CN109001014B - 一种高压微生物固土空心砖批量高效成型方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高压微生物固土空心砖批量高效成型方法，步骤如下：1)准备好模具需要的材料；2)组装带孔洞的有机玻璃板；3)裁剪出土工布Ⅰ，将土工布Ⅰ放置在空心砖模型腔单元内；4)在模型腔内安装PVC管道；5)往土工布Ⅰ围成的空腔中添砂土；6)往试件模具中浇入配置好的细菌；7)将并排两个或四个润湿后的试件模具摆放在密封反应箱内；8)使多层模具组浸泡在化学溶液中，并处于2个标准大气压的压力下；9)待反应3天后形成生物固土空心砖。相比传统的空心砖，本发明的高压微生物固土批量高效成型的空心砖，不需要高温烧结成型，减少了空气污染，保护了环境，本方法为生态环保型方法。

Description

一种高压微生物固土空心砖批量高效成型方法

技术领域

本发明涉及一种空心砖成型方法，尤其涉及一种高压微生物固土空心砖批量高效成型方法。

背景技术

我国正处于经济高速发展时期，对建设用地的需求不断扩大，需要更多的基础设施建设来满足人们的生产和生活需求，而当今建设用地资源十分有限，这需要对不能满足工程需求的土地或沙地加以固化和改良。传统的土壤改良方法，往往需要添加一系列有污染性的化学成分，可能带来水质污染问题甚至影响人体健康。

项目组所在的科研团队正在研究新型环境友好的土壤和砂地加固技术，利用自然界广泛存在的生物矿化过程的一种，微生物诱导碳酸钙沉淀法，即根据尿素水解微生物诱导碳酸钙沉淀机理，从生物反应物(尿素、NH₄ ⁺、Ca²⁺钙离子浓度)、催化剂(细菌和脲酶浓度)和反应浓度(PH值和温度)对尿素进行水解，在土壤和砂地中产生碳酸钙沉淀，进而对土壤和砂地进行固化，此方法也称为生物固土法。

由于微生物诱导碳酸钙沉淀法机理简单，快速高效，容易控制，环境耐候性好，项目组所在的科研团队正设想将这一技术应用于建筑材料中，即通过这种方法来生产修建房屋需要的砖块或砌块。根据人类生产和科学研究的规律，在进行实际工程应用前需对新型产品进行大量的力学性能测试，如对微生物固土空心砖进行力学性能的测试，为将这一技术进行实际应用提供基础数据和科学依据，以确保基础设施和房屋的安全可靠。

当前中国建筑工程中大量采用的水泥和烧结页岩实心砖和空心砖，由于在原材料提取、产品生产、构件加工成型过程中，需要以破坏地球地表自然环境资源为代价，并在生产过程中产生大量烟尘粉末，消耗大量的高温能量，严重污染了环境。如何利用微生物固土的原理快速将空心砖生产出来，一直是困扰科研工作者的一个难题，基于此，设计了一种微生物固土的空心砖成型方法，为后期科研试验奠定基础。

发明内容

针对上述现有技术中存在的不足之处，本发明提供了一种不需要高温烧结成型，减少空气污染，保护环境的高压微生物固土空心砖批量高效成型方法。

为了解决上述技术问题，本发明采用了如下技术方案：

一种高压微生物固土空心砖批量高效成型方法，该方法包括如下步骤：

1)准备好模具需要的材料：准备纵向侧板、底板、端板、纵向侧板定位板、端板定位板和隔板；所述纵向侧板、底板、端板、纵向侧板定位板、端板定位板和隔板均为带有孔洞的有机玻璃板，所述有机玻璃板上的孔洞错位排列；所述纵向侧板开有隔板插槽；

2)组装带孔洞的有机玻璃板：

2.1)将两个纵向侧板定位板和两个端板定位板平行放置在底板上并分别靠近底板的四侧，两个纵向侧板定位板和两个端板定位板分别通过底板支撑螺栓和螺母固定在底板上；

2.2)两个纵向侧板分别竖直放置在底板上，并分别靠在两个纵向侧板定位板的内侧，两个纵向侧板上的隔板插槽竖直对应，隔板竖直放置在底板上，隔板的两端插入对应的纵向侧板上的隔板插槽内；两个端板竖直放置在底板上，并分别靠在两个端板定位板的内侧，两个端板压着两个纵向侧板的端部；

