CN110156426A - 一种牡蛎壳作为固化材料用于余泥渣土的利用方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种牡蛎壳作为固化材料用于余泥渣土的利用方法，所述利用方法用于制备牡蛎壳土质混凝土，所述利用方法包括分别将余泥渣土、牡蛎壳清洗、风干/烘干、粉碎过筛、混合，并加入磷酸、水进行活化，加入水泥进行搅拌，并进行压制成型、脱模、养护，最终获得了牡蛎壳土质混凝土。本发明同时解决了余泥渣土与废弃牡蛎壳的回收再利用的问题，极大提高了资源再利用的效率，并起到环保节能的效果。

Description

一种牡蛎壳作为固化材料用于余泥渣土的利用方法

技术领域

本发明涉及固体废弃物循环再生领域，具体设计一种牡蛎壳作为固化材料用于余泥渣土的利用方法。

背景技术

随着我国城市建设速度越来越快，城市更新、轨道交通等大型市政设施的建设产生了大量的余泥渣土，本就用地紧张，对于余泥渣土的安置显得“捉襟见肘”。一方面大量余泥渣土未能实现有效回收利用，另一方面各市建设的渣土受纳场被迅速填满，供需矛盾逐渐增加，使得我国环境面临渣土无处倒放的严峻的问题。因此，对余泥渣土的回收再利用势在必行。

我国牡蛎养殖产量是全世界第一，在南方俗称“生蚝”。但在消费中人们只是利用了牡蛎的可食用部分，占据牡蛎90％的牡蛎壳通常被当做垃圾处理掉，大量堆积在滩涂等地方，不仅占用了土地资源，造成资源浪费，而且其腐烂后会造成环境污染，危害居民生活。

其实牡蛎壳的用途非常广泛。在建筑领域内，自从20世纪80年代初，日本研究人员一直在寻求牡蛎壳作为建筑材料的可能性。对破碎牡蛎壳的化学组成和力学特性进行研究，将水泥、砂和破碎牡蛎壳混合制成的土质砂浆与普通砂浆进行抗压强度的对比，结果表明牡蛎壳可以有效地代替砂，但破碎牡蛎壳只起到填充效果，未起到胶结的作用。日本、韩国的学者也开始研究利用牡蛎壳作为固结材料加固土体。疏浚粘土混合破碎的牡蛎壳后的不排水抗剪强度和变形特性进行了研究(参见文献“Lee,K.,Kazama,M.,Terada,K.,&Yanagisawa,E. (2000).掺杂牡蛎壳的疏浚淤泥的渗透特性.土木学会论文集,2000, 652(8):245-256.”)。破碎牡蛎壳作为路基材料对路面的变形特性的影响进行了研究(参见文献“Mikio,Y.,Katsuya,T.,Mitsushi,O.,&Hiroaki,S.. (2004).破碎牡蛎壳路基施工路面的挠度特性.材料科学学报,日本,53(1), 25-28.”)，结果表明了路面承载能力得到了提高，牡蛎壳碎片具有吸收土壤中的孔隙水的效用。上述文献中，牡蛎壳主要是利用其物理性质，起到填充和吸附的作用。国外研究学者把牡蛎壳当作固结材料，一般都会对牡蛎壳进行适当处理，使其发生改性变化，提高活性。

基于余泥渣土和废弃牡蛎壳这两种废物资源的现状，如果能利用牡蛎壳作为余泥渣土回收再利用的固结材料，必然是一举两得的方案。两种废物资源的结合，同时解决了余泥渣土与废弃牡蛎壳的回收再利用的问题，极大提高了资源再利用的效率，并起到环保节能的效果。

