木塑轻骨料生态浮岛的制备与性能

Preparation and Performance of Ecological Floating Islands Using Wood-Plastic Lightweight Aggregate

摘要

为实现木材废弃物的资源化利用，利用木材废弃物制得的木粉与废旧聚乙烯造粒制得的木塑骨料（wood-plastic，WP）和硫铝酸盐水泥（calcium sulfoaluminate cement，CSA），制备木塑轻骨料生态浮岛（wood-plastic composite ecological floating island，WPC-EF），以木塑骨料与胶凝材料的比例（P/C）作为影响变量来研究其碱度、力学、孔隙率、透水特性及生物附着和净水能力。结果表明，随着P/C的增加混凝土碱度由9.1降低至8.1；抗压强度呈先增后降的变化规律，当P/C为0.5时，抗压强度值最大，3~28 d抗压强度由2.65 MPa增长至7.81 MPa；随着P/C的增加，WPC-EF的连通孔隙率由22.9%增加至44.3%，总孔隙率从35.7%提高至53.7%；透水系数在P/C为0.5时，达到最大值4.85 cm/s，此时生物附着质量以及生物附着群落最佳；污水净化方面，P/C为0.5的试件综合表现最佳，对配置富营养水体中的氨氮（\mathrm{H}{\mathrm{H}}_{\mathrm{4}}^{+}-N）、总氮（total nitrogen，TN）、总磷（total phosphorus，TP）的去除率分别达到72.15%、86.7%、83.1%。P/C为0.5时在承载与生态功能间取得平衡，该研究结果为生态浮岛制备与工程化应用提供有效的技术支撑。

Abstract

To promote high-value utilization of wood waste， using wood flour made from waste wood and wood-plastic （WP） aggregate made from recycled polyethylene granules， together with calcium sulfoaluminate （CSA） cement to prepare wood-plastic lightweight aggregate ecological floating islands （WPC-EF）. Using the plastic-to-cement ratio （P/C） as the primary control variable， quantified alkalinity， mechanical properties， porosity， permeability， biofilm attachment， and wastewater purification performance. The results showed that， as P/C increased， the concrete alkalinity decreased from 9.1 to 8.1. Compressive strength followed a pattern of increasing first and then decreasing， reaching a maximum at P/C=0.5， where the 3-28 d strengths increased form 2.65 MPa to 7.81 MPa. With increasing P/C， connected porosity increased from 22.9% to 44.3%， and total porosity increased from 35.7% to 53.7%. The permeability coefficient reached its maximum （4.85 cm/s） at P/C=0.5， coinciding with the highest biofilm mass and the most advanced community development. For wastewater treatment， the specimen with P/C=0.5 exhibited the best overall removal performance， achieving removal efficiencies of 72.15%， 86.7%， and 83.1% for \mathrm{N}{\mathrm{H}}_{\mathrm{4}}^{+}-N， TN， and TP， respectively. In summary， P/C=0.5 provides a favorable balance between load-bearing capacity and ecological function， offering effective technical support for the preparation and engineering application of ecological floating islands.

Graphical abstract

关键词

木塑骨料 / 生态浮岛 / 力学性能 / 生物附着性 / 净水效果

Key words

Wood-plastic aggregate / ecological floating island / mechanical properties / bioadhesion / water purification performance

0 引言

水产养殖尾水富含氮磷等无机物、有机物和悬浮颗粒的高污染负荷废水，传统处理常依赖强曝气与化学药剂，带来较高能耗与药耗^［1］。木材加工与建筑拆解每年产生大量废弃木材，如锯末、刨花、边角料、树皮、报废托盘与模板、胶合板/中纤板残片等，此类固废粒径分散、含胶涂层与杂质多，难以材料级回用，常被填埋或焚烧，浪费资源和增加碳排放^［2-3］。

现有浮岛大多利用泡沫塑料或高分子基材，存在力学稳定性不足、紫外老化快、微塑料释放与维护成本高等缺点^［4-6］。浮水混凝土是一种具有较低密度和优异轻质特性的特殊混凝土，其主要特点是可以在水中漂浮，因此被广泛应用于海洋工程^［7］、水质净化^［8］及轻质结构材料等领域^［9-10］。与传统污水处理方法相比^［11-12］，浮水混凝土通过引入轻骨料^［13］或特种材料来降低密度，在保证结构强度和耐久性的同时，通过降低碱处理等手段^［14］，为植物生长发育提供环境，利用植物对水体环境中的富营养离子吸收来去除水中的污染物^［15］，具有明显的节能和环保优势，并且绿植可以有效吸收空气中的二氧化碳从而减少温室效应^［16-19］。木塑复合材料（wood-plastic，WP）因其密度小、可加工性强及可实现废弃物资源利用等特性^［20-22］，成为制备生态浮岛的新方向，可替代传统骨料制备轻质混凝土，有效降低结构自重并实现废弃木材资源的循环利用，成为近年研究热点。尽管近年来关于生态混凝土与再生材料利用的研究不断增多，但针对“木塑骨料与胶凝材料比例（P/C）”因素对力学性能、孔隙率、生物附着与净水能力的影响规律仍缺乏系统性的研究。

