多孔混凝土及其在生态护坡工程中的应用

1、 第 35 卷第 11 期2010 年 11 月 环境科学与管理ENVIRONMENTAL SCIENCE AND MANAGEMENT Vol. 35 No. 11 Nov 2010文章编号: 1674 6139( 2010) 11 0168 03多孔混凝土及其在生态护坡工程中的应用 殷琨 ( 江苏省环境保护厅苏南环境保护督查中心，江苏 无锡 214081) 摘 要: 多孔混凝土具有连续孔隙，空隙率约为 15% 30% ，具有良好的透水性和透气性。多孔混凝土生态护坡技术是一种新型的绿色生态型护坡技术，融合建筑材料、生态工程和环境工程等多门学科，集水土保持、生态修复于一体，实现了水利工程护坡技

2、术和生态环境修复技术的完美统一。 关键词: 多孔混凝土; 空隙率; 生态护坡; 水土保持; 生态修复 中图分类号: X171 4 文献标识码: APorous Concrete and its Application to Ecological Slope Protection Engineering Yin Kun ( Southern Jiangsu Province Environmental Supervisor Center，Wuxi 214081，China) Abstract: Porous concrete，with the ratio of continuous void c

3、ontent ranging from 15% to 30% ，has a good peculiarity of hy- draulic permeability and air penetrability The ecological slope protection by using porous concrete is a new type of green and eco- logical technology，which includes various sciences such as construction materials，biological engineering a

4、nd environmental engi- neering，and also has the functions of water and earth preservation and bio remediation According to this，the technology of slope protection in water project and that of ecological and environmental remediation come to one point perfectly Key words: porous concrete; void conten

5、t; ecological slope protection; water and earth preservation; bio remediation 研究和开发新型的河道堤岸生态护坡工程技术显得迫在眉睫。多孔混凝土材料的开发为实现这一目的提供了有效途径。 前言 长期以来，为有效防止水土流失和保障河道堤防安全，普通混凝土护坡被普遍采用。普通混凝土护坡由于采用无孔的介质，对河道坡面采用封闭的形式，阻断了水体和近岸陆地土壤之间的联系，不具有植被生长所必需的生态环境，水生植物不能在坚硬密实、无连续孔隙的普通混凝土表面上生长，水生动物也因此失去了栖息生存空间，导致河道堤岸与近岸陆地之间丰富的河漫滩

6、的自然生态系统遭到破坏，造成生物种类减少、生物多样化指数降低，使水体自净功能下降甚至完全丧失，水质恶化。同时，普通混凝土不能生长植物，颜色灰暗，在感观上缺乏生机，使河道丧失了自然景观功能，让人产生远离自然的感觉，这与人类追求生活环境回归自然的初衷相违背。为使河道堤岸护坡既有水土保持、加固堤岸的功能，又具有水质净化及维持生物多样性的功能， 1国内外研究现状 国外尤其是日本从上世纪 90 年始研究能改善水质富营养化状况的混凝土材料，提出了“亲水”的概念。日本大成建设技术研究所进行了连续四年的探索性研究，1993 年提出了环境理念材料( environ- ment conscious materia

7、ls) 的概念，1995 年日本 工学提出了环境友好混凝土/ 生态混凝土( environmentally friendly concrete / eco concrete) 的概 念1。它是由低碱度水泥、粗骨料、保水材料等按照 特殊工艺制成的混凝土，具有连续的孔隙和一定的抗 压强度，能与生态环境相适应，可使水质得到净化。日本应用多孔混凝土( porous concrete) 进行了生态护坡的研究和实践2，日本“先端建设技术中心”于2001 年 4 月制订了多孔混凝土河川护岸工法，以推进具有生态效应的多孔混凝土的应用进程。中国 在这方面的研究起步较晚，从 20 世纪 90 年代后期才开始这方面

8、的研究，与国外水平还存在较大的差距。 收稿日期: 2010 04 19 作者简介: 殷琨( 1973 ) ，男，汉族，高级工程师，研究生，长期从事环境管理工作。 168 第 35 卷第 11 期2010 年 11 月 Vol. 35 No. 11 Nov 2010殷琨多孔混凝土及其在生态护坡工程中的应用 态型的护坡即生态护坡。护坡是河流与河岸带的衔 接部分，生态护坡的建立使河道具有滞洪补枯的作用。从地理学角度看，生态护坡是地球化学元素循环的活跃区域; 从环境科学与工程角度看，生态护坡是污染物净化和降解的天然反应器; 从水文学角度看，生态护坡是地表水与地下水的动态交换过程的界面; 从生态学角度看

