CN111302734A - 一种用于农田沟渠的护砌材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于农田沟渠的护砌材料，以重量百分数计，由以下原料制成：骨料80‑82％，水泥10‑16％，添加剂1‑3％，其余为水。根据本发明的用于农田沟渠的护砌材料，不仅具有较高的强度，能避免被冲刷，而且具有较高的孔隙率，适宜水生植物生长；而且还由于其自身具备快速吸附磷的功能，所以能高效去除去中的氮、磷，净化水质环境，保持农田沟渠的良好生态功能。本发明还提供了一种该护砌材料的制备方法。

Description

一种用于农田沟渠的护砌材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及环境建筑材料技术领域，更具体地，本发明涉及一种用于农田沟渠的护砌材料及其制备方法。

背景技术

以下对本发明的相关技术背景进行说明，但这些说明并不一定构成本发明的现有技术。

近年来，随着种植业的发展，农业面源污染成为一个较为突出的环境问题。特别是农田尾水通常携带大量氮、磷等营养物质进入水体，造成水体富营养化，引起蓝藻爆发。

原有的不做护砌的土质沟渠去除氮、磷等物质的效果不理想，例如，氮的去除率仅在5％-20％之间，磷的去除尽管比较氮的去除率高，但也仅为26％-36％。为此，人们尝试在土质沟渠的底部种植水生植物，以由此去除氮、磷等物质，净化水质。但是，不做护砌的土质沟渠存在着容易被冲刷，出现坍塌等问题。例如，当水流速度较快时，土壤和植物就容易被水流冲刷、带离。因而，无法长时间保持生态功能。

为此，人们又尝试以例如为混凝土的护砌材料铺就在农田沟渠的侧部和底部，以由此解决土壤被冲刷的问题。这种方式虽然避免了土壤冲刷，但由于现有的例如为混凝土的护砌材料的孔隙率非常小，例如其孔隙率约为4％，所以透水透气性能差，基本上不能在上面种植水生植物，更不能富集微生物。由此，仍解决不了大量氮、磷等营养物质进入水体造成的水体富营养化的问题，也无法解决农田沟渠的生态环境问题。

此外，人们也尝试以空心砖来铺就沟渠底部。这是因为空心砖外部坚硬能够抵挡水流的长期冲刷，而其内部又是空的，可以种植植物。但是，制备空心砖的材料的孔隙率也较低，其透气透水性能差，这就使得各块空心砖之间是相对独立的。即每一块空心砖的用于种植植物的内部都是一个孤岛，植物被种植在内部之后，相互之间相对隔离，植物在被种植后也难以长期生长，依然无法长时间保持农田沟渠内的生态功能。

因此，当前亟需一种能够用于农田沟渠的护砌材料，其不仅需要具备较高的强度，避免像土质材料一样易于被冲刷，而且，还需要使农田沟渠较大程度地保持其生态功能，以解决水体富营养化的技术问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于农田沟渠的护砌材料，其不仅强度高，能避免冲刷，而且透水透气性能好，适宜植物在水底长期生长，能较好地保持农田沟渠的生态功能，净化水质。

根据本发明的一个方面，提供了一种用于农田沟渠的护砌材料，以重量百分数计，由以下原料制成：骨料80-82％，水泥10-16％，添加剂1-3％，其余为水。

优选地，所述骨料是下述中的任何一种或多种的混合物：粒径为1-2cm的砾石、粒径为1-2cm石英岩碎石及粒径为1-2cm花岗岩碎石。

优选地，所述水泥为普通硅酸盐水泥。

优选地，所述添加剂包括胶结材料和减水剂。

优选地，所述胶结材料为下述中的任一种或几种的混合物：粉煤灰、硅粉、矿渣微粉、凹凸棒石、沸石。

优选地，所述添加剂选自下述之一：按5∶1的质量比的粉煤灰和萘系减水剂；按3∶1的质量比的矿渣微粉和聚羧酸高性能减水剂；按1∶2的质量比的硅粉和萘系减水剂；按1∶1的质量比的凹凸棒石和聚羧酸高性能减水剂。