生物酶加固土体的研究有一定的深度，起源于白蚁利用其分泌物加固蚁巢。生物酶类固结材料是利用生物有机分子结合生成的中间产物来与黏土晶格发生交换反应或者通过细菌的作用而催化某些矿物发生沉淀，使得土颗粒聚集并进一步团粒化从而实现胶结。利用微生物细菌和脲酶混合制备催化剂诱导方解石沉淀 (MICP)从而实现固结砂土的效果，参考文献“Zhao,Q.,Li,L.,Li,C., Li,M.,Amini,F.,&Zhang,H..(2014).影响细菌和脲酶催化微生物诱导改良土壤工程性质的因素.土木工程材料学报,26(12),04014094.”。并成功利用球形芽孢杆菌和沉淀剂(氯化钙)固结分散性土体，参考文献“Moravej, S.,Habibagahi,G.,Nikooee,E.,&Niazi,A..(2018).微生物诱导方解石沉积通过生物方解石沉淀稳定分散土壤.土壤科学,315,130-137.”。上述文献表明，生物酶类固结材料是一种环保、生态、无污染的固结材料，但是此类材料具有生物降解的特点，且其长期的强度和稳定性有待实践检验。

国内一般用牡蛎壳代替石灰石应用于水泥生产中，可以制得高质量贝壳水泥。另有研究发现，在气候潮湿地区，在涂料中掺入牡蛎壳粉可以有效地防止墙体涂料发霉。此外，在混凝土中可加入一定量的牡蛎壳代替沙子，提高混凝土的性能，且对强度不产生影响。沈进发研究了废弃牡蛎壳取代水泥及细骨料运用于混凝土材料上，发现牡蛎壳粉在细化后取代水泥可提高流动性和抗压强度，但因为牡蛎壳的氯含量高，要控制牡蛎壳粉的取代量。

目前我国有申请号为CN109053058A的发明专利“使用固体废弃物人工细骨料制备高性能建筑砂浆的方法”，利用废弃贝壳、玻璃等粉碎后，作为细骨料制造高性能建筑砂浆实现固体废弃物的循环再生。也有申请号为CN109320115A 的发明专利“环保装饰材料的制备方法及应用”，对牡蛎壳进行破碎、分段烘干，从而制得环保装饰材料。但对余泥渣土的堆置还未有处理方法。

以上方法都不能做到同时对两种固体废弃物进行转换。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供一种牡蛎壳作为固化材料用于余泥渣土的利用方法，同时解决了余泥渣土与废弃牡蛎壳的回收再利用的问题，极大提高了资源再利用的效率，并起到环保节能的效果。

本发明的技术方案如下：

一种牡蛎壳作为固化材料用于余泥渣土的利用方法，所述利用方法用于制备牡蛎壳土质混凝土，所述利用方法包括以下步骤：

S1，将采回的余泥渣土土样置阴凉处风干，捣碎后过筛，去除混杂其中的植物残体和砖瓦石块；

S2，使用稀盐酸溶液除去废弃牡蛎壳表面残留的有机物质，使用清水洗净并放入烘箱烘干，之后对废弃牡蛎壳进行破碎处理，控制牡蛎壳颗粒的直径小于 4mm，去除杂质；

S3，称取S1处理后的土样干料、S2处理后的牡蛎壳干料于搅拌锅中，土料与牡蛎壳的质量比为3:2，以干料为基准称取第一份水19～21％，第二份水3％、水泥 4～6％，磷酸8％；

S4，先取适量的第一份水将磷酸溶解，再与称量好的土样干料、牡蛎壳干料、剩余的第一份水混合，放入搅拌机内慢速搅拌5min，将搅拌均匀的混合料放在密闭容器或封口塑料袋内浸润4-8h(优选为6h)备用，充分活化混合料；在活化的混合料中加入称量好的水泥搅拌2min，再加入第二份水搅拌5min使均匀；

