废弃泥陶粒掺碎石制备植生混凝土性能研究

赵计奎 ，夏霆 ，彭惠 ，李跃 ，江宇鑫 ，盛晟

（1.南京工业大学 城市建设学院，江苏 南京 211816；2.中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，浙江 杭州 311122）

0 引言

植生混凝土利用骨料间大量的连通孔隙为植生生长提供必需的营养元素及生存空间[1]，同时又具备足够的强度以抵抗外部环境的压力与破坏。随着环境治理以及生态保护事业的深入开展，植生混凝土已成为生态护坡以及海绵城市建设领域亟需的基础材料[2]，如利用植生混凝土构建河道生态护坡在实现对雨水径流渗蓄与滞留的同时，可同步实现对污染物的吸收与净化，并能促进岸坡植被恢复，进而促进河道水质好转及河道生态系统健康恢复[3]，并能拓宽城市绿色空间，利于城市建设和生态环境协调发展[4]。

骨料作为植生混凝土的重要组成部分，现有的研究结果[5]已表明，不同混凝土骨料对废水中各种污染物的去除及吸附效果不同，掺入不同材料对生态混凝土的抗压强度也有明显影响[6]。吸附能力是选择植生混凝土骨料的重要考虑参数[7]，常见的植生混凝土多采用碎石作为骨料，而陶粒具有质地轻、孔隙度高、对污染物吸附性能良好等特点。刘洋洋等[8]研究表明，以清淤海泥、市政污泥等废弃泥制备的陶粒对废水中污染物氮磷及CODMn具有良好的吸附作用，以陶粒为骨料的厚度为10 cm的混凝土试件对总氮TN、总磷TP、化学需氧量CODcr的去除率可达到16%、63%、35%左右。本文基于前期研究[8]制备的废弃泥陶粒，进一步选择陶粒与碎石作为混合骨料制备植生混凝土，探讨不同骨料配比对混凝土抗压强度、植生、净化以及渗蓄效果的影响，以期研究结果为岸坡生态修复以及海绵城市相关建设领域提供参考依据。

1 试验

1.1 试验材料与试件制备

采用前期研究废弃物资源化所制备的m（海泥）∶m（污泥）∶m（碳酸钙）=5∶4∶1 的陶粒[8]，所用海泥均取自连云港市滩涂航道疏浚的清淤海泥，该清淤海泥色黑，基本特性见表1。

表1 清淤海泥的基本特性

控制预热温度350℃、预热时间15 min，烧结温度1040℃、烧结时间为9 min，能利用单一海泥烧结出堆积密度约为410 kg/m3、吸水率约为10%、抗压强度大于3 MPa、膨胀率在1.9～2.3的轻质陶粒。将其与相同粒径的碎石作为组合骨料，采用南京某水泥厂生产的P·O52.5水泥，水灰比控制为0.35，并依次称取不同配比的骨料，以及水泥、聚羧酸钠高效减水剂（减水剂掺量为水泥质量的1%），加水人工搅拌制备混凝土。根据骨料不同组合 V（陶粒）∶V（碎石）=0∶1、1∶3、1∶1、3∶1、1∶0，设置 5组试样，分别编号为 A、B、C、D、E。

每组按上述配比分别制备2组试件，一组用于抗压强度测试，将100 mm×100 mm×100 mm立方体试件放入标准养护室养护28 d后，对其上下待压表面进行水泥砂浆找平，以实现压力机与试件接触压力面的平整性，液压式万能试验压力机的精度不得低于2%。加载速度及数据处理按照GB/T 50081—2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》进行。另一组为待浆液充分包裹骨料外表面后填充入φ160 mm×100 mm PVC圆柱形圆筒，人工压实后压紧成型[9]；所制备的植生混凝土试件高100 mm，置于阴暗处养护28 d后用硫酸亚铁制备的溶液浸泡降碱24 h，即采用中和碱及洗碱的方式降低混凝土中的碱度；植生混凝土降碱后，在5组试件表面覆盖厚度为3～4 cm种植土，并播撒相同数量狗牙根草籽[10]，定期洒水维护。

1.2 试验装置与方法

对 A、B、C、D、E 五组 φ160 mm×100 mm 圆柱形试件，观察比较植物生长效果，总体上草籽播撒3 d左右开始发芽，15 d后长势均较良好，50 d左右植株根系穿透混凝土试件。选用60 d龄期的试件进行水质净化比较试验，此时植株根系均已穿透混凝土试块。试验装置如图1所示。

图1 混凝土水质净化试验装置示意

模拟废水采用NH4Cl及KH2PO4及葡萄糖配制，配制模拟废水总氮浓度5.3～5.7 mg/L，总磷浓度1.5～1.56 mg/L，CODcr浓度58.74～62.33 mg/L。TN、TP净化试验进行7 d，试验开始后每隔24 h取水样检测，CODcr去除试验进行21 d，每隔72 h取出水水样并测试。水质测定均采用标准方法[11]。基于出水指标浓度，按照式（1）、式（2）计算去除率和平均去除速率：