优选地，所述骨料占比为80％或81％或82％。

优选地，所述水泥占比为10％或11％或12％或13％或14％或15％或16％。

优选地，所述添加剂占比为1％或2％或3％。

根据本发明的另一方面，提供了一种根据前述所述的用于农田沟渠的护砌材料的制备方法，包括下述步骤：

(1)骨料搅拌：将骨料倒入搅拌机中，加水至润湿即可，然后搅拌；

(2)混合搅拌：加入水泥并使水泥和骨料混合均匀，然后加入添加剂，再搅拌的同时加水直至水全部倒入后，继续搅拌5分钟，即得。

根据本发明的用于农田沟渠的护砌材料，不仅具有较高的强度，能避免被冲刷，而且具有较高的孔隙率，适宜水生植物生长；而且还由于其自身具备快速吸附磷的功能，所以能高效去除去中的氮、磷，净化水质环境，保持农田沟渠的良好生态功能。

附图说明

通过以下参照附图提供的具体实施方式部分，本发明的特征和优点将变得更加容易理解，在附图中：

图1A-1B是示出根据本发明的一个实施方式的用于农田沟渠的护砌材料的示意图，其特别示意出了该材料的孔隙，其中图1B为骨料被水泥包覆的放大示意图。

图2A-2C示意出在根据本发明的护砌材料上种植植物与在混凝土和空心砖上种植植物的区别。

附图标记：

1.孔隙； 20.护砌材料； 24.土壤

2.胶结材料； 21.内部通道； 5.植物

3.骨料； 22.混凝土；

4.普通硅酸盐水泥 23.空心砖

具体实施方式

下面将结合实施例对本发明的实施方案进行详细描述，但是本领域技术人员将会理解，下列实施例仅用于说明本发明，而不应视为限定本发明的范围。

一种用于农田沟渠的护砌材料，包括：骨料、水泥、添加剂和水。前述各成分按重量百分比为：骨料80-82％，水泥10-16％，添加剂1-3％，其余为水。作为示例，其中，所述骨料占比可以为80％或81％或82％。作为示例，其中，所述水泥的占比可以为10％或11％或12％或13％或14％或15％或16％。作为示例，其中，所述添加剂的占比可以为1％或2％或3％。

作为一种实施方式，骨料可以是砾石、石英岩碎石及花岗岩碎石中的任何一种或多种的混合物。优选地，所选用的砾石或石英岩碎石或花岗岩碎石的粒径均为1-2cm，例如，粒径均为1cm或1.3cm或1.5cm或1.8cm或2cm。当采用多种混合物时，各种粒径也需要均匀一致。实验证明，粒径过大会使得骨料之间通过添加剂粘结的强度明显降低，由此降低了整个护砌材料的耐冲刷性。如果粒径过小，虽然粘结强度增大，但是水泥会填满石块之间的空间，降低孔隙率，由此使得整个护砌材料的透水透气性能变差。实验证明，该骨料的选用类型和占比能够大大提高材料在成型之后的强度。例如，经过抗压试验证明，该护砌材料在成型后的抗压强度大于10Mpa。

作为一种实施方式，水泥可以是普通硅酸盐水泥，其主要成分为硅酸钙。或者说是以硅酸钙为主的普通硅酸盐水泥。普通的硅酸盐水泥含钙量非常高，由此能够通过化学沉积来实现水中磷的快速固定。此外，使用该普通硅酸盐水泥还会使材料呈现为碱性。实验证明，本发明的材料的pH值为8.6-9，如8.6，8.7，8.8，9。由此，当根据本发明的护砌材料铺设在农田沟渠的底部时，在护砌材料为碱性的条件下，水中的磷酸根能与钙离子结合形成羟基磷酸钙沉淀物并沉积在护砌材料的表面上，由此实现了快速去除水中的磷的技术效果。试验证明，其快速去除率能够达到90％以上。

作为一种实施方式，其中，所述添加剂包括胶结材料和减水剂。胶结材料可以是例如，粉煤灰、硅粉、矿渣微粉、凹凸棒石、沸石中的任一种或混合物等等。减水剂可以是例如，萘系减水剂、聚羧酸高性能减水剂。作为示例，添加剂可以是例如，按5：1的质量比的粉煤灰和萘系减水剂的混合物；或者添加剂可以是例如，按3：1的质量比的矿渣微粉和聚羧酸高性能减水剂的混合物；或者添加剂可以是例如按1：2的质量比的硅粉和萘系减水剂的混合物；或者添加剂可以是例如，按1：1的质量比的凹凸棒石和聚羧酸高性能减水剂的混合物。

