CN102219458A - 一种生态混凝土及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种生态混凝土及其制备方法，本发明生态混凝土是由下列原料按重量比制成：普通硅酸盐水泥10～15份，石英砂40～60份，水5～10份，加气剂0.15～0.25份，改性粉煤灰15～20份，改性二氧化钛10～15份；所述石英砂的粒径不超过2mm，所述改性二氧化钛的粒径在10nm-15nm。制备方法为：原材料制备-计量-搅拌-浇筑入模-振动捣实-养护-脱模，可用于河岸护坡工程。本发明的优点在于：在混凝土制备过程中，加入废料粉煤灰，实现了废物再利用；将具有吸附性能的粉煤灰用于混凝土的制备，提高了混凝土对污染物的吸附效果；将混凝土对污染物的吸附作用与二氧化钛的光催化作用结合在一起，提高光催化反应对污染物的去除效果。
Description
技术领域
本发明属于坡面生态修复领域，特别涉及一种生态混凝土及其制备方法。
背景技术
混凝土是当代最主要的土木工程材料之一。它是由胶结材料，集料、骨料和水按一定比例配制，经搅拌振捣成型，在一定条件下养护而成的人造石材。混凝土具有原料丰富，价格低廉，生产工艺简单的特点，因而其用量越来越大。
河岸护坡指的是为防止河岸边坡受冲刷，在坡面上所做的各种铺砌和栽植的统称。河岸护坡工程可以分为传统的边坡工程和生态护坡工程，但是不管是传统护坡还是生态护坡，都不可避免的需要混凝土。
有研究表明，混凝土对污染物具有吸附和解析作用，污染物质被混凝土吸附之后，有0.8%-60%的污染物会最终到达河流中，对河流造成污染。
粉煤灰是我国当前排量较大的工业废渣之一，现阶段我国年排渣量已达3000万t。随着电力工业的发展，燃煤电厂的粉煤灰排放量逐年增加，粉煤灰的处理和利用问题引起人们广泛的注意。
光催化是近年来发展起来的一种新型环境污染治理技术。它具有能耗低、无二次污染、降解范围广等优点, 可将多种有机污染物氧化分解, 并最终矿化为二氧化碳和水等无机小分子, 因此得到广泛研究。其中锐钛矿TiO2光催化材料具有光化学稳定性好、无毒、价廉、催化活性高等优点, 尤为引人瞩目, 在环境治理和能源开发等方面具有广阔的应用前景。但由于锐钛矿T i O2是一种宽禁带半导体,其禁带宽度为3.2eV，只有在紫外光的激发下才能表现出光催化活性，研究表明掺杂氮或氮硫共掺杂的二氧化钛可以提高其在可见光照射下的光催化活性。
发明内容
本发明提供一种生态混凝土及其制备方法，制备的生态混凝土可用于河岸护坡工程，该生态混凝土可以在河岸边坡加固、环境污染治理等方面发挥重要作用。
本发明的目的在于提供一种生态混凝土，它由下列原料按重量份制成：普通硅酸盐水泥10～15份，石英砂40～60份，水5～10份，加气剂0.15～0.25份，改性粉煤灰15～20份，改性二氧化钛10～15份；
所述改性粉煤灰按下列原料及工艺制得：取盐酸和硫酸按照体积比为1:3的比例混合形成混合酸，然后取20g粉煤灰、1gNaCl和20mL混合酸，于18-25℃下搅拌反应60min，形成混合物，将混合物在100-105℃下烘干，烘干后碾碎得改性粉煤灰；
所述改性二氧化钛的粒径为10nm～15nm，所述改性二氧化钛为氮掺杂二氧化钛或氮硫共掺杂二氧化钛；
所述改性二氧化钛为氮掺杂二氧化钛或氮硫共掺杂二氧化钛；
