CN108863212B - 自净化植生型透水护坡材料及其制备方法 - Google Patents

自净化植生型透水护坡材料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

一种自净化植生型透水护坡材料及其制备方法，所述自净化植生型透水护坡材料包括自净化植生型透水混凝土基础层和光催化剂喷涂层，其中，所述自净化植生型透水混凝土基础层包括硅酸盐‑钛盐浆液、水泥增强剂以及活性多孔材料；所述光催化剂喷涂层喷涂于所述自净化植生型透水混凝土基础层上，所述光催化剂喷涂层的量为2.0～7.0L/m2。本发明的自净化植生型透水护坡材料可降解江河水中有机污染物、隔绝或降低水中重金属渗透土壤进入地下水，且强度高、适宜植物生长。

Description

自净化植生型透水护坡材料及其制备方法
技术领域
本发明属于土木工程材料技术领域，具体涉及一种自净化植生型透水护坡材料及其制备方法。
背景技术
长期以来，由于过分强调江河堤岸抗水流、风浪侵袭和冲刷，普遍采用各类硬质护坡方式。这类护坡方式在满足护坡功能性要求的同时，隔绝了土壤与水体之间的物质交换，破坏了江河岸区原有的生态系统，造成生物多样性下降，导致护坡生态功能缺失，水体自净功能下降甚至完全丧失。
随着社会经济发展和生活水平的提高，人类环保意识的增强，人类对与生活息息相关的水质和江河堤岸生态系统提出了更高的要求。因此，生态护坡概念应运而生。生态护坡是在保证边坡稳定性的前提下，构建一个包括植物、动物及微生物在内的完整的、健康的、动态的生态系统，并不断地进行自我组织和修复，实现边坡稳定性和景观生态性的有效统一。江河生态护坡建设不仅保证了边坡结构具有抗冲刷能力，还恢复江河边坡原有的自然生态系统，促使人类和自然生态环境的和谐发展。
植生型透水护坡材料作为生态护坡的主要实施形式，开展了大量研究，国内外企业和研究单位也提出了大量的制备方法。目前普遍采用添加添加剂提高植生型透水护坡材料的抗压强度，通过添加硅石粉、粉煤灰或喷洒硫酸亚铁溶液等方法降低混凝土内部碱含量，但仍然存在强度不足或透水性较差、硫酸亚铁溶液利用效率低等问题。此外，对于植生型透水护坡材料的研究主要集中在透水性、力学强度、降低混凝土内部碱含量等方面，对江河中重金属、BOD、COD超标水质经植生型透水护坡材料渗透至土壤中，对土壤和地下水污染研究较少。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种自净化植生型透水护坡材料及其制备方法，以便解决上述问题的至少之一。
本发明是通过如下技术方案实现的：
作为本发明的一个方面，提供一种自净化植生型透水护坡材料，包括：自净化植生型透水混凝土基础层，包括硅酸盐-钛盐浆液、水泥增强剂以及活性多孔材料；以及光催化剂喷涂层，其喷涂于所述自净化植生型透水混凝土基础层上，其中，所述光催化剂喷涂层的量为2.0～7.0L/m2。
优选地，所述水泥增强剂为煤矸石粉末、粉煤灰、二氧化硅粉和三乙醇胺的混合物，其中，各原料的质量分数为：煤矸石粉末20.65～50.05％，粉煤灰25.12～35.78％，二氧化硅粉10.25～30.22％，三乙醇胺1.33～9.05％。
优选地，所述水泥增强剂为膨润土、萘磺酸甲醛缩合物钠盐、活性二氧化硅粉、有机硅消泡剂、聚乙烯醇改性树脂和丙烯酰胺改性树脂的混合物，其中，各原料的质量分数为：膨润土30.05～40.15％，萘磺酸甲醛缩合物钠盐10.15～18.95％，活性二氧化硅粉20.05～35.45％，有机硅消泡剂 2.52～6.06％，聚乙烯醇改性树脂3.05～4.85％，丙烯酰胺改性树脂 3.05～4.85％。
