摘要：提出用再生骨料配制凈水生態(tài)混凝土的應(yīng)用方法，并參照相關(guān)試驗(yàn)研究分析論證了該方法的可行性。
關(guān)鍵詞：再生骨料；生態(tài)混凝土；污水凈化
當(dāng)前是我國(guó)城市化進(jìn)程快速推進(jìn)的時(shí)期，原有城市的規(guī)模迅速擴(kuò)大，新興城市的基礎(chǔ)設(shè)施不斷完善。作為城市發(fā)展的副產(chǎn)物之一，大量廢棄混凝土隨之產(chǎn)生，其中絕大多數(shù)被視為建筑垃圾而棄置堆放。這不僅占用了大面積的土地，而且混凝土中的弱堿性物質(zhì)溶出后還會(huì)造成土壤失活。廢棄混凝土中70%（重量比）左右是天然砂石，是一種短時(shí)間內(nèi)不可再生的資源，棄置不用將極大地浪費(fèi)自然資源，是有悖于可持續(xù)發(fā)展要求的行為。利用廢棄混凝土生產(chǎn)再生骨料并回用于混凝土是解決以上這些問題的有效方法。然而再生骨料存在質(zhì)量缺陷，在建設(shè)工程中的應(yīng)用有一定的局限性。此外，廢棄混凝土數(shù)量巨大，對(duì)于由此而生的再生骨料僅由單一的使用方法也難以提高其利用率。鑒于此，本文根據(jù)再生骨料的特性，立足于現(xiàn)階段生態(tài)混凝土凈水技術(shù)的研究成果，提出利用再生骨料制備生態(tài)凈水混凝土的方法，并對(duì)其可行性進(jìn)行探討分析，以期進(jìn)一步拓展再生骨料的應(yīng)用范圍。
1 再生骨料的特性
將廢棄混凝土塊破碎，以由大到小的篩徑過篩分級(jí)，并按比例將不同粒級(jí)的顆粒混合后即為再生骨料。由于組成成分和生產(chǎn)工藝的差別，再生骨料具有與天然骨料不同的特性。經(jīng)過簡(jiǎn)單破碎、篩分制得的再生骨料含有約30% 的硬化水泥砂漿，并且隨著“再生-使用- 再生”的多次循環(huán)，其含量持續(xù)升高。水泥砂漿有較大的孔隙率，這相應(yīng)的增加了再生骨料的吸水率和壓碎指標(biāo)。在破碎過程中，部分骨料會(huì)沿著巖石解理破裂或出現(xiàn)大量微裂縫，從而導(dǎo)致再生骨料的表面粗糙度增大、堆積密度降低。再生骨料的吸水率為天然骨料的3～22 倍，壓碎指標(biāo)是其1.7～4 倍，與之相比堆積密度降低約11.8%～14.3%。再生骨料的這些特性影響了由其配制的再生混凝土的各項(xiàng)性能。研究表明，再生混凝土制備時(shí)的用水量較大而流動(dòng)性較差，硬化后的抗壓、抗拉強(qiáng)度以及彈性模量較低；另外，再生混凝土的抗?jié)B性、抗凍融性、抗碳化能力以及抗硫酸鹽侵蝕性等耐久性能也均低于普通混凝土。盡管采用物理或化學(xué)方法進(jìn)行強(qiáng)化可以在一定程度上提高再生骨料的品質(zhì)，如沖洗清潔、高溫預(yù)處理后機(jī)械活化以及化學(xué)漿液浸泡處理等，但這不僅使生產(chǎn)工藝復(fù)雜化，而且增加了生產(chǎn)成本，不利于再生骨料的推廣應(yīng)用。
2 生態(tài)混凝土凈水技術(shù)的研究成果
