生态混凝土在水处理中的应用

生态混凝土在水处理中的应用

作为人类使用最大的建筑材料，混凝土不仅要满足现代人的需求，还要注意减少环境负荷，改善环境，使其保持良好的环境协调。考虑到自然循环、生物保护和景观保护等生态问题，实现人类可持续发展。20世纪90年代，吴忠伟先生首次提出了绿色高性能混凝土，具有良好的环境协调性能。“生态”混凝土与“绿色”混凝土的概念相似，但“绿色”的重点是环境对环境的“无害”，“生态”强调对生态环境的直接“有益”。在国家863“十五”重大科技专项“镇江水环境处理”总课题的第三分项“生态堤—滨江带—湿地系统的修复和污染控制技术研究及示范”的生态堤中,采用文中提出的生态混凝土进行了现场浇筑,如图1所示.该混凝土除了起到护堤作用外,还由于其自身的多孔性和良好透气透水性,能实现植物和水中生物的生长,起到净化水质、改善景观和完善生态系统的多重功能.1环保混凝土的概念和分类1.1生态混凝土的概念和功能日本混凝土工学协会于1995年提出了生态混凝土(EnvironmentallyFriendlyConcrete/Eco-concrete)的概念.所谓生态混凝土,就是通过材料研选、采用特殊工艺制造出来的具有特殊的结构与表面特性的混凝土,能减少环境负荷,与生态环境相协调,并能为环保做出贡献.目前,国际上开发的生态混凝土的主要功能有护堤(主要指道路、河流、大坝及蓄水池的倾斜面)、路面排水、植生、净化水质、降低噪音、防菌杀菌、吸收去除NOx以及阻挡电磁波等.1.2混凝土浇筑技术目前,生态混凝土可分环境友好型(或负荷减少型)和生物相容型(环境协调型)两大类.所谓环境友好型生态混凝土,是指在混凝土的生产、使用直至解体全过程中,能够降低环境负荷的混凝土.目前,相关的技术途径主要有如下三条:①降低混凝土生产过程中的环境负担;②降低混凝土在使用过程中的环境负荷;③通过提高性能来改善混凝土的环境影响.生物相容型生态混凝土是指能与动、植物等生物和谐共存,对调解生态平衡、美化环境景观、实现人类与自然协调具有积极作用的混凝土.根据用途,这类混凝土分为植物相容型生态混凝土、海洋生物相容型生态混凝土、淡水生物相容型生态混凝土以及净化水质型生态混凝土等.1.3生态混凝土基础材料作者研制的护堤植生型生态混凝土是一种具有较大孔隙率、高强度的透水性混凝土,它的主要特点是具有过滤效果性能的同时,还具有植生、改善环境等效果性能.在该文的示范工程中,每立方米生态混凝土基础材料的标准含量如表1所示.表1中,SR-3是由镇江久久生态材料有限公司引进日本JCK株式会社的先进技术,并加以开发研制的一种生态混凝土专用添加材,其密度为1.044g/ml.它是一种以碳酸钙、硅石粉为主要成分的橘黄色无机质悬浮液,其标准参量为水泥质量的15%,它的作用是使生态混凝土实现所需的各项物理(孔隙率、透水性、pH值等)、力学性能(压缩强度、耐久性等)指标.2基础材料颗粒大小护堤植生型生态混凝土的首要功能是护堤.江堤坡面的侵蚀主要来自两个方面:一是外在条件的风浪、降雨、温度等引起的侵蚀;另一方面是内在条件的水位下降而造成堤体堆土的流失(管涌现象).因此,该类型的生态混凝土除了具备一定的强度外,还必须具有过滤性能,即保证只让水安全渗透而土质细颗粒不流出.