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)
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。
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。
1.2.1 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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
(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。