CN110183194A - 一种微生物-钢渣固碳透水砖的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种微生物‑钢渣固碳透水砖的制备方法，该方法包括以下步骤：将钢渣粗骨料和稀醋酸溶液加入到搅拌锅中并搅拌至湿润状态；再加入钢渣微粉、微生物菌粉，搅拌至浆体具有金属光泽后倒入模具中以20~40MPa下压制成形，得到试样；试样在温度25±2℃、相对湿度95%以上养护8h后脱模得试件，再在温度25±2℃、相对湿度60%±5养护18h后转入碳化反应压力釜中，抽真空后，通入CO2气体，养护4~6h，得到微生物‑钢渣固碳透水砖。此方法具有生产周期短、废弃物利用率高、环境友好等优点，有效解决了废弃钢渣和CO2利用率不足的问题，制备得透水砖劈裂抗拉强度、透水率及安定性均达现在常用的透水路面砖要求。

Description

一种微生物-钢渣固碳透水砖的制备方法
技术领域
本发明涉及建筑材料与固体废弃物技术领域，具体涉及一种微生物-钢渣固碳透水砖的制备方法。
背景技术
钢渣是钢铁冶金工业排放的固体废弃物，大量堆积，不仅占用土地，污染环境，而且钢渣中的重金属元素经过雨水浸出对土壤及地下水造成严重的污染，给人民的生活和生存带来了潜在的威胁；同时作为世界上煤炭和水泥生产和消费大国，大量高能耗的电厂、炼厂、水泥厂云集，且现阶段产业发展基本还是依靠传统化石能源，能源利用中的70%为煤炭，仍处于煤炭时代，一直面临着二氧化碳（CO2）减排的巨大压力；近十年来，微生物矿化技术越来越受到重视，从自然界中提取出特定微生物，给予其充分适宜的生存、繁殖和活化的条件，通过给予足量钙源和CO2，其分泌的碳酸酐酶特征性的加快碳化反应过程，使得碳化速度大大加快缩短砖制品的生产周期；随着经济的快速发展和城市化进程的加快，城市地表被越来越多的水泥路面、沥青路面等不透水材料覆盖，带来便利交通的同时，也造成了许多负面的影响。不透水性路面，一方面使得城市雨水下渗量大大减少，导致地下水得到补充，地下水位持续下降，甚至引起地面沉降，海水入侵等问题；另一方面，路面雨水通过城市排水系统进入河流，增加城市排水系统的压力，排不走的雨水则在路面产生大量积水，城市洪错频频发生。大量研究表明，与不透水路面相比，透水砖路面具有缓解地表径流、补给地下、净化路面雨水、改善城市热环境、吸收城市噪音、改善城市地表土壤生态环境等作用。
目前的透水砖主要分为两类，即养护型透水砖和烧制型透水砖，前者的原材料多为天然骨料且养护时间较长，而后者在烧结过程中会消耗大量能源并对自然环境造成了额外的负担。
专利CN 108147769 A中提供了一种一种碳激发钢渣砖的制备方法，其主要原料为钢铁工业废弃物钢渣微粉与钢渣细骨料，然而其在制备过程中添加了复杂的掺合料，工艺繁琐，制备周期长。
专利CN 107021723 A中提供了一种微生物矿化不锈钢渣砖的制备方法，其组分为球磨处理的钢渣微粉和建筑用砂，由于钢渣砖比重大，故不适宜用于砌块用砖，而其作为路面砖使用其透水性不符合路面砖标准。
发明内容
针对现有技术中钢渣利用率低、钢渣固碳效率低以及透水路面砖所产生的环境与成本问题，本发明的提供了一种微生物-钢渣固碳透水砖的制备方法，该方法采用钢渣粗骨料与球磨处理后的钢渣微粉作为主要组分，制备透水砖，具有工艺简单，生产周期短，钢渣废弃物利用率高、环境友好等优点。