所述氮掺杂二氧化钛是按下列原料及工艺制得：量取10mL钛酸四丁酯与10mL无水乙醇混合后搅拌均匀，得到溶液A1；称量6g尿素溶入10mL去离子水中，得到溶液 B1；将溶液A1逐滴滴入溶液B1中，滴加完毕搅拌1h ，得到溶液C1；转移溶液 C1在160℃下水热6h，形成沉淀物，反复冲洗沉淀物，充分干燥后，取出固体碾磨成粉末，随后在500℃下煅烧3h，得到氮掺杂纳米二氧化钛；
所述氮硫共掺杂二氧化钛是按下列原料及工艺制得：将8mL的钛酸丁酯和32mL无水乙醇混合得A2液，将3mL冰醋酸、2mL二次水、10mL无水乙醇混合得B2液，在B2液中加入六次甲基四胺和硫代乙酰胺，使得氮、硫、钛的摩尔比为1:0.11:8.33，将加入六次甲基四胺和硫代乙酰胺的B2液逐滴滴入A2液，滴入的过程中持续搅拌A2液，滴完后继续搅拌 30min后将其在室温下静置24 h，然后在80℃下干燥24h，取出固体碾磨成粉末，随后在450℃下煅烧2 h，得氮硫共掺杂二氧化钛。
所述加气剂为加气混凝土发气剂的铝粉膏。
所述石英砂的粒径不超过2mm。
本发明的另一个目的是提供这种生态混凝土的制备方法，具体通过以下步骤实现：
（1）原材料准备：
a)筛选石英砂，使其粒径不超过2mm；
b)改性粉煤灰的制备：取盐酸和硫酸按照体积比为1:3的比例混合形成混合酸，然后取20g粉煤灰，1gNaCl和20mL混合酸，于18-25℃下搅拌反应60min，形成混合物，将混合物于烘箱中以100-105℃烘干，烘干后碾碎得改性粉煤灰。
c）改性二氧化钛的制备：
所述改性二氧化钛为氮掺杂二氧化钛或氮硫共掺杂二氧化钛；
所述氮掺杂二氧化钛是按下列原料及工艺制得：量取10mL钛酸四丁酯与10mL无水乙醇混合后搅拌均匀，得到溶液A1；称量6g尿素溶入10mL去离子水中，得到溶液 B1；将溶液A1逐滴滴入溶液B1中，滴加完毕搅拌1h ，得到溶液C1；转移溶液 C1在160℃下水热6h，形成沉淀物，反复冲洗沉淀物，充分干燥后，取出固体碾磨成粉末，随后在500℃下煅烧3h，得到氮掺杂纳米二氧化钛；
所述氮硫共掺杂二氧化钛是按下列原料及工艺制得：将8mL的钛酸丁酯和32mL无水乙醇混合得A2液，将3mL冰醋酸、2mL二次水、10mL无水乙醇混合得B2液，在B2液中加入六次甲基四胺和硫代乙酰胺，使得氮、硫、钛的摩尔比为1:0.11:8.33，将加入六次甲基四胺和硫代乙酰胺的B2液逐滴滴入A2液，滴入的过程中持续搅拌A2液，滴完后继续搅拌 30min后将其在室温下静置24 h，然后在80℃下干燥24h，取出固体碾磨成粉末，随后在450℃下煅烧2 h，得氮硫共掺杂二氧化钛。
（2）混合搅拌
将普通硅酸盐水泥和石英砂混合搅拌均匀，然后将步骤（1）中制备的改性粉煤灰和改性二氧化钛与自来水混合搅拌1-2h后形成料浆，再将加气剂加入到料浆中搅拌0.5-0.7分钟，再将加入有加气剂的料浆与搅拌均匀的普通硅酸盐水泥和石英砂混合在一起，形成混合的浆状料；
（3）浇筑入模、振动捣实、养护、脱模
将步骤（2）制得的浆状料浇筑入模，放在振动台上振实压制成型后在水中养护，养护时间不少于28d，之后拆模即可。
所述加气剂为作为加气混凝土发气剂的铝粉膏。
粉煤灰是从煤燃烧后的烟气中收捕下来的细灰，它本身略有或没有水硬胶凝性能，但当以粉状及水存在时，能在常温，特别是在水热处理(蒸汽养护)条件下，与氢氧化钙或其他碱土金属氢氧化物发生化学反应，生成具有水硬胶凝性能的化合物，可以作为制作混凝土的良好原料，同时，粉煤灰又具有空隙率高、比表面积大的特性，具有很好的吸附性能，又可以作为吸附材料。在制作混凝土时，添加一定量粉煤灰不仅可以增强其强度和耐久性，还能提高混凝土对污染物的吸附性能，为后期的光催化反应提供充足的基质。
