CN110981387B - 利用微生物快速制造装配式建筑构配件的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种利用微生物快速制造装配式建筑构配件的方法，该方法采用微生物矿化沉积或产生的多糖对骨料进行包裹，通过添加营养液、胶结材料、填料、纤维、外加剂获得合适流动度的浆料入模成型，然后经过快速碳化和烘干，数小时即可获得设计的强度的预制装配式构件。本方法通过微生物包裹可降低预制构配件中骨料和填料的有害物质浸出，同时避免水泥的使用，具有就地取材、快速成型的特点，是一种绿色环保的建材制造方法，可有效减小预制构件厂场地投入，提高装配式建筑的施工速度。

Description

利用微生物快速制造装配式建筑构配件的方法
技术领域
本发明涉及装配式建筑和新型建筑材料领域，具体为一种利用微生物快速制造装配式建筑构配件的方法。
背景技术
传统现浇混凝土结构的现场施工所带来的资源浪费、噪声污染、建筑垃圾等生态环境问题，已不能满足我国新型城镇化发展的要求。与此同时伴随着我国人口红利的消失，建筑业还将面临劳动力短缺、人工成本快速上升的问题。建筑工业化能够实现建筑从设计到生产、施工等建筑全生命周期的工业化，最大限度地节约建筑建造和使用过程的资源、能源，提高建筑工程质量和效益，实现建筑与环境的和谐发展，成为未来建筑业转型升级发展的必然趋势。
尽管如此，目前装配式混凝土结构仍然是采用传统混凝土制备工艺，即以水泥为胶结材料，普通河砂或机制砂以及普通石子为骨料，通过添加减水剂等外加剂在预制件生产工厂制备完成，然后运输到现场吊装施工。普通混凝土生产的预制装配式构件存在的主要问题是由于普通混凝土需要达到一定的龄期（一般是7天以上或更长时间）才具有一定的强度，然后才能出厂、运输和吊装，这会显著增加预制构件的生产周期，降低预制厂混凝土预制构件的周转速度，增加预制构件的堆存场地，从而增加预制工厂的占地面积和时间成本，同时也进一步降低了预制装配式建筑的施工周期，增加了施工企业的生产成本，而这显然与建筑工业化的发展要求不匹配。
发明内容
本发明提出了一种利用微生物快速制造装配式建筑构配件的方法，以解决传统装配式混凝土结构构配件生产和施工存在一系列问题，为装配式建筑的发展提供一种新途径。
本发明是通过如下技术方案实现的：
一种利用微生物快速制造装配式建筑构配件的方法，步骤如下：
（1）、具有矿化沉积功能的或生成具有粘结性能的多糖功能的微生物菌液与粗骨料、细骨料、轻骨料进行混合，然后放入带有程控系统的搅拌机中开始搅拌，并搅拌一定时间确保微生物菌液充分包裹各种骨料；
（2）、将微生物菌液对应的产生矿化产物或多糖的营养液、促进矿化产物或多糖与骨料粘结性能的外加剂Ⅰ一起加入搅拌机中继续搅拌，并且每隔一定时间加一次营养液和外加剂Ⅰ，直到微生物产生的矿化产物或多糖均匀包裹各种骨料；
（3）、然后加入具有胶结性能的胶结材料、填料、外加剂Ⅱ，以及剩余的营养液继续搅拌至合适流动度；
（4）、将上述混合料入模具成型制备获得预制构配件；
（5）、将上述成型的预制构配件推进具有抽取真空负压和充填CO2气体的密闭容器或烘干窑中进行快速碳化和快速烘干，获得设计强度的预制构配件吊装。
使用时，将具有设计强度的预制构配件吊装，运输至装配式建筑施工场地，然后起吊安装。