优选地，所述多孔材料为经除积碳和活化改性的工业失效分子筛催化剂、沸石分子筛或活化改性的活性炭。
优选地，所述硅酸盐-钛盐浆液的制备方法为：以硫酸钛为二氧化钛前驱体，以六偏磷酸钠为分散剂，以硅酸钠为硅酸盐加水搅拌形成。
优选地，所述光催化剂喷涂层为HG-FDN型减水剂和光催化剂制备的二氧化钛分散液，所述光催化剂为掺杂CuO的锐钛矿型纳米二氧化钛或掺杂Fe3O4的锐钛矿纳米二氧化钛。
优选地，所述自净化植生型透水混凝土基础层还包括硅酸盐水泥、水、 HG-FDN型减水剂、纤维以及骨料。
优选地，所述硅酸盐水泥强度等级为42.5；所述骨料为粒径为9～16mm 的花岗岩碎石、鹅卵石碎石或玄武岩碎石。
优选地，所述纤维为长度为6～20mm的玻璃纤维或聚丙烯纤维。
作为本发明的另一个方面，提供前述自净化植生型透水护坡材料的制备方法，包括以下步骤：(1)将硅酸盐水泥、水、HG-FDN型减水剂和水泥增强剂以及纤维预搅拌，然后加入骨料和硅酸盐-钛盐浆液，搅拌均匀后，再加入活性多孔材料，充分搅拌，形成自净化植生型透水混凝土基础层； (2)用HG-FDN型减水剂分散剂和光催化剂制备质量浓度为3.0～9g/L 的二氧化钛分散液，然后将二氧化钛分散液喷涂于步骤(1)制备的自净化植生型透水混凝土基础层，控制分散液的量为2.0～7.0L/m2，得到自净化植生型透水护坡材料。
从上述技术方案可以看出，本发明的自净化植生型透水护坡材料及其制备方法具有以下有益效果：
(1)本发明的自净化植生型透水护坡材料提高了河道自净化能力，可在江河护坡上使用；
(2)本发明的自净化植生型透水护坡材料克服了现有植生型透水护坡材料不能吸附江河污水重金属的缺点，杜绝或降低了江河污水中重金属经透水护坡渗入土壤和地下水；
(3)本发明的自净化植生型透水护坡材料制备方法基础层采用原位复合反应的方法将纤维与硅酸盐-钙盐-二氧化钛复合物质有机结合形成力学网络，相比直接添加纤维和二氧化硅和二氧化钛，不仅能更有利于提高植生型透水性混凝土的力学强度，而且更有利于降低混凝土中碱含量；
(4)本发明的自净化植生型透水护坡材料制备方法，在制备可自净化植生型透水护坡材料的搅拌后期添加多孔材料，提高了基础层表面的比表面积，相应增加了光催化剂喷涂的保有量和深度，因此显著提高光催化剂催化效果的长效性。
附图说明
图1为本发明实施例中自净化植生型透水护坡材料的结构示意图；
图2为本发明实施例中自净化植生型透水护坡材料铺装结构示意图；
【附图元件说明】
1-自净化植生型透水混凝土基础层； 2-光催化剂喷涂层；
3-骨料； 4-加固隔板；
5-盲管。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。
本发明提供一种自净化植生型透水护坡材料及其制备方法，所述自净化植生型透水护坡材料包括自净化植生型透水混凝土基础层和光催化剂喷涂层，其中，所述自净化植生型透水混凝土基础层包括硅酸盐-钛盐浆液、水泥增强剂以及活性多孔材料；所述光催化剂喷涂层喷涂于所述自净化植生型透水混凝土基础层上，所述光催化剂喷涂层的量为2.0～7.0L/m2。本发明的自净化植生型透水护坡材料可降解江河水中有机污染物、隔绝或降低水中重金属渗透土壤进入地下水，且强度高、适宜植物生长。
