CN108706954B - 一种基于再生骨料的生物砖及其制备方法 - Google Patents

一种基于再生骨料的生物砖及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种基于再生骨料的生物砖制备方法，所述方法包括以下步骤：(1)按照粒径将再生骨料分级，并将不同粒径的骨料混合，得到混合骨料；(2)将步骤(1)得到的混合骨料倒入模具中，并向模具中注入胶结液，静置后得到所述基于再生骨料的生物砖。所述生物砖强度高、吸水率低且抵抗温度变化的能力强，适用于环境恶劣的工作环境。所述制备方法工艺简单、节约资源、环境友好，对于建筑垃圾的减量化、建筑业的可持续发展以及节约型社会的构建具有重要意义。

Description

一种基于再生骨料的生物砖及其制备方法
技术领域
本发明属于环保材料领域，涉及一种生物砖，尤其涉及一种基于再生骨料的生物砖及其制备方法。
背景技术
据粗略统计，截至2017年，我国建筑废弃物已达20亿吨，成为世界上建筑废弃物产生量最多的国家，预计2020年我国新增建筑废弃物排放量将超过 30亿吨。我国建筑垃圾的数量已占到城市垃圾总量的30～40％。大部分建筑垃圾未经任何处理便被施工单位运往郊外或乡村，采用露天堆放或填埋的方式进行处理，耗用大量的征用土地费、垃圾清运等建设费用的同时，造成了严重的环境污染。目前对建筑垃圾资源化利用的有利用方式通常是将其进行破碎处理加工成再生骨料进行再生利用。目前，再生骨料主要用来部分或全部替代天然骨料配制成再生骨料混凝土。将再生骨料进一步资源化，利用微生物诱导碳酸钙沉淀技术(MICP)对再生骨料资源化途径进行重新的设计与安排，要求其符合保要求，对生态环境有益，对于建筑业的可持续发展以及节约型社会的构建具有重要意义。
随着国家对各行各业环保意识的逐渐渗透，我国原来河流治理一些做法如忽视河道两岸生态环境及景观效果，人为将自然弯曲河流直线化，模式呆板等，逐渐不符合国家标准。近几年来水利工作者在河流治理中逐渐意识到此类问题，逐渐将环保理念与景观效果应用于岸坡恢复工作中。生物砖作为传统护砌材料的换代产品，生物砖不仅可以加固堤岸，而且能恢复和美化生态环境。目前，生物砖由碎石、水泥、减水剂、酸性聚合物、化学纤维、有利于植物生长的减水剂等组成，对天然原料的消耗巨大，不利于资源的可持续利用。
CN 105875236 A公开了一种绿化生物砖，砖体由基质、辅助组分和种子层组成，种子层设于砖体至少一个外表面的内侧一定深度处。该方法的缺陷主要体现在：(1)砖体的基质部分由土壤组成，砖体的强度不够，难以适应恶劣的自然环境，容易损坏；(2)组分复杂。
发明内容
针对现有技术中存在的技术问题，本发明提供一种基于再生骨料的生物砖及其制备方法，所述生物砖强度高、吸水率低且抵抗温度变化的能力强，适用于环境恶劣的工作环境。所述制备方法工艺简单、节约资源、环境友好，对于建筑垃圾的减量化、建筑业的可持续发展以及节约型社会的构建具有重要意义。
为达上述目的，本发明采用以下技术方案：
本发明目的之一在于提供一种基于再生骨料的生物砖制备方法，所述方法包括以下步骤：
(1)按照粒径将再生骨料分级，并将不同粒径的骨料混合，得到混合骨料；
(2)将步骤(1)得到的混合骨料倒入模具中，并向模具中注入胶结液，静置后得到所述基于再生骨料的生物砖。
本发明中，使用的再生骨料为建筑垃圾中的废混凝土经破碎、筛分而制成的骨料。
作为本发明优选的技术方案，步骤(1)所述按照粒径将再生骨料分为5个级别。
作为本发明优选的技术方案，第一级骨料的粒径为31.5～40mm，不包括 31.5mm，如32mm、33mm、34mm、35mm、36mm、37mm、38mm、39mm或 40mm等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
优选地，所述混合骨料中第一级骨料的质量分数为10～20％，如10％、11％、12％、13％、14％、15％、16％、17％、18％、19％或20％等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
优选地，所述第二级骨料的粒径为20～31.5mm，不包括20mm，如21mm、 22mm、23mm、24mm、25mm、26mm、27mm、28mm、29mm、30mm、31mm 或31.5mm等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
优选地，所述混合骨料中第二级骨料的质量分数为25～35％，如25％、26％、27％、28％、29％、30％、31％、32％、33％、34％或35％等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
