CN112142393B - 一种再生轻骨料透水混凝土及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于再生混凝土的技术领域，公开了一种再生轻骨料透水混凝土及其制备方法，按重量份计，包括以下组分：改性再生轻骨料800‑1000份，磁性骨料500‑1000份，水泥350‑420份，矿物掺合料0‑50份，改性植物细粉料0.5‑1份，水100‑120份，聚羧酸型高效减水剂0.8‑1.2份，复合纤维15‑25份，氧化石墨烯粉15‑20份。改性再生轻骨料由破碎分级的红砖、泡沫混凝土、加气混凝土等轻质骨料在改性处理后得到；改性植物细粉料由粉碎的稻草秸秆、小麦秸秆、玉米秸秆、木屑等植物细粉料改性得到；复合纤维由植物纤维与磁致伸缩纤维混合。本发明制得的再生轻骨料透水混凝土具有较好的强度、渗滤性、吸波性与长期水稳定性，可作为基层材料应用于海绵城市的道路工程建设。

Description

一种再生轻骨料透水混凝土及其制备方法
技术领域
本发明属于再生混凝土技术领域，具体涉及一种再生轻骨料透水混凝土及其制备方法。
背景技术
为应对日益严重的城市内涝与热岛效应，国内正大力推进透水路面建设，同时伴随着城镇化建设的推进，大量的建筑垃圾被无序堆积，对此学者们开始利用再生骨料来制备透水混凝土。以红砖、泡沫混凝土、加气混凝土为主的轻骨料强度低、孔隙大，且在长期泡水情况下容易出现粉化现象，其使用受到较大限制。
路面上大量的重金属离子和有机物随着径流进入城市排水系统，污染城市水源。利用微生物净化水体已较为常见，芽孢八叠球菌具有极高的尿素降解活性，其产生的胞外聚合物可捕获大量的二价阳离子，其中的负电荷官能团还能吸附正电荷的金属离子，其钙化作用能较好的解决再生轻骨料在长期泡水下的粉化现象，酵母菌对有机物也有很好的净化作用。专利CN 109706101 A利用芽孢八叠球菌进行水体净化，但未涉及微生物固定，净化效率与稳定性较差。
利用磁体净化水质已较为常见，专利CN 101830559 A利用磁场对微生物的影响，提高了陶瓷滤料的净水效率；专利CN 205867760 U利用永磁体吸附水中磁性颗粒，并使水中悬浮物磁化团聚后沉淀，然而磁体无法吸附水中的带电离子，也无法使其磁化团聚，存在一定的局限性。
磁体在混凝土领域的应用较少，专利CN 106380164 A在混凝土中加入磁性骨料，对电磁脉冲起到很好的吸收屏蔽作用；专利CN 110156411 A将磁铁矿碎石替代普通骨料，提高微波除冰效率；专利CN 109231951 A在混凝土中加入磁性粉末，施加交变磁场对混凝土进行内部加热，但粉末产生的涡流小且存在消磁的风险。
磁致伸缩材料属于智能材料，可将机械能与电磁能进行可逆转换，在声纳的水声换能器技术，电声换能器技术、海洋探测与开发技术、微位移驱动、减振与防振等高技术领域有广泛的应用前景。该材料在土木领域的应用还需要进一步探索。
发明内容
本发明的目的一是提供一种再生轻骨料透水混凝土，该再生轻骨料透水混凝土具有较好的强度、渗滤性、吸波性与长期水稳定性，可高效稳定地吸附净化多种离子、分解有机物、吸收微波辐射，具有更高的微波养护、除冰效率和水体活化能力。
本发明的目的二是提供一种再生轻骨料透水混凝土制备方法。
为实现上述目的一，本发明采用如下技术方案：
一种再生轻骨料透水混凝土，其由以下重量份的原料组成：
改性再生轻骨料800-1000份，磁性骨料500-1000份，水泥350-420份，矿物掺合料0-50份，改性植物细粉料0.5-1份，水100-120份，聚羧酸型高效减水剂0.8-1.2份，复合纤维15-25份，氧化石墨烯粉15-20份。