上述具有矿化沉积功能的或生成具有粘结性能的多糖功能的微生物菌液中的微生物是指为适应生产工艺和环境而通过筛选和驯化得到的具有矿化沉积功能或生成具有粘结性能的多糖功能的单菌或混菌。尤指具有矿化沉积功能的微生物KJ01菌种（已于2018年3月26日保藏于中国微生物菌种保藏管理委员会普通微生物中心CGMCC，地址：北京市朝阳区北辰西路1号院3号 中国科学院微生物研究所，保藏编号为CGMCC No.15516，分类命名：气单胞菌，Aeromonas sp.）进行筛选、活化和培养得到的菌液。
KJ01菌液的制备方法如下：（1）、制备KJ01菌种的培养基：培养基每升各组分含量为蒸馏水1L、胰蛋白胨10g、酵母提取物5g、氯化钠10g，用1mol/L的氢氧化钠溶液将培养基pH值调整为pH=8，120℃高温灭菌20分钟。（2）、将KJ01菌种接种至上述液体培养基中，振荡培养24小时，获得菌液；然后将所得菌液用离心机以转速4000r/min离心20分钟，获得菌泥。（3）、将菌泥在灭菌后的蒸馏水中重悬，然后稀释获得所含菌体浓度为1.0×108个/mL的菌液。
KJ01菌液的营养液制备方法如下：营养液中各物质含量为尿素0.7mol/L、乙酸钙0.7mol/L，pH值保持在8.0。
上述粗骨料是指粒径≥4.75 mm的普通石子、废旧混凝土中的再生石子、建筑垃圾如废砖块破碎得到的石子、煤矸石、废旧陶瓷、人造石子、陶粒、工程渣土筛分出来的石子等。
上述细骨料是指粒径在0.15mm~4.75mm的普通河砂、机制砂、人造砂、陶砂、海砂、沙漠砂、煤矸石砂、废旧混凝土中的再生砂子、建筑垃圾中分选的再生砂、炉渣、工程渣土筛分出来的砂子等。
上述轻骨料是为减轻预制构件重量或提高预制构件保温性能而添加的轻质多孔有机或无机颗粒，包括膨胀珍珠岩、玻化微珠、珠光砂、膨胀珍珠岩除尘器粉尘、膨胀蛭石、聚苯颗粒、破碎的聚氨酯、气凝胶等。其中，膨胀珍珠岩除尘器粉尘是生产膨胀珍珠岩的过程中珍珠岩膨胀时产生的碎屑经除尘器收集的粉尘，粒径小于0.1mm，化学成分与膨胀珍珠岩相同，以SiO2和Al2O3为主。
上述外加剂Ⅰ是指促进矿化产物或多糖与骨料粘结性能的外加剂，具体为硅烷偶联剂。
上述具有胶结性能的胶结材料包括无机胶结材料和/或有机胶结材料；无机胶结材料包括脱硫石膏、石灰、地聚物、水玻璃、硅溶胶等，有机胶结材料包括聚乙烯醇、环氧树脂、酚醛树脂、脲醛树脂、丁苯乳液、白乳胶等。
上述填料包括粉煤灰、飞灰、污泥、钢渣、铝矾土、煤矸石粉、硅微粉、轻钙粉、重钙粉等。
上述外加剂II是指改善利用微生物制备的预制构配件混合料工作性能的外加剂，包括减水剂、早强剂、引气剂等。
上述入模具后的成型工艺包括振动成型、挤压成型。
上述构配件快速烘干工艺包括窑炉烘干、太阳能烘干、电炉烘干等，烘干方式可采用常压干燥、真空干燥。烘干能源来自于清洁煤能源、天然气、煤气、太阳能、电能、以及装配式工厂所在地区环保所允许的各种能源。
本发明所述的利用微生物快速制造装配式建筑构配件的方法具有如下特点：
第一、采用微生物矿化沉积产物或生成的具有粘结性能的多糖包裹骨料可以显著降低骨料、填料中有害物质浸出，如可降低海砂氯离子浸出产生的钢筋锈蚀影响，可降低煤矸石中重金属离子的浸出，可降低垃圾焚烧飞灰或污泥中的重金属离子浸出等，提高微生物制造预制装配式构件的环境友好性和耐久性。
第二、微生物矿化沉积产物或产生的多糖物质具有胶结性能，利用微生物胶凝材料作为制造建筑材料，可免去水泥的使用，是一种绿色环保的建材制造方法，具有显著的环境效益和社会效益。