实验证明，通过采用上述占比的普通硅酸盐水泥及添加剂，既能保证材料的强度，使其耐冲刷，又能够提高护砌材料的孔隙率。例如，如果普通硅酸盐水泥及添加剂的占比过低，如该水泥占比低于10％，添加剂的占比低于1％，则会造成胶结强度不够，使得制备而成的护砌材料的强度不够高，用于农田沟渠的护砌时，仍然容易被冲刷。而如果普通硅酸盐水泥及添加剂的占比过高，如该水泥占比高于16％，添加剂的占比高于3％，则虽然胶结强度得到提高，但孔隙率明显下降，最终制成的护砌材料的透水透气性能差。如图1A-1B是示出根据本发明的一个实施方式的用于农田沟渠的护砌材料的示意图，其特别示意出了该材料的孔隙，其中图1B为骨料被该水泥包覆的放大示意图。如图所示，骨料3之间通过胶结材料2粘结在一起。例如，骨料3的周围包覆着普通硅酸盐水泥4，之后再通过胶结材料2粘结在一起，并在骨料3之间形成孔隙1。

本发明中的使用的水可以是自来水、地下水或者清洁地表水。使用这些类型的水的原因是水质清洁，以由此保证制备而成的护砌材料无其他杂质，从而进一步保证了材料的孔隙率和硬度等特性。

下面介绍依据上述材料配比制备农田沟渠用护砌材料的具体方法。该方法如下步骤：

(1)骨料搅拌：将骨料倒入搅拌机中，加入少量的水，例如加入水的总量的20％-40％，直至润湿即可，然后进行充分搅拌；

(2)混合搅拌：加入普通硅酸盐水泥并使水泥和骨料混合均匀，此时骨料已被普通硅酸盐水泥包覆；然后加入添加剂再搅拌，该添加剂中包含有胶结材料。在搅拌的同时加水直至将水全部倒入后，继续搅拌5分钟，即得。此时，包覆了普通硅酸盐水泥的骨料通过添加剂中的胶结材料粘结在一起，并在骨料之间形成孔隙。

根据本发明的护砌材料具有如下优点：

首先，通过骨料、普通硅酸盐水泥和添加剂的选用和占比，能够使材料的孔隙率达到25-35％，大大高于现有技术中常用的混凝土护砌材料的孔隙率4％。因而，当根据本发明的护砌材料应用于农田沟渠护砌时，其具有较高的透气透水性能。特别是，可以以上面带有种植孔的砌块的形式铺就于沟渠的底部，此时种植孔中种植植物。由于透气透水性能高，植物能长期生长，净化水质，保持水中的环境。相比于现有技术中常用的混凝土材料，具有明显的有益效果。这是因为，现有技术中常用的混凝土材料主要包括水泥和黄砂，虽然其硬度比较高，但由于混凝土的配料中的颗粒较小，因而没有大粒径的骨料做支撑，胶结材料基本上填充满缝隙，孔隙率较低，所以导致透气透水性能较差。当以混凝土材料铺就河底或地面时，由于透气透水性能差，基本上不能生长植物。

此外，通过骨料、普通硅酸盐水泥和添加剂的选用和占比能够使根据本发明的用于农田沟渠的护砌材料具有较高的强度、耐冲刷。例如，该护砌材料在成型护砌块之后使用的抗压强度大于10Mpa。现有技术中常用的混凝土护砌材料一般为5-10Mpa。也就是，本发明的护砌材料在大幅提高孔隙率的情况下，依然具有较高的抗压强度，因而也具备耐冲刷性。