二氧化钛(TiO2)作为具有光催化功能的半导体材料，具有活性高、抗菌效果好、热稳定性好、长期有效、价格低以及无污染等优点，从而可广泛应用于防雾、光催化杀菌、水质和土壤净化、空气净化、自清洁等诸多领域。一般的二氧化钛的光催化活性在可见光下是显现不出来的，对二氧化钛进行改性提高其在可见光下的光催化活性是目前的研究热点，已有研究表明在二氧化钛中掺杂氮元素或者氮元素和硫元素可以提高二氧化钛的可见光效应，在混凝土制作中加入二氧化钛，可以将污染物的吸附与降解实现很好的耦合。
本发明采用粉煤灰为制作生态混凝土原材料，实现了废物再利用；同时对粉煤灰进行改性，提高其吸附污染物的能力，为后期二氧化钛光催化降解污染物提供良好的条件；将二氧化钛用于生态混凝土的制备，结合了混凝土对污染物的吸附特性及二氧化钛的光催化降解特性，提高对污染物的降解效果；采用掺杂有氮或者氮硫共掺杂的二氧化钛，提高二氧化钛在可见光下的光催化活性，提高污染物的降解效果。
与现有技术相比，本发明具有如下优点：
1、所制得的生态混凝土不仅可以吸附污染物，还能降解污染物，具有更好的环境效益；
2、采用改性粉煤灰作为制备生态混凝土的原材料，不仅实现了废物再利用，还利用了粉煤灰的吸附性能，提高混凝土对污染物的吸附效果；
3、利用二氧化钛的光催化效应降解污染物，具有安全、高效、无污染的特点；
4、采用纳米级的掺杂型二氧化氮作为制备生态混凝土的原材料，降解污染物的效率更高。
本发明的有益效果是：消耗了大量的粉煤灰，实现废物再利用；对粉煤灰进行改性，提高粉煤灰的吸附能力，将其作为制备生态混凝土的原材料后，从而提高混凝土对污染物的吸附性能；对二氧化钛进行氮掺杂或者氮硫共掺杂，提高其在可见光下的光催化活性；将混凝土对污染物的吸附性能与二氧化钛的光催化性能结合在一起，二者协同作用处理污染物，具有良好的环境效益。
具体实施方式
本发明结合具体实施方式作进一步说明。
实施方式1
（1）原材料准备：
a)筛选石英砂，使其粒径不超过2mm；
b)改性粉煤灰的制备：取盐酸和硫酸按照体积比为1:3的比例混合形成混合酸，然后取20g粉煤灰，1gNaCl和20mL混合酸，于18-25℃下搅拌反应60min，形成混合物，将混合物于烘箱中以100-105℃烘干，烘干后碾碎得改性粉煤灰。
c）改性二氧化钛的制备：
所述改性二氧化钛为氮掺杂二氧化钛或氮硫共掺杂二氧化钛；
所述氮掺杂二氧化钛是按下列原料及工艺制得：量取10mL钛酸四丁酯与10mL无水乙醇混合后搅拌均匀，得到溶液A1；称量6g尿素溶入10mL去离子水中，得到溶液 B1；将溶液A1逐滴滴入溶液B1中，滴加完毕搅拌1h ，得到溶液C1；转移溶液 C1在160℃下水热6h，形成沉淀物，反复冲洗沉淀物，充分干燥后，取出固体碾磨成粉末，随后在500℃下煅烧3h，得到氮掺杂纳米二氧化钛；
所述氮硫共掺杂二氧化钛是按下列原料及工艺制得：将8mL的钛酸丁酯和32mL无水乙醇混合得A2液，将3mL冰醋酸、2mL二次水、10mL无水乙醇混合得B2液，在B2液中加入六次甲基四胺和硫代乙酰胺，使得氮、硫、钛的摩尔比为1:0.11:8.33，将加入六次甲基四胺和硫代乙酰胺的B2液逐滴滴入A2液，滴入的过程中持续搅拌A2液，滴完后继续搅拌 30min后将其在室温下静置24 h，然后在80℃下干燥24h，取出固体碾磨成粉末，随后在450℃下煅烧2 h，得氮硫共掺杂二氧化钛。