式中：C0、Cn——分别为初始时刻、n时刻模拟废水的TN、TP或CODcr指标浓度[12]，mg/L；

t——试验时间，d。

2 试验结果与分析

2.1 不同骨料配比植生混凝土的抗压强度（见表2）

表2 不同骨料配比植生混凝土的抗压强度

由表2可知，以碎石为单一骨料的植生混凝土，7、28 d抗压强度分别为 10.5、14.0 MPa；当 V（陶粒）∶V（碎石）=1∶3 时，7、28 d抗压强度分别为 9.6、12.5 MPa；当 V（陶粒）∶V（碎石）=1∶1时，7、28 d 抗压强度分别为 8.2、11.3 MPa；以陶粒为单一骨料的植生混凝土，7、28 d抗压强度分别降低至3.2、5.2 MPa。

多孔混凝土的抗破坏强度主要受骨料的抗压强度、骨料与水泥的两相过渡界面及水泥的黏结性能等因素影响，其中骨料的耐压极限对多孔混凝土强度有着关键的影响。由表2可知，植生混凝土的抗压强度随骨料中碎石比例增加呈增大趋势。在水灰比确定的条件下，陶粒比例越高使得植生混凝土的孔隙度越大[13]，而当陶粒的占比较大时，骨料整体强度较低，受压力作用时会使得陶粒首先被压碎而达到混凝土的抗压极限；而碎石抗压强度高于混凝土的抗压强度，故碎石的添加可以在一定程度上提高多孔混凝土整体耐压极限，当V（陶粒）∶V（碎石）=1∶1时，由于2种骨料混合较为均匀，应力传递能力增强，使得抗压强度明显较陶粒占比较大的试验组高。

2.2 不同骨料配比植生混凝土的植生试验

考虑南京的气候条件，试验选择喜温型的狗牙根草作为试验草种。植生试验过程中草种生长情况见图2（以C组为例），各组植生试验结果统计见表3。

图2 C组植株生长状况变化

表3 混凝土植生试验结果比较

由图2和表3可知，总体上，各试验组播种前期尤其在前5 d生长缓慢，20 d后各组植株生长较快；播种15 d后，5组配比种植的草种发芽率除D组外均高于50%，至25 d，各试验组草种发芽率为77.75%～84.89%，除了A组发芽率较低外，其余4组发芽率均达80%以上，以陶粒为单一骨料的E组发芽率最高。这是因为，陶粒具有较大的孔隙度，当使用陶粒作为混凝土骨料时因使得多孔混凝土的孔隙度增大，在相同的酸碱度及培养环境下，多孔混凝土的孔隙度对植株的发芽率及生长状况有促进作用。

2.3 不同骨料配比植生混凝土的水质净化效果分析2.3.1 TN去除效果

TN去除率及平均去除速率随时间的变化分别见图3、图4。

图3 TN去除率随时间的变化

由图3可见，在试验前5 d，各组试样对模拟废水TN的去除率呈增大趋势，其中第1～2 d，去除率增大明显；5 d之后，D、E组TN去除率增长较缓，A、C和B组呈波动变化。第1 d时，TN去除率最低为8.04%（E组），最高为11.25%（A组），各组去除率约占总去除率的25%；至第7 d，TN的去除率为34.04%（A组）～41.03%（D组），5组试样相比，D组去除率最高，此外，B、E组去除率也较高，均在40%左右。

图4 TN平均去除速率随时间的变化

由图4可见，对TN的平均去除速率，A、B、D、E四组除在由第1～2 d有增长外，第2 d后总体呈逐渐降低趋势；C组变化趋势略有差异，其中去除速率在由第1～2 d减小，第2～3 d略有增大，此后逐渐降低。第1 d时，TN平均去除速率最大为A组0.63 mg/（L·d）；第7 d时，最大为E组0.32 mg/（L·d），其次为D组0.31 mg/（L·d）。试验后期各组平均去除速率逐渐趋于稳定，也较为接近。

2.3.2 TP去除效果

TP去除率及平均去除速率随时间的变化分别见图5、图6。

由图5可见，试验期间，各组试样对TP的去除率均呈逐渐增大趋势。各组试样TP去除率在前3 d升高较快，3 d后TP去除率增速下降。第1 d，去除率为18.54%（E组）～33.77%（D组）；第3 d，去除率为42.86%（D组）～53.55%（C组）；至第7 d，去除率为56%（A组）～88.31%（D组），D组TP去除率最高，B、C和E组对TP的去除率也大于60%。