进一步地，根据本发明的用于农田沟渠的护砌材料具有快速去除水中的磷的技术效果。这是由于该护砌材料呈现为碱性，检测PH值的范围为8.6-9，如，8.6，8.7，8.8，9。而且该护砌材料采用了普通硅酸盐水泥，该水泥的含钙量高。在碱性条件下，水中的磷酸根能与钙离子结合形成羟基磷酸钙沉淀，因此，该护砌材料能通过化学吸附快速固定磷由此能够通过化学沉积实现磷的快速吸收，使水质得到净化。实验证明，该护砌材料快速吸附水中磷的比例可高达90％以上。但需要说明的是，水中生长的植物也能够逐渐、直接吸收水中的磷。因而，本发明的护砌材料首先能够将水中的磷酸盐快速吸收出来并使其吸附固定到材料表面上。由于水是流动的，基本上很难停留，因而，仅依靠水中植物直接吸收磷的方式，很难高效去除水中的磷。所以在磷酸盐快速吸附到材料表面上之后，向前流动的水中的含磷量大大降低。但之后，吸附在材料表面的磷酸盐又因水中的磷酸盐浓度积不断减小，逐渐反向溶解到水中，被种植在水中的植物逐渐、直接地吸收。也就是，当水中的植物将剩余的磷逐渐并直接吸收之后，水中的磷酸盐的浓度积会减小，此时，吸附在材料表面的磷酸盐因水中的磷酸盐浓度积减小，逐渐反向溶解到水中，再被水中的植物逐渐、直接吸收。由此护砌材料表面上的磷酸盐也不会出现饱和状态。换言之，根据本发明的护砌材料与其上种植的水生植物配合协同作业，以去除水中的磷，净化水质。其也是护砌材料必须具备透气透水性能以使植物在水里长期长生的原因。图2A-2C示意出在根据本发明的护砌材料上种植植物与在混凝土和空心砖上种植植物的区别。其中，图2A为在根据本发明的护砌材料20上种植植物5的示意图，营养物质、溶解氧可在材料的孔隙中扩散，这些孔隙形成扩散通道21；此外，还提供了丰富的表面积，并具有化学固磷作用。图2B为在混凝土22上种植植物5的示例，本文中的混凝土是指常用的包括水泥和黄砂的混凝土，由于混凝土内的孔隙率极低，使得内部不连通，即没有扩散通道或者说扩散通道堵塞，物质无法有效扩散。图2C为在空心砖23上种植植物5的情形，其中，由于空心砖的固定形状，其能适用的植物类型受限，而且，空心砖底层一般为土壤24，其孔隙尺寸较小，易堵塞，不易维持好氧环境。进一步的，空心砖材料自身不具备固磷能力。

此外，根据本发明的农田沟渠的护砌材料还能使大量微生物附着在其表面上。这是由于，本材料具有较高的孔隙率，因此具有较大的比表面积。所以能附着大量的微生物。而现有技术中的普通的材料由于孔隙率较低，所以比表面低也比较小。

此外，通过种养生长的植物的吸收作用和微生物的硝化作用与反硝化作用能有效除去水中的总氮，例如，实验证明其去除率可达45％以上。远远高于现有技术中材料的去除率，一般现有技术中所使用的材料的去除率低于20％。

虽然参照示例性实施方式对本发明进行了描述，但是应当理解，本发明并不局限于文中详细描述和示出的具体实施方式，在不偏离权利要求书所限定的范围的情况下，本领域技术人员可以对所述示例性实施方式做出各种改变。这些改变均应落入本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种用于农田沟渠的护砌材料，其特征在于，以重量百分数计，由以下原料制成：骨料80-82％，水泥10-16％，添加剂1-3％，其余为水。

2.根据权利要求1所述的用于农田沟渠的护砌材料，其特征在于，所述骨料是下述中的任何一种或多种的混合物：粒径为1-2cm的砾石、粒径为1-2cm石英岩碎石及粒径为1-2cm花岗岩碎石。

3.根据权利要求1或2所述的用于农田沟渠的护砌材料，其特征在于，所述水泥为普通硅酸盐水泥。

4.根据权利要求3所述的用于农田沟渠的护砌材料，其特征在于，所述添加剂包括胶结材料和减水剂。

5.根据权利要求4所述的用于农田沟渠的护砌材料，其特征在于，所述胶结材料为下述中的任一种或几种的混合物：粉煤灰、硅粉、矿渣微粉、凹凸棒石、沸石。

6.根据权利要求5所述的用于农田沟渠的护砌材料，其特征在于，所述添加剂选自下述之一：按5∶1的质量比的粉煤灰和萘系减水剂；按3∶1的质量比的矿渣微粉和聚羧酸高性能减水剂；按1∶2的质量比的硅粉和萘系减水剂；按1∶1的质量比的凹凸棒石和聚羧酸高性能减水剂。

7.根据权利要求1所述的用于农田沟渠的护砌材料，其特征在于，所述骨料占比为80％或81％或82％。

8.根据权利要求1所述的用于农田沟渠的护砌材料，其特征在于，所述水泥占比为10％或11％或12％或13％或14％或15％或16％。

9.根据权利要求1所述的用于农田沟渠的护砌材料，其特征在于，所述添加剂占比为1％或2％或3％。

10.根据前述权利要求1-9中的任一项所述的用于农田沟渠的护砌材料的制备方法，其特征在于，包括下述步骤：

(1)骨料搅拌：将骨料倒入搅拌机中，加水至润湿即可，然后搅拌；

(2)混合搅拌：加入水泥并使水泥和骨料混合均匀，然后加入添加剂，再搅拌的同时加水直至水全部倒入后，继续搅拌5分钟，即得。

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