（2）混合搅拌
取普通硅酸盐水泥10～15份，石英砂40～60份，水5～10份，加气剂0.15～0.25份，改性粉煤灰15～20份，改性二氧化钛10～15份；将普通硅酸盐水泥和石英砂混合搅拌均匀，然后将步骤（1）中制备的改性粉煤灰和改性二氧化钛与自来水混合搅拌1-2h后形成料浆，再将加气剂加入到料浆中搅拌0.5-0.7分钟，再将加入有加气剂的料浆与搅拌均匀的普通硅酸盐水泥和石英砂混合在一起，形成混合的浆状料；
（3）浇筑入模、振动捣实、养护、脱模
将步骤（2）制得的浆状料浇筑入模，放在振动台上振实压制成型后在水中养护，养护时间不少于28d，之后拆模即可。
所述加气剂为加气混凝土发气剂的铝粉膏（油剂型铝粉膏或水剂型铝粉膏）。
实施方式2
（1） 生态混凝土的制备：取普通硅酸盐水泥10份，粒径小于2mm的石英砂40份，自来水5份，加气剂0.15份，改性粉煤灰15份，氮硫共掺杂二氧化钛10份；加气剂为加气混凝土发气剂的铝粉膏中的油剂型铝粉膏或水剂型铝粉膏。改性粉煤灰和氮硫共掺杂二氧化钛按照实施例1中的制备方法制成；将普通硅酸盐水泥和石英砂相互混合搅拌均匀，然后，将粉煤灰与自来水、氮硫共掺杂二氧化钛混合搅拌1-2h后形成料浆，再将外加剂加入加入到料浆中搅拌0.5-0.7分钟，再将加入有外加剂的料浆与搅拌均匀的普通硅酸盐水泥和石英砂干料混合在一起，形成混合的浆状料；将浆状料浇筑入模，模的尺寸为25cm×5cm×2cm，放在振动台上振实压制成型后在水中养护28d，拆模得混凝土立方块。
（2） 生态混凝土对污染物的去除效果：
1) 取300mL，浓度为5mg/L的达旦黄溶液，将生态混凝土立方块放入达旦黄溶液中，以100W日光灯为可见光源，反应6h，取上层清液离心402nm的波长下用VIS-723型可见分光光度计测定其吸光度，其降解率可达到80%左右。
2) 取200mL、浓度10mg/L的甲基橙水溶液，将生态混凝土立方块放入甲基橙溶液中，以200W卤钨灯作为可见光源，反应6h，取上层清液离心464nm的波长下用754P紫外可见分光光度计测定其吸光度，其降解率可达到60%左右。
实施方式3
（1） 生态混凝土的制备：取普通硅酸盐水泥15份，粒径小于2mm的石英砂60份，自来水10份，加气剂0.25份，改性粉煤灰20份，氮掺杂二氧化钛15份；加气剂为加气混凝土发气剂的铝粉膏中的油剂型铝粉膏或水剂型铝粉膏。改性粉煤灰和氮掺杂二氧化钛按照实施例1中的制备方法制成；将普通硅酸盐水泥和石英砂相互混合搅拌均匀，然后，将粉煤灰与自来水、氮掺杂二氧化钛混合搅拌1-2h后形成料浆，再将外加剂加入加入到料浆中搅拌0.5-0.7分钟，再将加入有外加剂的料浆与搅拌均匀的普通硅酸盐水泥和石英砂干料混合在一起，形成混合的浆状料；将浆状料浇筑入模，模的尺寸为25cm×5cm×2cm，放在振动台上振实压制成型后在水中养护28d，拆模得混凝土立方块。
（2） 生态混凝土对污染物的去除效果：
1） 取300mL，浓度为5mg/L的达旦黄溶液，将生态混凝土立方块放入达旦黄溶液中，以85W日光灯为可见光源，反应6h，取上层清液离心402nm的波长下用VIS-723型可见分光光度计测定其吸光度，其降解率可达到65%左右。
2） 取200mL、浓度10mg/L的甲基橙水溶液，将生态混凝土立方块放入甲基橙溶液中，以200W卤钨灯作为可见光源，反应6h，取上层清液离心464nm的波长下用754P紫外可见分光光度计测定其吸光度，其降解率可达到62%左右。
实施方式4
