摘要：提出用再生骨料配制凈水生態混凝土的應用方法，并參照相關試驗研究分析論證了該方法的可行性。
關鍵詞：再生骨料；生態混凝土；污水凈化
當前是我國城市化進程快速推進的時期，原有城市的規模迅速擴大，新興城市的基礎設施不斷完善。作為城市發展的副產物之一，大量廢棄混凝土隨之產生，其中絕大多數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溶出后還會造成土壤失活。廢棄混凝土中70%（重量比）左右是天然砂石，是一種短時間內不可再生的資源，棄置不用將極大地浪費自然資源，是有悖于可持續發展要求的行為。利用廢棄混凝土生產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量缺陷，在建設工程中的應用有一定的局限性。此外，廢棄混凝土數量巨大，對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，本文根據再生骨料的特性，立足于現階段生態混凝土凈水技術的研究成果，提出利用再生骨料制備生態凈水混凝土的方法，并對其可行性進行探討分析，以期進一步拓展再生骨料的應用范圍。
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，并按比例將不同粒級的顆?；旌虾蠹礊樵偕橇?。由于組成成分和生產工藝的差別，再生骨料具有與天然骨料不同的特性。經過簡單破碎、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，其含量持續升高。水泥砂漿有較大的孔隙率，這相應的增加了再生骨料的吸水率和壓碎指標。在破碎過程中，部分骨料會沿著巖石解理破裂或出現大量微裂縫，從而導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性能。研究表明，再生混凝土制備時的用水量較大而流動性較差，硬化后的抗壓、抗拉強度以及彈性模量較低；另外，再生混凝土的抗滲性、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方法進行強化可以在一定程度上提高再生骨料的品質，如沖洗清潔、高溫預處理后機械活化以及化學漿液浸泡處理等，但這不僅使生產工藝復雜化，而且增加了生產成本，不利于再生骨料的推廣應用。
2 生態混凝土凈水技術的研究成果
生態混凝土的概念是由日本混凝土工學協會于1995年提出的。它強調混凝土材料與生態環境相協調，并能為環保做出貢獻。將混凝土用于改善水質可以減輕自然環境的負荷，因而這一用途的混凝土可劃歸于生態混凝土的范疇。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來消耗污水中的富營養成分，從而間接地達到凈化水質的目的。上世紀90年代國外就開展了與此相關的研究，但至今仍沒有進入實際應用階段，主要是受到多孔混凝土孔隙堵塞和水泥水化產物溶釋分解這兩個問題的制約。我國從1997 年開始進行這一領域的研究，同濟大學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，設計出推流式生態混凝土凈水裝置（見圖1），通過加裝側濾裝置并在混凝土中摻加緩蝕材料，有效地解決了在運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。
生態混凝土凈水技術在受污染河道就地凈化和居民小區生活污水處理中的應用取得了良好的效果：經過生態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%，水質滿足甚至優于城市污水處理廠二級處理的排放標準。這兩項應用分別于2000 年4月和2001年l1月通過了上海市建設委員會組織的技術鑒定。該技術還具有顯著的經濟性，與活性污泥法二級處理工藝相比，其建設投資可節省一半，日常運行和維護費用只是后者的三分之一。2001年10月，河北邯鄲市亞太世紀花園住宅小區(總建筑面積23.57 萬m2) 的污水處理站采用了這項技術，設計生活污水處理量為800m3/d，目前運行狀況良好，出水經過深度處理可以回用于社區綠化以及景觀用水，工程建設費用比初期擬定的污水處理方案節省約30 萬元。
3 再生骨料應用于凈水生態混凝土的可行性
再生骨料對普通混凝土主要性能，尤其是力學性能的不利影響，一度是限制其廣泛應用的瓶頸。對于凈水生態混凝土，反映力學性能的強度、彈性模量以及代表施工性能的坍落度等不再是主要指標，取而代之的是生物膜載體的一般特性指標（見表1）。顯而易見，這種轉變降低了對再生骨料的質量要求。