具体地，作为本发明的一个方面，提供一种自净化植生型透水护坡材料。图1为本发明实施例中自净化植生型透水护坡材料的结构示意图。图 2为本发明实施例中自净化植生型透水护坡材料铺装结构示意图。如图1、图2所示，自净化植生型透水护坡材料包括：自净化植生型透水混凝土基础层1，包括硅酸盐-钛盐浆液、水泥增强剂以及活性多孔材料；以及光催化剂喷涂层2，其喷涂于所述自净化植生型透水混凝土基础层1上，其中，所述光催化剂喷涂层的量为2.0～7.0L/m2。
所述水泥增强剂为煤矸石粉末、粉煤灰、二氧化硅粉和三乙醇胺的混合物，其中，各原料的质量分数为：煤矸石粉末20.65～50.05％，粉煤灰 25.12～35.78％，二氧化硅粉10.25～30.22％，三乙醇胺1.33～9.05％。
所述水泥增强剂为膨润土、萘磺酸甲醛缩合物钠盐、活性二氧化硅粉、有机硅消泡剂、聚乙烯醇改性树脂和丙烯酰胺改性树脂的混合物，其中，各原料的质量分数为：膨润土30.05～40.15％，萘磺酸甲醛缩合物钠盐 10.15～18.95％，活性二氧化硅粉20.05～35.45％，有机硅消泡剂2.52～6.06％，聚乙烯醇改性树脂3.05～4.85％，丙烯酰胺改性树脂3.05～4.85％。
所述多孔材料为经除积碳和活化改性的工业失效分子筛催化剂、沸石分子筛或活化改性的活性炭。
所述硅酸盐-钛盐浆液的制备方法为：以硫酸钛为二氧化钛前驱体，以六偏磷酸钠为分散剂，以硅酸钠为硅酸盐加水搅拌形成。
所述光催化剂喷涂层为HG-FDN型减水剂和光催化剂制备的二氧化钛分散液，所述光催化剂为掺杂CuO的锐钛矿型纳米二氧化钛或掺杂 Fe3O4的锐钛矿纳米二氧化钛。
所述自净化植生型透水混凝土基础层还包括硅酸盐水泥、水、HG-FDN 型减水剂、纤维以及骨料3。
所述硅酸盐水泥强度等级为42.5；所述骨料为粒径为9～16mm的花岗岩碎石、鹅卵石碎石或玄武岩碎石。
所述纤维为长度为6～20mm的玻璃纤维或聚丙烯纤维。
作为本发明的另一个方面，提供前述自净化植生型透水护坡材料的制备方法，包括以下步骤：(1)将硅酸盐水泥、水、HG-FDN型减水剂和水泥增强剂以及纤维预搅拌，然后加入骨料和硅酸盐-钛盐浆液，搅拌均匀后，再加入活性多孔材料，充分搅拌，形成自净化植生型透水混凝土基础层； (2)用HG-FDN型减水剂分散剂和光催化剂制备质量浓度为3.0～9g/L 的二氧化钛分散液，然后将二氧化钛分散液喷涂于步骤(1)制备的自净化植生型透水混凝土基础层，控制分散液的量为2.0～7.0L/m2，得到自净化植生型透水护坡材料。
以下结合具体实施例和附图，对本发明自净化植生型透水护坡材料的制备方法作进一步的详细说明。
实施例1
本实施例的可自净化植生型透水护坡材料的制备过程及配方如下：
第一步，制备可自净化植生型透水混凝土基础层
先将强度等级42.5的硅酸盐水泥、水、HG-FDN型减水剂和水泥增强剂、玻璃纤维进行预搅拌，然后加入玄武岩碎石骨料和硅酸盐-钛盐浆液，再次搅拌。当搅拌均匀后，再加入介孔活性分子筛，通过充分搅拌，形成可自净化植生型透水混凝土基础层。
其中水泥增强剂为煤矸石粉末、粉煤灰、二氧化硅粉和三乙醇胺的混合物，其各项原料质量分数为：煤矸石粉末41.67％，粉煤灰27.78％，二氧化硅粉22.22％，三乙醇胺8.33％。
其中硅酸盐-钛盐浆液制备方法为以硫酸钛为二氧化钛前驱体，以六偏磷酸钠为分散剂，以硅酸钠为硅酸盐，通过加水搅拌形成。