2.3)两根纵向螺杆分别位于两个纵向侧板的外侧，两根纵向螺杆的两端分别穿过两个端板，两根纵向螺杆的两端上分别拧紧螺母，通过拧紧螺母使两个端板压紧两个纵向侧板；通过隔板将底板上的空间分割为多个独立的空心砖模型腔单元；

3)按照独立的空心砖模型腔单元的尺寸裁剪出土工布Ⅰ，将裁剪好的土工布Ⅰ缝制好除顶盖以外的接缝，并放置在空心砖模型腔单元内；

4)PVC管道的安装：先在两个纵向侧板上分别设置与每个空心砖模型腔单元内的空心砖的孔道的位置和大小对应的多个安装孔，同时在土工布Ⅰ上与纵向侧板上的安装孔对应部位设置通孔；在PVC管道的管壁上均布设置多个小洞，裁剪土工布Ⅱ和精细缝制，将整个PVC管道四周封闭；再将PVC管道分别安装在各个空心砖模型腔单元内，PVC管道的两端分别穿过对应的通孔和安装孔，同时在PVC管道中再放入小的排气管；

5)往土工布Ⅰ围成的空腔中添砂土，最后缝制土工布Ⅰ的顶盖，此时试件模具制作完成；

6)往试件模具中浇入配置好的细菌，等细菌将整个砂土全部浇透润湿；

7)将并排两个或四个润湿后的试件模具摆放在密封反应箱内，组成第一层模具组，再在第一层模具组的上部设置一大块平整的支撑第二层模具组的第一层有机玻璃板，第一层有机玻璃板通过四角设置的螺杆支座支撑在下方的底板上，第一层有机玻璃板与下方的第一层模具组之间形成一定的间距；

然后在第一层有机玻璃板上放置第二层模具组，在第二层模具组的上部设置第二层有机玻璃板；以此类推，根据实际情况设置多层的模具组；

8)密封反应箱的箱体一侧壁下部设置导气孔，密封反应箱的箱体一侧壁顶部设置加压孔，密封反应箱的箱体另一侧壁顶部设置泄压孔，密封反应箱的箱体顶面沿着四周方向设置密封条，密封反应箱的箱盖的前侧和左右两侧分别设置上锁紧板，密封反应箱的箱体顶部的前侧和左右两侧分别设置与上锁紧板一一对应的下锁紧板；将排气管通过橡胶管与气泵连接，向密封反应箱内注入化学溶液，使多层模具组浸泡在化学溶液中，通过气泵向PVC管道内通入空气，同时通过导气孔向化学溶液中导入空气以增加氧气成份，能达到提高催化剂和营养液的反应速度的目的；通过密封反应箱侧壁顶部的加压孔向密封反应箱内注入高压气体，使密封反应箱内处于2个标准大气压的压力；化学溶液由氯化铵、营养液、碳酸氢钙、尿素和氯化钙混合而成，pH值为6.0，所述氯化铵、营养液、碳酸氢钙、尿素和氯化钙的重量比例为1001：302：214：8998：22042；

9)待反应3天后，每个空心砖模型腔单元内的土工布Ⅰ内形成空心砖，空心砖在砂土内部形成大量的碳酸钙，将试件从反应液中取出，松开两根纵向螺杆，松动后将纵向侧板、端板、隔板和PVC管道取出，拆开土工布Ⅰ便可获得成型后表面平整，内部质地均匀，强度高的生物固土空心砖。

作为本发明的一种优选方案，所述底板支撑螺栓穿过底板的两侧均旋套有螺母，所述螺杆支座穿过对应层的有机玻璃板的两侧以及螺杆支座的底部均旋套有螺母。

作为本发明的另一种优选方案，所述纵向螺杆、底板支撑螺栓、螺杆支座和螺母均缠绕防水的塑料纸或水胶带。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