所述改性植物细粉料是由植物细粉料在混合细菌溶液中浸泡1-2h后室温下晾干得到。
优选的，所述植物细粉料包括粉碎的稻草秸秆、小麦秸秆、玉米秸秆、木屑中的至少一种，可以任意比例进行组合，长度在2-5cm，含量为50-100g/L。
优选的，所述混合细菌溶液中芽孢八叠球菌与酵母菌1:0.5-1混合，细胞浓度为10000-100000cell/mL，溶液溶质组分及各组分含量为钙源3-10g/L、尿素3-10g/L，溶剂为去离子水，其中钙源包括氯化钙、硝酸钙、氢氧化钙中的至少一种，可以任意比例组合。
所述改性再生轻骨料制备方法包括以下步骤：
(1)将再生轻骨料放入混合细菌溶液中浸泡10-30min，使细菌吸附在再生轻骨料表面。取出后置于温度20-37℃、湿度90-100％的恒温箱中5-15d，每隔12-24h对骨料喷洒一次混合细菌溶液。取出后室温下晾干。
(2)将步骤(1)处理后的再生轻骨料放入有机硅防水剂中浸泡5-10min，取出后室温下晾干，待骨料表面防水剂固化形成物理防水膜，得到改性再生轻骨料。
优选的，所述步骤(1)中再生轻骨料包括破碎分级的泡沫混凝土、加气混凝土、多孔砌块、红砖中的至少一种，可以任意比例进行组合，粒径在2.36-26.5mm。
优选的，所述步骤(1)中浸泡时间取20min。
优选的，所述步骤(1)中温度取25-30℃。
优选的，所述步骤(1)中湿度取95-100％。
优选的，所述步骤(1)中在恒温箱中放置10-15d。
优选的，所述步骤(1)中每隔12h喷洒一次溶液。
优选的，所述步骤(1)中混合细菌溶液中芽孢八叠球菌与酵母菌1:0.5-1混合，细胞浓度为10000-100000cell/mL，溶液溶质组分及各组分含量为钙源3-10g/L、尿素3-10g/L，溶剂为去离子水，其中钙源包括氯化钙、硝酸钙、氢氧化钙中的至少一种，可以任意比例组合。
所述步骤(2)中有机硅防水剂为甲基硅树脂与植物细粉料的混合物。
优选的，所述甲基硅树脂可在室温下固化。
优选的，所述植物细粉料包括粉碎的稻草秸秆、小麦秸秆、玉米秸秆、木屑中的至少一种，可以任意比例进行组合，长度在2-5cm，含量为50-100g/L。
优选的，所述磁性骨料为废弃磁性陶瓷，粒径在2.36-26.5mm。
优选的，所述废弃磁性陶瓷为硬磁。
优选的，所述矿物掺合料的组份及各组份的重量份数为钢渣粉20-40份，石灰石粉10-20份。
所述复合纤维包括植物纤维和磁致伸缩纤维，可以任意比例组合，长度在5-15cm，直径在20-60μm。
优选的，所述植物纤维为亚麻、剑麻中的至少一种，可以任意比例组合。
优选的，所述植物纤维为剑麻纤维。
优选的，所述磁致伸缩纤维为Fe-Ga系磁致伸缩金属纤维。
为实现上述目的二，本发明采用如下技术方案：
一种再生轻骨料透水混凝土的制备方法，包括以下步骤：
(1)将水、矿物掺合料、水泥加入搅拌机，搅拌5-10min，形成均匀的水泥净浆。
(2)再将氧化石墨烯粉、减水剂、复合纤维、改性植物细粉料加入搅拌机，继续搅拌5-10min。
(3)再将改性再生轻骨料和磁性骨料投入搅拌机，继续搅拌5-10min，得到再生轻骨料透水混凝土。
本发明的优点为：