可自净化植生型透水混凝土基础层制备各项原料质量分数为：硅酸盐水泥15.55％，玄武岩碎石74.48％，减水剂1.25％，水5.57％，硅酸盐0.55％，钛酸盐0.55％，六偏磷酸钠0.05％，水泥增强剂0.34％，玻璃纤维0.32％，介孔活性分子筛1.34％。
第二步，光催化剂喷涂层
基础层养护3天后，以HG-FDN型减水剂为分散剂，以掺杂CUO的锐钛矿型纳米二氧化钛为光催化剂，制备质量浓度为5.0g/L的二氧化钛分散液，然后以喷涂的方式将二氧化钛分散液喷涂于基础层表面，控制分散液的喷量为3.0L/m2，形成光催化喷涂层。
实施例2
本实施例的可自净化植生型透水护坡材料的制备过程及配方如下：
第一步，制备可自净化植生型透水混凝土基础层
先将强度等级42.5的硅酸盐水泥、水、HG-FDN型减水剂和水泥增强剂、聚丙烯纤维进行预搅拌，然后加入花岗岩碎石骨料和硅酸盐-钛盐浆液，再次搅拌。当搅拌均匀后，再加入沸石分子筛，通过充分搅拌，形成可自净化植生型透水混凝土基础层。
其中水泥增强剂为膨润土、萘磺酸甲醛缩合物钠盐、活性二氧化硅粉、有机硅消泡剂、聚乙烯醇改性树脂和丙烯酰胺改性树脂的混合物，其各项原料质量分数为：膨润土39.49％，萘磺酸甲醛缩合物钠盐15.80％，活性二氧化硅粉31.60％，有机硅消泡剂5.21％，聚乙烯醇改性树脂3.95％，丙烯酰胺改性树脂3.95％。
其中硅酸盐-钛盐浆液制备方法为以硫酸钛为二氧化钛前驱体，以六偏磷酸钠为分散剂，以偏硅酸钠为硅酸盐，通过加水搅拌形成。
可自净化植生型透水混凝土基础层制备各项原料质量分数为：硅酸盐水泥15.89％，花岗岩碎石74.22％，减水剂1.11％，水5.60％，硅酸盐0.72％，钛酸盐0.72％，六偏磷酸钠0.07％，水泥增强剂0.57％，聚丙烯纤维0.55％，沸石分子筛0.55％。
第二步，光催化剂喷涂层
基础层养护3天后，以HG-FDN型减水剂为分散剂，以掺杂Fe3O4的锐钛矿型纳米二氧化钛为光催化剂，制备质量浓度为7.0g/L的二氧化钛分散液，然后以喷涂的方式将二氧化钛分散液喷涂于基础层表面，控制分散液的喷量为5.0L/m2，形成光催化喷涂层。
实施例3
本实施例的可自净化植生型透水护坡材料的制备过程及配方如下：
第一步，制备可自净化植生型透水混凝土基础层
先将强度等级42.5的硅酸盐水泥、水、HG-FDN型减水剂和水泥增强剂、玻璃纤维进行预搅拌，然后加入鹅卵石碎石骨料和硅酸盐-钛盐浆液，再次搅拌。当搅拌均匀后，再加入经除积碳、活化改性的工业失效分子筛催化剂，通过充分搅拌，形成可自净化植生型透水混凝土基础层。
其中水泥增强剂为煤矸石粉末、粉煤灰、二氧化硅粉和三乙醇胺的混合物，其各项原料质量分数为：煤矸石粉末39.78％，粉煤灰33.35％，二氧化硅粉22.88％，三乙醇胺3.99％。
其中硅酸盐-钛盐浆液制备方法为以硫酸钛为二氧化钛前驱体，以六偏磷酸钠为分散剂，以偏硅酸钠为硅酸盐，通过加水搅拌形成。
可自净化植生型透水混凝土基础层制备各项原料质量分数为：硅酸盐水泥16.05％，鹅卵石碎石73.83％，减水剂1.05％，水5.26％，硅酸盐0.35％，钛酸盐0.35％，六偏磷酸钠0.08％，水泥增强剂0.26％，玻璃纤维0.32％，活化改性的工业失效分子筛催化剂2.45％。
第二步，光催化剂喷涂层
基础层养护3天后，以HG-FDN型减水剂为分散剂，以掺杂Fe3O4的锐钛矿型纳米二氧化钛为光催化剂，制备质量浓度为6.0g/L的二氧化钛分散液，然后以喷涂的方式将二氧化钛分散液喷涂于基础层表面，控制分散液的喷量为4.5L/m2，形成光催化喷涂层。