1、相比传统的空心砖，本发明的高压微生物固土批量成型的空心砖，不需要高温烧结成型，减少了空气污染，保护了环境，本方法为生态环保型方法。

2、在有机玻璃中设置了很多孔洞，方便营养液在模具中通过土工布渗透到泥沙土中，产生大量CaCO₃，固土效果良好。

3、在砖的核心区域中设置PVC管道及相应的小孔，能很好地将空气输送至生物砖的内部核心区域，可以使反应更加充分。

4、通过改变PVC管道的大小和数量，可控制微生物固土空心砖的强度和孔隙率，便于后期中进行相应的理论和试验研究。

5、通过高压(压强为两个标准大气压)的装置，能加速营养液快速渗透到泥沙的内部，加快了反应速度，减少了反应的时间，由传统的七天反应时间降低为三天，能使细菌和营养液快速反应生成强度很高的CaCO₃，高压条件下生产制作的空心砖块体强度能达到非高压条件下的1.2倍，反应效果良好。

6、通过使用本发明的化学溶液的配比：氯化铵(10.01g/L),营养液(3.02g/L)，碳酸氢钙(2.14g/L)，尿素(89.98g/L)，氯化钙(220.42g/L)，pH值为6.0，能使细菌和营养液快速反应，有效地利用了CO₃ ^2-离子和Ca²⁺钙离子。

7、通过螺杆和螺母将有机玻璃片连接，可实现灵活安装、成型可靠，在密封反应箱内的试件成型后，能快速方便拆卸模具，对新成型的试件没有影响。

8、在有机玻璃中设置小孔，可根据试验需要灵活修改模型的尺寸。

9、利用有机玻璃表面的平整度和孔洞的良好的透水性，化学反应后成型的空心砖试件棱角分明、表面平整度高、质地均匀、力学性能稳定，便于后期进行抗弯性能测试的科研试验。

10、可根据模型的实际大小，调整模型周边的有机玻璃片的大小和螺栓的位置，有效限制四周侧板的位移；通过纵向螺杆的螺栓调节，方便提高模具的整体稳定性。

11、在纵向侧板中开槽，可有效限制模具内部的割板位置，保证了每个模型尺寸的一致性。中间割板可灵活拆卸和安装，便于提高模型的质量。

12、在模具中设置割板，可有效提高每次化学反应的模型数量，提高了模型制作的效率，大大缩短试验的周期，节省了人力和物力。根据实际情况设置多层的模具组，层与层模具组上部设置一大块平整的有机玻璃，实现批量生产，大大提高了效率。

13、利用四周的螺杆支座，可方便将输气管放置在模具底部，提高了细菌的化学反应，增加模型的强度。

14、在八个螺杆支座中，通过调整螺杆的上部螺母、中间螺母和下部螺母的位置，可实现底板水平面平衡的双控制。

15、层与层之间的分层板(即大块平整的有机玻璃板)设置有八个螺杆支座，叠放时，螺杆支座架立在下方的底板上，螺杆支座的位置根据螺母的调动，可很好实现分层板(即大块平整的有机玻璃板)平面的水平；分层板(即大块平整的有机玻璃板)的高度略高于试件模具的高度，便于营养液渗透到一层模型中产生化学反应；通过分层板(即大块平整的有机玻璃板)的分隔，避免了第二层模型组直接压在第一层模型的上方，可以实现一层和二层模型反应条件均衡，产品质量优良。

附图说明

图1为试件模具的结构示意图；

图2为纵向侧板定位板和端板定位板安装在底板上的结构示意图；

图3为PVC管道布置在矩形模型腔内的结构示意图；

图4为PVC管道的结构示意图；

图5为试件浸泡在化学溶液中的结构示意图；

图6为设置多层模具组的结构示意图；

图7为生物固土空心砖的结构示意图。

图中：1—纵向侧板；2—底板；3—端板；4—纵向侧板定位板；5—端板定位板；6—隔板；7—纵向螺杆；8—底板支撑螺栓；9—土工布Ⅰ；10—砂土；11—有机玻璃板；12—螺杆支座；13—生物固土空心砖；14—PVC管道；15—小洞；16—排气管；17—密封反应箱；18—橡胶管；19—导气孔；20—加压孔；21—泄压孔；22—密封条；23—上锁紧板；24—下锁紧板。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细地描述。