9、，生态护坡工程是以生态修复为目的的重要景观工程。 2 2 1 生态护坡分类 护坡可根据水体水位高度进行划分，可以分为高水位、低水位和堤岸护坡。也可以根据护坡功能进行划分，可分为重视植物型护坡和重视强度型护坡6，前者的多孔混凝土强度在 10 N / mm2 以上，空隙率为 21% 30% ; 后者的多孔混凝土强度在 18N / mm2 以上，空隙率为 18% 21% 。当需要提高强度时，空隙率应适当降低。 清华大学近年来一直在研究生态型透水性混凝土材料。同济大学最近几年在利用生态混凝土处理生活废水方面取得了一定成果1，3 4。 2 多孔混凝土及其生态护坡 2 1多孔混凝土水质净化机理 2 1 1

10、物理作用 用于河道护坡的多孔混凝土采用 5 号碎石( 13 mm 20 mm) 为粗骨料，抗压强度 10 MPa 以上，空隙率为 15% 30% ，一般在 20% 左右。连续孔隙的孔径为集料平均粒径的 25% 27% ，平均孔隙直径为 4 mm 5 mm。采用 1 mm 粒径的骨料制作的 10 cm 厚的多孔混凝土的表面积约为普通混凝土侧表面积的 400 倍。缓释性材料的不断溶出也增加了它内部的微孔结构。多孔混凝土有较小的孔径和较大的比表面积，因此它具有良好的过滤和吸附功能，使水质得到净化。陈志山等在用生态混凝土处理生活污水中采用了侧滤技术，研究表明: SS 的去除主要与生态混凝土的孔结构以及

11、净水块的数量有关5。 2 2 2生态护坡基本构件及构型 多孔混凝土生态护坡的施工建设可分为现场浇 注或预制组装两种，其基本构件有现场浇注多孔混凝 土、多孔混凝土预制球、多孔混凝土预制砌块等形式。现场浇注多孔混凝土、多孔混凝土预制球分别如图 1、图 2 所示。多孔混凝土预制球可以是中空或贯通型的， 后者在球中预留 X、Y、Z 三维方向的通孔，经过球模成型后用钢筋进行连结，球层与球层之间连结也需 要用特定的连结件来固定，装配简单、灵活。 2 1 2化学作用 多孔混凝土浸泡在水中会不断溶出 Ca( OH) 2 ，它是一种无机混凝剂，可以使水中的胶体物质脱稳絮凝后沉淀下来。但 Ca2 + 的大量流失，

12、使水泥水化产物分解，混凝土的耐久性受到影响。往多孔混凝土中增加 Mg2 + 、Al3 + 可以阻碍 Ca2 + 的溶出。4 缓慢 溶出的 Mg2 + 可以与水中的 NH+ 发生离子交换，也 4可与水中的 PO 3 生成磷酸盐沉淀。因此，Mg2 + 可 4以去除水体中部分 N、P 营养物质。溶出的 Al3 + 形成 Al( OH) 3 后是一种典型的无机混凝剂，可以去除水中的部分胶体物质。 2 1 3 生化作用 多孔混凝土的连续孔隙适于植物根系的发展，它的多孔结构提供了适于微生物生长的生存环境。在其表面和内部有大量的细菌栖息繁衍，其中有好氧性和厌氧性细菌，包括硝化菌、甲烷菌、脱氮菌等4。多孔混凝

13、土上形成的生物膜中生物种群较多，包括细菌、原生动物、后生动物等，这使多孔混凝土在与水体接触的过程中，可以充分发挥生物膜的作用，降解水中的污染物质。张日红等的研究表明，采用孔隙率为 20% 30% 的多孔混凝土净化河水，BOD 去除率为 30% 50% ，COD 去除率为50% 60% ，T N 去除率 为 30% 40% ，T P 去除率为 70%5。 2 2 多孔混凝土生态护坡 多孔混凝土具有一定的强度和良好的透气性、透水性，既能保护堤岸防止受到侵蚀，又可以使植物 良好地生长，因此可利用多孔混凝土建成仿自然生 图 1 现浇多孔混凝土示意图图 2 多孔混凝土预制球示意图 现浇的多孔混凝土护坡为

