不同孔隙率生態(tài)混凝土水質凈化及室外植生試驗研究

謝非，孫林，熊朝正，葉申鈺，楊萬芳

（四川汶馬高速有限責任公司，四川 都江堰 611830）

0 引言

20世紀50年代中期，國內外學者開始生態(tài)混凝土研究并運用于實際工程中[1-5]。余曉彬和陳建國[6]詳細描述了以沸石為骨料制成的生態(tài)混凝土性能及其特點。陳建國等[7]利用5%苯丙乳液制成生態(tài)混凝土，并選取4種植物進行室內植生試驗，結果表明，寬葉雀稗在生態(tài)混凝土上能較好的生長。李曉和王統(tǒng)[8]在普通硅酸鹽水泥中加入SAP顆粒制成生態(tài)混凝土，研究SAP摻量對生態(tài)混凝土性能的影響，結果表明，SAP顆粒能有效降低生態(tài)混凝土的堿度并提高其植生性能。多孔生態(tài)混凝土水質凈化效果顯著，因為孔隙大，與生態(tài)環(huán)境相容的特點，適宜植物微生物生存生長，相較于普通混凝土具有造價低、綠化環(huán)境、節(jié)約資源等特點。

我國湖泊護坡、公路邊坡等大多數采用普通混凝土，這種混凝土強度高、耐久性好，但坡面封閉無空隙，無法讓植物在其上生長，水質凈化效果甚微。生態(tài)混凝土利用水泥作為粘結劑直接粘結粗骨料，不僅具有一定的強度，節(jié)省材料，還因其特殊的“薩琪瑪”結構，為微生物和植物的生存生長提供了一定的環(huán)境和空間[9]。鄧義林[10]利用生態(tài)混凝土制成護坡，并應用于實際工程中，取得了良好的效果。劉志揚和章春寧[11]結合各項參數和施工經驗，探討植生型生態(tài)混凝土護坡施工要點，為實際工程應用提供參考。將植物和生態(tài)混凝土結合制成生態(tài)護坡，不僅美化環(huán)境，還能保持水土不流失，達到提高生物多樣性，改善水質富營養(yǎng)化的效果。

根據國內外研究成果，選取火山石為粗骨料制成不同孔隙率生態(tài)混凝土，測試其水質凈化能力，在此基礎上，選取6種不同草籽進行室外植生試驗，為城市河道和壩塘生態(tài)護坡提供技術支持和參考。

1 實驗

1.1 實驗材料及配合比

水泥：P·O42.5，永新成都水泥生產，主要技術性能見表1；火山石：粒徑10.60～48.7 mm，主要化學成分見表2；聚羧酸減水劑：主要技術性能見表3。

表1 水泥的主要性能

表2 火山石的化學性能 %

表3 減水劑的主要性能

試驗制備孔隙率分別為20%、25%、30%的火山石生態(tài)混凝土，具體配合比見表4。

表4 生態(tài)混凝土的配合比

（1）將火山石生態(tài)混凝土標準養(yǎng)護28 d后進行抗壓強度試驗，3種不同孔隙率抗壓強度在6.5～12.3 MPa，滿足生態(tài)護坡基本要求。

（2）凈化試驗用污水取自某小區(qū)生活污水，每隔1 h測試具體數據，取24 h平均值，主要參數見表5。

表5 生活污水的主要參數

（3）調查昆明當地氣候、溫度、空氣濕度、日照時間等條件，經綜合比選后選取高羊茅、黑麥草、馬尼拉等6種草籽混合后進行室外植生試驗。

1.2 試驗方案

1.2.1 水質凈化

按照配合比制備3組共9塊150 mm×150 mm×150 mm標準混凝土試塊并置于塑料桶中作為試驗組，準備1個空白桶裝入污水作為對照組，測試污水各項水質數據變化。溫度控制在20～25℃，試驗組放置在有光照射且通風的地方，每個桶裝入8 L生活污水。試驗前，將3組不同孔隙率火山石生態(tài)混凝土放入清水中浸泡48h后取出烘干。試驗時將生態(tài)混凝土放入桶中浸泡，如圖1所示，隔1、2、4、8、24、168、336、720 h測試其水質指標，氨氮按照HJ535—2009《水質 氨氮的測定納氏試劑分光光度法》進行測試，TN（總氮）按照GB/T34796—2017《水溶液中核酸的濃度和純度檢測 紫外分光光度法》進行測試，CODcr按照HJ828—2017《水質 化學需氧量的測定 重鉻酸鹽法》進行測試，TP（總磷）按照GB/T 11893—1989《水質總磷的測定 鉬酸銨分光光度法》進行測試。計算公式分別為：

式中：m——由校準曲線查得的氨氮量，mg；

V——水樣體積，mL。

式中：C——硫酸亞鐵銨標準溶液的濃度，mol/L；

V1——滴定空白試驗所消耗的硫酸亞鐵銨標準溶液體積，mL；

V2——滴定試樣所消耗的硫酸亞鐵銨標準溶液的體積，mL；

V0——試樣的體積，mL。

式中：η——TN和TP的去除率，%；

C1——生活污水污染濃度，mg/L；

C2——凈化后生活污水污染濃度，mg/L。

1.2.2 室外植生研究

室外植生試驗在昆明市某水塘護坡進行。該水塘護坡為土質岸坡，為比較生態(tài)混凝土植生情況，采用現澆式生態(tài)混凝土和預制式方形砌塊進行對比試驗?，F澆式生態(tài)混凝土采用3種不同配合比拌和火山石生態(tài)混凝土，直接鋪筑在水塘邊坡上，鋪筑面積為100 cm×200 cm，厚度為50 cm左右（見圖2）。預制式生態(tài)混凝土采用方形砌塊，中間預留5 cm×5 cm的正方形孔洞，可在孔洞內部種植植物，見圖3。先在生態(tài)混凝土上鋪1層約2 cm厚取自水塘塘底的紅土，在其上將草籽和紅土混合并均勻播撒后，再鋪上1層2cm厚的紅土。采用開放式管理，在現澆式生態(tài)混凝土上敷設1張塑料薄膜，防止土和草籽被雨水沖走。