一种高压微生物固土空心砖批量高效成型方法，该方法包括如下步骤：

1)准备好模具需要的材料(如图1、2所示)：准备纵向侧板1、底板2、端板3、纵向侧板定位板4、端板定位板5和隔板6。纵向侧板1、底板2、端板3、纵向侧板定位板4、端板定位板5和隔板6均为带有孔洞的有机玻璃板，有机玻璃板上的孔洞错位排列。带有孔洞的有机玻璃板既可以通过在有机玻璃平板中钻孔获得，也可以通过购买现成有孔洞的有机玻璃，孔洞直径为5mm，孔洞间净距为2.5mm，相邻列孔洞错位排列，形成梅花形状孔洞，此外，孔洞直径和孔洞间净距也可随实际需要修改调整，纵向侧板1、底板2、端板3和隔板6的尺寸根据生物空心砖的尺寸定。纵向侧板开有隔板插槽，由于有机玻璃自身的材料特性，韧性强，开槽的深度和光滑平整度是难点，开槽深度取决于有机玻璃的厚度，深度可取为2mm，精确的定位是确保每个模具一致性的关键点，可采取用夹具将有机玻璃夹紧，借助方木块来精准定位，调整电动锯中锯片的深浅度，来回移动来实现有机玻璃的开槽。为防止其受化学物质的腐蚀，纵向螺杆7、底板支撑螺栓8、螺杆支座12和螺母均缠绕防水的塑料纸或水胶带。

2)组装带孔洞的有机玻璃板：

2.1)将两个纵向侧板定位板4和两个端板定位板5平行放置在底板2上并分别靠近底板2的四侧，两个纵向侧板定位板4和两个端板定位板5分别通过底板支撑螺栓8和螺母固定在底板2上，底板支撑螺栓8的底端凸出底板2的底部，其目的是方便试验时在底板2的下方设置供气管。在底板支撑螺栓穿过底板的两侧均旋套有螺母。

2.2)两个纵向侧板1分别竖直放置在底板2上，并分别靠在两个纵向侧板定位板4的内侧，两个纵向侧板1上的隔板插槽竖直对应，隔板6竖直放置在底板2上，隔板6的两端插入对应的纵向侧板1上的隔板插槽内。两个端板3竖直放置在底板2上，并分别靠在两个端板定位板5的内侧，两个端板3压着两个纵向侧板1的端部。

2.3)两根纵向螺杆7分别位于两个纵向侧板1的外侧，两根纵向螺杆7的两端分别穿过两个端板3，两根纵向螺杆7的两端上分别拧紧螺母，通过拧紧螺母使两个端板3压紧两个纵向侧板1；通过隔板6将底板2上的空间分割为多个独立的空心砖模型腔单元，成型后的独立的空心砖模型腔单元的内部尺寸长×宽×高为240mm×60mm×60mm，如图1所示。

3)按照独立的空心砖模型腔单元的尺寸裁剪出土工布Ⅰ，将裁剪好的土工布Ⅰ缝制好除顶盖以外的接缝，并放置在空心砖模型腔单元内。

4)PVC管道的安装，如图3所示：先在两个纵向侧板1上分别设置与每个空心砖模型腔单元内的空心砖的孔道的位置和大小对应的多个安装孔，同时在土工布Ⅰ9上与纵向侧板1上的安装孔对应部位设置通孔。为了便于在溶液中输送空气，在PVC管道14的管壁上均布设置多个小洞15，如图4所示。为了在试验时不使细砂堵塞PVC管道14的小洞15，裁剪土工布Ⅱ和精细缝制，将整个PVC管道14的四周封闭；再将PVC管道14分别安装在各个空心砖模型腔单元内，PVC管道14的两端分别穿过对应的通孔和安装孔，同时在PVC管道12中再放入小的排气管16。小洞15的目的是为了更好地渗透空气，在气泵的作用下，排气管16的空气通过PVC管道14中的小洞15，能很好地将空气输送至空心砖的内部核心区域，可以使反应更加充分。