本研究将废弃木材与再生聚合物熔融挤出制备木塑轻骨料，该骨科具有低密度、粗糙表面与适宜孔隙等特点，并将其引入低碱度、多孔渗透的胶凝体系构建木塑轻骨料生态浮岛（wood-plastic composite ecological floating island，WPS-EF），以同步实现固废高值化与受污水体修复的协同效益。

1 材料与方法

1.1 原材料

1.1.1 胶凝材料

本试验使用的胶凝材料为山东山水水泥集团有限公司提供的硫铝酸盐水泥（calcium sulfoaluminate cement，CSA）。水泥标号为42.5，化学组成和物理性能见表1和表2。

1.1.2 木塑骨料

本试验制备了混合木粉40%的木塑骨料，单一级配16~19 mm，木塑骨料性能见表3，其中拉伸强度和断裂伸长率参照《塑料 拉伸性能的测定第1部分：总则》（GB/T 1040.1—2006）测试而得^［23］。

1.1.3 外加剂

试验使用的憎水剂为北京蒙泰建材有限公司产甲基硅酸钠憎水剂，其主要成分见表4。

1.1.4 人工配置水体

试验使用的富营养水体为人工配置，试验使用试剂均为上海麦克林生化科技股份有限公司生产化学纯试剂，水体的各物质质量浓度见表5。水体中初始\mathrm{H}{\mathrm{H}}_{\mathrm{4}}^{+}-N、全氮（TN）、全磷（TP）质量浓度分别为6.2、9.5、1.9 mg/L。

1.2 试样制备

1.2.1 碱度、力学性能、孔隙率试件

将水泥、木塑骨料按表6的配合比在砂浆搅拌机中先干拌60 s，再加入水，搅拌120 s将拌和物置于100 mm×100 mm×100 mm的模具中成型，在标准养护箱中养护1 d后脱模，放入标准养护环境中继续养护至28 d后进行力学性能测试和透水系数测试，见图1和图2，试块配合比见表6。

1.2.2 生态浮岛试件

采用350 mm×200 mm×100 mm矩形PVC塑料筐外模，制备多孔混凝土试件，成型试件见图3。试件养护达到设计龄期后，在其表面栽植绿萝，随着植株生长，根系逐步穿透并固定于试件孔隙，最终构建为木塑轻骨料生态浮岛。然后将该生态浮岛置于人工配置富营养水体中开展净水性能测试，测试指标包括TN、\mathrm{N}{\mathrm{H}}_{\mathrm{4}}^{+}-N、TP等水质参数与生物附着表现。

1.3 试验方法

1.3.1 碱度测试

采用固液萃取法测试试件孔溶液碱度^［24-25］，浮岛试样经破碎并充分研磨后，筛分至0.08 mm以下，称取10 g加入100 g蒸馏水中；在浸提阶段按5 min间隔进行间歇振荡，累计2 h。随后以滤纸过滤获得滤液，用pH检测仪测读其pH，用以表征孔溶液碱度。

1.3.2 抗压强度测试

混凝土抗压强度试验（图1），使用的压力机型号为WAW-1000，测试方法参照《混凝土物理力学性能试验方法标准》（GB/T 50081—2019）^［26］，制备100 mm×100 mm×100 mm试块，测试龄期分别为3、7、28 d的抗压强度。为避免受压面平整度对测试结果的影响，将受压面用水泥砂浆抹平再进行抗压强度试验。

1.3.3 孔隙率和透水系数测试

连通孔隙率和总孔隙率测定分别计算总孔隙率P₁ 与连通孔隙率P₂^［27］。其公式为

P_{\mathrm{1}}=\left(\mathrm{1}-\frac{W_{\mathrm{2}}-W_{\mathrm{1}}}{\rho V}\right)\times \mathrm{100}。（1）

P_{\mathrm{2}}=\left(\mathrm{1}-\frac{W_{\mathrm{3}}-W_{\mathrm{1}}}{\rho V}\right)\times \mathrm{100}。（2）