优选地，所述第三级骨料的粒径为5～20mm，不包括5mm，如6mm、7mm、 8mm、9mm、10mm、11mm、12mm、13mm、14mm、15mm、16mm、17mm、 18mm、19mm或20mm等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
优选地，所述混合骨料中第三级骨料的质量分数为25～35％，如25％、26％、27％、28％、29％、30％、31％、32％、33％、34％或35％等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
优选地，所述第四级骨料的粒径为2.5～5mm，不包括2.5mm，如2.6mm、 2.8mm、3mm、3.5mm、4mm、4.5mm或5mm等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
优选地，所述混合骨料中第四级骨料的质量分数为10～20％，如10％，11％、12％、13％、14％、15％、16％、17％、18％、19％或20％等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
优选地，所述第五级骨料的粒径为0.15～2.5mm，不包括0.15mm，如0.16mm、0.18mm、0.2mm、0.5mm、0.8mm、1mm、1.2mm、1.5mm、1.8mm、2mm、2.2mm 或2.5mm等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
优选地，所述混合骨料中第五级骨料的质量分数为10～20％，如10％，11％、12％、13％、14％、15％、16％、17％、18％、19％或20％等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
本发明中，对再生骨料按照粒径进行分级的意义在于合适的骨料颗粒级配有利于提高生物砖的强度以及抵抗温度变化的能力。
作为本发明优选的技术方案，步骤(2)所述胶结液为菌液以及含有氯化钙和尿素的溶液的组合物。
优选地，所述混合骨料与胶结液的质量体积比为1:(0.5～1.0)kg/L，如 1:0.5kg/L、1:0.6kg/L、1:0.7kg/L、1:0.8kg/L、1:0.9kg/L或1:1.0kg/L等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
作为本发明优选的技术方案，所述菌液的OD600值为0.5～3，其中OD600 的值可以是0.5、0.8、1、1.2、1.5、1.8、2、2.2、2.5、2.8或3等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
优选地，所述菌液为尿素酶阳性细菌的溶液。
优选地，所述菌液为尿素酶阳性细菌为巴氏芽孢杆菌。
优选地，所述含有氯化钙和尿素的溶液的浓度为0.5～2mol/L，如0.5mol/L、0.8mol/L、1mol/L、1.2mol/L、1.5mol/L、1.8mol/L或2mol/L等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
优选地，所述氯化钙与尿素的摩尔比为1:1。
本发明中，所述尿素酶阳性细菌为经尿素酶试验的测试结果为阳性，判定为含有尿素酶的细菌。
本发明中，由于一分子尿素水解生成一分子碳酸根离子，从分子利用率角度考虑，氯化钙与尿素的摩尔比最佳为1:1，但事实上氯化钙与尿素的摩尔比并不仅限于1:1，因此该优选项并非对本发明条件的唯一限定。
本发明中，所述胶结液为在菌液中尿素酶的催化下，尿素水解为铵根离子以及碳酸根离子，碳酸根离子与胶结液中钙离子反应生成碳酸钙沉淀，碳酸钙沉淀的过程中可以将骨料颗粒连接，起到粘结的作用。
作为本发明优选的技术方案，步骤(2)所述静置的时间为5～20h，如5h、 6h、7h、8h、9h、10h、11h、12h、13h、14h、15h、16h、17h、18h、19h或20h 等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
作为本发明优选的技术方案，步骤(2)所述向模具中注入生物质液以及培养液的过程重复2～6次，如2次、3次、4次、5次或6次。
作为本发明优选的技术方案，所述方法包括以下步骤：
(1)按照粒径将再生骨料分为5个级别，并将不同粒径的骨料混合，得到混合骨料；
(2)将步骤(1)得到的混合骨料倒入模具中，并向模具中注入等体积的 OD600为0.5～3的菌液以及浓度为0.5～2mol/L的氯化钙以及尿素的混合溶液，静置5～20h，注入生物质液以及培养液的过程重复2～6次，后得到所述基于再生骨料的生物砖。
本发明目的之二在于提供一种再生骨料的生物砖，所述生物砖由上述任一种制备方法制备得到。
