生态混凝土的研究与应用

生态混凝土的研究与应用

环保混凝土是20世纪90年代开始研究的一种新混凝土技术。主要通过物理、化学、物理和生物膜生物作用去除和分解污染物质，达到清洁废水的目的。它的出现标志着人类在处理混凝土材料与环境的关系过程中采取了更加积极、主动的态度。1995年,日本混凝土工学协会首先提出了生态混凝土的概念,但到目前为止国内外对此还没有统一的认识。笔者认为生态混凝土不仅直接对生态环境“有益”,能有效减少环境污染负荷,而且所用材料必须是环保的,对周围的环境不会产生“二次污染”。目前研究开发的生态混凝土主要应用于科学研究和污水处理,相关的应用报道还较少。生态混凝土是一种理想的新型环保材料,具有独特的多孔结构和良好的促渗特性,可以从源头上削减城市面源污染的产生,改善城市水环境,提高雨水的利用率,在城市水环境中具有广阔的应用前景。1环保混凝土的类型1.1透水性混凝土在国内的应用和推广透水型生态混凝土主要是指大孔(多孔)混凝土,还可以分为水泥、高分子和烧结透水性混凝土,主要用于铺设城市人行道、停车场和广场等。透水性路面源于欧洲,1970年欧洲国家、美国、韩国、日本等开始研究和建设透水性路面,到目前为止已得到广泛的应用和推广。近年来,中国科学院生态环境研究中心(透水性混凝土路面砖专利号:200420122105.6)和清华大学对生态型透水性混凝土材料都进行了相应研究。透水型生态混凝土的优点主要有:①使雨水大量下渗,补充地下水,为城市提供更多的水资源,并有水质净化功能;②减轻城市热岛效应,这主要是因为透水性混凝土的孔隙率大,能蓄积较多的能量,有利于调节地表的温度和湿度,提高地表的透气性,改善城市地表的生态平衡;③吸收车辆行驶时产生的噪音,创造安静舒适的交通环境;④雨天可以防止路面积水、防滑并降低夜间反光;⑤减轻城市防洪压力,减少城市地下水管道等基建投资。该种生态混凝土的缺点是质量大、碱性高,不利于植物的生长。1.2城市河道护坡植被型生态混凝土由大孔(多孔)混凝土、保水材料、添加剂、难溶性肥料和表层土壤组成,pH值较低,可以满足植物生长的需要。其中多孔混凝土是植被型生态混凝土的骨架;保水材料以有机质保水剂为主,并掺入无机保水剂混合使用,为植物提供所需的水分;表层土多铺设在多孔混凝土表面,形成植被发芽空间,减少土中水分的蒸发,提供植被发芽初期的养分和防止生长初期混凝土表面温度过高的不利影响。这种混凝土主要用于城市的道路两侧及中央隔离带,以及水边护坡、楼顶、停车场等部位,这不仅可以增加城市的绿色空间,而且还可以吸收噪音和粉尘,对城市区域气候的生态平衡也起到了积极作用。植被型生态混凝土是日本首先提出的,并在河道护坡方面进行了应用,推出了植被型生态混凝土护坡技术。目前,国内的植被型生态混凝土主要有北京市城市建设工程研究院开发的植被混凝土(专利号:97116587.4)、天津市水利科学研究所开发的环保型绿色植被混凝土(专利号:02116692.7)、中国科学院生态环境研究中心开发的护坡绿化大孔混凝土砌块(专利号:200420122104.1)、中国水利水电科学研究院和水力学研究所的刘树坤和李春敏教授研制的植物混凝土以及三峡大学的植被混凝土护坡绿化技术(专利号:01138343.7,ZL02115768.5)。另外,植被型生态混凝土还可以分为多孔连续性绿化混凝土和孔洞型多层结构绿化混凝土。其中多孔连续性绿化混凝土主要适于大面积、现场施工的绿化工程,尤其是大型土木工程之后的景观修复等;孔洞型多层结构绿化混凝土是采用多孔混凝土并施加孔洞、多层板复合制成的绿化混凝土,主要用在城市楼房的阳台、院墙顶部等不与土壤相连的部位,以增加城市的绿色空间,美化环境。1.3凝土护坡工程护坡型生态混凝土是采用特殊工艺制备的含有连续孔隙的混凝土,既有一定的强度又有透水性和透气性,抗冲刷能力强,可填充有机土壤,种植植被,还可以在加固堤岸的同时恢复河渠江川的生态多样性,有利于生物栖息和净化水质。传统的河道护坡主要有浆砌或干砌块石护坡、现浇混凝土护坡、预制混凝土块体护坡等。这些护坡工程的造价高、施工和维护工作难度较大,并隔绝了土壤与水体之间的物质交换,破坏了原有的生态系统。而护坡型生态混凝土既满足了河道体系的防护标准,又利于河道生态系统的恢复,体现了“人与自然和环境协调发展”的理念。