（1） 生态混凝土的制备：取普通硅酸盐水泥15份，粒径小于2mm的石英砂60份，自来水10份，加气剂0.25份，改性粉煤灰20份，氮硫共掺杂二氧化钛15份；加气剂为加气混凝土发气剂的铝粉膏中的油剂型铝粉膏或水剂型铝粉膏。改性粉煤灰和氮硫共掺杂二氧化钛按照实施例1中的制备方法制成；将普通硅酸盐水泥和石英砂相互混合搅拌均匀，然后，将粉煤灰与自来水、氮硫共掺杂二氧化钛混合搅拌1-2h后形成料浆，再将外加剂加入加入到料浆中搅拌0.5-0.7分钟，再将加入有外加剂的料浆与搅拌均匀的普通硅酸盐水泥和石英砂干料混合在一起，形成混合的浆状料；将浆状料浇筑入模，模的尺寸为25cm×5cm×2cm，放在振动台上振实压制成型后在水中养护28d，拆模得混凝土立方块。
（2） 生态混凝土对污染物的去除效果：
1） 取300mL，浓度为5mg/L的达旦黄溶液，将生态混凝土立方块放入达旦黄溶液中，以85W日光灯为可见光源，反应6h，取上层清液离心402nm的波长下用VIS-723型可见分光光度计测定其吸光度，其降解率可达到73%左右。
2） 取200mL、浓度10mg/L的甲基橙水溶液，将生态混凝土立方块放入甲基橙溶液中，以200W卤钨灯作为可见光源，反应6h，取上层清液离心464nm的波长下用754P紫外可见分光光度计测定其吸光度，其降解率可达到70%左右。
实施方式5
（1） 生态混凝土的制备：取普通硅酸盐水泥10份，粒径小于2mm的石英砂40份，自来水5份，加气剂0.15份，改性粉煤灰15份，氮掺杂二氧化钛10份；加气剂为加气混凝土发气剂的铝粉膏中的油剂型铝粉膏或水剂型铝粉膏。改性粉煤灰和氮掺杂二氧化钛按照实施例1中的制备方法制成；将普通硅酸盐水泥和石英砂相互混合搅拌均匀，然后，将粉煤灰与自来水、氮掺杂二氧化钛混合搅拌1-2h后形成料浆，再将外加剂加入加入到料浆中搅拌0.5-0.7分钟，再将加入有外加剂的料浆与搅拌均匀的普通硅酸盐水泥和石英砂干料混合在一起，形成混合的浆状料；将浆状料浇筑入模，模的尺寸为25cm×5cm×2cm，放在振动台上振实压制成型后在水中养护28d，拆模得混凝土立方块。
（2） 生态混凝土对污染物的去除效果：
1） 取300mL，浓度为5mg/L的达旦黄溶液，将生态混凝土立方块放入达旦黄溶液中，以100W日光灯为可见光源，反应6h，取上层清液离心402nm的波长下用VIS-723型可见分光光度计测定其吸光度，其降解率可达到75%左右。
2） 取200mL、浓度10mg/L的甲基橙水溶液，将生态混凝土立方块放入甲基橙溶液中，以200W卤钨灯作为可见光源，反应6h，取上层清液离心464nm的波长下用754P紫外可见分光光度计测定其吸光度，其降解率可达到56%左右。
Claims (5)
1.一种生态混凝土，其特征在于它由下列原料按重量份比制成：普通硅酸盐水泥10～15份，石英砂40～60份，水5～10份，加气剂0.15～0.25份，改性粉煤灰15～20份，改性二氧化钛10～15份；
所述改性粉煤灰按下列原料及工艺制得：取盐酸和硫酸按照体积比为1:3的比例混合形成混合酸，然后取20g粉煤灰、1gNaCl和20mL混合酸，于18-25℃下搅拌反应60min，形成混合物，将混合物在100-105℃下烘干，烘干后碾碎得改性粉煤灰；
所述改性二氧化钛的粒径为10nm～15nm，所述改性二氧化钛为氮掺杂二氧化钛或氮硫共掺杂二氧化钛；
所述改性二氧化钛为氮掺杂二氧化钛或氮硫共掺杂二氧化钛；