S5，将混合料装入Φ50×50mm试模中，混合物应在1h以内用静力压实法压制成型，过2-4h后脱模；

S6，试样成型后置于标准养护箱，在温度为20±1℃，相对湿度＞90％中养护到规定龄期，获得牡蛎壳土质混凝土。

S7，对规定龄期内对牡蛎壳土质混凝土的无侧限抗压强度、劈裂强度、水稳定性、干缩性、抗压回弹模量进行测定。

优选的，S1中采用4.75mm孔筛进行过筛；S2采用4mm孔筛进行过筛从而控制蛎壳颗粒的直径小于4mm。

相比现有技术，本发明的有益效果为：

(1)路用技术指标较好、工程造价低、施工便易、工期缩短。

(2)该固化土技术可替代大量的石灰、水泥、粉煤灰、碎石、砾石等传统筑路材料，可应用于道路的基层、底基层、及水利护坡等基础建设当中，对资源的利用率高。

(3)余泥渣土和废弃牡蛎壳作为废弃物价格低廉，作为土木建材只需要粉碎与简单处理费用。

(4)避免了传统填埋方法处理这类废弃物需占用大量土地并对周围环境产生严重污染的问题，并且牡蛎壳特有的微孔隙结构可以吸附固定重金属，可间接预防未来可能的的重金属污染。

附图说明

图1是烘干后过筛的土样图。

图2是颚式破碎机破碎后牡蛎壳示意图。

图3(a)是未活化的土图片，(b)是磷酸活化后的混合土图片。

图4(a)是脱模器对试件脱模图片，(b)是脱完模的试样图片，(c)是养护中的试样图片。

图5是本发明的方法流程图。

具体实施方式

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面结合附图及具体实施例对本发明进一步说明。

土壤固化材料的研究以及固化土物理力学特性的研究已经取得了很大的进展，但针对掺加牡蛎壳的混合土的固化研究还基本没有。本发明通过化学试剂对牡蛎壳激发活性来胶结土壤,并以合理经济的配比制备牡蛎壳土质混凝土，从而在强度上和其他路用性能上代替传统固化土。

实施例1

采用本发明的方法制备Φ50mm×50mm圆柱体牡蛎壳固化土试件，如图5所示：

1.余泥渣土的准备

在烘箱内24h烘干土样，然后取出，放在干燥的常温环境下冷却。待完全冷却后，将土样用锤子进行碾散，而后将碾散的土样通过4mm的圆/方孔筛，保存于干燥处，即得到实验用的土样干料，见图1所示。

2.破碎牡蛎壳的制备

本发明使用的废弃贝壳为牡蛎壳。首先，将废弃牡蛎壳分拣并去除其中的杂质，使用5％(重量百分比浓度)稀盐酸溶液(溶液/废弃牡蛎壳重量之比为3:1) 去除废弃牡蛎壳表面的残留物。然后，将清洗、烘干后的废弃牡蛎壳使用颚式机械破碎机进行两轮粉碎处理，控制粉碎废弃牡蛎壳的颗粒尺寸小于4mm，如图2 所示。

3.称量备料

称取土样干料、牡蛎壳干料于水泥砂浆搅拌机中，土料与牡蛎壳的质量比为 3:2，以干料为基准称取第一份水19～21％，第二份水3％、水泥4～6％，磷酸8％。

4.牡蛎壳与余泥渣土的拌合过程

先取适量的第一份水将磷酸(天津市恒兴化学试剂制造有限公司生产的85％磷酸分析纯AR，呈无色透明液体状)溶解，再与称量好的土样干料、牡蛎壳干料、剩余的第一份水混合，放入搅拌机内慢速搅拌5min，然后密封放置6h，让磷酸对生蚝壳混合土进行反应、活化。如图3(a)、(b)所示。