我国生态护坡技术最近几年也有长足发展,全国各地正在尝试在不同条件下应用植被草、水力喷播植草技术、土工材料绿化网、植被型生态混凝土、水泥生态种植基、土壤固化剂等多种形式的生态护坡技术。应用经验表明,很多植被草都能很好地生长在植被型生态混凝土上,紫羊毛、无芒雀麦还表现出了较好的耐碱性、耐旱性。另外,护坡型生态混凝土还可以作为鱼槽和人工礁石,此时混凝土构件的表面应做成凹凸不平的形状,使之尽量接近自然状态的河床、河岸。这样不仅可以为水中的植物提供根部的附着场所、为鱼类提供水中生息和避难的场所,还可以起到净化水质的作用。1.4通过“区隔”技术建造外墙建筑节能是当今世界各国十分关注的问题,对降低能耗、减轻大气污染、改善公众居住环境的质量均有重大意义,是实现人类社会可持续发展的一个主要环节。自20世纪80年代以来,发达国家均致力于开发多种节能的墙体构造,其中最引人注目的是采用“绝热混凝土模板”(InsulatingConcreteForm,ICF)技术建造外墙,该技术已在美国、加拿大得到应用,被视作一种革命性的建房体系。建筑材料型生态混凝土通常使用普通硅酸盐水泥或早强硅酸盐水泥,骨料在满足吸音隔热要求的前提下,尽量选用施工性能良好的轻质骨料,包括天然轻骨料和人造轻骨料。这种生态混凝土的表面通常要做成凹凸交替的花纹,并在多孔混凝土板的背后和普通混凝土板之间设置空气层,以提高吸音效果,同时还应具有良好的耐久性、耐火性、施工性和美观性。在2003年布鲁塞尔国际发明大赛中,罗马尼亚人彼得拉凯磁泰勒曼开发出的两种具有抗震、隔音和隔热的生态混凝土分别获得金奖和银奖,并打算在罗马尼亚制造这两种生态混凝土。2环保混凝土的研究和应用2.1生物多样性的生长生态混凝土的透水性好、孔隙率大、吸附力强,对水中的污染物具有一定净化能力。目前,欧美和日本等发达国家已经广泛地将透水型生态混凝土用于公园、人行道、轻量级车道、停车场以及各种体育场地等透水性路面。生态混凝土的天然孔隙是诸多生物的理想栖息地,巨大的表面积为生物提供了广阔的生存空间。日本大成建设(株)技术研究所将大孔混凝土作为生物载体投放在水质较差的小河中,研究发现大孔混凝土的外壁面和中心的内壁面均有大量的生物种群栖息,形成了生物膜。这些生物种群在生长的同时,吸收并分解了污水中的有机物和氮、磷等营养物质,从而降低了水体的污染负荷。另据文献报道,日本长崎大学于1994年起开始在海洋中进行现场试验,经过1年的监测发现生态混凝土具有富集营养物质的功能。另外,日本关西机场的护岸建成3个月后,混凝土表面就有茂密的海洋生物生长;1年后褐藻生长繁茂,砌块上可见虾子栖息的洞穴;3年后褐藻充分长大,给海洋生物提供了良好的生态环境。日本的下田港和那霸港的防波堤也用此技术,建成不久便在混凝土表面观察到红藻和马尾藻的生长,4年后还观察到珊瑚的生长。2.2生态混凝土利用水生动物以及其它非织造材料目前,我国生态混凝土主要用于透水性路面、生态护坡、人工鱼巢和科学研究。据报道,中南海紫光阁外延人行道、奥运村停车场、奥运场馆和国家科技部办公区都已铺设了“仁创生泰砂基透水砖”,总面积约为2000m2,使用风积沙约160t。这样不仅节约了矿土资源和混凝土资源,而且还可以补给城市地下水,保护生态环境,实现了雨水收集、净化处理的统一。另外,西安市东郊爱民东路两侧人行道上也全部铺上了一种新型彩色透水地砖,面积达2200m2,这样雨天不仅有效吸收雨水,晴天还能防止灰尘扬起,减轻了排水管网的压力,涵养了地下水资源。1998年,同济大学材料科学与工程学院在国外研究结果的基础上,为解决生态混凝土的堵塞问题而发明了侧滤技术和装置,并设计了推流式生态滤池。针对化学药剂投放量较难控制的问题,有研究表明在生态混凝土中掺加缓凝性的净水材料或铝离子和镁离子,都可以去除污水中的氮、磷等营养物质,进一步改善净水效果,提高混凝土的耐久性。另外,通过试验装置和生活污水处理站的水质监测表明生态混凝土的除磷效果比较明显,对生活污水各项污染指标的去除率>70%,除TSS外其他水质指标均能达到城市污水处理厂二级处理后的排放标准。与传统的二级处理装置相比,生态混凝土污水处理装置的投资减少2/3左右,日常运转及维护费用减少3/4左右。