图5 TP去除率随时间的变化

图6 TP平均去除速率随时间的变化

由图6可见，总体上，各组试样TP去除速率均呈降低趋势，其中D组在第3～4 d存在波动。第1 d时，TP平均去除速率最高为D组0.52 mg/（L·d），最低为E组0.28 mg/（L·d）；第3 d时，平均去除速率在0.22～0.27 mg/（L·d），D组最低，C组最高；至第7 d，各组试样TP去除速率低于0.19 mg/（L·d），D组最高。本试验TP的去除特征与严雄风等[12]研究结果相符，呈现“初期快速吸附，后期缓慢平衡”的特点，前期基质吸附速度较快，后期逐渐减缓并趋于平稳，总结7 d试验时间来看，D组整体磷吸附过程优于其它试验组。

2.3.3 CODcr去除效果

CODcr浓度及去除率随时间的变化分别见图7、图8。

图7 CODcr出水浓度随时间的变化

由图7可见，试验期间保持CODcr进水浓度为60 mg/L，第3 d时，5组植生混凝土出水CODcr浓度为29～38 mg/L，计算得其去除率分别为36.67%～51.67%。21 d后出水CODcr浓度趋于稳定，试验期间5组试样CODcr平均出水浓度分别为38.03、38.11、40.84、37.01、32.11 mg/L。E 组及 D 组混凝土对CODcr的去除效果最佳，B组及A组植生混凝土次之。

图8 CODcr去除率随时间的变化

由图8可见，试验前12 d左右，各组植生混凝土对CODcr去除率呈现持续下降趋势，与Jahangir等[14]的结果相似。在12d左右之后开始逐渐上升，在21d左右对CODcr去除率达到稳定。这也说明植生混凝土前期对CODcr的去除主要依靠混凝土中骨料基质对CODcr的吸附作用。后期（即12 d左右以后）对CODcr的去除主要依靠内部微生物的吸收降解作用，且其去除效果较前期基质吸附作用更优。

2.4 不同骨料配比植生混凝土的雨水滞蓄效果分析

通过测试同一降雨强度（0.8 mm/min）下各试验组植生混凝土产生的径流，根据南京市暴雨强度公式，本试验取重现期P为5，混凝土试件H=10 cm，分析系统对雨水滞蓄效果的影响，试验结果见图9。

图9 滞蓄试验及产流过程

由图9可知，A组和B组在试验开始10 min左右后开始产生径流，C组在20 min后产生雨水径流，D组与E组则在30 min后开始产生雨水径流。由时间轴、测定径流曲线、模拟降雨径流曲线围成面积表示该试件滞蓄雨水的总量，比较各试验组，E组和D组雨水滞蓄效果最好，其次为C组，A组和B组滞蓄效果相对最差，可知试件滞蓄雨水能力随着陶粒体积比增大而增大。其原因主要为陶粒本身比较碎石具有较大的孔隙度，当陶粒与碎石作为混凝土混合骨料时，随着陶粒占比增多，植生混凝土内部的密实程度降低，降雨量易被混凝土系统吸收，混凝土表面产流滞后，滞蓄效果更优。

3 结论

（1）由陶粒及碎石作为组合骨料制备植生混凝土，其抗压强度随组合骨料中碎石比例的增大而提高。以陶粒为单一骨料的植生混凝土 28 d抗压强度为5～6 MPa；V（陶粒）∶V（碎石）=1∶1的植生混凝土28 d抗压强度可达10 MPa以上；以碎石为单一骨料的试件28 d抗压强度可达14.0 MPa。

（2）5组试样草种发芽率均较高，在植生试验第25 d，各试验组草种发芽率为77.75%～84.89%，以碎石为单一骨料的试验组发芽率最低外，配置陶粒骨料的其它4个试验组发芽率均达80%以上，以陶粒为单一骨料的试验组发芽率最高。

（3）5组试样对TN、TP和CODcr均有较好的去除效果，其中在试验第7 d各试验组对TN的去除率为34.04%～41.03%；对TP的去除率为56.00%～88.31%；各组对CODcr的去除过程呈现“先下降、后上升、再稳定”的趋势，在试验第21 d对CODcr的去除率为36.67%～51.67%。5组试样以V（陶粒）∶V（碎石）=3∶1植生混凝土综合净化效果最好。

（4）控制同一降雨强度（0.8 mm/min）条件下，试件滞蓄雨水能力随着陶粒体积比增大而增大，以碎石为单一骨料的A组在10 min左右开始产生表面径流，陶粒与碎石占比相等的C组在20 min左右产生表面径流，以陶粒为单一骨料的E组则在30 min后开始产生表面径流。

（5）综合各组混凝土的抗压强度、植物生长、水质净化以及雨水滞蓄效果，V（陶粒）∶V（碎石）=3∶1植生混凝土综合性能最优。