接着，将活化后的混合土加入称量好的水泥搅拌2min，加入第二份水，搅拌5min后。

5.倒入试模中，采用反力架和液压千斤顶，或用压力试验机制件压力机，以 30MPa的压力压制成型，如图4(a)所示。2-4h后脱模，如图4(b)所示。

6.试样成型后置于标准养护箱，在温度为20±1℃，相对湿度＞90％中养护到规定龄期，获得牡蛎壳土质混凝土，如图4(c)所示。

7.在规定龄期里对牡蛎壳土质混凝土的无侧限抗压强度、劈裂强度、水稳定性、干缩性、抗压回弹模量进行测定。

对比例1

本案例单纯使用水泥作为土壤固化材料，用于余泥渣土，从而获得水泥固化后的混凝土，并同样采用Φ50mm×50mm试模进行压制成型、养护。

对比例2

本案例不采用任何土壤固化材料，为单纯的余泥渣土，并同样采用Φ50mm ×50mm试模进行压制成型、养护。

对实施例1、对比例1、对比例2进行击锤实验，7天养护后，给出对应强度，如表1所示。

表1各案例对比结果

从表中可以看出：第一组为5％水泥+40％生蚝壳+8％磷酸配制的固化土，第二组为10％水泥配制的固化土，第三组为击实的原状土。表中结果显示，前两组掺入固化材料的固化土与第三组的原状土相比，强度得到了大幅度提升；掺入生蚝壳和磷酸的固化土比起单掺水泥的固化土，不仅减少了一半的水泥用量，而且强度还得到了提高。

(1)本发明的优点是路用技术指标较好、工程造价低、施工便易、工期缩短。

(2)该固化土技术可替代大量的石灰、水泥、粉煤灰、碎石、砾石等传统筑路材料，可应用于道路的基层、底基层、及水利护坡等基础建设当中。

(3)余泥渣土和废弃牡蛎壳作为废弃物价格低廉，作为土木建材只需要粉碎与简单处理费用。与普通的水泥作为土体固化材料相比，工程实践中，按照10％的水泥掺入比需用0.17吨水泥，以中档水泥价格450元/吨，需77元。采用牡蛎壳土质混凝土，在保证固化土强度不降低的情况下，水泥掺入比可减少到5％，需用0.085吨水泥。以每年制作此种固化土10万方计算，可节约原材料成本近 380万元。

(4)使用废弃牡蛎壳和施工产生的余泥渣土作为固化土，大量消耗固体废弃物，避免了传统填埋方法处理这类废弃物需占用大量土地并对周围环境产生严重污染的问题，并且牡蛎壳特有的微孔隙结构可以吸附固定重金属，可间接预防未来可能的的重金属污染。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种牡蛎壳作为固化材料用于余泥渣土的利用方法，其特征在于，所述利用方法用于制备牡蛎壳土质混凝土，所述利用方法包括以下步骤：

S1，将采回的余泥渣土土样置阴凉处风干，捣碎后过筛，去除混杂其中的植物残体和砖瓦石块；

S2，使用稀盐酸溶液除去废弃牡蛎壳表面残留的有机物质，使用清水洗净并放入烘箱烘干，之后对废弃牡蛎壳进行破碎处理，控制牡蛎壳颗粒的直径小于 4mm，去除杂质；

S3，称取S1处理后的土样干料、S2处理后的牡蛎壳干料于搅拌锅中，土料与牡蛎壳的质量比为3:2，以干料为基准称取第一份水19～21%，第二份水3%、水泥4～6%，磷酸8%；

S4，先取适量的第一份水将磷酸溶解，再与称量好的土样干料、牡蛎壳干料、剩余的第一份水混合，放入搅拌机内慢速搅拌，将搅拌均匀的混合料放在密闭容器封口塑料袋内浸润4-8h备用，充分活化混合料；在活化的混合料中加入称量好的水泥搅拌，再加入第二份水搅拌均匀；

S5，将混合料装入试模中，混合物应在1h以内用静力压实法压制成型，过2-4h后脱模；

S6，试样成型后置于标准养护箱，在温度为20±1℃，相对湿度＞90%中养护到规定龄期，获得牡蛎壳土质混凝土。

2.根据权利要求1所述的一种牡蛎壳作为固化材料用于余泥渣土的利用方法，其特征在于，还包括S7，对规定龄期内对牡蛎壳土质混凝土的无侧限抗压强度、劈裂强度、水稳定性、干缩性、抗压回弹模量进行测定。

3.根据权利要求2所述的一种牡蛎壳作为固化材料用于余泥渣土的利用方法，其特征在于，S1中采用4.75mm孔筛进行过筛；S2采用4mm孔筛进行过筛从而控制蛎壳颗粒的直径小于4mm。