5)往土工布Ⅰ9围成的空腔中添砂土10，最后缝制土工布Ⅰ9顶盖，此时试件模具制作完成。

6)往试件模具中浇入配置好的细菌，等细菌将整个砂土全部浇透润湿。

7)将并排两个或四个润湿后的试件模具摆放在密封反应箱17内，组成第一层模具组，再在第一层模具组的上部设置一大块平整的支撑第二层模具组的第一层有机玻璃板11，第一层有机玻璃板11通过四角设置的螺杆支座12支撑在下方的底板2上，第一层有机玻璃板与下方的第一层模具组之间形成一定的间距；螺杆支座12穿过对应层的有机玻璃板的两侧以及螺杆支座12的底部均旋套有螺母。

然后在第一层有机玻璃板上放置第二层模具组，在第二层模具组的上部设置第二层有机玻璃板；以此类推，根据实际情况设置多层的模具组，实现批量生产，大大提高了效率，如图5所示。

8)密封反应箱17的箱体一侧壁下部设置导气孔19，密封反应箱17的箱体一侧壁顶部设置加压孔20，密封反应箱17的箱体另一侧壁顶部设置泄压孔21，密封反应箱17的箱体顶面沿着四周方向设置密封条22，密封反应箱17的箱盖的前侧和左右两侧分别设置上锁紧板23，密封反应箱17的箱体顶部的前侧和左右两侧分别设置与上锁紧板23一一对应的下锁紧板24，如图6所示。在箱盖盖在箱体上时，螺栓穿过上锁紧板23和下锁紧板24并用螺母锁紧，箱盖紧紧压在箱体上，密封条22实现箱盖和箱体之间完全密封。将排气管16通过橡胶管18与气泵连接，向密封反应箱17内注入化学溶液，使多层模具组浸泡在化学溶液中，通过气泵向PVC管道14内通入空气，同时通过导气孔19向化学溶液中导入空气以增加氧气成份，能达到提高催化剂和营养液的反应速度的目的。通过密封反应箱17侧壁顶部的加压孔20向密封反应箱17内注入高压气体，使密封反应箱17内处于2个标准大气压的压力。化学溶液的配比为氯化铵(10.01g/L),营养液(3.02g/L)，碳酸氢钙(2.14g/L)，尿素(89.98g/L)，氯化钙(220.42g/L)，pH值为6.0。

9)待反应3天后，每个空心砖模型腔单元内的土工布Ⅰ9内形成空心砖，空心砖在砂土内部形成大量的碳酸钙，将试件从反应液中取出，松开两根纵向螺杆7上的螺母，松动后将纵向侧板1、端板3、隔板6和PVC管道14取出，拆开土工布Ⅰ9便可获得成型后表面平整，内部质地均匀，强度高的生物固土空心砖13。如图7所示，该生物固土空心砖13可很好地用于抗弯试验，为后期该技术的推广应用提供基础理论依据。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (3)

1.一种高压微生物固土空心砖批量高效成型方法，该方法包括如下步骤：

1)准备好模具需要的材料：准备纵向侧板、底板、端板、纵向侧板定位板、端板定位板和隔板；所述纵向侧板、底板、端板、纵向侧板定位板、端板定位板和隔板均为带有孔洞的有机玻璃板，所述有机玻璃板上的孔洞错位排列；所述纵向侧板开有隔板插槽；

2)组装带孔洞的有机玻璃板：

2.1)将两个纵向侧板定位板和两个端板定位板平行放置在底板上并分别靠近底板的四侧，两个纵向侧板定位板和两个端板定位板分别通过底板支撑螺栓和螺母固定在底板上；

2.2)两个纵向侧板分别竖直放置在底板上，并分别靠在两个纵向侧板定位板的内侧，两个纵向侧板上的隔板插槽竖直对应，隔板竖直放置在底板上，隔板的两端插入对应的纵向侧板上的隔板插槽内；两个端板竖直放置在底板上，并分别靠在两个端板定位板的内侧，两个端板压着两个纵向侧板的端部；