中国科学院生态环境研究中心研究开发的生态混凝土(发明专利号:200410102797.2)在武汉的示范工程中也有应用,所用骨料主要为天然鹅卵石,最显著的特征是孔隙率大、pH值低、透水性好、吸附力强和植物生长的适应性。刘荣桂等采用生态护坡技术对镇江北固山沿岸的某湿地进行了生态混凝土的浇筑,结果表明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的透气、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。在城市河道护坡或护岸结构中可以利用生态混凝土预制块体进行铺设,或直接作为护坡结构,既实现了混凝土护坡,又能在坡上种植花草,美化环境,使硬化和绿化完美结合。北运河生态护坡示范工程位于北京通县北关分洪闸下游的右岸边坡上,该处河道为梯形复式断面,工程总面积约15341m2。其中铺设三维网面积为15000m2,植草砖面积为341m2,鱼巢面积为500m2,植草面积为15341m2。谢涛等利用植被混凝土技术在无锡市雪浪山B标复绿工程中的应用表明,该技术能够达到保持水土、绿化边坡和生态恢复的效果。吴义锋等在黄浦江对生态混凝土改善河道水质的中试表明,采用生态混凝土护砌能有效改善水质,修复和完善河流生态系统。在构建人工礁石和人工鱼巢方面,我国科学家已在辽宁省沿海进行了人工礁石的研究。根据鲍鱼的生长特征设计了专用人工礁石,并在配制混凝土的过程中掺入一定量的微量元素,以利于海洋中藻类的附着。同时,考虑到礁石在海洋环境中的耐久性,对工艺制作、配比优化、海岛特殊环境下的养护条件、混凝土在水流冲刷下的长期稳定性等进行了大量研究。3应用前景3.1全雨水利用技术利用生态混凝土构建城市透水性道路的模式如图1所示。在暴雨径流产生初期,大部分雨水通过生态混凝土下渗到碎石层并自然汇集到集水井。只有很少一部分雨水产生径流、挥发或下渗到地下,可有效延缓城市暴雨径流的产生,缓解城市防洪压力,减轻暴雨径流污染。整个过程,雨水不仅经过了生态混凝土、土工布和碎石的多级吸附过滤,而且经过集水井的沉淀作用,最后得到廉价的“二次用水”。这种构建模式不需要铺设任何管道,造价低。另外,维护费用也较低,只需定期清理集水井中的沉淀物,适于城市各种透水性路面的建设,是解决我国城市水资源危机的新途径。3.2生态混凝土的表面处理利用生态混凝土构建城市绿地的模式见图2。该构建模式与城市透水性路面的构建模式原理基本相同,不同之处在于生态混凝土的表面又增加了约20cm的人工改良土壤,并种植了各种草坪和其他植被。这不仅可以调节气候,增加城市的绿色空间,提高居民的生活情趣,而且还可以通过植被的吸收和过滤进一步截流暴雨径流,控制城市面源污染。3.3屋顶绿化模式发达国家在20世纪60年代以后相继建造了各类规模的屋顶花园,其中德国作为最先开发屋顶绿化技术的国家,在新技术研究方面保持着世界领先的地位。我国的屋顶绿化发展于20世纪80年代后期,2000年以后迅速普及到成都、广州、上海、长沙、深圳、厦门、兰州、杭州、南京、武汉等城市,并取得较好的景观和生态效益。屋顶绿化的构建模式见图3。屋顶绿化主要包括植物基质层、过滤层、排水层和隔水层。植物基质层主要用人造轻质土,以腐殖土、锯木屑、珍珠岩、蛭石、陶粒、泥炭、沸石等材料按比例混合而成,植物主要优先选用本地的草坪、植被、灌木和藤本植物等;过滤层主要为生态混凝土,强化对雨水的过滤和吸附,以达到净化雨水的目的;排水层主要由碎石或砾石组成,能迅速地将多余雨水排出,减轻屋顶的负荷;隔水层主要为各种透水性差、耐腐蚀的塑料,用以防止植物根系和雨水对屋顶的腐蚀。城市屋顶经过绿化后,太阳辐射的热量、降水及沉降物都能得到有效吸收,这样不仅可以减轻城市的热岛效应,提高雨水的利用率,而且还可以减少暴雨径流量,减轻城市面源污染的负荷,改善城市的生态水环境。3.4生态混凝土层和地面实行景观生态学生态混凝土护坡主要包括植被层、生态混凝土层和碎石层,植被层主要选择本地耐旱、耐碱的植被草,如紫羊毛和无芒雀麦等。另外,在岸边也可以种植河岸植物,一般以大型植物为主。生态混凝土层和碎石层的构造如图4所示。生态混凝土可采用混凝土砌块或现场浇筑,中间用固定木桩加固,也可以用带有萌芽的粗大枝条代替。碎石层是由不同粒径的碎石组合而成,上层为较粗大的碎石,作为排水层;下层为较细的碎石,作为护岸的基层。景