与现有技术方案相比，本发明至少具有以下有益效果：
(1)本发明提供一种再生骨料的生物砖，所述生物砖强度高、吸水率低且抵抗温度变化的能力强，强度为8～16MPa，吸水率为1.2～3.5％和冻融循环后强度降低5～10％，适用于环境恶劣的工作环境；
(2)本发明提供一种再生骨料的生物砖的制备方法，所述制备方法工艺简单、节约资源、环境友好，对于建筑垃圾的减量化、建筑业的可持续发展以及节约型社会的构建具有重要意义。
具体实施方式
为更好地说明本发明，便于理解本发明的技术方案，本发明的典型但非限制性的实施例如下：
实施例1
本实施例提供一种基于再生骨料的生物砖制备方法，所述方法包括以下步骤：
(1)按照粒径将再生骨料分为5个级别，并将不同粒径的骨料混合，得到混合骨料；
(2)将步骤(1)得到的混合骨料倒入模具中，并向模具中注入等体积的 OD600为0.5的菌液以及浓度为0.5mol/L的氯化钙以及尿素的混合溶液，静置 20h，注入生物质液以及培养液的过程重复6次，后得到所述基于再生骨料的生物砖。
本实施例中，所述混合骨料中各级别骨料的质量分数为：第一级骨料的质量分数为10％，第二级骨料的质量分数为35％，第三级骨料的质量分数为35％，第四级骨料的质量分数为10％，第五级骨料的质量分数为10％。
实施例2
本实施例提供一种基于再生骨料的生物砖制备方法，所述方法包括以下步骤：
(1)按照粒径将再生骨料分为5个级别，并将不同粒径的骨料混合，得到混合骨料；
(2)将步骤(1)得到的混合骨料倒入模具中，并向模具中注入等体积的 OD600为3的菌液以及浓度为2mol/L的氯化钙以及尿素的混合溶液，静置6h，注入生物质液以及培养液的过程重复2次，后得到所述基于再生骨料的生物砖。
本实施例中，所述混合骨料中各级别骨料的质量分数为：第一级骨料的质量分数为20％，第二级骨料的质量分数为25％，第三级骨料的质量分数为25％，第四级骨料的质量分数为20％，第五级骨料的质量分数为10％。
实施例3
本实施例提供一种基于再生骨料的生物砖制备方法，所述方法包括以下步骤：
(1)按照粒径将再生骨料分为5个级别，并将不同粒径的骨料混合，得到混合骨料；
(2)将步骤(1)得到的混合骨料倒入模具中，并向模具中注入等体积的 OD600为1的菌液以及浓度为1mol/L的氯化钙以及尿素的混合溶液，静置15h，注入生物质液以及培养液的过程重复5次，后得到所述基于再生骨料的生物砖。
本实施例中，所述混合骨料中各级别骨料的质量分数为：第一级骨料的质量分数为15％，第二级骨料的质量分数为30％，第三级骨料的质量分数为25％，第四级骨料的质量分数为10％，第五级骨料的质量分数为20％。
实施例4
本实施例提供一种基于再生骨料的生物砖制备方法，所述方法包括以下步骤：
(1)按照粒径将再生骨料分为5个级别，并将不同粒径的骨料混合，得到混合骨料；
(2)将步骤(1)得到的混合骨料倒入模具中，并向模具中注入等体积的 OD600为2的菌液以及浓度为1.5mol/L的氯化钙以及尿素的混合溶液，静置 10h，注入生物质液以及培养液的过程重复5次，后得到所述基于再生骨料的生物砖。
本实施例中，所述混合骨料中各级别骨料的质量分数为：第一级骨料的质量分数为10％，第二级骨料的质量分数为30％，第三级骨料的质量分数为30％，第四级骨料的质量分数为15％，第五级骨料的质量分数为15％。
对比例1
本对比例中，除了直接添加与实施例4质量相等的未经筛选的再生骨料外，其他条件均与实施例4相同。
对比例2
本对比例中，除了不添加第一级骨料外，其他条件均与实施例4相同。
对比例3
本对比例中，除了不添加第二级骨料外，其他条件均与实施例4相同。
对比例4
本对比例中，除了不添加第三级骨料外，其他条件均与实施例4相同。
对比例5
本对比例中，除了不添加第四级骨料外，其他条件均与实施例4相同。
对比例6
本对比例中，除了不添加第五级骨料外，其他条件均与实施例4相同。
以上各实施例以及对比例中，尿素与氯化钙的摩尔比均为1:1，菌液为巴氏芽孢杆菌的溶液。
对实施例1-4以及对比例1-6制备得到的生物砖的强度、吸水率以及冻融循环后强度降低率进行测试，结果如表1所示。
其中，冻融循环后强度降低率的测试方法为生物块的冻融温度为-21℃～27℃，一个冻融循环的时间为24h，冻融循环次数为10次，冻融循环后强度降低率为冻融循环10次后比生物块未遭受冻融循环前的减少率。
表1
强度/MPa 吸水率/％ 强度降低率/％
实施例1 14～16 3～3.5 5～6
实施例2 13～15 3～3.2 6.5～7.5
实施例3 12～14 2.5～3.0 7.8～8.5
实施例4 12～13.5 1.9～2.7 8～8.7
对比例1 9.0～12.5 2.7～3.5 8.8～9.7
对比例2 8.5～9.2 2.0～3.0 9～9.5
对比例3 8～8.7 2.6～3.2 9.2～9.9