所述氮掺杂二氧化钛是按下列原料及工艺制得：量取10mL钛酸四丁酯与10mL无水乙醇混合后搅拌均匀，得到溶液A1；称量6g尿素溶入10mL去离子水中，得到溶液 B1；将溶液A1逐滴滴入溶液B1中，滴加完毕搅拌1h ，得到溶液C1；转移溶液 C1在160℃下水热6h，形成沉淀物，反复冲洗沉淀物，充分干燥后，取出固体碾磨成粉末，随后在500℃下煅烧3h，得到氮掺杂纳米二氧化钛；
所述氮硫共掺杂二氧化钛是按下列原料及工艺制得：将8mL的钛酸丁酯和32mL无水乙醇混合得A2液，将3mL冰醋酸、2mL二次水、10mL无水乙醇混合得B2液，在B2液中加入六次甲基四胺和硫代乙酰胺，使得氮、硫、钛的摩尔比为1:0.11:8.33，将加入六次甲基四胺和硫代乙酰胺的B2液逐滴滴入A2液，滴入的过程中持续搅拌A2液，滴完后继续搅拌 30min后将其在室温下静置24 h，然后在80℃下干燥24h，取出固体碾磨成粉末，随后在450℃下煅烧2 h，得氮硫共掺杂二氧化钛。
2.根据权利要求1所述的一种生态混凝土，其特征在于：所述加气剂为作为加气混凝土发气剂的铝粉膏。
3.根据权利要求1所述的一种生态混凝土，其特征在于：所述石英砂的粒径不超过2mm。
4.一种根据权利要求1所述的生态混凝土的制备方法，其特征在于：其制备步骤如下：
（1）原材料准备：
a）筛选石英砂，使其粒径不超过2mm；
b）改性粉煤灰的制备：取盐酸和硫酸按照体积比为1:3的比例混合形成混合酸，然后取20g粉煤灰，1gNaCl和20mL混合酸，于18-25℃下搅拌反应60min，形成混合物，将混合物于烘箱中以100-105℃烘干，烘干后碾碎得改性粉煤灰；
c）改性二氧化钛的制备：
所述改性二氧化钛为氮掺杂二氧化钛或氮硫共掺杂二氧化钛；
所述氮掺杂二氧化钛是按下列原料及工艺制得：量取10mL钛酸四丁酯与10mL无水乙醇混合后搅拌均匀，得到溶液A1；称量6g尿素溶入10mL去离子水中，得到溶液 B1；将溶液A1逐滴滴入溶液B1中，滴加完毕搅拌1h ，得到溶液C1；转移溶液 C1在160℃下水热6h，形成沉淀物，反复冲洗沉淀物，充分干燥后，取出固体碾磨成粉末，随后在500℃下煅烧3h，得到氮掺杂纳米二氧化钛；
所述氮硫共掺杂二氧化钛是按下列原料及工艺制得：将8mL的钛酸丁酯和32mL无水乙醇混合得A2液，将3mL冰醋酸、2mL二次水、10mL无水乙醇混合得B2液，在B2液中加入六次甲基四胺和硫代乙酰胺，使得氮、硫、钛的摩尔比为1:0.11:8.33，将加入六次甲基四胺和硫代乙酰胺的B2液逐滴滴入A2液，滴入的过程中持续搅拌A2液，滴完后继续搅拌 30min后将其在室温下静置24 h，然后在80℃下干燥24h，取出固体碾磨成粉末，随后在450℃下煅烧2 h，得氮硫共掺杂二氧化钛；
（2）混合搅拌
将普通硅酸盐水泥和石英砂混合搅拌均匀，然后将步骤（1）中制备的改性粉煤灰和改性二氧化钛与自来水混合搅拌1-2h后形成料浆，再将加气剂加入到料浆中搅拌0.5-0.7分钟，再将加入有加气剂的料浆与搅拌均匀的普通硅酸盐水泥和石英砂混合在一起，形成混合的浆状料；
（3）浇筑入模、振动捣实、养护、脱模
将步骤（2）制得的浆状料浇筑入模，放在振动台上振实压制成型后在水中养护，养护时间不少于28d，之后拆模即可。
5.根据权利要求3所述的一种生态混凝土的制备方法，其特征在于：所述加气剂为加气混凝土发气剂的铝粉膏。
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