CN111848048B - 一种废弃碱渣再利用方法及其制备的碱渣自修复水泥基材料 - Google Patents

一种废弃碱渣再利用方法及其制备的碱渣自修复水泥基材料 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种废弃碱渣再利用方法及其制备的碱渣自修复水泥基材料。该方法先按照质量份数称取以下组分：水泥1‑1.1份，芽孢溶液0.30‑0.45份，碱渣0.35‑0.4份，再将碱渣与水泥混合搅拌均匀，然后加入芽孢溶液，搅拌均匀后得到碱渣自修复水泥基材料。每毫升碱渣自修复水泥基材料中芽孢杆菌的数量为106‑109个。本发明利用了工业废渣‑碱渣作为水泥基材料添加剂，完善了自修复水泥基材料中钙源成本过高的问题，并利用炼钢工业废渣高炉矿渣粉平衡了钙源利用不足的问题，制备具有自修复性能的水泥基材料。

Description

一种废弃碱渣再利用方法及其制备的碱渣自修复水泥基材料
技术领域
本发明属于建筑材料领域，具体涉及一种废弃碱渣再利用方法及其制备的碱渣自修复水泥基材料。
背景技术
工程中，许多地下建筑物，例如公路、铁路、隧道、地下深埋基坑、高放高污染废物基抗填埋场，其设计使用年限较长，建筑物工作环境较恶劣，特别是危废填埋场，建筑材料不仅要抵御周围土壤中的水、氯离子等的侵蚀，更要防止危废中的化学或放射性物质进入周围土体或水体造成污染。无法预计的地下应力条件导致裂缝产生的不确定性增加，裂缝的扩展导致的内部污染物的泄露使得土壤生态环境产生不可估量的危害。然而，一方面，对于地下深埋结构，特别是废弃物填埋场，裂缝修补几乎无法进行，因此采用具有自愈合性能的水泥基材料在工程效应及环境方面均具有重大的经济效应。
碱渣是氨碱法制碱过程中排放的废渣。我国氨碱法制碱可达421万t/年。由于氨碱法纯碱生产工艺的特点，每生产1t纯碱要向外排放0.3t的碱渣，一个年产80万t纯碱的工厂，每年用于废渣排放的费用约需1000万元。一般情况下，碱渣采取地表堆积的处理方式，大量的碱渣沉积后形成一片“白海”，造成了周围海域的污染。
因此本发明提供了一种方案既可解决碱渣废弃物处理困难的问题，又可得到自修复建筑材料，变废为宝，具有明显的社会效益和经济效益，前景广阔。
发明内容
本发明的目的在于提供一种废弃碱渣再利用方法及其制备的碱渣自修复水泥基材料。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：
一种废弃碱渣再利用方法，包括以下步骤：（1）按照质量份数称取以下组分：水泥1-1.1份，芽孢溶液0.30-0.45份，碱渣质量为0.35-0.4份；（2）将碱渣与水泥混合，搅拌均匀形成预混料；（3）加入芽孢溶液，搅拌均匀后得到碱渣自修复水泥基材料。
所述步骤（2）中还加入S95高炉矿渣粉0.1份，将S95高炉矿渣粉、碱渣与水泥混合，搅拌均匀形成预混料。
所述碱渣为氨碱法制碱工艺流程中排放的废渣。
所述芽孢溶液由以下方法制备得到：先通过培育好的芽孢杆菌的菌液与培养基进行水浴加热后，再经离心后加入碱水使得培养基内物质发生沉淀，取悬浮液加水混合均匀后得到芽孢溶液。
所述培养基为SOB培养基。
所述芽孢杆菌为巴氏芽孢杆菌。
一种碱渣自修复水泥基材料，所述碱渣自修复水泥基材料采用上述的方法制备得到。
所述碱渣自修复水泥基材料中的芽孢杆菌的数量为106-109个/ml。
上述碱渣自修复水泥基材料的自愈合过程包括：水泥内部或外部开裂后，芽孢状态的巴氏杆菌在有新鲜空气的状态下被激活，脱离芽孢状态从而进行有氧呼吸，产生的二氧化碳由于其自身细胞膜的特殊构造而与水泥基中的碱渣成分生成CaCO3，逐层的附着于细胞膜表面，产生结构强度，从而逐步使得裂缝愈合。