实施例4
本实施例的可自净化植生型透水护坡材料的制备过程及配方如下：
第一步，制备可自净化植生型透水混凝土基础层
先将强度等级42.5的硅酸盐水泥、水、HG-FDN型减水剂和水泥增强剂、聚丙烯纤维进行预搅拌，然后加入玄武岩碎石骨料和硅酸盐-钛盐浆液，再次搅拌。当搅拌均匀后，再加入活化改性的活性炭，通过充分搅拌，形成可自净化植生型透水混凝土基础层。
其中水泥增强剂为膨润土、萘磺酸甲醛缩合物钠盐、活性二氧化硅粉、有机硅消泡剂、聚乙烯醇改性树脂和丙烯酰胺改性树脂的混合物，其各项原料质量分数为：膨润土37.35％，萘磺酸甲醛缩合物钠盐16.67％，活性二氧化硅粉30.68％，有机硅消泡剂5.56％，聚乙烯醇改性树脂4.87％，丙烯酰胺改性树脂4.87％。
其中硅酸盐-钛盐浆液制备方法为以硫酸钛为二氧化钛前驱体，以六偏磷酸钠为分散剂，以硅酸钠为硅酸盐，通过加水搅拌形成。
可自净化植生型透水混凝土基础层制备各项原料质量分数为：硅酸盐水泥15.48％，玄武岩碎石74.02％，减水剂1.25％，水5.37％，硅酸盐0.45％，钛酸盐0.45％，六偏磷酸钠0.08％，水泥增强剂1.35％，玻璃纤维0.50％，活化改性的活性炭1.05％。
第二步，光催化剂喷涂层
基础层养护3天后，以HG-FDN型减水剂为分散剂，以掺杂CUO的锐钛矿型纳米二氧化钛为光催化剂，制备质量浓度为9.0g/L的二氧化钛分散液，然后以喷涂的方式将二氧化钛分散液喷涂于基础层表面，控制分散液的喷量为6.5L/m2，形成光催化喷涂层。
对比例1
制备步骤同实施例1第一步，区别之处仅在于不包含第二步。
对比例2
制备步骤同实施例2中第一步和第二步，区别之处仅在于第一步制备过程中不添加硅酸盐-钛盐浆液。
对比例3
制备步骤同实施例3中第一步和第二步，区别之处仅在于第一步制备过程中不添加水泥增强剂和活化改性的工业失效分子筛催化剂。
性能检测
透水率
将可自净化植生型透水护坡材料样品制成近似100mm×100mm的正方形试件，并将试件放入截面100mm×100mm上下开口的带刻度有机玻璃容器中，然后采用蜡将容器与试件之间的空隙填充密封。向容器内注水至180mm，当水位下降至160mm时，开始计时，记录时间t1内水位下降高度h1(mm)，则透水系数即为T＝h1/t1。
抗压强度
抗压强度检测参考GB T0553-05中普通水泥混凝土立方体抗压强度试验方法进行。抗压强度计算公式f＝F/A，式中f为混凝土立方体抗压强度 (MPa)，F为破坏荷载(N)，A为试件承压面积(mm2)。
BOD、COD降解效率
分别向2个自制的有机玻璃光催化反应器中加入一定BOD、COD值的河水，再向其中一个光催化反应器中加入100mm×100mm的正方形试件，经光催化反应8小时后，再分别测量2个光催化反应器中河水的BOD、 COD值，通过计算获得试件的BOD、COD降解效率。
孔隙内碱度
采用碱度释放法进行测定，具体步骤为在直径200mm的水桶中加入 5.8kg水，将100mm×100mm试件放入水桶中，水超过试件的表面，待浸泡24h后，采用PHS-3C型精密PH计测量浸泡水的PH值。
重金属吸附效率
采用测透水率方法和有机玻璃容器，在测透水率的同时，通过ICP-MS 测量分别测量加入有机玻璃容器的水的镉浓度和透过试件后的水中镉浓度，通过计算获得试件重金属吸附效率。
在试件28天养护后，通过测试分析，实施例1～4和对比例1～3的性能测试数据如表1所示。