式中：W₃为试件脱模后的质量，kg；W₁为在（50±5） ℃烘箱中干燥至稳定的质量，kg；W₂为充分吸水至饱和后采用吊篮在水中称量其水中的质量，kg；V为试块外形体积，m³；ρ为试验温度下水的密度，kg/m³。

透水系数测试依照《透水路面砖和透水路面板》（GB/T 25993—2023），将植生混凝土成型于Φ110 mm×150 mm的管式（图2），计算公式为^［28］

K_T=\frac{H\times Q}{h\times A\times \mathrm{\Delta }t}\times \frac{{\eta }_T}{{\eta }_{\mathrm{15}}}。（3）

式中：K_T 为在温度为T ℃时的透水系数，cm/s；h为两排水管的水头差，cm；H为试样的高度，cm；Q为收集的溢流水体积，mL；Δt为测试时间，s；A为混凝土试样的底面积，cm²；η_T /η₁₅ 为试验水温与15 ℃条件下的水动力黏度之比，用于温度修正。

1.3.4 生物附着性评价

为模拟在役工况，将制备好的生态浮岛试样投放于自然水体中连续暴露6个月，取回后采用生物学鉴定法开展生物附着性评估^［29-30］。按100 mm×150 mm的样方在试样表面刮取附着物，完成物种识别与计数/称量；随后依据公式计算生物附着指数（P，kg/m²）、Shannon-Wiener多样性指数（H′）与Pielou均匀度指数（J）。其中，P反映单位面积附着生物的质量负荷，数值越大表示附着生长越旺盛；H′综合分析群落的物种丰富度与多样性，值越高说明群落多样性越强；J用于衡量物种间的均匀程度，数值越大，表明不同物种数量差异越小。其计算公式分别为

P=\frac{m}{s}。（4）

H^{\text{'}}=-\sum _i{P}_i\mathrm{l}\mathrm{o}{\mathrm{g}}_{\mathrm{2}}{P}_i。（5）

J=\frac{H^{\text{'}}}{\mathrm{l}\mathrm{o}{\mathrm{g}}_{\mathrm{2}}S}。（6）

式中：m为附着生物干质量，kg；s为取样面积单位，m²；P_i 为第i种附着生物的数量与附着生物总数量之比；S为附着生物的种类数量。

1.3.5 水质净化能力评价

水质净化试验选用的富营养水体由实验室配制，成分见表5，通过测试植物对富营养水体中T-N、\mathrm{N}{\mathrm{H}}_{\mathrm{4}}^{+}-N、T-P质量浓度评估水质净化能力。

2 结果与分析

2.1 碱度测试

由图4可知，3 d时孔溶液pH随P/C由0.3增至0.7呈单调下降，PW-1至PW-5分别为11.31、10.83、10.39、9.95、9.55，结果表明，P/C的升高可显著降低体系初始碱度。分析其原因主要有：1）P/C增大使硫铝酸盐水泥胶凝材料用量相应减少，钙矾石（AFt）等碱性水化产物与孔隙液中OH⁻的供给量下降；2）木塑骨料中的木粉为弱酸性^［31］，并含可溶性有机酸/酚羟基，对孔溶液具有缓冲与中和作用；3）较高P/C往往伴随连通孔隙与渗透性增大，促进碱金属离子（Na⁺、K⁺）迁移与溶出。与3 d相比，28 d时各组pH均进一步降低并出现一定收敛，整体由11.3~9.6下降至9.8~7.8，且降幅随P/C升高而增大。这一阶段的持续下降主要源于长期浸泡条件下OH⁻与Na⁺/K⁺的稀释、AFt/AFm及C-（A）-S-H对碱离子的吸附固定的共同作用导致。

2.2 抗压强度

由图5可知，随P/C由0.3增至0.7，3 d抗压强度由3.50 MPa降至0.86 MPa，表明P/C升高不利于早期承载，主要原因在于木粉中可溶性有机物（糖类、酚羟基等）对CSA早期水化具有显著缓凝效应，同时胶凝材料被稀释、ITZ尚未致密。到28 d，抗压强度随P/C的变化转为“先升后降”，在P/C为0.5达到最高值；其后抗压强度下降的原因如下。1）随P/C升高，单位体积水泥用量进一步降低，浆体对木塑骨料的包裹不足，界面黏结力减小；2）塑料相低吸水、低表面能且颗粒较为圆整，使拌合物流动度显著提高^［32］，在高P/C条件下易发生离析——轻质骨料上浮、浆体下沉，导致截面内浆骨比与孔隙分布不均破坏承载骨架的连续性，故抗压强度回落；3）P/C的升高会导致木粉质量分数增加，木粉中的可溶性有机物会延缓CSA的反应并改变产物分布，从而减缓抗压强度发展^［33］。