生態(tài)混凝土的概念是由日本混凝土工學(xué)協(xié)會(huì)于1995年提出的。它強(qiáng)調(diào)混凝土材料與生態(tài)環(huán)境相協(xié)調(diào)，并能為環(huán)保做出貢獻(xiàn)。將混凝土用于改善水質(zhì)可以減輕自然環(huán)境的負(fù)荷，因而這一用途的混凝土可劃歸于生態(tài)混凝土的范疇。用于污水處理的通常是多孔混凝土，其整體遍布連通的孔隙，具有很好的透水和吸附能力，可以附著大量微生物，并通過生物的生命活動(dòng)來消耗污水中的富營(yíng)養(yǎng)成分，從而間接地達(dá)到凈化水質(zhì)的目的。上世紀(jì)90年代國(guó)外就開展了與此相關(guān)的研究，但至今仍沒有進(jìn)入實(shí)際應(yīng)用階段，主要是受到多孔混凝土孔隙堵塞和水泥水化產(chǎn)物溶釋分解這兩個(gè)問題的制約。我國(guó)從1997 年開始進(jìn)行這一領(lǐng)域的研究，同濟(jì)大學(xué)的研究者們采用生物接觸氧化的方法，以多孔混凝土作為生物膜載體，設(shè)計(jì)出推流式生態(tài)混凝土凈水裝置（見圖1），通過加裝側(cè)濾裝置并在混凝土中摻加緩蝕材料，有效地解決了在運(yùn)行過程中凈水塊孔隙堵塞和溶釋潰裂的問題，形成了較為成熟的污水處理工藝。
生態(tài)混凝土凈水技術(shù)在受污染河道就地凈化和居民小區(qū)生活污水處理中的應(yīng)用取得了良好的效果：經(jīng)過生態(tài)混凝土凈水裝置處理過的污水，COD 和BOD 可降低50%～70%，TN 減少30%～40%，尤其是TP 可降到原水的10%～20%，水質(zhì)滿足甚至優(yōu)于城市污水處理廠二級(jí)處理的排放標(biāo)準(zhǔn)。這兩項(xiàng)應(yīng)用分別于2000 年4月和2001年l1月通過了上海市建設(shè)委員會(huì)組織的技術(shù)鑒定。該技術(shù)還具有顯著的經(jīng)濟(jì)性，與活性污泥法二級(jí)處理工藝相比，其建設(shè)投資可節(jié)省一半，日常運(yùn)行和維護(hù)費(fèi)用只是后者的三分之一。2001年10月，河北邯鄲市亞太世紀(jì)花園住宅小區(qū)(總建筑面積23.57 萬m2) 的污水處理站采用了這項(xiàng)技術(shù)，設(shè)計(jì)生活污水處理量為800m3/d，目前運(yùn)行狀況良好，出水經(jīng)過深度處理可以回用于社區(qū)綠化以及景觀用水，工程建設(shè)費(fèi)用比初期擬定的污水處理方案節(jié)省約30 萬元。
3 再生骨料應(yīng)用于凈水生態(tài)混凝土的可行性
再生骨料對(duì)普通混凝土主要性能，尤其是力學(xué)性能的不利影響，一度是限制其廣泛應(yīng)用的瓶頸。對(duì)于凈水生態(tài)混凝土，反映力學(xué)性能的強(qiáng)度、彈性模量以及代表施工性能的坍落度等不再是主要指標(biāo)，取而代之的是生物膜載體的一般特性指標(biāo)（見表1）。顯而易見，這種轉(zhuǎn)變降低了對(duì)再生骨料的質(zhì)量要求。
同樣，用再生骨料替代天然骨料也會(huì)引起凈水生態(tài)混凝土性能的變化。對(duì)照表1，摻加緩蝕材料可以確保混凝土抵抗微生物腐蝕的能力，耐久性不會(huì)受到干擾。那么需要探討的是再生骨料對(duì)其透水性和掛膜特性的影響。多孔混凝土的透水性能是由透水系數(shù)KT來表征的，該系數(shù)與多孔混凝土的孔隙率P 和有效孔隙率ne（也稱連通孔隙率）密切相關(guān)，即提高孔隙率，特別是有效孔隙率可增強(qiáng)透水性能。對(duì)于滯留微生物的能力，生物膜載體表面微孔的孔結(jié)構(gòu)分布是影響微生物附著量的重要因素。由此可見，再生骨料能否用于凈水生態(tài)混凝土取決于它對(duì)孔隙狀況的影響。