有益效果：
1.碱渣作为废弃物利用，改变了传统处理碱渣时采用的堆填的方法，可降低碱渣处理成本。
2.碱渣作为钙离子来源，在水泥基材料搅拌及成型过程中稳定，并利用炼钢工业废渣高炉矿渣粉平衡了钙源利用不足的问题。
3.本发明所采用的巴氏芽胞杆菌耐碱性高，在pH值达到10左右时为增殖最佳pH值，与水泥水化时的pH值近似，在水泥基材料中成活率高且稳定。
4.试验结果表明碱渣自修复水泥基材料，在裂纹产生后可以有效自愈，迅速降低渗透速度。
5.试验结果表明，巴氏杆菌产生的主要成分为有细观结构的碳酸钙，结构强度与水泥基材料的水合硅酸钙物质相近，且结合良好，自修复后的水泥基材料强度与原水泥基材料强度无明显降低。
具体实施方式
以下结合实施例对本发明的技术方案作进一步描述。
以下各个实施例所用的巴氏芽胞杆菌的培养方式采用SOB培养基培养，具体组成为： 20 g/L胰蛋白胨，5g/L酵母提取物，2.4 g/L硫酸镁，0.5 g/L氯化钠和0.186 g/L氯化钾。培养基经120摄氏度高温消毒30分钟。巴氏芽孢杆菌在培养基中于15～38℃温度水浴加热培养96小时后取出，经高速离心机离心后加入碱液，使得多余离子成分沉淀，继而获得巴氏芽胞杆菌悬浮液，然后加水混合均匀得到巴氏芽孢溶液。
以下实施例所用碱渣均为氨碱法制碱工艺流程的废渣，其主要成分为CaCl2，次要成分包括CaCO3、CaSO4。
实施例1
本实施例提供了一种废弃碱渣再利用方法，先按照以下配料比准备各原料：普通硅酸盐水泥P.O.42.5水泥1份，碱渣0.35份，巴氏芽孢溶液0.35份；然后将碱渣与水泥混合搅拌均匀得到干料混合物，然后加入巴氏芽孢溶液，搅拌均匀后得到水泥浆液-实验组B1（碱渣自修复水泥基材料）。经检测，每毫升水泥浆液中巴氏芽孢杆菌的数量为109个。
制作对照组砂浆N1，采用相同水泥及水灰比，用强度近似的普通细沙作为碱渣替代物制作对照组砂浆。N1具体成分为普通硅酸盐水泥42.5水泥1份，水0.35份，细沙0.35份。
两组分别入模振捣60次，于48h脱模后放入标准养护箱进行养护28天。模具为砂浆标准抗渗试件模具。而后采用RELIM测试方法在成型试件的底部中间位置开相同大小微小切口，再用压力试验机进行加载，待裂纹扩展至圆盘试件顶部后停止加载。
将N1与B1两块试件与抗渗圆环外圈用石蜡及松香密封完成后，上部取一定液高的水进行渗透实验，记录不同试件不同时间的流量变化情况。
实验结果：材料试件N1与B1对比，本发明的碱渣自修复水泥基材料B1开裂试件修复12天后渗水速度显著降低，由初始的42.19mL/s 降到 8.33mL/s, 下降了80.22%; 而N1材料试件降幅较小，由初始的 40.67 mL/s 降到 33.64mL/s, 只下降了 17.29%。由此可见，本实施例制得的碱渣自修复水泥基材料中的巴氏芽胞杆菌成活率高且稳定，在裂纹产生后可以有效自愈，迅速降低渗透速度。
实施例2
本实施例提供了一种废弃碱渣再利用方法，先按照以下配料比准备各原料：普通硅酸盐水泥P.O.42.5水泥1份，碱渣0.35份，巴氏芽孢溶液0.40份；然后将碱渣与水泥混合搅拌均匀得到干料混合物，然后加入巴氏芽孢溶液，搅拌均匀后得到水泥浆液-实验组B2（碱渣自修复水泥基材料）。经检测，每毫升水泥浆液中巴氏芽孢杆菌的数量为108个。
制作对照组砂浆N2，采用相同水泥及水灰比，用强度近似的普通细沙作为碱渣替代物制作对照组砂浆。N2具体成分为普通硅酸盐水泥42.5水泥1份，水0.40份，细沙0.35份。
两组分别入模振捣60次，于48h脱模后放入标准养护箱进行养护28天。模具为砂浆标准抗渗试件模具。而后采用RELIM测试方法在成型试件的底部中间位置开相同大小微小切口，再用压力试验机进行加载，待裂纹扩展至圆盘试件顶部后停止加载。
