1.3 河湖岸线多孔混凝土生境材料及应用

1.3.1 多孔混凝土修复材料

多孔混凝土（porous concrete）也称生态混凝土（ecological concrete）、环境友好型混凝土（environment-friendly concrete）。多孔混凝土的制备是采用特殊级配的骨料作为骨架，胶凝材料或加入少量细骨料的砂浆薄层包裹在粗骨料颗粒的表面，作为骨料颗粒之间的胶结层，骨料颗粒通过硬化的水泥浆薄层胶结而形成多孔的堆积结构，其内部存在大量的连续贯通的孔隙，孔径在微米级至毫米级之间变化。多孔混凝土的抗压强度一般为8.5～18.5MPa，孔隙率10%～30%，透水系数1.5～3.0cm/s，可广泛应用于水污染控制工程、河湖岸坡护岸工程、生态修复工程、透水铺装、海绵城市等工程领域，能有效降低环境污染负荷，实现人与环境的和谐共存。

目前，多孔混凝土制备技术已经有了比较系统的研究成果，孔隙率的控制、配合比的优化、掺合剂的选用，使得多孔混凝土强度在满足工程使用要求的同时，具有类似土壤的空隙率、适宜的碱度和透水透气性，为植物的生长和微生物的富集提供良好的基质条件。日本于2000年成立了多孔混凝土协会，推动了多孔混凝土的研究和应用，美国及欧洲国家也相继开展了多孔混凝土的研究和开发。多孔混凝土在我国的研究和应用越来越受到重视，董建伟等利用建筑废砖石作骨料，研制出植物相容性的多孔混凝土并对植物生长元素的供给进行了探讨；冯辉荣等研究了轻质绿化混凝土和“沙琪玛骨架”的绿化混凝土，并对植物相容性和力学特性进行了实验研究；刘小康等研究了粗集料级配对多孔混凝土的表观密度、抗压强度、孔隙率、透水系数等物理性能的影响，优化了多孔混凝土制备时的原材料配比；东南大学研究人员在多孔混凝土制备和应用过程中通过优化配合比、投加掺合剂和低碱性的胶凝材料，研制出了碱性适宜的植生型多孔混凝土，并设计了多种构型的多孔混凝土预制砌块，通过砌块组合，尽可能地提高多孔混凝土护砌面的空隙率，工程效果较好；胡春明等通过多孔混凝土孔隙水环境pH值的测定，考察了孔隙状态、高效减水剂以及蜡封等方法对孔隙碱性水环境的影响，提出多孔混凝土经过配合比优化及蜡封处理后，孔隙状态和孔隙水环境均能满足植被生长的需求。

目前多孔混凝土已广泛应用于污水处理、生态修复、生态护坡、道路铺装、低影响开发等，其中多孔混凝土应用于水质净化和生态护砌的研究最受重视。

1.3.2 多孔混凝土的水质净化效应

多孔混凝土作为一种新型的绿色生态材料，在力学性能满足工程使用要求的同时，形成蜂窝状的结构，具有良好的过滤和吸附功能，多孔结构和巨大的比表面积使得其表面非常适宜富集微生物及生长绿色植物，因此多孔混凝土可作为水处理和地表水体生态构建的生态型环保材料。应用于水质改善的多孔混凝土通常掺加缓释性的净水材料，如添加含Mg²⁺、Al³⁺的掺合剂，以提高多孔混凝土的净水效果。有文献报道日本将直径1m、高0.5m的圆柱形有孔试块10个1组投入海中，每月监测水质变化，发现多孔混凝土有富集营养物的功能。陈志山等采用多孔混凝土研制出集沉淀、过滤、曝气于一体的污水处理装置，污水中固体物去除率达90%以上，并探讨了多孔混凝土的净水机理；Park等研究了多孔混凝土水质净化过程中污染物去除与其表面附着微生物量及其活性之间的关系；吴义锋等把多孔混凝土作为生态介质的形式预处理富营养化原水，经过3个月的培养，总磷（TP）去除率为18.6%～53.8%、总氮 （TN）去除率为13%～70%。金腊华等将多孔混凝土经生物挂膜后用于处理生活污水，COD出水水质基本达到城市二级污水处理厂的排放要求。Yasunori Tanji等研究表明多孔混凝土护砌的生活污水管渠的自净能力明显高于普通混凝土和块石砂浆护砌灌渠，经过79d的运行，TOC、NH₃-N、等底物消耗速率分别达到480mg/（m²·h）、87mg/（m²·h）和170mg/（m²·h），护砌面微生物活性较高。