第三、采用微生物矿化沉积产物或产生的多糖物质作为胶结材料生产预制构件，通过直接烘干工艺和CO2碳化处理，可使得微生物矿化产物产量增加并且快速提高强度，从而使预制构件在数小时即可达到设计强度，大大加快预制构件的出厂速度，减小预制构件厂的占地面积，提高装配式建筑的施工速度。
第四、利用微生物快速制造装配式建筑构配件的方法可以实现就地取材的目的，如沿海地区可采用海砂制备预制构件，沙漠地区可采用沙漠砂制备预制构件，矿产区可采用产生的大宗固体废弃物制备预制构件等。
本发明方法设计合理，采用微生物矿化沉积或产生的多糖对骨料进行包裹，通过添加营养液、胶结材料、填料、外加剂获得合适流动度的浆料入模成型，然后经过快速碳化和烘干，数小时即可获得设计的强度的预制装配式构件，具有很好的实际应用价值。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施例进行详细说明。
实施例1
制造微生物煤矸石混凝土预制构件配方为：煤矸石50~70份，膨胀珍珠岩除尘器粉尘1~2份，微生物菌液10~20份，营养液40~50份，硅烷偶联剂KH560 0.3~0.5份，熟石灰5~10份，粉煤灰30~40份，丁苯乳液4~5份，减水剂0.3~0.5份。
本实施例中按以下原材料重量份数制造微生物煤矸石混凝土预制构件：煤矸石70份，膨胀珍珠岩除尘器粉尘2份，微生物菌液10份，营养液50份，硅烷偶联剂KH560 0.3份，熟石灰5份，粉煤灰30份，丁苯乳液4份，减水剂0.3份。
菌液采用微生物KJ01菌种进行筛选、活化和培养得到的菌液。
按以下方法快速制造微生物煤矸石混凝土预制构件：
（1）、将煤矸石破碎至0.15mm~20mm，作为煤矸石石子和煤矸石砂子备用；
（2）、将KJ01微生物菌液与煤矸石和膨胀珍珠岩除尘器粉尘进行混合，然后放入带有程控系统的搅拌机中开始搅拌10min；
（3）、将10%的营养液与10%的硅烷偶联剂KH560一起加入搅拌机中继续搅拌，并且每隔1h时间加一次营养液和硅烷偶联剂KH560（用量为各自的10%），一共加8次，此时微生物产生的矿化产物均匀包裹各种骨料；
（4）、然后加入熟石灰、粉煤灰、丁苯乳液、减水剂，以及剩余20%的营养液和20%的硅烷偶联剂KH560，继续搅拌5min至合适流动度；
（5）、将上述混合料入模具振动成型制备获得预制构配件；
（6）、将上述成型的预制构配件推进太阳能密闭烘干窑中，抽取真空至负压0.08MPa然后充填CO2气体至正压0.2MPa，使预制构件进行快速碳化和快速烘干，烘干时间12h达到设计强度，烘干温度为180℃；
（7）、将上述具有设计强度的预制构配件吊装，运输至装配式建筑施工场地，然后起吊安装。
制造微生物煤矸石混凝土预制构件的整个流程大概24h，按上述方法制备的制造微生物煤矸石混凝土预制构件对应的微生物煤矸石混凝土抗压强度为60MPa。
实施例2
制造微生物沙漠砂混凝土预制构件配方：再生石子50份，沙漠砂30~50份，膨胀珍珠岩除尘器粉尘1~2份，微生物菌液10~20份，营养液40~50份，硅烷偶联剂KH560 0.3~0.5份，丁苯乳液4~5份，熟石灰5~10份，粉煤灰30~40份，减水剂0.3~0.5份。
本实施例中按以下原材料重量份数制造微生物沙漠砂混凝土预制构件：再生石子50份，沙漠砂50份，膨胀珍珠岩除尘器粉尘2份，微生物菌液20份，营养液50份，硅烷偶联剂KH560 0.5份，丁苯乳液5份，熟石灰10份，粉煤灰30份，减水剂0.5份。