3.1 透水性
多孔混凝土的孔隙主要由粗骨料(粒徑5～40mm）堆聚形成，骨料的顆粒特性決定了孔隙的連通狀況。為了使骨料密實(shí)以保證普通混凝土的強(qiáng)度，一般希望骨料的粒形接近正多面體。而凈水生態(tài)混凝土對(duì)骨料粒形的要求與之正相反：骨料表面粗糙、顆粒形狀不規(guī)則，堆積后易于形成多孔構(gòu)架，可以獲得更好的成孔效果。再生骨料表面粗糙度大、棱角多的特性與此相契合，其堆積密度低表明整體的孔隙較多，這對(duì)于凈水生態(tài)混凝土孔隙的形成十分有利。水泥水化后形成的膠凝組分填充在骨料顆粒之間，會(huì)填堵部分孔隙，所以水和水泥的用量與孔隙狀況以及透水性能也有密切的聯(lián)系。與此對(duì)應(yīng)的參數(shù)為水灰比和單方混凝土水泥用量。
3.1.1 水灰比
對(duì)于水灰比與多孔混凝土透水性兩者之間的關(guān)系，不同研究者得出的結(jié)論不同。但有一點(diǎn)比較一致：若水灰比過大，水泥漿在拌合物成型過程中沿孔隙下沉，會(huì)堵塞已有孔隙，進(jìn)而影響多孔混凝土的透水性。
再生骨料的吸水率較高，在混凝土拌合時(shí)會(huì)減少參與水泥水化的水量，導(dǎo)致實(shí)際水灰比小于設(shè)計(jì)水灰比。當(dāng)水灰比偏大時(shí)這能起到一定的調(diào)節(jié)和限制作用。當(dāng)然，水灰比過小時(shí)使用再生骨料也會(huì)給制備成型帶來困難。這個(gè)問題可以通過合理的配合比設(shè)計(jì)來解決。
3.1.2 單方混凝土水泥用量
目前，我國(guó)的多孔混凝土配合比設(shè)計(jì)還沒有形成統(tǒng)一規(guī)范的方法，而一般的查表法、圖示法和計(jì)算公式法普遍存在試配調(diào)整工作量大的缺點(diǎn)，浪費(fèi)人力物力，不夠經(jīng)濟(jì)。有相關(guān)研究嘗試對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化，如稠度狀態(tài)評(píng)價(jià)法、正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)法以及目標(biāo)孔隙率法等。采用目標(biāo)孔隙率法進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)便于控制有效孔隙率，因而適用于凈水生態(tài)混凝土。但通過比較發(fā)現(xiàn)，在有效孔隙率基本一致的情況下，由該方法確定的單方混凝土水泥用量一般偏大（見表2）。此外，也有研究表明，在水灰比不變的情況下減少水泥用量可使孔隙率提高、透水系數(shù)增大。對(duì)凈水生態(tài)混凝土而言，強(qiáng)度不再是制約因素，這使得減少水泥用量成為可能。
前面已經(jīng)提到：再生骨料會(huì)降低水灰比。有研究者通過增加用水量的方式對(duì)再生骨料的高吸水率進(jìn)行補(bǔ)償，以使實(shí)際水灰比與設(shè)計(jì)水灰比保持一致，并提出了相應(yīng)的額外用水量計(jì)算方法。而將再生骨料用于凈水生態(tài)混凝土?xí)r，可以考慮通過減少水泥用量來穩(wěn)定實(shí)際水灰比。計(jì)算方法如下計(jì)算式：