所以,由过滤性法则,可得到该类型生态混凝土的基础材料颗粒大小与受保护土体级配之间的关系有:①生态混凝土材料的15%颗粒直径/受保护土体15%颗粒直径>5;②生态混凝土材料的15%颗粒直径/受保护土体85%颗粒直径<5;③生态混凝土材料的颗粒大小曲线与受保护土体颗粒大小曲线越接近平行越好;④被保护坡体材料如果含有粗颗粒,其中颗粒直径在25mm以下的部分适用于①和②;⑤混凝土属于非粘性材料,原则上颗粒直径在0.075mm以下细粒部分的总量在5%以下;⑥若被保护层属于土质或沙质,生态混凝土材料颗粒的最大直径应在75mm以下;⑦生态混凝土材料应具有受保护材料的10～100倍的透水性.其中,不等式①是为使生态混凝土的透水性大于受保护材料的透水性而设定的;不等式②是为确定防止管涌现象而设定的.3生态混凝土施工特点生态混凝土护堤技术与普通混凝土浇筑相比,具有以下优越性.(1)排水性、透水性.现场施工的普通混凝土不具备透水性,其排水只能通过排水孔来实现;因此,混凝土与地基之间的衔接部位必须设置防止土、沙吸出的材料.而现场施工的透水性生态混凝土由于其自身特性,排水性和透水性都很好,能实现自由排水.(2)对于波浪、地震的稳定性.普通混凝土施工面平滑,消波效果不理想,波浪上扬厉害;混凝土与堤体的刚度差别甚大,地震时由于两者动态特性不同导致变形过大而断裂.生态混凝土具有犹如米花糖状的表面,其消波效果好;且生态混凝土技术刚性柔软及具有多孔性等特点,对于地震时的变形适应性强.(3)抗洗掘、流失性能.普通混凝土技术使用排水孔等排水结构,容易造成流线集中且流速较快,土粒子流失较严重.而生态混凝土技术由于自身的过滤效果和消波效果,对洗掘、流失具有高抵抗性能.(4)改善自然环境.普通混凝土技术没有改善自然环境的功能;而生态混凝土技术的最大优点是能改善自然环境,具有连续孔隙的生态混凝土可以使水、空气自由渗透,不仅可以早期创造生物环境,更明显的是由于其孔隙内部以及外部附着、栖息的微生物、小动物类、藻类等可以有效地促进水质的自然净化.由此可见,生态混凝土在道路、河流、大坝及蓄水池倾斜面的护堤中有着普通混凝土无法比拟的优越性,直接有利于自然生态环境.4环保混凝土的物理力学指标4.1物理功率指数4.1.1混凝土的孔隙率文中的护堤植生型生态混凝土是一种多孔性混凝土,其优良的排水透水性能、植生性能以及净化水质性能都出自它的多孔性.为了保证植生,该生态混凝土的孔隙率Rviod要求在20%以上.实现多孔性的途径很多,作者采用镇江久久生态材料有限公司研制的添加SR-3添加材的配方.由于该生态混凝土表面犹如米花糖状,空隙较多,因此其孔隙率的测定是采用特殊手法来进行的.也有相关研究先测定试块在空气中的质量,然后再测定其在水中的质量,最后求得该试块的孔隙率.4.1.2透水系数的测定透水性是护堤植生型生态混凝土的一个重要指标,它的大小随混凝土基础材料的颗粒组成不同而有些差异,这里要确保有0.1cm/s以上的透水系数.表征生态混凝土透水性的透水系数在一定的水头下,单位时间内透过混凝土的水量与混凝土透水面积成正比,与混凝土透水厚度成反比.目前,国内还没有制定测定这种多孔混凝土透水性的标准方法,作者参照日本《日本混凝土协会多孔性混凝土施工指南》所规定的试验方法和试验仪器来测定该生态混凝土的透水系数.经测试,该生态混凝土透水系数K15(水温为15℃时)在0.25～0.60cm/s之间,符合要求.4.1.3低碱度生态混凝土的ph值普通混凝土由于其组成材料之一的水泥在水化时,将产生占水泥石体积20%～25%的Ca(OH)2使得混凝土呈强碱性,pH值高达13左右,这种碱性对用于结构物的钢筋混凝土来说是有利的,具有保护钢筋不被腐蚀的作用.但对于道路、港湾、护堤用混凝土材料,这种碱性不利于植物和水中生物的生长,因此植生型生态混凝土的pH值必须维持在不影响植物生长的水平,即低碱度生态混凝土.