶粒。將其與相同粒徑的碎石作為組合骨料，采用南京某水泥廠生產(chǎn)的P·O52.5水泥，水灰比控制為0.35，并依次稱取不同配比的骨料，以及水泥、聚羧酸鈉高效減水劑（減水劑摻量為水泥質(zhì)量的1%），加水人工攪拌制備混凝土。根據(jù)骨料不同組合 V（陶粒）∶V（碎石）=0∶1、1∶3、1∶1、3∶1、1∶0，設(shè)置 5組試樣，分別編號(hào)為 A、B、C、D、E。

每組按上述配比分別制備2組試件，一組用于抗壓強(qiáng)度測(cè)試，將100 mm×100 mm×100 mm立方體試件放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)28 d后，對(duì)其上下待壓表面進(jìn)行水泥砂漿找平，以實(shí)現(xiàn)壓力機(jī)與試件接觸壓力面的平整性，液壓式萬(wàn)能試驗(yàn)壓力機(jī)的精度不得低于2%。加載速度及數(shù)據(jù)處理按照GB/T 50081—2002《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行。另一組為待漿液充分包裹骨料外表面后填充入φ160 mm×100 mm PVC圓柱形圓筒，人工壓實(shí)后壓緊成型[9]；所制備的植生混凝土試件高100 mm，置于陰暗處養(yǎng)護(hù)28 d后用硫酸亞鐵制備的溶液浸泡降堿24 h，即采用中和堿及洗堿的方式降低混凝土中的堿度；植生混凝土降堿后，在5組試件表面覆蓋厚度為3～4 cm種植土，并播撒相同數(shù)量狗牙根草籽[10]，定期灑水維護(hù)。

1.2 試驗(yàn)裝置與方法

對(duì) A、B、C、D、E 五組 φ160 mm×100 mm 圓柱形試件，觀察比較植物生長(zhǎng)效果，總體上草籽播撒3 d左右開始發(fā)芽，15 d后長(zhǎng)勢(shì)均較良好，50 d左右植株根系穿透混凝土試件。選用60 d齡期的試件進(jìn)行水質(zhì)凈化比較試驗(yàn)，此時(shí)植株根系均已穿透混凝土試塊。試驗(yàn)裝置如圖1所示。

圖1 混凝土水質(zhì)凈化試驗(yàn)裝置示意

模擬廢水采用NH4Cl及KH2PO4及葡萄糖配制，配制模擬廢水總氮濃度5.3～5.7 mg/L，總磷濃度1.5～1.56 mg/L，CODcr濃度58.74～62.33 mg/L。TN、TP凈化試驗(yàn)進(jìn)行7 d，試驗(yàn)開始后每隔24 h取水樣檢測(cè)，CODcr去除試驗(yàn)進(jìn)行21 d，每隔72 h取出水水樣并測(cè)試。水質(zhì)測(cè)定均采用標(biāo)準(zhǔn)方法[11]?；诔鏊笜?biāo)濃度，按照式（1）、式（2）計(jì)算去除率和平均去除速率：

式中：C0、Cn——分別為初始時(shí)刻、n時(shí)刻模擬廢水的TN、TP或CODcr指標(biāo)濃度[12]，mg/L；

t——試驗(yàn)時(shí)間，d。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 不同骨料配比植生混凝土的抗壓強(qiáng)度（見(jiàn)表2）

表2 不同骨料配比植生混凝土的抗壓強(qiáng)度

由表2可知，以碎石為單一骨料的植生混凝土，7、28 d抗壓強(qiáng)度分別為 10.5、14.0 MPa；當(dāng) V（陶粒）∶V（碎石）=1∶3 時(shí)，7、28 d抗壓強(qiáng)度分別為 9.6、12.5 MPa；當(dāng) V（陶粒）∶V（碎石）=1∶1時(shí)，7、28 d 抗壓強(qiáng)度分別為 8.2、11.3 MPa；以陶粒為單一骨料的植生混凝土，7、28 d抗壓強(qiáng)度分別降低至3.2、5.2 MPa。

多孔混凝土的抗破壞強(qiáng)度主要受骨料的抗壓強(qiáng)度、骨料與水泥的兩相過(guò)渡界面及水泥的黏結(jié)性能等因素影響，其中骨料的耐壓極限對(duì)多孔混凝土強(qiáng)度有著關(guān)鍵的影響。由表2可知，植生混凝土的抗壓強(qiáng)度隨骨料中碎石比例增加呈增大趨勢(shì)。在水灰比確定的條件下，陶粒比例越高使得植生混凝土的孔隙度越大[13]，而當(dāng)陶粒的占比較大時(shí)，骨料整體強(qiáng)度較低，受壓力作用時(shí)會(huì)使得陶粒首先被壓碎而達(dá)到混凝土的抗壓極限；而碎石抗壓強(qiáng)度高于混凝土的抗壓強(qiáng)度，故碎石的添加可以在一定程度上提高多孔混凝土整體耐壓極限，當(dāng)V（陶粒）∶V（碎石）=1∶1時(shí)，由于2種骨料混合較為均勻，應(yīng)力傳遞能力增強(qiáng)，使得抗壓強(qiáng)度明顯較陶粒占比較大的試驗(yàn)組高。