式中：Δ C ——水泥修正量，kg；
MPCA —— 再生骨料用量，kg；
———灰水比；
k—— 用水增量系數(shù)，與再生骨料吸水率有關(guān)。
本文所討論的再生骨料為低端使用，所以將增量系數(shù)k 取為固定值0.019（10min 吸水率對(duì)應(yīng)值）。根據(jù)上式，若水灰比為0.25，則每使用1t再生骨料可以節(jié)省水泥76kg。然而，以上是由理論分析得出的結(jié)論，并且是以采用目標(biāo)孔隙率法為前提的，減少這部分水泥用量對(duì)凈水生態(tài)混凝土的透水性以及其他性能是否有益還有待于試驗(yàn)研究的驗(yàn)證。
3.2 生物膜附著性
試驗(yàn)結(jié)果表明，由再生骨料部分以及全部替代天然骨料后制得的混凝土，其水泥砂漿中微孔的孔徑分布主要集中在0.01～0.10 μ m 的范圍內(nèi)。而最佳的生物量積累出現(xiàn)在表面微孔孔徑為0.5～25 μ m 的生物膜載體上。這說明使用再生骨料不會(huì)對(duì)凈水生態(tài)混凝土的掛膜特性造成負(fù)面影響。
3.3 應(yīng)用前景
從微觀角度分析，單個(gè)污水處理設(shè)施中再生骨料的用量是有限的。以處理量為800m3/d 的凈水設(shè)施為例，如果按照城市污水處理廠二級(jí)處理的排放標(biāo)準(zhǔn)（BOD5<30mg/L），對(duì)BOD5 含量為120mg/L 的生活污水進(jìn)行處理，經(jīng)粗略計(jì)算，需要凈水生態(tài)混凝土約36m3，若以1200kg/m3 的較低骨料用量來配制，則再生骨料的用量約為43.2t。然而，再生骨料的使用是與生態(tài)混凝土凈水技術(shù)的發(fā)展緊密相聯(lián)的。目前我國(guó)正面臨著水資源短缺與水污染嚴(yán)重并存的局面，全社會(huì)對(duì)處理分散排放的污水以及治理河流污染的要求日益迫切。生態(tài)混凝土污水處理設(shè)施具有工程投資少，建設(shè)周期短，運(yùn)行維護(hù)簡(jiǎn)便，規(guī)模大小靈活等特點(diǎn)，是一種低成本高效率污水處理技術(shù)，因而對(duì)于污水的分散處理和河流污染的沿線多點(diǎn)治理表現(xiàn)出良好的適應(yīng)性，在當(dāng)前形勢(shì)下具有推廣應(yīng)用的潛力。在這項(xiàng)技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)上，再生骨料的使用量必然隨之大幅度增長(zhǎng)。
廢棄混凝土大多被堆置于城市郊區(qū)和周邊村鎮(zhèn)之間的過渡地帶。分散排放的污水也多數(shù)來源于城市周邊地區(qū)。這為再生骨料的運(yùn)輸提供了便利，縮短了再生骨料從生產(chǎn)到應(yīng)用的歷時(shí)，提高了使用再生骨料的經(jīng)濟(jì)性，在空間分布上為再生骨料與生態(tài)混凝土凈水技術(shù)的結(jié)合創(chuàng)造了條件。
4 結(jié)語
目前我國(guó)對(duì)再生骨料的應(yīng)用還處于起步階段，其應(yīng)用量有限，應(yīng)用范圍仍有待開拓。較之配制普通混凝土，將再生骨料用于凈水生態(tài)混凝土更易于實(shí)現(xiàn)，并且在凈化污水的同時(shí)達(dá)到利用廢物的目的，可謂一舉兩得，這將為再生骨料的應(yīng)用開辟新的途徑。