将N2与B2两块试件与抗渗圆环外圈用石蜡及松香密封完成后，上部取一定液高的水进行渗透实验，记录不同试件不同时间的流量变化情况。
实验结果：材料试件N2与B2对比，本发明的碱渣自修复水泥基材料B2开裂试件修复12天后渗水速度显著降低，由初始的 45.69mL/s 降到 17.67mL/s, 下降了61.33%; 而N2材料试件降幅较小，由初始的39.28 mL/s 降到 35.10mL/s, 只下降了 10.75%。由此可见，本实施例制得的碱渣自修复水泥基材料中的巴氏芽胞杆菌成活率高且稳定，在裂纹产生后可以有效自愈，迅速降低渗透速度。
实施例3
本实施例提供了一种废弃碱渣再利用方法，先按照以下配料比准备各原料：普通硅酸盐水泥P.O.42.5水泥1份，碱渣0.4份，巴氏芽孢溶液0.45份；然后将碱渣与水泥混合搅拌均匀得到干料混合物，然后加入巴氏芽孢溶液，搅拌均匀后得到水泥浆液-实验组B3（碱渣自修复水泥基材料）。经检测，每毫升水泥浆液中巴氏芽孢杆菌的数量为107个。
制作对照组砂浆N3，采用相同水泥及水灰比，用强度近似的普通细沙作为碱渣替代物制作对照组砂浆。N3具体成分为普通硅酸盐水泥42.5水泥1份，水0.40份，细沙0.40份，搅拌均匀入模振捣60次。
两组分别入模振捣60次，于48h脱模后放入标准养护箱进行养护28天。模具为砂浆标准抗渗试件模具。而后采用RELIM测试方法在成型试件的底部中间位置开相同大小微小切口，再用压力试验机进行加载，待裂纹扩展至圆盘试件顶部后停止加载。
将N3与B3两块试件与抗渗圆环外圈用石蜡及松香密封完成后，上部取一定液高的水进行渗透实验，记录不同试件不同时间的流量变化情况。
实验结果：材料试件N3与B3对比，本发明的碱渣自修复水泥基材料B3开裂试件修复12天后渗水速度显著降低，由初始的 56.19mL/s 降到 23.61mL/s, 下降了58.99%; 而N3材料试件降幅较小，由初始的50.28 mL/s 降到45.10mL/s, 只下降了10.3%。由此可见，本实施例制得的碱渣自修复水泥基材料中的巴氏芽胞杆菌成活率高且稳定，在裂纹产生后可以有效自愈，迅速降低渗透速度。
实施例4
本实施例提供了一种废弃碱渣再利用方法，先按照以下配料比准备各原料：普通硅酸盐水泥P.O.42.5水泥1份，碱渣0.35份，巴氏芽孢溶液0.35份，碱渣激发剂：S95高炉矿渣粉0.1份；然后将碱渣、S95高炉矿渣粉与水泥混合搅拌均匀得到干料混合物，然后加入巴氏芽孢溶液，搅拌均匀后得到水泥浆液-实验组B1（碱渣自修复水泥基材料）。经检测，每毫升水泥浆液中巴氏芽孢杆菌的数量为109个。
制作对照组砂浆N4，采用相同水泥及水灰比，用强度近似的普通细沙作为碱渣替代物制作对照组砂浆。N4具体成分为普通硅酸盐水泥42.5水泥1份，水0.35份，细沙0.35份，S95高炉矿渣粉0.1份。
两组分别入模振捣60次，于48h脱模后放入标准养护箱进行养护28天。模具为砂浆标准抗渗试件模具。而后采用RELIM测试方法在成型试件的底部中间位置开相同大小微小切口，再用压力试验机进行加载，待裂纹扩展至圆盘试件顶部后停止加载。
将N4与B4两块试件与抗渗圆环外圈用石蜡及松香密封完成后，上部取一定液高的水进行渗透实验，记录不同试件不同时间的流量变化情况。
实验结果：材料试件N4与B4对比，本发明的碱渣自修复水泥基材料B4开裂试件修复12天后渗水速度显著降低，由初始的52.19mL/s 降到 6.13mL/s, 下降了88.25%; 而N4材料试件降幅较小，由初始的 50.67 mL/s 降到 41.26mL/s, 只下降了18.56%。由此可见，本实施例制得的碱渣自修复水泥基材料中的巴氏芽胞杆菌成活率高且稳定，在裂纹产生后可以有效自愈，迅速降低渗透速度。同时通过与实施例1比较，本实施例的碱渣自修复水泥基材料B4中添加了碱渣激发剂，进一步提升裂纹自愈能力，降低渗透速度。