一种微生物-钢渣固碳透水砖的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，将钢渣粗骨料和稀醋酸溶液加入到搅拌锅中并搅拌至湿润状态；步骤2，再加入钢渣微粉、微生物菌粉，搅拌至浆体具有金属光泽后倒入模具中以20~40MPa下压制成形，得到试样；步骤3，试样在温度25±2℃、相对湿度95%以上养护8h后脱模得试件，再在温度25±2℃、相对湿度60%±5养护18h后转入碳化反应压力釜中，抽真空后，通入CO2气体，养护4~6h，得到微生物-钢渣固碳透水砖。
作为改进的是，所述钢渣粗骨料的粒径为2.35mm~4.75mm；所述的钢渣微粉由钢渣粗骨料经过球磨处理得粒径为10~100μm的粉末，掺量为钢渣粗骨料质量的1/5~1/4；所述稀醋酸溶液的浓度为0.25~1mol/L，掺量为钢渣微粉质量的0.20~0.30；所述微生物菌粉为产碳酸酐酶的微生物菌粉，其掺量为钢渣微粉质量的0.5%~1.5％。
作为改进的是，所述微生物菌粉为胶质芽孢杆菌。
作为改进的是，CO2养护条件为CO2浓度99.9%、碳化反应压力釜的0-0.3MPa，碳化时间为4~6h。
作为改进的是，所述微生物-钢渣固碳透水砖的透水系数为0.2~0.5cm/s。
作为改进的是，所述模具的尺寸为200mm×100mm×50mm。
本发明采用稀醋酸溶液既可以从钢渣微粉中溶解出足量的钙源参与碳化，溶解界面生产的粗大的氢氧化钙晶体，改善钢渣骨料与骨料之间的胶结性能，也能改善搅拌的工作性，提高钢渣透水砖制品的透水性能。
所述的碳化过程中，在正压状态下，整个碳化反应主要由扩散速率所控制。随着碳化压力的增大，由于内外压力差不断增大，CO2的扩散系数不断增大，故其碳化速率不断增大，最终的碳化程度增高。而在负压状态下，碳化反应主要由反应速率所控制。由于当化学反应为主导时，此时若化学反应快，CO2气体溶解进行迅速，混凝土中的碱性物质将孔隙中的 CO2消耗，因此孔隙限制了气体进一步的渗透，气体被完全吸收，不再向内部扩散。故负压状态下的碳化速度主要由体系中的CO2浓度决定，反应釜中的CO2浓度越高，反应速率越快，其最终的碳化反应的反应速率和单位体积的碳化程度越高。正压状态下其碳化反应主要由二氧化碳的扩散速率所控制，而负压状态下的碳化反应主要由反应速率所控制，而在两者达到平衡时，即当碳化压力为0MPa时，既能保证足够高的反应速率的同时也能保证足够的二氧化碳的扩散速率。
所述制备过程中，加入产碳酸酐酶的微生物菌粉后，通过微生物矿化过程中分泌的碳酸酐酶，能特定地提升制备过程的碳化效率。
有益效果：
本发明是一项利用固废钢渣、固碳和节约能源的先进技术，是缓解城市排水系统的泄洪压力的有效方法，能够将钢铁冶金工业的固体废弃物钢渣和气体废弃物二氧化碳，通过可产碳酸酐酶的微生物酶催化作用，优化CO2养护工艺参数，制备出的路面透水砖制品符合国标（GB/T 25993-2010）《透水路面砖和透水路面板》中A类fts3.5级砖的要求。该技术不仅能一定程度上解决钢渣和 CO2双废的回收利用问题，且具有制备工艺简单、环境友好以及生产周期短等优点，具有良好的经济和社会效益。
与现有技术相比，该技术具有以下优点：
1、本发明以钢铁厂冶炼废渣为主要原料制备透水砖，将废弃的钢渣变废为宝，有效的实现了对固体废弃物的有效利用，减少土地占用和环境污染问题，所制备的透水砖可以缓解城市排水系统的泄洪压力，环境友好，具有很好的经济、社会和环境效益。
