摘要：提出用再生骨料配制净水生态混凝土的应用方法，并参照相关试验研究分析论证了该方法的可行性。
关键词：再生骨料；生态混凝土；污水净化
当前是我国城市化进程快速推进的时期，原有城市的规模迅速扩大，新兴城市的基础设施不断完善。作为城市发展的副产物之一，大量废弃混凝土随之产生，其中绝大多数被视为建筑垃圾而弃置堆放。这不仅占用了大面积的土地，而且混凝土中的弱碱性物质溶出后还会造成土壤失活。废弃混凝土中70%（重量比）左右是天然砂石，是一种短时间内不可再生的资源，弃置不用将极大地浪费自然资源，是有悖于可持续发展要求的行为。利用废弃混凝土生产再生骨料并回用于混凝土是解决以上这些问题的有效方法。然而再生骨料存在质量缺陷，在建设工程中的应用有一定的局限性。此外，废弃混凝土数量巨大，对于由此而生的再生骨料仅由单一的使用方法也难以提高其利用率。鉴于此，本文根据再生骨料的特性，立足于现阶段生态混凝土净水技术的研究成果，提出利用再生骨料制备生态净水混凝土的方法，并对其可行性进行探讨分析，以期进一步拓展再生骨料的应用范围。
1 再生骨料的特性
将废弃混凝土块破碎，以由大到小的筛径过筛分级，并按比例将不同粒级的颗粒混合后即为再生骨料。由于组成成分和生产工艺的差别，再生骨料具有与天然骨料不同的特性。经过简单破碎、筛分制得的再生骨料含有约30% 的硬化水泥砂浆，并且随着“再生-使用- 再生”的多次循环，其含量持续升高。水泥砂浆有较大的孔隙率，这相应的增加了再生骨料的吸水率和压碎指标。在破碎过程中，部分骨料会沿着岩石解理破裂或出现大量微裂缝，从而导致再生骨料的表面粗糙度增大、堆积密度降低。再生骨料的吸水率为天然骨料的3～22 倍，压碎指标是其1.7～4 倍，与之相比堆积密度降低约11.8%～14.3%。再生骨料的这些特性影响了由其配制的再生混凝土的各项性能。研究表明，再生混凝土制备时的用水量较大而流动性较差，硬化后的抗压、抗拉强度以及弹性模量较低；另外，再生混凝土的抗渗性、抗冻融性、抗碳化能力以及抗硫酸盐侵蚀性等耐久性能也均低于普通混凝土。尽管采用物理或化学方法进行强化可以在一定程度上提高再生骨料的品质，如冲洗清洁、高温预处理后机械活化以及化学浆液浸泡处理等，但这不仅使生产工艺复杂化，而且增加了生产成本，不利于再生骨料的推广应用。
2 生态混凝土净水技术的研究成果
生态混凝土的概念是由日本混凝土工学协会于1995年提出的。它强调混凝土材料与生态环境相协调，并能为环保做出贡献。将混凝土用于改善水质可以减轻自然环境的负荷，因而这一用途的混凝土可划归于生态混凝土的范畴。用于污水处理的通常是多孔混凝土，其整体遍布连通的孔隙，具有很好的透水和吸附能力，可以附着大量微生物，并通过生物的生命活动来消耗污水中的富营养成分，从而间接地达到净化水质的目的。上世纪90年代国外就开展了与此相关的研究，但至今仍没有进入实际应用阶段，主要是受到多孔混凝土孔隙堵塞和水泥水化产物溶释分解这两个问题的制约。我国从1997 年开始进行这一领域的研究，同济大学的研究者们采用生物接触氧化的方法，以多孔混凝土作为生物膜载体，设计出推流式生态混凝土净水装置（见图1），通过加装侧滤装置并在混凝土中掺加缓蚀材料，有效地解决了在运行过程中净水块孔隙堵塞和溶释溃裂的问题，形成了较为成熟的污水处理工艺。
生态混凝土净水技术在受污染河道就地净化和居民小区生活污水处理中的应用取得了良好的效果：经过生态混凝土净水装置处理过的污水，COD 和BOD 可降低50%～70%，TN 减少30%～40%，尤其是TP 可降到原水的10%～20%，水质满足甚至优于城市污水处理厂二级处理的排放标准。这两项应用分别于2000 年4月和2001年l1月通过了上海市建设委员会组织的技术鉴定。该技术还具有显著的经济性，与活性污泥法二级处理工艺相比，其建设投资可节省一半，日常运行和维护费用只是后者的三分之一。2001年10月，河北邯郸市亚太世纪花园住宅小区(总建筑面积23.57 万m2) 的污水处理站采用了这项技术，设计生活污水处理量为800m3/d，目前运行状况良好，出水经过深度处理可以回用于社区绿化以及景观用水，工程建设费用比初期拟定的污水处理方案节省约30 万元。
3 再生骨料应用于净水生态混凝土的可行性
再生骨料对普通混凝土主要性能，尤其是力学性能的不利影响，一度是限制其广泛应用的瓶颈。对于净水生态混凝土，反映力学性能的强度、弹性模量以及代表施工性能的坍落度等不再是主要指标，取而代之的是生物膜载体的一般特性指标（见表1）。显而易见，这种转变降低了对再生骨料的质量要求。
同样，用再生骨料替代天然骨料也会引起净水生态混凝土性能的变化。对照表1，掺加缓蚀材料可以确保混凝土抵抗微生物腐蚀的能力，耐久性不会受到干扰。那么需要探讨的是再生骨料对其透水性和挂膜特性的影响。多孔混凝土的透水性能是由透水系数KT来表征的，该系数与多孔混凝土的孔隙率P 和有效孔隙率ne（也称连通孔隙率）密切相关，即提高孔隙率，特别是有效孔隙率可增强透水性能。对于滞留微生物的能力，生物膜载体表面微孔的孔结构分布是影响微生物附着量的重要因素。由此可见，再生骨料能否用于净水生态混凝土取决于它对孔隙状况的影响。