实施例5
本实施例提供了一种废弃碱渣再利用方法，先按照以下配料比准备各原料：普通硅酸盐水泥P.O.42.5水泥1份，碱渣0.35份，巴氏芽孢溶液0.40份，碱渣激发剂：S95高炉矿渣粉0.1份；然后将碱渣、S95高炉矿渣粉与水泥混合搅拌均匀得到干料混合物，然后加入巴氏芽孢溶液，搅拌均匀后得到水泥浆液-实验组B2（碱渣自修复水泥基材料）。经检测，每毫升水泥浆液中巴氏芽孢杆菌的数量为108个。
制作对照组砂浆N5，采用相同水泥及水灰比，用强度近似的普通细沙作为碱渣替代物制作对照组砂浆。N5具体成分为普通硅酸盐水泥42.5水泥1份，水0.40份，细沙0.35份，S95高炉矿渣粉0.1份。
两组分别入模振捣60次，于48h脱模后放入标准养护箱进行养护28天。模具为砂浆标准抗渗试件模具。而后采用RELIM测试方法在成型试件的底部中间位置开相同大小微小切口，再用压力试验机进行加载，待裂纹扩展至圆盘试件顶部后停止加载。
将N5与B5两块试件与抗渗圆环外圈用石蜡及松香密封完成后，上部取一定液高的水进行渗透实验，记录不同试件不同时间的流量变化情况。
实验结果：材料试件N5与B5对比，本发明的碱渣自修复水泥基材料B5开裂试件修复12天后渗水速度显著降低，由初始的 47.79mL/s 降到 9.43mL/s, 下降了80.263%; 而N5材料试件降幅较小，由初始的49.28 mL/s 降到42.10mL/s, 只下降了 14.57%。由此可见，本实施例制得的碱渣自修复水泥基材料中的巴氏芽胞杆菌成活率高且稳定，在裂纹产生后可以有效自愈，迅速降低渗透速度。同时通过与实施例2比较，本实施例的碱渣自修复水泥基材料B5中添加了碱渣激发剂，进一步提升裂纹自愈能力，降低渗透速度。
实施例6
本实施例提供了一种废弃碱渣再利用方法，先按照以下配料比准备各原料：普通硅酸盐水泥P.O.42.5水泥1份，碱渣0.4份，巴氏芽孢溶液0.45份，碱渣激发剂：S95高炉矿渣粉0.1份；然后将碱渣、S95高炉矿渣粉与水泥混合搅拌均匀得到干料混合物，然后加入巴氏芽孢溶液，搅拌均匀后得到水泥浆液-实验组B6（碱渣自修复水泥基材料）。经检测，每毫升水泥浆液中巴氏芽孢杆菌的数量为107个。
制作对照组砂浆N6，采用相同水泥及水灰比，用强度近似的普通细沙作为碱渣替代物制作对照组砂浆。N6具体成分为普通硅酸盐水泥42.5水泥1份，水0.40份，细沙0.40份，S95高炉矿渣粉0.1份，搅拌均匀入模振捣60次。
两组分别入模振捣60次，于48h脱模后放入标准养护箱进行养护28天。模具为砂浆标准抗渗试件模具。而后采用RELIM测试方法在成型试件的底部中间位置开相同大小微小切口，再用压力试验机进行加载，待裂纹扩展至圆盘试件顶部后停止加载。
将N6与B6两块试件与抗渗圆环外圈用石蜡及松香密封完成后，上部取一定液高的水进行渗透实验，记录不同试件不同时间的流量变化情况。
实验结果：材料试件N6与B6对比，本发明的碱渣自修复水泥基材料B6开裂试件修复12天后渗水速度显著降低，由初始的 51.19mL/s 降到 10.76mL/s, 下降了78.99%; 而N6材料试件降幅较小，由初始的49.28 mL/s 降到 42.99mL/s, 只下降了 12.75%。由此可见，本实施例制得的碱渣自修复水泥基材料中的巴氏芽胞杆菌成活率高且稳定，在裂纹产生后可以有效自愈，迅速降低渗透速度。同时通过与实施例3比较，本实施例的碱渣自修复水泥基材料B6中添加了碱渣激发剂，进一步提升裂纹自愈能力，降低渗透速度。