菌液采用微生物KJ01菌种进行筛选、活化和培养得到的菌液。
按以下方法快速制造微生物沙漠砂混凝土预制构件：
（1）、将再生石子、沙漠砂、KJ01微生物菌液、膨胀珍珠岩除尘器粉尘进行混合，然后放入带有程控系统的滚筒搅拌机中开始搅拌10min；
（2）、将10%的营养液与10%的硅烷偶联剂KH560一起加入搅拌机中继续搅拌，并且每隔1h时间加一次营养液和硅烷偶联剂KH560（用量为各自的10%），一共加8次，此时微生物产生的矿化产物均匀包裹各种骨料；
（3）、然后加入丁苯乳液、粉煤灰、减水剂，以及剩余20%的营养液和20%的硅烷偶联剂KH560，继续搅拌5min至合适流动度；
（4）、将上述混合料入模具挤压成型制备获得预制构配件；
（5）、将上述成型的预制构配件推进电加热密闭烘干炉中，然后充填CO2气体浓度至烘干窑中空气的20%，使预制构件进行快速碳化和快速烘干12h达到设计强度，烘干温度为180℃预；
（6）、将上述具有设计强度的预制构配件吊装，运输至装配式建筑施工场地，然后起吊安装。
制造微生物沙漠砂混凝土预制构件的整个流程大概24h，按上述方法制备的微生物沙漠砂混凝土预制构件对应的微生物沙漠砂混凝土抗压强度为60MPa。
实施例3
制造微生物海砂混凝土预制构件配方：粒径大于4.75mm的海砂50份，粒径0.15mm~4.75mm的海砂30份，膨胀珍珠岩除尘器粉尘1~2份，微生物菌液10~20份，营养液40~50份，硅烷偶联剂KH570 0.3~0.5份，熟石灰5~10份，钢渣30~40份，减水剂0.3~0.5份。
本实施例中按以下原材料重量份数制造微生物海砂混凝土预制构件：粒径大于4.75mm的海砂50份，粒径0.15mm~4.75mm的海砂30份，膨胀珍珠岩除尘器粉尘1份，微生物菌液10份，营养液40份，硅烷偶联剂KH570 0.3份，熟石灰10份，钢渣40份，减水剂0.3份。
菌液采用微生物KJ01菌种进行筛选、活化和培养得到的菌液。
按以下方法快速制造微生物沙漠砂混凝土预制构件：
（1）、将粒径大于4.75mm的海砂、粒径0.15mm~4.75mm的海砂与KJ01微生物菌液、膨胀珍珠岩除尘器粉尘进行混合，然后放入带有程控系统的滚筒搅拌机中开始搅拌10min；
（2）、将5%的营养液与5%的硅烷偶联剂KH570一起加入搅拌机中继续搅拌，并且每隔1h时间加一次营养液和硅烷偶联剂KH560（用量为各自的5%），一共加12次，此时微生物产生的矿化产物均匀包裹各种骨料；
（3）、然后加熟石灰、钢渣、减水剂，以及剩余40%的营养液和40%的硅烷偶联剂KH570，继续搅拌5min至合适流动度；
（4）、将上述混合料入模具挤压成型制备获得预制构配件；
（5）、将上述成型的预制构配件推进煤气加热烘干窑中，然后充填CO2气体浓度至烘干窑中空气的20%，使预制构件进行快速碳化和快速烘干12h达到设计强度，烘干温度为180℃；
（6）、将上述具有设计强度的预制构配件吊装，运输至装配式建筑施工场地，然后起吊安装。
制造微生物海砂混凝土预制构件的整个流程大概需要24h，按上述方法制造的微生物海砂混凝土预制构件对应的微生物海砂混凝土抗压强度为60MPa。
本发明方法通过微生物包裹可降低预制构配件中骨料和填料的有害物质浸出，同时避免水泥的使用，具有就地取材、快速成型的特点，是一种绿色环保的建材制造方法，可有效减小预制构件厂场地投入，提高装配式建筑的施工速度。