表1可自净化植生型护坡材料试件性能测试数据
Figure BDA0001676726540000091
综上所述，本发明的自净化植生型透水护坡材料可降解江河水中有机污染物、隔绝或降低水中重金属渗透土壤进入地下水，且强度高、适宜植物生长。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种自净化植生型透水护坡材料，其特征在于，包括：
自净化植生型透水混凝土基础层，包括硅酸盐-钛盐浆液、水泥增强剂以及活性多孔材料，所述多孔材料为经除积碳和活化改性的工业失效分子筛催化剂、沸石分子筛或活化改性的活性碳；以及
光催化剂喷涂层，其喷涂于所述自净化植生型透水混凝土基础层上，其中，所述光催化剂喷涂层的用量为2.0～7.0L/m2。
2.根据权利要求1所述的自净化植生型透水护坡材料，其特征在于，所述水泥增强剂为煤矸石粉末、粉煤灰、二氧化硅粉和三乙醇胺的混合物，其中，各原料的质量分数为：煤矸石粉末20.65～50.05％，粉煤灰25.12～35.78％，二氧化硅粉10.25～30.22％，三乙醇胺1.33～9.05％。
3.根据权利要求1所述的自净化植生型透水护坡材料，其特征在于，所述水泥增强剂为膨润土、萘磺酸甲醛缩合物钠盐、活性二氧化硅粉、有机硅消泡剂、聚乙烯醇改性树脂和丙烯酰胺改性树脂的混合物，其中，各原料的质量分数为：膨润土30.05～40.15％，萘磺酸甲醛缩合物钠盐10.15～18.95％，活性二氧化硅粉20.05～35.45％，有机硅消泡剂2.52～6.06％，聚乙烯醇改性树脂3.05～4.85％，丙烯酰胺改性树脂3.05～4.85％。
4.根据权利要求1所述的自净化植生型透水护坡材料，其特征在于，所述硅酸盐-钛盐浆液的制备方法为：以硫酸钛为二氧化钛前驱体，以六偏磷酸钠为分散剂，以硅酸钠为硅酸盐加水搅拌形成。
5.根据权利要求1所述的自净化植生型透水护坡材料，其特征在于，所述光催化剂喷涂层为HG-FDN型减水剂和光催化剂制备的二氧化钛分散液，所述光催化剂为掺杂CuO的锐钛矿型纳米二氧化钛或掺杂Fe3O4的锐钛矿纳米二氧化钛。
6.根据权利要求1所述的自净化植生型透水护坡材料，其特征在于，所述自净化植生型透水混凝土基础层还包括硅酸盐水泥、水、HG-FDN型减水剂、纤维以及骨料。
7.根据权利要求6所述的自净化植生型透水护坡材料，其特征在于，所述硅酸盐水泥强度等级为42.5；所述骨料为粒径为9～16mm的花岗岩碎石、鹅卵石碎石或玄武岩碎石。
8.根据权利要求6所述的自净化植生型透水护坡材料，其特征在于，所述纤维为长度为6～20mm的玻璃纤维或聚丙烯纤维。
9.一种权利要求1～8任一项所述的自净化植生型透水护坡材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将硅酸盐水泥、水、HG-FDN型减水剂和水泥增强剂以及纤维预搅拌，然后加入骨料和硅酸盐-钛盐浆液，搅拌均匀后，再加入活性多孔材料，充分搅拌，形成自净化植生型透水混凝土基础层；
(2)用HG-FDN型减水剂分散剂和光催化剂制备质量浓度为3.0～9g/L的二氧化钛分散液，然后将二氧化钛分散液喷涂于步骤(1)制备的自净化植生型透水混凝土基础层，控制分散液的量为2.0～7.0L/m2，得到自净化植生型透水护坡材料。
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