2.3 孔隙率和透水系数

图6给出了P/C对WPC-EF孔隙结构的影响。随P/C由0.3增至0.7，连通孔隙率由22.9%升至44.3%，总孔隙率由35.7%升至53.7%，呈显著上升趋势。其主要原因为：1）P/C提高使单位体积内胶凝材料体积分数降低，浆体对骨料的包裹与填充不足，形成更多未被固结的空隙；2）木塑颗粒形貌圆整、表面能低，颗粒间摩阻减小，易堆积出连通的大孔道。由图7可知，透水系数随P/C的变化呈“先升后降”特征，在P/C为0.5时达到峰值4.43 cm/s。上升段对应连通孔比例与孔径的增加，水力通道有效截面积扩大；当P/C继续增大时，单位体积胶凝材料不足与拌和物黏度降低引发离析/泌浆，浆体易在底部形成致密层并局部堵塞竖向孔道，轻质颗粒上浮又增加流路弯曲度与“死孔”，综合造成透水系数回落。总体上，P/C为0.5时，材料可保持较高连通孔隙率的同时形成相对稳定的承载骨架，表现出较优的透水性能与力学性能协同平衡。

2.4 生物附着性

由图8可知，多样性指数（H′）随着P/C的增加出现了先增加后降低的趋势。其原因是随P/C提高，CSA被稀释使表面的孔隙液pH由强碱向弱碱（约由10减弱到9）过渡，碱胁迫减轻；同时，在中等P/C下连通孔隙与粗糙度适中、透水系数达峰，形成多尺度栖息位点与更稳定的氮磷等盐类溶质的交换和溶解氧的通量，促进多类群协同定殖，故H′上升。当P/C继续增大，胶凝相不足与拌合物离析（轻质骨料上浮、浆体局部下沉）导致大孔与“死角”增多、有效流路受阻，并易形成厚生物膜与优势种（如丝状藻、耐低流速异养菌）占据，群落丰富度与并存度下降^［34］，H′转而回落。均匀度指数（J）在P/C大于0.5时显著下滑，反映均匀度恶化，其根源在于上述结构与水动力的空间非均匀化引发物种优势化与数量分配失衡，而不仅仅是“浆体沉底”单一因素所致。

2.5 净水性能

根据国标《地表水环境质量标准》（GB 3838—2002）的规定，试验水体的水质属于劣V类。图9展示了绿萝种植后，\mathrm{N}{\mathrm{H}}_{\mathrm{4}}^{+}-N、T-N、和T-P质量浓度的变化。由图9可知，试验水体中的各成分随着时间的延长都有不同程度的显著下降，主要原因是绿萝在生长过程中能够吸收水体中的富营养元素。试验结果表明，当P/C为0.5时，富营养元素的处理效果最佳。这是因为适度的孔隙率有利于绿萝根系的生长，而孔隙率过大时，会缩短水力停留时间，导致单位时间的去除率降低；相反，孔隙率过低时，不利于植物根系的生长，也会使处理时间增加。因此，适宜的孔隙率对水质净化效果至关重要。

3 讨论与结论

研究结果表明，P/C对WPC-EF孔溶液碱度的影响主要来自胶凝相稀释与有机组分缓冲两方面。随P/C升高，CSA用量降低使相对应水化产物减少，孔隙液中OH⁻供给下降；同时木粉中可溶性有机酸与酚羟基等对孔溶液具有一定缓冲与中和作用，二者叠加促使pH整体下降，由强碱逐步向弱碱过渡，更有利于植物根系与微生物定殖。与此同时，力学性能与孔结构存在明显权衡：较高P/C虽提高孔隙率，但胶凝材料不足会削弱承载骨架，且流动性增大易引发上浮和离析，使结构缺陷累积，导致早期强度降低并在高P/C区间出现28 d强度回落。生物附着与净水性能受碱度、孔隙、透水系数共同控制。中等P/C下pH更适宜，孔隙率与透水性较好，可改善氮磷等盐类溶质的交换和溶解氧的通量，并促进生物膜生长与群落稳定；P/C过高则因孔结构与流场不均匀，死孔与低流速区增多，优势种占据生态位，多样性下降。净水作用主要通过植物吸收、氮磷吸附固定与颗粒物截留共同完成，而适度孔隙与合适渗透性有助于兼顾水力停留与传质效率。综合各项指标，当P/C为0.5时连通孔隙率与透水系数处于合理区间，生物附着与群落多样性表现较优，可在承载能力、孔隙结构与净水效能之间取得较好平衡，可作为工程应用的优选配比范围。

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基金资助

山东省自然科学基金青年项目(ZR2022QE094)