根据多孔混凝土的结构特征和相关实验研究，多孔混凝土介质的净水过程及作用机制主要表现为以下三个方面：①物理作用，多孔混凝土的孔隙率一般为20%～30%，孔径在微米级与毫米级之间变化，并在制备过程中加入缓释性材料以增加其内部的微孔结构，其多孔特性能有效吸附和滤除水中的污染物。②化学作用，多孔混凝土浸泡在水中，会溶析出Ca（OH）₂、Al³⁺、Mg²⁺等物质，均为水处理中常用的混凝剂，可使水中的胶体物质脱稳、絮凝而沉淀。另外，Al³⁺、Mg²⁺与水中的发生离子交换，Ca（OH）₂ 与水中的磷酸根离子反应生成磷酸氢钙沉淀物，因此，多孔混凝土通过化学作用可有效去除水中氮、磷等营养物质，降低水体的营养等级。③生物化学作用，多孔混凝土的多孔结构提供了微生物生长的载体，浸泡在水中时，其表面和内部能有效富集微生物而形成生物膜，包括硝化菌、甲烷菌、脱氮菌等好氧性和兼性细菌，生物膜中的微生物高度密集，形成了污染物、细菌、原生动物、后生动物的完整生态链。

1.3.3 多孔混凝土生态护坡

与传统混凝土相比，多孔混凝土的最大特点是其内部连续多孔，具有类似土壤的透水性和透气性，在达到或接近普通混凝土强度要求的条件下，孔隙率可达20%～30%，从根本上克服了传统混凝土护坡无法生长植被的缺点。多孔混凝土连续的孔隙结构适于植物根系在其内部生长和延伸，它的多孔结构同时提供了适于微生物富集的基质条件，因此，多孔混凝土具备强大的生态功能，其护坡技术已成为相关学者关注的课题之一。

多孔混凝土护坡的护砌方式可分为多孔混凝土现浇式和多孔混凝土预制构件式，铺装后的生态护砌面，根据水位变化情况，应选择水生植物、陆生植物等进行护砌面绿化，因此多孔混凝土护坡囊括了全系列生态护坡的所有功能。1993年日本大成建设技术研究所研制了植生型的多孔混凝土，并应用于河道护岸的工程实例，河道生态效果显著恢复。近年来，国内也相继开展了多孔混凝土护坡等应用研究，吉林省水利科学研究院、同济大学、东南大学等单位对多孔混凝土的研制及其在国内的推广做了较多的研究工作，取得了一定的研究成果。樊建超等研究了多孔混凝土制备时材料的各种配合比对植物生长效果的影响，为推广多孔混凝土的工程应用奠定了基础。陈庆锋等阐述了多孔混凝土的生态特性和净水机理，提出利用多孔混凝土建设城市透水性路面和绿地，从源头上控制水体面源污染的建设性思想。蒋彬等提出了多孔混凝土护坡技术在饮用水源区生态修复的工程模式。陈杨辉等介绍了多孔混凝土应用于黄浦江生态护坡的工程实例，表明多孔混凝土护坡生态效应良好，同时维护了黄浦江的岸坡稳定。林发永等阐述了多孔混凝土应用于上海市南汇五灶港护坡的工程和坡面制备绿化措施，生态坡面植物成活率高，长势良好。

多孔混凝土护坡技术研究进展已从构思、理念发展到示范工程应用研究阶段，但大多数多孔混凝土护坡示范工程规模偏小，对于研究多孔混凝土护坡的植物生长特性和岸坡稳定性具有实际意义。但欲考察生态护坡对河流的水质改善和生态效应，就需要规模相对较大的生态护坡工程，保证岸坡与水体足够的交互时间，这也是造成目前关于多孔混凝土护坡水质改善的定量化、系统化研究成果较少的主要原因。因此，建设中试规模的多孔混凝土护砌河道实验模型成为定量研究多孔混凝土护坡的生态效应和水质改善效果的重要前提。