1.在透水混凝土中使用磁性骨料，具有以下优点：(1)磁性骨料提供了稳定磁场，赋予了透水混凝土离子吸引能力，提高了悬浮物吸附效率。下渗水体中的带电离子受到洛伦兹力将加快撞向空隙壁，离子运动速度越快则洛伦兹力越大，在暴雨时会有更多的离子克服水体的粘滞阻力撞向空隙壁，同时水中的悬浮物磁化后会聚集沉降；(2)磁性骨料形成的磁场可刺激微生物的生长代谢，并在一定程度上破坏有机污染物的分子键，减小微生物的代谢负担，提高污染物的降解效率；(3)磁性骨料可有效吸收微波辐射，不仅维护人体健康、减少信号干扰，还可大幅提高微波加热效率，且直接从透水混凝土内部空隙中加热，养护与除冰更加便捷高效；(4)磁性骨料在混凝土拌合、运输和浇筑过程中，持续对拌合水进行磁化，提高水体活性和流动度，促进水化反应。磁性骨料对下渗水体进行磁化，提高流动速度，改善渗透效果，磁化水对紫外线的吸收能力更强，且渗入土壤后可促进种子发芽、生根，加快植株生长，使作物早熟和增产；(5)磁性骨料在混凝土内部互相叠加磁场产生磁场加速度，内部空气受到Kelvin磁场力，产生热磁对流，加快空气流动；(6)可利用废弃的磁性材料作为骨料，提供了新的废弃物资源化利用途径，有利于可持续发展。
2.所用防水剂与再生轻骨料接触面形成化学防水膜，固化后形成物理防水膜，具有以下优点：(1)有效降低了再生轻骨料的吸水率；(2)物理防水膜对内部微生物起到保护作用，其中的植物细粉料为微生物早期代谢提供能量，同时形成连接外界的通道；(3)甲基硅树脂在基材表面形成的防水膜并没有真正地与基材表面结合，薄膜在内部微生物扰动和外界的理化作用下会逐渐脱离基材，微生物可得到进一步释放。
3.芽孢八叠球菌用于水质净化具有以下优点：(1)能在恶劣环境下生存，且能与其他菌种共存；(2)其具有极高的尿素降解活性，还可治理镍、铜、铅、钴、锌、铬等重金属污染，在高浓度重金属的污染区，可清除97％到99.95％的重金属离子，还可用于放射性污染的修复。
4.酵母菌用于水质净化具有以下优点：(1)对营养物质要求较低，能够适应贫瘠的环境条件，且能与其他菌种共存；(2)对有机物降解效率高，其COD去除率达到87.1％～97.3％、油的去除率达到了92.9％～99.8％；(3)具有疏水性与絮凝性，可有效吸附油脂等污染颗粒。
5.芽孢八叠球菌通过生物矿化作用形成碳酸钙沉淀，具有以下优点：(1)填补了再生轻骨料表面的孔隙，提高骨料强度；(2)有效避免了再生轻骨料在长期泡水情况下的粉化现象，提高了水稳定性；(3)起到微生物固定作用，与传统的悬浮微生物净水法相比较，固定微生物的净水效率更高，稳定性更强，并且能保持高效菌种；(4)对于吸附后无法代谢的污染物，可将其固定住。
6.改性植物细粉料用于本发明具有以下优点：(1)为菌种提供了生存空间与生长养分；(2)起到辅助吸附作用；(3)当其降解后，混凝土内的孔隙率和连通孔隙率得到进一步提升；(4)为农林有机废弃物再生利用提供新的途径。
7.植物纤维用于本发明具有以下优点：(1)提高了混凝土固化后早期的抗拉、抗折强度；(2)为微生物提供养分；(3)随着混凝土强度随时间增长达到较高值，植物纤维的功能发生转变，通过生物降解，其功能由原来的提供强度转变为提高连通孔隙率。
8.磁致伸缩纤维用于本发明具有以下优点：(1)提高透水混凝土的抗折、抗拉强度，当磁性骨料的磁性随时间和环境因素而减弱时，磁致伸缩纤维将逐渐收缩变形，起到施加预应力的作用；(2)磁致伸缩纤维受拉变形时，会发生压磁效应，其周围可产生磁场，此时具有磁性骨料的部分特征及优点。
9.氧化石墨烯粉用于本发明具有以下优点：(1)对水体、空气中的有害物质起到很好的吸附作用；(2)起到一定的二级填充作用，提高混凝土的强度与耐水性。
10.提供的再生轻骨料透水混凝土制备方法具有以下优点：优先配置好水泥浆体，再将骨料最后加入，有利于适应预制构件的工厂化生产。
具体实施方式
为了更好地理解本发明，下面结合实施例对本发明作进一步的详细说明，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。