2、本发明中胶凝材料采用钢渣微粉，骨料采用筛分后的钢渣骨料，不引入其余的胶凝材料和外加剂，钢渣利用率高，能源消耗低，成本低。
3、本发明中所采取的碳化制度为0MPa碳化即常压碳化，在优化孔结构，改善试件的力学性能和耐久性的同时也大大地降低了碳化养护透水砖的成本。
4、本发明中所制备的透水砖具有高透水性，可达到0.5cm/s，劈裂抗拉强度3.76MPa，安定性合格，符合国标（GB/T 25993-2010）《透水路面砖和透水路面板》中A类fts3.5级砖的要求。
附图说明
图1为冶炼钢渣微粉成分分析图；
图2为不同CO2碳化压力下微生物-钢渣固碳透水砖内部温度变化。
具体实施方式
实施例1
一种微生物-钢渣固碳透水砖的制备方法，包括以下步骤：
（1）将钢渣粗骨料筛选出粒径为2.35mm~4.75mm的一部分作为粗骨料，配置0. 5mol/L的稀醋酸溶液，固定钢渣微粉与钢渣骨料的质量比为1:4，稀醋酸溶液与钢渣微粉质量比为0.3，微生物菌粉的掺量为钢渣微粉质量的1%，具体配合比见表1：
表1 透水路面砖制品配合比
钢渣微粉（g） 钢渣骨料（g） 稀醋酸（g） 微生物菌粉（g）
540 2430 162 5.4
（2）将2430g钢渣骨料倒入搅拌锅中并加入162g稀醋酸溶液，搅拌至湿润状态后，将钢渣微粉和微生物菌粉加入，继续搅拌至具有金属光泽后将浆体倒入模具中压制成型，成型压力20MPa ,静压2分钟。
（3）成型后，将试件置于相对湿度95％，温度23℃的环境中养护，8h后脱模，将脱模后的试样置于相对湿度60％，温度23℃的恒温恒湿养护箱养护18h，随后放入压力釜中，先将反应釜通过真空泵抽成真空状态，在CO2压力0MPa养护4h得到微生物-钢渣固碳透水砖,测试其劈裂抗拉强度为3.76MPa，透水系数为0.37cm/s。
实施例2
除CO2养护时，压力为由0更改为0.3MPa外，其余同实施例1。对所得透水砖进行性能测试，劈裂抗拉强度为3.98MPa，透水系数为0.32cm/s。
实施例3
一种微生物-钢渣固碳透水砖的制备方法，包括以下步骤：
（1）将钢渣粗骨料筛选出粒径为2.35mm～4.75mm的一部分作为粗骨料，配置0.5mol/L的稀醋酸溶液，固定钢渣微粉与钢渣骨料的质量比为1:4.5，稀醋酸溶液与钢渣微粉质量比为0.25，微生物菌粉的掺量为钢渣微粉质量的1.5%，具体配合比见表3：
表3 透水路面砖制品配合比
钢渣微粉（g） 钢渣骨料（g） 稀醋酸（g） 微生物菌粉（g）
460.7 2303.5 115 6.91
（2）将2303.5g复钢渣骨料倒入搅拌锅中并加入115g稀醋酸溶液，搅拌至湿润状态后，将钢渣微粉和微生物菌粉加入，继续搅拌至具有金属光泽后将浆体倒入模具中压制成型，成型压力30MPa ,静压2分钟。
（3）成型后，将试件置于相对湿度95％，温度23℃的环境中养护，8h后脱模，将脱模后的试样置于相对湿度60％，温度23℃的恒温恒湿养护箱养护18h，随后放入压力釜中，先将反应釜通过真空泵抽成真空状态，在CO2压力0MPa养护6h得到微生物-钢渣固碳透水砖,测试其劈裂抗拉强度为3.48MPa，透水系数为0.45cm/s。
实施例4
一种微生物-钢渣固碳透水砖的制备方法，包括以下步骤：
（1）将钢渣骨料筛选出粒径为2.35mm～4.75mm的一部分作为粗骨料，配置1mol/L的稀醋酸溶液，固定钢渣微粉与钢渣骨料的质量比为1:5，稀醋酸溶液与钢渣微粉质量比为0.2，微生物菌粉的掺量为钢渣微粉质量的1%，具体配合比见表4：