2 實驗結果與分析

2.1 火山石生態(tài)混凝土的氨氮凈化效果（見圖4）

由圖4可知，氨氮凈化效果以S-30組最好，720 h后氨氮濃度為7.98 mg/L，去除率77.6%，其次是S-25組，720 h后氨氮濃度為10.28 mg/L，去除率71.1%，S-20組720 h后氨氮濃度為10.86 mg/L，去除率69.5%。3種不同孔隙率生態(tài)混凝土使得污水中氨氮濃度明顯降低，在12～24 h下降最快，去除率19.6%～47.7%，1～8 h下降速率緩慢，8 h去除率9.98%，12 h后3組氨氮濃度均低于對照組，在720 h后漸漸趨于平緩，氨氮濃度隨著火山石生態(tài)混凝土在生活污水中浸泡時間延長而降低。

2.2 火山石生態(tài)混凝土的TN凈化效果（見圖5）

由圖5可知，3組火山石生態(tài)混凝土對TN的去除整體上呈現先緩慢下降后顯著下降最后趨于平緩的態(tài)勢。S-30試塊在浸泡2 h后低于平均濃度，在4～8 h時去除速度最快，TN濃度下降0.72 mg/L，720 h后TN濃度為1.95 mg/L，去除率58.1%，效果最好。S-25和S-20都是在浸泡4 h后才低于平均濃度，720h后TN后濃度分別為2.14、2.45mg/L，去除率分別為54.0%和47.3%，隨著孔隙率的增大，去除率越高，TN凈化效果越好。

2.3 火山石生態(tài)混凝土的TP凈化效果（見圖6）

由圖6可知，S-30組試塊的TP濃度在8 h后低于平均濃度，在168～336h去除速度最快，336h濃度下降至0.93mg/L，720 h濃度為0.78 mg/L，去除率為79.8%，去除速度最快，效果最好；S-25組和S-20組試塊在8 h后低于平均濃度，最終720 h濃度分別為0.95、1.06 mg/L，去除率分別為75.4%、72.6%，TP凈化效果隨著孔隙率的增大而增強。TP凈化效果整體在0～12 h較為平緩，12～336 h去除速度變快，最終趨于平緩。

2.4 火山石生態(tài)混凝土的CODcr凈化效果（見圖7）

由圖7可知，3組試塊CODcr濃度整體隨時間延長而降低，在0～24 h整體變化比較平緩，在24 h后變化明顯。720 h后，S-30、S-25、S-20組CODcr濃度分別為28.6、36.2、49.5 mg/L，去除率分別為85.7%、81.9%、75.3%。S-30組CODcr凈化效果最好，S-20組凈化效果最差。

2.5 室外植生試驗

經60 d開放式管理后，植物生長情況如圖8所示。

由圖8可知，很少有草籽不發(fā)芽的情況，整體植生效果較好，其中在5～10 d生長比較緩慢，在10～50 d生長速度變快，最終逐漸趨于平緩。現澆混凝土植物最高為S-30組，植株高度能達38.5 cm，預制方形砌塊最高可達37 cm，略低于S-30組，S-25組和S-20組植物生長高度分別為29.0、25.2 cm，效果稍差?？傮w來說4組試塊都適合植物在其上生長，隨著孔隙率增大，植物生長高度越高，效果越好。

2.6 分析討論

去污效果見圖9。

火山石是多孔結構，孔隙率越大生態(tài)混凝土的比表面積就越大，使其有更多的接觸面積吸收氨氮、TN、TP和CODcr；減水劑可以增加生態(tài)混凝土內部的微孔結構，增加了吸附的點位，有利于水中污染物的吸附；水泥作為粘結劑，在配制拌和時將粗骨料粘結在一起，同時水泥有一定的吸附作用，還能將Mg2＋、Al3＋等陽離子溶析出來，和磷酸根離子等發(fā)生交換吸附，達到凈化水質的作用。

從最終植生效果來看，現澆火山石生態(tài)混凝土植生效果比預制方形砌塊效果更好，見圖10。

預制方形砌塊只有中間方孔植物有生長，砌塊上無法生長植物?？紫堵蕿?0%的現澆火山石生態(tài)混凝土植物生長高度不僅比預制方形砌塊高，而且植物生長密度更加密集?；鹕绞鷳B(tài)混凝土是多孔結構，適宜植物生長，在水塘護坡中能起到一定的水質凈化作用，相較預制方形砌塊更適用于實際工程中。

3 結論

（1）火山石生態(tài)混凝土對生活污水具有良好的凈化效果，孔隙率越大凈化效果越好，30%孔隙率的火山石生態(tài)混凝土720 h后對氨氮、TN、TP、CODcr去除率分別為77.6%、58.1%、79.8%、85.7%。

（2）在室外植生試驗中，孔隙率為30%的現澆火山石生態(tài)混凝土植生效果最好，60d植物生長高度可達38.5cm，其余2組生長高度分別為29.0、25.2cm。預制方形砌塊60d植物生長高度可達37cm。火山石生態(tài)混凝土不僅適宜植物生長，改善了生態(tài)環(huán)境，起到綠化美觀的作用，還有一定的水質凈化效果和強度，對公路邊坡或河岸護坡具有廣闊的應用前景。