Claims (4)

1.一种废弃碱渣再利用方法，其特征在于，由以下步骤组成：
（1）按照质量份数称取以下组分：水泥1份，芽孢溶液0.35份，碱渣质量为0.35份，S95高炉矿渣粉0.1份；其中，所述碱渣为氨碱法制碱工艺流程中排放的废渣；所述芽孢溶液由以下方法制备得到：先通过培育好的巴氏芽孢杆菌的菌液与培养基进行水浴加热后，再经离心后加入碱水使得培养基内物质发生沉淀，取悬浮液加水混合均匀后得到芽孢溶液；
（2）将碱渣、S95高炉矿渣粉与水泥混合，搅拌均匀形成预混料；
（3）加入芽孢溶液，搅拌均匀后得到碱渣自修复水泥基材料。
2.根据权利要求1所述的一种废弃碱渣再利用方法，其特征在于：所述培养基为SOB培养基。
3.一种碱渣自修复水泥基材料，其特征在于：所述碱渣自修复水泥基材料采用如权利要求1或2所述的方法制备得到。
4.根据权利要求3所述的碱渣自修复水泥基材料，其特征在于，所述碱渣自修复水泥基材料中的巴氏芽孢杆菌的数量为106 -109个/mL。
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Application publication date: 20201030

Assignee: Suining Zhenning New Building Materials Research Institute Co.,Ltd.

Assignor: HUAIYIN INSTITUTE OF TECHNOLOGY

Contract record no.: X2022980025820

Denomination of invention: A Recycling Method of Waste Alkali Slag and Its Preparation of Alkali Slag Self repairing Cement based Materials

Granted publication date: 20220506

License type: Common License

Record date: 20221212

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