同樣，用再生骨料替代天然骨料也會引起凈水生態混凝土性能的變化。對照表1，摻加緩蝕材料可以確?；炷恋挚刮⑸锔g的能力，耐久性不會受到干擾。那么需要探討的是再生骨料對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KT來表征的，該系數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，即提高孔隙率，特別是有效孔隙率可增強透水性能。對于滯留微生物的能力，生物膜載體表面微孔的孔結構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混凝土取決于它對孔隙狀況的影響。
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。為了使骨料密實以保證普通混凝土的強度，一般希望骨料的粒形接近正多面體。而凈水生態混凝土對骨料粒形的要求與之正相反：骨料表面粗糙、顆粒形狀不規則，堆積后易于形成多孔構架，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，這對于凈水生態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系。與此對應的參數為水灰比和單方混凝土水泥用量。
3.1.1 水灰比
對于水灰比與多孔混凝土透水性兩者之間的關系，不同研究者得出的結論不同。但有一點比較一致：若水灰比過大，水泥漿在拌合物成型過程中沿孔隙下沉，會堵塞已有孔隙，進而影響多孔混凝土的透水性。
再生骨料的吸水率較高，在混凝土拌合時會減少參與水泥水化的水量，導致實際水灰比小于設計水灰比。當水灰比偏大時這能起到一定的調節和限制作用。當然，水灰比過小時使用再生骨料也會給制備成型帶來困難。這個問題可以通過合理的配合比設計來解決。
3.1.2 單方混凝土水泥用量
目前，我國的多孔混凝土配合比設計還沒有形成統一規范的方法，而一般的查表法、圖示法和計算公式法普遍存在試配調整工作量大的缺點，浪費人力物力，不夠經濟。有相關研究嘗試對其進行優化，如稠度狀態評價法、正交試驗設計法以及目標孔隙率法等。采用目標孔隙率法進行配合比設計便于控制有效孔隙率，因而適用于凈水生態混凝土。但通過比較發現，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、透水系數增大。對凈水生態混凝土而言，強度不再是制約因素，這使得減少水泥用量成為可能。
前面已經提到：再生骨料會降低水灰比。有研究者通過增加用水量的方式對再生骨料的高吸水率進行補償，以使實際水灰比與設計水灰比保持一致，并提出了相應的額外用水量計算方法。而將再生骨料用于凈水生態混凝土時，可以考慮通過減少水泥用量來穩定實際水灰比。計算方法如下計算式：
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，與再生骨料吸水率有關。
本文所討論的再生骨料為低端使用，所以將增量系數k 取為固定值0.019（10min 吸水率對應值）。根據上式，若水灰比為0.25，則每使用1t再生骨料可以節省水泥76kg。然而，以上是由理論分析得出的結論，并且是以采用目標孔隙率法為前提的，減少這部分水泥用量對凈水生態混凝土的透水性以及其他性能是否有益還有待于試驗研究的驗證。
3.2 生物膜附著性
試驗結果表明，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。而最佳的生物量積累出現在表面微孔孔徑為0.5～25 μ m 的生物膜載體上。這說明使用再生骨料不會對凈水生態混凝土的掛膜特性造成負面影響。
3.3 應用前景
從微觀角度分析，單個污水處理設施中再生骨料的用量是有限的。以處理量為800m3/d 的凈水設施為例，如果按照城市污水處理廠二級處理的排放標準（BOD5<30mg/L），對BOD5 含量為120mg/L 的生活污水進行處理，經粗略計算，需要凈水生態混凝土約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混凝土凈水技術的發展緊密相聯的。目前我國正面臨著水資源短缺與水污染嚴重并存的局面，全社會對處理分散排放的污水以及治理河流污染的要求日益迫切。生態混凝土污水處理設施具有工程投資少，建設周期短，運行維護簡便，規模大小靈活等特點，是一種低成本高效率污水處理技術，因而對于污水的分散處理和河流污染的沿線多點治理表現出良好的適應性，在當前形勢下具有推廣應用的潛力。在這項技術發展的基礎上，再生骨料的使用量必然隨之大幅度增長。
廢棄混凝土大多被堆置于城市郊區和周邊村鎮之間的過渡地帶。分散排放的污水也多數來源于城市周邊地區。這為再生骨料的運輸提供了便利，縮短了再生骨料從生產到應用的歷時，提高了使用再生骨料的經濟性，在空間分布上為再生骨料與生態混凝土凈水技術的結合創造了條件。
4 結語
目前我國對再生骨料的應用還處于起步階段，其應用量有限，應用范圍仍有待開拓。較之配制普通混凝土，將再生骨料用于凈水生態混凝土更易于實現，并且在凈化污水的同時達到利用廢物的目的，可謂一舉兩得，這將為再生骨料的應用開辟新的途徑。