14、了增加强度和护坡稳定性，连续孔隙率较小，孔径较小，仅适于生长小型 169 第 35 卷第 11 期2010 年 11 月 Vol. 35 No. 11 Nov 2010殷琨多孔混凝土及其在生态护坡工程中的应用 水生植物; 多孔混凝土砌块护坡可根据要求进行构型上的组合，视觉效果较好，连续孔隙率较大，护坡 施工方便，需要有连接件，适于生长小型草类，如果 设计比较合理，也可以生长大型水生植物; 多孔混凝土预制球护坡的结构坚固稳定，孔隙率更大，加上球 与球之间的堆积空隙，它更适于生长大型水生植物， 其护坡构型更加多样化。 生态护坡可单独采用上述的三种基本构件形式，也可根据不同的水力、气象、植物生长条件

15、和施工要求将以上基本构件有机地结合。图 3 所示为一种复式生态护坡构型，采用多孔混凝土球和现浇多孔混凝土相结合的方式。在低水位采用多孔混凝土预制球，种植芦苇等大型水生植物; 在高水位采用现浇的多孔混凝土，配合种植小型草本植物。 图 3 复式生态护坡构型示意图在修建生态护坡之前首先修整好坡形，然后进 行多孔混凝土的现场浇筑或多孔混凝土球的铺设。种植植物时应在多孔混凝土( 球) 表面喷液态硫酸亚铁使之中性化，然后在多孔混凝土( 球) 中填入保水性好的土质。对植物生长必须的养分可加入多孔 混凝土表面的覆土中，覆土厚度一般为 5 cm 10 cm。浇筑或铺设完成后需精心养护，并应采取防止暴雨冲刷等措施

16、，养护一段时间后即可喷撒植物种子植生，植物种类应尽量选取土著植物。 2 2 3 生态护坡功能 ( 1) 加固堤岸，滞洪补枯，防止水土流失。生态护坡明显区别于普通混凝土护坡之处是具有滞洪补 枯的作用7。由于护坡坡面没有采取封闭的形式， 河道水位和潜水水位的变化将影响河水与潜水的交 换方向: 当河水水位高于潜水水位时，河水将穿越坡面补给潜水; 当河水水位低于潜水水位时，潜水穿越护坡进入河流，这种水分转移过程充分体现了生态 护坡的滞洪补枯作用，同时伴随发生的溶质迁移过 程使生态护坡的其它效应成为可能。 ( 2) 水质净化功能。采用多孔混凝土的生态护坡是集水、气、生物和固体介质颗粒为一体的多相体 系，

17、由于连续孔隙和微生物的存在，通过物理、化学及 生化作用可以有效地降解和消除污染物质，如护坡内 氧化还原环境的动态变化有利于氮的硝化 反硝化反应，为氮的生物地球化学循环创造了条件。同时， 生态护坡可以通过植物的生长来缓解天然水域的有机 污染和富营养化问题，从而起到了净化水质的效果。 行，从而保持护坡及周围生境中的生物多样性和生态的多样化，建立起一道绿色的自然景观，充分体现出以人为本的理念。 3结语 多孔混凝土生态护坡技术是一种新型的绿色生 态型护坡技术，它是建筑材料、生态工程和环境工程 等多门学科在水利工程领域内的综合应用，集水土 保持、生态修复于一体，从根本上克服了普通混凝土 护坡无法生长植被

18、的缺点，具有水土保持、滞洪补 枯、水质净化、景观及生态等效应，实现了水利工程 护坡技术和生态环境修复技术的完美统一。多孔混 凝土生态护坡技术的应用，将极大地缓解水体富营 养化状况，改善水质，使人类的生存环境回归自然。目前， 中国在多孔混凝土净水机理、植物栽培技术及 相关材料学、微生物学、环境生态学的深入研究方面 仍然存在着不足，这将是以后研究的重点。 参考文献: 1陈志山 用于水污染治理的生态混凝土技术J 建筑材料学报，2001，4( 1) : 60 64 2Tanno Katsuji Method of vegetation planting construction of mortar sraying treating slope faceR Appl No : JP950 196970950710，Patent No : JP9025633，1997 3陈志山 生态混凝土的净水机理和存在问题J 给水排水，2001，27( 3) : 40 41 4陈志山，刘选举 生态混凝土净水技术处理生活污水J 给水排水，2003，29( 2) : 10 13 5Rihong Zhang，Kanemaru Kazumitsu，Takao Nak