应当指出，对于本技术领域的一般技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和应用，这些改进和应用也视为本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种利用微生物快速制造装配式建筑构配件的方法，其特征在于：按以下原材料重量份数制造微生物沙漠砂混凝土建筑构配件：再生石子50份，沙漠砂50份，膨胀珍珠岩除尘器粉尘2份，微生物菌液20份，营养液50份，硅烷偶联剂KH560 0.5份，丁苯乳液5份，熟石灰10份，粉煤灰30份，减水剂0.5份；
菌液采用微生物KJ01菌种进行筛选、活化和培养得到的菌液；
按以下方法快速制造微生物沙漠砂混凝土建筑构配件：
（1）、将再生石子、沙漠砂、KJ01微生物菌液、膨胀珍珠岩除尘器粉尘进行混合，然后放入带有程控系统的滚筒搅拌机中开始搅拌10min；
（2）、将10%的营养液与10%的硅烷偶联剂KH560一起加入搅拌机中继续搅拌，并且每隔1h时间加一次营养液和硅烷偶联剂KH560，用量为各自的10%，一共加8次，此时微生物产生的矿化产物均匀包裹各种骨料；
（3）、然后加入熟石灰、丁苯乳液、粉煤灰、减水剂，以及剩余20%的营养液和20%的硅烷偶联剂KH560，继续搅拌5min至合适流动度；
（4）、将步骤（3）的混合料入模具挤压成型制备获得预制的建筑构配件；
（5）、将上述成型预制的建筑构配件推进电加热密闭烘干炉中，然后充填CO2气体浓度至烘干窑中空气的20%，使建筑构配件进行快速碳化和快速烘干12h达到设计强度，烘干温度为180℃；
（6）、将上述具有设计强度的建筑构配件吊装，运输至装配式建筑施工场地，然后起吊安装。
2.一种利用微生物快速制造装配式建筑构配件的方法，其特征在于：按以下原材料重量份数制造微生物海砂混凝土建筑构配件：粒径大于4.75mm的海砂50份，粒径0.15mm~4.75mm的海砂30份，膨胀珍珠岩除尘器粉尘1份，微生物菌液10份，营养液40份，硅烷偶联剂KH570 0.3份，熟石灰10份，钢渣40份，减水剂0.3份；
菌液采用微生物KJ01菌种进行筛选、活化和培养得到的菌液；
按以下方法快速制造微生物海砂混凝土建筑构配件：
（1）、将粒径大于4.75mm的海砂、粒径0.15mm~4.75mm的海砂与KJ01微生物菌液、膨胀珍珠岩除尘器粉尘进行混合，然后放入带有程控系统的滚筒搅拌机中开始搅拌10min；
（2）、将5%的营养液与5%的硅烷偶联剂KH570一起加入搅拌机中继续搅拌，并且每隔1h时间加一次营养液和硅烷偶联剂KH570，用量为各自的5%，一共加12次，此时微生物产生的矿化产物均匀包裹各种骨料；
（3）、然后加熟石灰、钢渣、减水剂，以及剩余40%的营养液和40%的硅烷偶联剂KH570，继续搅拌5min至合适流动度；
（4）、将步骤（3）的混合料入模具挤压成型制备获得预制的建筑构配件；
（5）、将上述成型预制的建筑构配件推进煤气加热烘干窑中，然后充填CO2气体浓度至烘干窑中空气的20%，使建筑构配件进行快速碳化和快速烘干12h达到设计强度，烘干温度为180℃；
（6）、将上述具有设计强度的建筑构配件吊装，运输至装配式建筑施工场地，然后起吊安装。
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