生态混凝土pH值的测定是将达到一定龄期的混凝土破碎,充分研磨,过筛(0.08mm方孔筛),称取10g,然后加入到10倍质量的蒸馏水中,用橡皮塞塞紧以防碳化,每隔约5min震动均匀1次,2h后用酸度计测定pH值.经初步测定,掺加了SR-3添加材,龄期为7d的植生型生态混凝土的pH值维持在10左右.4.2中国抗压强度的确定生态混凝土的力学指标主要是指强度要求(抗压强度、抗折强度等).生态混凝土护堤技术要实现护堤这一基本功能,必须要有一定的强度做保证.添加了SR-3的多孔生态混凝土,虽然孔隙率较高(一般在20%以上),但其28d标准立方体抗压强度必须在18MPa以上.经初步测定自然养护7d的标准立方体试块的抗压强度在20～22MPa之间,可称得上是一种早强混凝土.5护堤生态混凝土性能混凝土的耐久性是指在使用过程中,在内部的和外部的、人为的或自然的因素作用下,混凝土保持自身工作性能的一种性能.护堤生态混凝土直接裸露于空气和水中,经常受到水流的冲刷、气候变化以及各种物理化学侵蚀物质的作用,这对生态混凝土的耐久性提出了更高的要求.5.1冻融作用.(1)风化作用.主要指由于水流冲刷引起的混凝土中离子流失的现象.生态混凝土的孔隙率较大,并且有良好的透水性,水在混凝土中流动时必然会使钙等离子大量流失,使水化产物分解,造成强度降低,很快失去胶凝作用,使结构破坏.(2)冻融作用.护堤生态混凝土直接与水(淡水和海水两种情形)接触,其结构必然受到冻融作用的影响,这一点在北方寒冷地区将显得特别严重.连续的冻融循环使生态混凝土内部的损伤(已有的和新发展的)不断扩展,逐渐形成裂缝,导致结构表面开裂、脱落,性能降低,最终失效.冻融模型试验表明,该生态混凝土的抗冻耐久性在60次循环以上.(3)碳化(中性化)作用.生态混凝土碳化是指大气中的CO2或某些酸性气体不断向混凝土内部扩散,并与其中碱性水化物起反应的一个很复杂的多相物理化学过程.碳化作用有两面性:一方面碳化降低了混凝土内部的pH值,提高材料的强度;另一方面碳化降低了孔隙率,影响到透水系数.(4)反复荷载(疲劳)作用.水流对生态混凝土表面冲刷引起的作用力是一种反复荷载,在其作用下,必须考虑生态混凝土的疲劳耐久性问题.除了以上4点之外,还有其他因素,如酸雨、氯离子侵蚀、硫酸盐作用以及微生物的侵蚀作用.5.2混凝土耐久性其他研究(1)组成材料配合比的作用.混凝土的配合比直接关系到混凝土耐久性,再加上生态混凝土的开发、应用时间还不长,在满足特定功能要求下的生态混凝土配合比设计、施工以及管理理论还不够成熟,这些必然会影响到混凝土的耐久性.总之,这方面的影响还有待进一步研究.(2)水泥基材料的物化变化作用.文中的生态混凝土的水胶比较低(0.42),低水胶比的水泥基材料的物化性能研究包括混凝土的低收缩和自膨胀问题,这些问题都与混凝土的耐久性有关;另外,液体添加材SR-3在水泥水化过程中的作用以及对结构的影响都会涉及到结构的耐久性.(3)碱—骨料反应.混凝土内部的碱—骨料反应引起的耐久性问题也是最常见的情形.研究和抑制生态混凝土碱—骨料反应也是耐久性研究的重要内容.5.3多种尺度下微观、细观以及宏观的耐久性损伤研究笔者从事混凝土结构(包括预应力混凝土)的耐久性研究已多年,以往的研究手段主要是理论研究和模型试验,从宏观力学模型评价混凝土结构的耐久性.但是要想深入地对生态混凝土耐久性损伤进行研究,找到其中的发展规律,必须开展多种尺度下(微观、细观以及宏观)的耐久性损伤研究.除了进行宏观试验及耐久性分析外,更主要是借