2.2 不同骨料配比植生混凝土的植生試驗(yàn)

考慮南京的氣候條件，試驗(yàn)選擇喜溫型的狗牙根草作為試驗(yàn)草種。植生試驗(yàn)過(guò)程中草種生長(zhǎng)情況見(jiàn)圖2（以C組為例），各組植生試驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表3。

圖2 C組植株生長(zhǎng)狀況變化

表3 混凝土植生試驗(yàn)結(jié)果比較

由圖2和表3可知，總體上，各試驗(yàn)組播種前期尤其在前5 d生長(zhǎng)緩慢，20 d后各組植株生長(zhǎng)較快；播種15 d后，5組配比種植的草種發(fā)芽率除D組外均高于50%，至25 d，各試驗(yàn)組草種發(fā)芽率為77.75%～84.89%，除了A組發(fā)芽率較低外，其余4組發(fā)芽率均達(dá)80%以上，以陶粒為單一骨料的E組發(fā)芽率最高。這是因?yàn)椋樟＞哂休^大的孔隙度，當(dāng)使用陶粒作為混凝土骨料時(shí)因使得多孔混凝土的孔隙度增大，在相同的酸堿度及培養(yǎng)環(huán)境下，多孔混凝土的孔隙度對(duì)植株的發(fā)芽率及生長(zhǎng)狀況有促進(jìn)作用。

2.3 不同骨料配比植生混凝土的水質(zhì)凈化效果分析2.3.1 TN去除效果

TN去除率及平均去除速率隨時(shí)間的變化分別見(jiàn)圖3、圖4。

圖3 TN去除率隨時(shí)間的變化

由圖3可見(jiàn)，在試驗(yàn)前5 d，各組試樣對(duì)模擬廢水TN的去除率呈增大趨勢(shì)，其中第1～2 d，去除率增大明顯；5 d之后，D、E組TN去除率增長(zhǎng)較緩，A、C和B組呈波動(dòng)變化。第1 d時(shí)，TN去除率最低為8.04%（E組），最高為11.25%（A組），各組去除率約占總?cè)コ实?5%；至第7 d，TN的去除率為34.04%（A組）～41.03%（D組），5組試樣相比，D組去除率最高，此外，B、E組去除率也較高，均在40%左右。

圖4 TN平均去除速率隨時(shí)間的變化

由圖4可見(jiàn)，對(duì)TN的平均去除速率，A、B、D、E四組除在由第1～2 d有增長(zhǎng)外，第2 d后總體呈逐漸降低趨勢(shì)；C組變化趨勢(shì)略有差異，其中去除速率在由第1～2 d減小，第2～3 d略有增大，此后逐漸降低。第1 d時(shí)，TN平均去除速率最大為A組0.63 mg/（L·d）；第7 d時(shí)，最大為E組0.32 mg/（L·d），其次為D組0.31 mg/（L·d）。試驗(yàn)后期各組平均去除速率逐漸趨于穩(wěn)定，也較為接近。

2.3.2 TP去除效果

TP去除率及平均去除速率隨時(shí)間的變化分別見(jiàn)圖5、圖6。

由圖5可見(jiàn)，試驗(yàn)期間，各組試樣對(duì)TP的去除率均呈逐漸增大趨勢(shì)。各組試樣TP去除率在前3 d升高較快，3 d后TP去除率增速下降。第1 d，去除率為18.54%（E組）～33.77%（D組）；第3 d，去除率為42.86%（D組）～53.55%（C組）；至第7 d，去除率為56%（A組）～88.31%（D組），D組TP去除率最高，B、C和E組對(duì)TP的去除率也大于60%。

圖5 TP去除率隨時(shí)間的變化

圖6 TP平均去除速率隨時(shí)間的變化

由圖6可見(jiàn)，總體上，各組試樣TP去除速率均呈降低趨勢(shì)，其中D組在第3～4 d存在波動(dòng)。第1 d時(shí)，TP平均去除速率最高為D組0.52 mg/（L·d），最低為E組0.28 mg/（L·d）；第3 d時(shí)，平均去除速率在0.22～0.27 mg/（L·d），D組最低，C組最高；至第7 d，各組試樣TP去除速率低于0.19 mg/（L·d），D組最高。本試驗(yàn)TP的去除特征與嚴(yán)雄風(fēng)等[12]研究結(jié)果相符，呈現(xiàn)“初期快速吸附，后期緩慢平衡”的特點(diǎn)，前期基質(zhì)吸附速度較快，后期逐漸減緩并趨于平穩(wěn)，總結(jié)7 d試驗(yàn)時(shí)間來(lái)看，D組整體磷吸附過(guò)程優(yōu)于其它試驗(yàn)組。