表4 透水路面砖制品配合比
钢渣微粉（g） 钢渣骨料（g） 稀醋酸（g） 微生物菌粉（g）
492.08 2460 98 4.9
（2）将2460g复钢渣骨料倒入搅拌锅中并加入98g稀醋酸溶液，搅拌至湿润状态后，将钢渣微粉和微生物菌粉加入，继续搅拌至具有金属光泽后将浆体倒入模具中压制成型，成型压力40MPa ，静压2分钟。
（3）成型后，将试件置于相对湿度95％，温度23℃的环境中养护，8h后脱模，将脱模后的试样置于相对湿度60％，温度23℃的恒温恒湿养护箱养护18h，随后放入压力釜中，先将反应釜通过真空泵抽成真空状态，在CO2压力0MPa养护5h得到微生物-钢渣固碳透水砖,测试其劈裂抗拉强度为3.12MPa，透水系数为0.64cm/s。
实施例5
除将钢渣粗骨料用石子粗骨料代替外，其余同实施例1。对所得透水砖进行检测，其劈裂抗拉强度为2.14MPa，透水系数为1.23cm/s。
实施例6
除了不进行CO2养护以外，其余同实施例1。对所得透水砖进行性能测试，劈裂抗拉强度为0.68MPa，透水系数为2.42cm/s。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，本发明的保护范围不限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可显而易见地得到的技术方案的简单变化或等效替换均落入本发明的保护范围内。

Claims (6)

1.一种微生物-钢渣固碳透水砖的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，将钢渣粗骨料和稀醋酸溶液加入到搅拌锅中并搅拌至湿润状态；步骤2，再加入钢渣微粉、微生物菌粉，搅拌至浆体具有金属光泽后倒入模具中以20~40MPa下压制成形，得到试样；步骤3，试样在温度25±2℃、相对湿度95%以上养护8h后脱模得试件，再在温度25±2℃、相对湿度60%±5养护18h后转入碳化反应压力釜中，抽真空后，通入CO2气体，养护4~6h，得到微生物-钢渣固碳透水砖。
2.根据权利要求1所述的一种微生物-钢渣固碳透水砖的制备方法，其特征在于，所述钢渣粗骨料的粒径为2.35mm~4.75mm；所述的钢渣微粉由钢渣粗骨料经过球磨处理得粒径为10~100μm的粉末，掺量为钢渣粗骨料质量的1/5~1/4；所述稀醋酸溶液的浓度为0.25~1mol/L，掺量为钢渣微粉质量的0.20~0.30；所述微生物菌粉为产碳酸酐酶的微生物菌粉，其掺量为钢渣微粉质量的0.5%~1.5％。
3.根据权利要求2所述的一种微生物-钢渣固碳透水砖的制备方法，其特征在于，所述微生物菌粉为胶质芽孢杆菌。
4.根据权利要求1所述的一种微生物-钢渣固碳透水砖的制备方法，其特征在于，CO2养护条件为CO2浓度99.9%、碳化反应压力釜的0-0.3MPa，碳化时间为4~6h。
5.根据权利要求1所述的一种微生物-钢渣固碳透水砖的制备方法，其特征在于，所述微生物-钢渣固碳透水砖的透水系数为0.2~0.5cm/s。
6.根据权利要求1所述的一种微生物-钢渣固碳透水砖的制备方法，其特征在于，所述模具的尺寸为200mm×100mm×50mm。
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