2.3)两根纵向螺杆分别位于两个纵向侧板的外侧，两根纵向螺杆的两端分别穿过两个端板，两根纵向螺杆的两端上分别拧紧螺母，通过拧紧螺母使两个端板压紧两个纵向侧板；通过隔板将底板上的空间分割为多个独立的空心砖模型腔单元；

3)按照独立的空心砖模型腔单元的尺寸裁剪出土工布Ⅰ，将裁剪好的土工布Ⅰ缝制好除顶盖以外的接缝，并放置在空心砖模型腔单元内；

4)PVC管道的安装：先在两个纵向侧板上分别设置与每个空心砖模型腔单元内的空心砖的孔道的位置和大小对应的多个安装孔，同时在土工布Ⅰ上与纵向侧板上的安装孔对应部位设置通孔；在PVC管道的管壁上均布设置多个小洞，裁剪土工布Ⅱ和精细缝制，将整个PVC管道四周封闭；再将PVC管道分别安装在各个空心砖模型腔单元内，PVC管道的两端分别穿过对应的通孔和安装孔，同时在PVC管道中再放入小的排气管；

5)往土工布Ⅰ围成的空腔中添砂土，最后缝制土工布Ⅰ的顶盖，此时试件模具制作完成；

6)往试件模具中浇入配置好的细菌，等细菌将整个砂土全部浇透润湿；

7)将并排两个或四个润湿后的试件模具摆放在密封反应箱内，组成第一层模具组，再在第一层模具组的上部设置一大块平整的支撑第二层模具组的第一层有机玻璃板，第一层有机玻璃板通过四角设置的螺杆支座支撑在下方的底板上，第一层有机玻璃板与下方的第一层模具组之间形成一定的间距；

然后在第一层有机玻璃板上放置第二层模具组，在第二层模具组的上部设置第二层有机玻璃板；以此类推，根据实际情况设置多层的模具组；

8)密封反应箱的箱体一侧壁下部设置导气孔，密封反应箱的箱体一侧壁顶部设置加压孔，密封反应箱的箱体另一侧壁顶部设置泄压孔，密封反应箱的箱体顶面沿着四周方向设置密封条，密封反应箱的箱盖的前侧和左右两侧分别设置上锁紧板，密封反应箱的箱体顶部的前侧和左右两侧分别设置与上锁紧板一一对应的下锁紧板；将排气管通过橡胶管与气泵连接，向密封反应箱内注入化学溶液，使多层模具组浸泡在化学溶液中，通过气泵向PVC管道内通入空气，同时通过导气孔向化学溶液中导入空气以增加氧气成份，能达到提高催化剂和营养液的反应速度的目的；通过密封反应箱侧壁顶部的加压孔向密封反应箱内注入高压气体，使密封反应箱内处于2个标准大气压的压力；化学溶液由氯化铵、营养液、碳酸氢钙、尿素和氯化钙混合而成，pH值为6.0，所述氯化铵、营养液、碳酸氢钙、尿素和氯化钙的重量比例为1001：302：214：8998：22042；

9)待反应3天后，每个空心砖模型腔单元内的土工布Ⅰ内形成空心砖，空心砖在砂土内部形成大量的碳酸钙，将试件从反应液中取出，松开两根纵向螺杆，松动后将纵向侧板、端板、隔板和PVC管道取出，拆开土工布Ⅰ便可获得成型后表面平整，内部质地均匀，强度高的生物固土空心砖。

2.根据权利要求1所述的一种高压微生物固土空心砖批量高效成型方法，其特征在于：所述底板支撑螺栓穿过底板的两侧均旋套有螺母，所述螺杆支座穿过对应层的有机玻璃板的两侧以及螺杆支座的底部均旋套有螺母。

3.根据权利要求2所述的一种高压微生物固土空心砖批量高效成型方法，其特征在于：所述纵向螺杆、底板支撑螺栓、螺杆支座和螺母均缠绕防水的塑料纸或水胶带。

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