2.3.3 CODcr去除效果

CODcr濃度及去除率隨時(shí)間的變化分別見(jiàn)圖7、圖8。

圖7 CODcr出水濃度隨時(shí)間的變化

由圖7可見(jiàn)，試驗(yàn)期間保持CODcr進(jìn)水濃度為60 mg/L，第3 d時(shí)，5組植生混凝土出水CODcr濃度為29～38 mg/L，計(jì)算得其去除率分別為36.67%～51.67%。21 d后出水CODcr濃度趨于穩(wěn)定，試驗(yàn)期間5組試樣CODcr平均出水濃度分別為38.03、38.11、40.84、37.01、32.11 mg/L。E 組及 D 組混凝土對(duì)CODcr的去除效果最佳，B組及A組植生混凝土次之。

圖8 CODcr去除率隨時(shí)間的變化

由圖8可見(jiàn)，試驗(yàn)前12 d左右，各組植生混凝土對(duì)CODcr去除率呈現(xiàn)持續(xù)下降趨勢(shì)，與Jahangir等[14]的結(jié)果相似。在12d左右之后開始逐漸上升，在21d左右對(duì)CODcr去除率達(dá)到穩(wěn)定。這也說(shuō)明植生混凝土前期對(duì)CODcr的去除主要依靠混凝土中骨料基質(zhì)對(duì)CODcr的吸附作用。后期（即12 d左右以后）對(duì)CODcr的去除主要依靠?jī)?nèi)部微生物的吸收降解作用，且其去除效果較前期基質(zhì)吸附作用更優(yōu)。

2.4 不同骨料配比植生混凝土的雨水滯蓄效果分析

通過(guò)測(cè)試同一降雨強(qiáng)度（0.8 mm/min）下各試驗(yàn)組植生混凝土產(chǎn)生的徑流，根據(jù)南京市暴雨強(qiáng)度公式，本試驗(yàn)取重現(xiàn)期P為5，混凝土試件H=10 cm，分析系統(tǒng)對(duì)雨水滯蓄效果的影響，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖9。

圖9 滯蓄試驗(yàn)及產(chǎn)流過(guò)程

由圖9可知，A組和B組在試驗(yàn)開始10 min左右后開始產(chǎn)生徑流，C組在20 min后產(chǎn)生雨水徑流，D組與E組則在30 min后開始產(chǎn)生雨水徑流。由時(shí)間軸、測(cè)定徑流曲線、模擬降雨徑流曲線圍成面積表示該試件滯蓄雨水的總量，比較各試驗(yàn)組，E組和D組雨水滯蓄效果最好，其次為C組，A組和B組滯蓄效果相對(duì)最差，可知試件滯蓄雨水能力隨著陶粒體積比增大而增大。其原因主要為陶粒本身比較碎石具有較大的孔隙度，當(dāng)陶粒與碎石作為混凝土混合骨料時(shí)，隨著陶粒占比增多，植生混凝土內(nèi)部的密實(shí)程度降低，降雨量易被混凝土系統(tǒng)吸收，混凝土表面產(chǎn)流滯后，滯蓄效果更優(yōu)。

3 結(jié)論

（1）由陶粒及碎石作為組合骨料制備植生混凝土，其抗壓強(qiáng)度隨組合骨料中碎石比例的增大而提高。以陶粒為單一骨料的植生混凝土 28 d抗壓強(qiáng)度為5～6 MPa；V（陶粒）∶V（碎石）=1∶1的植生混凝土28 d抗壓強(qiáng)度可達(dá)10 MPa以上；以碎石為單一骨料的試件28 d抗壓強(qiáng)度可達(dá)14.0 MPa。

（2）5組試樣草種發(fā)芽率均較高，在植生試驗(yàn)第25 d，各試驗(yàn)組草種發(fā)芽率為77.75%～84.89%，以碎石為單一骨料的試驗(yàn)組發(fā)芽率最低外，配置陶粒骨料的其它4個(gè)試驗(yàn)組發(fā)芽率均達(dá)80%以上，以陶粒為單一骨料的試驗(yàn)組發(fā)芽率最高。

（3）5組試樣對(duì)TN、TP和CODcr均有較好的去除效果，其中在試驗(yàn)第7 d各試驗(yàn)組對(duì)TN的去除率為34.04%～41.03%；對(duì)TP的去除率為56.00%～88.31%；各組對(duì)CODcr的去除過(guò)程呈現(xiàn)“先下降、后上升、再穩(wěn)定”的趨勢(shì)，在試驗(yàn)第21 d對(duì)CODcr的去除率為36.67%～51.67%。5組試樣以V（陶粒）∶V（碎石）=3∶1植生混凝土綜合凈化效果最好。

（4）控制同一降雨強(qiáng)度（0.8 mm/min）條件下，試件滯蓄雨水能力隨著陶粒體積比增大而增大，以碎石為單一骨料的A組在10 min左右開始產(chǎn)生表面徑流，陶粒與碎石占比相等的C組在20 min左右產(chǎn)生表面徑流，以陶粒為單一骨料的E組則在30 min后開始產(chǎn)生表面徑流。

（5）綜合各組混凝土的抗壓強(qiáng)度、植物生長(zhǎng)、水質(zhì)凈化以及雨水滯蓄效果，V（陶粒）∶V（碎石）=3∶1植生混凝土綜合性能最優(yōu)。