对比例4 10.5～11.6 2.7～3.0 9.2～9.6
对比例5 11.5～12 2.6～2.8 9.8～10.9
对比例6 12.5～13.2 2.2～2.7 9.2～9.6
从表1的数据可以看出，实施例1为对破碎后的骨料进行筛选，而对比例 2-6中未按照本发明的添加比例对各级骨料进行添加，导致制备得到生物砖的强度、吸水率以及强度降低率与实施例相比均有所下降。
申请人声明，本发明通过上述实施例来说明本发明的详细结构特征，但本发明并不局限于上述详细结构特征，即不意味着本发明必须依赖上述详细结构特征才能实施。所属技术领域的技术人员应该明了，对本发明的任何改进，对本发明所选用部件的等效替换以及辅助部件的增加、具体方式的选择等，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。
以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。
另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。
此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。

Claims (12)

1.一种基于再生骨料的生物砖制备方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
(1)按照粒径将再生骨料分级，并将不同粒径的骨料混合，得到混合骨料；
(2)将步骤(1)得到的混合骨料倒入模具中，并向模具中注入胶结液，静置后得到所述基于再生骨料的生物砖；
步骤(1)所述按照粒径将再生骨料分为5个级别；
第一级骨料的粒径为31.5～40mm，不包括31.5mm；
所述混合骨料中第一级骨料的质量分数为10～20％；
第二级骨料的粒径为20～31.5mm，不包括20mm；
所述混合骨料中第二级骨料的质量分数为25～35％；
第三级骨料的粒径为5～20mm，不包括5mm；
所述混合骨料中第三级骨料的质量分数为25～35％；
第四级骨料的粒径为2.5～5mm，不包括2.5mm；
所述混合骨料中第四级骨料的质量分数为10～20％；
第五级骨料的粒径为0.15～2.5mm，不包括0.15mm；
所述混合骨料中第五级骨料的质量分数为10～20％；
步骤(2)所述胶结液为菌液以及含有氯化钙和尿素的溶液的组合物。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述菌液与含有氯化钙和尿素的溶液的体积相等。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述混合骨料与胶结液的质量体积比为1:(0.5～1)kg/L。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述菌液的OD600值为0.5～3。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述菌液为尿素酶阳性细菌的溶液。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述菌液为尿素酶阳性细菌为巴氏芽孢杆菌。
7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述含有氯化钙和尿素的溶液的浓度为0.5～2mol/L。
8.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述氯化钙与尿素的摩尔比为1:1。
9.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)所述静置的时间为5～20h。
10.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)所述向模具中注入生物质液以及培养液的过程重复2～6次。
11.根据权利要求1-10任一项所述的制备方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
(1)按照粒径将再生骨料分为5个级别，并将不同粒径的骨料混合，得到混合骨料；
(2)将步骤(1)得到的混合骨料倒入模具中，并向模具中注入等体积的OD600为0.5～3的菌液以及浓度为0.5～2mol/L的氯化钙以及尿素的混合溶液，静置5～20h，注入生物质液以及培养液的过程重复2～6次，后得到所述基于再生骨料的生物砖。
12.一种基于再生骨料的生物砖，其特征在于，所述生物砖由权利要求1-11任一项所述的制备方法制备得到。
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