3.1 透水性
多孔混凝土的孔隙主要由粗骨料(粒径5～40mm）堆聚形成，骨料的颗粒特性决定了孔隙的连通状况。为了使骨料密实以保证普通混凝土的强度，一般希望骨料的粒形接近正多面体。而净水生态混凝土对骨料粒形的要求与之正相反：骨料表面粗糙、颗粒形状不规则，堆积后易于形成多孔构架，可以获得更好的成孔效果。再生骨料表面粗糙度大、棱角多的特性与此相契合，其堆积密度低表明整体的孔隙较多，这对于净水生态混凝土孔隙的形成十分有利。水泥水化后形成的胶凝组分填充在骨料颗粒之间，会填堵部分孔隙，所以水和水泥的用量与孔隙状况以及透水性能也有密切的联系。与此对应的参数为水灰比和单方混凝土水泥用量。
3.1.1 水灰比
对于水灰比与多孔混凝土透水性两者之间的关系，不同研究者得出的结论不同。但有一点比较一致：若水灰比过大，水泥浆在拌合物成型过程中沿孔隙下沉，会堵塞已有孔隙，进而影响多孔混凝土的透水性。
再生骨料的吸水率较高，在混凝土拌合时会减少参与水泥水化的水量，导致实际水灰比小于设计水灰比。当水灰比偏大时这能起到一定的调节和限制作用。当然，水灰比过小时使用再生骨料也会给制备成型带来困难。这个问题可以通过合理的配合比设计来解决。
3.1.2 单方混凝土水泥用量
目前，我国的多孔混凝土配合比设计还没有形成统一规范的方法，而一般的查表法、图示法和计算公式法普遍存在试配调整工作量大的缺点，浪费人力物力，不够经济。有相关研究尝试对其进行优化，如稠度状态评价法、正交试验设计法以及目标孔隙率法等。采用目标孔隙率法进行配合比设计便于控制有效孔隙率，因而适用于净水生态混凝土。但通过比较发现，在有效孔隙率基本一致的情况下，由该方法确定的单方混凝土水泥用量一般偏大（见表2）。此外，也有研究表明，在水灰比不变的情况下减少水泥用量可使孔隙率提高、透水系数增大。对净水生态混凝土而言，强度不再是制约因素，这使得减少水泥用量成为可能。
前面已经提到：再生骨料会降低水灰比。有研究者通过增加用水量的方式对再生骨料的高吸水率进行补偿，以使实际水灰比与设计水灰比保持一致，并提出了相应的额外用水量计算方法。而将再生骨料用于净水生态混凝土时，可以考虑通过减少水泥用量来稳定实际水灰比。计算方法如下计算式：
式中：Δ C ——水泥修正量，kg；
MPCA —— 再生骨料用量，kg；
———灰水比；
k—— 用水增量系数，与再生骨料吸水率有关。
本文所讨论的再生骨料为低端使用，所以将增量系数k 取为固定值0.019（10min 吸水率对应值）。根据上式，若水灰比为0.25，则每使用1t再生骨料可以节省水泥76kg。然而，以上是由理论分析得出的结论，并且是以采用目标孔隙率法为前提的，减少这部分水泥用量对净水生态混凝土的透水性以及其他性能是否有益还有待于试验研究的验证。
3.2 生物膜附着性
试验结果表明，由再生骨料部分以及全部替代天然骨料后制得的混凝土，其水泥砂浆中微孔的孔径分布主要集中在0.01～0.10 μ m 的范围内。而最佳的生物量积累出现在表面微孔孔径为0.5～25 μ m 的生物膜载体上。这说明使用再生骨料不会对净水生态混凝土的挂膜特性造成负面影响。
3.3 应用前景
从微观角度分析，单个污水处理设施中再生骨料的用量是有限的。以处理量为800m3/d 的净水设施为例，如果按照城市污水处理厂二级处理的排放标准（BOD5<30mg/L），对BOD5 含量为120mg/L 的生活污水进行处理，经粗略计算，需要净水生态混凝土约36m3，若以1200kg/m3 的较低骨料用量来配制，则再生骨料的用量约为43.2t。然而，再生骨料的使用是与生态混凝土净水技术的发展紧密相联的。目前我国正面临着水资源短缺与水污染严重并存的局面，全社会对处理分散排放的污水以及治理河流污染的要求日益迫切。生态混凝土污水处理设施具有工程投资少，建设周期短，运行维护简便，规模大小灵活等特点，是一种低成本高效率污水处理技术，因而对于污水的分散处理和河流污染的沿线多点治理表现出良好的适应性，在当前形势下具有推广应用的潜力。在这项技术发展的基础上，再生骨料的使用量必然随之大幅度增长。
废弃混凝土大多被堆置于城市郊区和周边村镇之间的过渡地带。分散排放的污水也多数来源于城市周边地区。这为再生骨料的运输提供了便利，缩短了再生骨料从生产到应用的历时，提高了使用再生骨料的经济性，在空间分布上为再生骨料与生态混凝土净水技术的结合创造了条件。
4 结语
目前我国对再生骨料的应用还处于起步阶段，其应用量有限，应用范围仍有待开拓。较之配制普通混凝土，将再生骨料用于净水生态混凝土更易于实现，并且在净化污水的同时达到利用废物的目的，可谓一举两得，这将为再生骨料的应用开辟新的途径。