以下实施例中所采用的混合细菌溶液制备过程为：将芽孢八叠球菌与酵母菌1:1混合，细胞浓度为50000cell/mL，溶液溶质组分及各组分含量为钙源5g/L、尿素5g/L，溶剂为去离子水。钙源中各组份及各组份的重量比为氯化钙:硝酸钙:氢氧化钙＝1:1:1。
以下实施例中所采用的改性植物细粉料制备过程为：将植物细粉料在混合细菌溶液中浸泡2h后干化得到。植物细粉料中各组份及各组份的重量比为稻草秸秆:小麦秸秆:玉米秸秆:木屑＝1:1:1:1，长度为3cm。
以下实施例中所采用的有机硅防水剂制备过程为：在每升甲基硅树脂中添加100g植物细粉料。植物细粉料中各组份及各组份的重量比为稻草秸秆:小麦秸秆:玉米秸秆:木屑＝1:1:1:1，长度为3cm。
以下实施例中所采用的改性再生轻骨料制备过程为：将再生轻骨料放入混合细菌溶液中浸泡20min，使细菌吸附在再生轻骨料表面；取出后置于温度30℃、湿度95％的恒温箱中10d，每隔12h对骨料喷洒一次混合细菌溶液；取出后干化；将上述处理后的再生轻骨料放入有机硅防水剂中浸泡5min，取出后待骨料表面防水剂固化形成物理防水膜，得到改性再生轻骨料。再生轻骨料中各组份及各组份的重量比为泡沫混凝土骨料:红砖骨料＝67:33，粒径为9.5-13.2mm。
以下实施例中所采用的再生轻骨料透水混凝土制备过程为：将水、矿物掺合料、水泥加入搅拌机，搅拌10min，形成均匀的水泥净浆；再将氧化石墨烯粉、减水剂、(复合)纤维、(改性)植物细粉料加入搅拌机，继续搅拌10min；再将(改性)再生轻骨料和磁性骨料投入搅拌机，继续搅拌10min，得到再生轻骨料透水混凝土。水泥为P·O 42.5普通硅酸盐水泥，减水剂为聚羧酸型高效减水剂(固含量40％)，植物纤维为剑麻纤维，长度10cm、直径40μm，磁致伸缩纤维为Fe-Ga系磁致伸缩金属纤维，长度10cm、直径40μm，磁性骨料中各组份及各组份的重量比为废弃的磁性陶瓷:废弃的钕铁硼磁体＝1:1。
实施例1
一种再生轻骨料透水混凝土，配比如下：
按各原料重量份数计，水泥350份，钢渣粉20份，石灰石粉10份，改性再生轻骨料800份，磁性骨料1000份，改性植物细粉料1份，水100份，减水剂1份，植物纤维5份，磁致伸缩纤维20份，氧化石墨烯15份。
实施例2
一种再生轻骨料透水混凝土，配比如下：
按各原料重量份数计，水泥350份，钢渣粉20份，石灰石粉10份，改性再生轻骨料900份，磁性骨料750份，改性植物细粉料1份，水100份，减水剂1份，植物纤维5份，磁致伸缩纤维15份，氧化石墨烯15份。
实施例3
一种再生轻骨料透水混凝土，配比如下：
按各原料重量份数计，水泥350份，钢渣粉20份，石灰石粉10份，改性再生轻骨料1000份，磁性骨料500份，改性植物细粉料1份，水100份，减水剂1份，植物纤维5份，磁致伸缩纤维10份，氧化石墨烯15份。
实施例4
一种再生轻骨料透水混凝土，配比如下：1
按各原料重量份数计，水泥370份，钢渣粉15份，石灰石粉15份，改性再生轻骨料850份，磁性骨料875份，改性植物细粉料1份，水120份，减水剂0.8份，植物纤维10份，磁致伸缩纤维15份，氧化石墨烯15份。
实施例5
一种再生轻骨料透水混凝土，配比如下：
按各原料重量份数计，水泥390份，钢渣粉20份，石灰石粉10份，改性再生轻骨料850份，磁性骨料875份，改性植物细粉料1份，水120份，减水剂1份，植物纤维10份，磁致伸缩纤维15份，氧化石墨烯15份。
实施例6
按各原料重量份数计，水泥420份，钢渣粉30份，石灰石粉20份，改性再生轻骨料850份，磁性骨料875份，改性植物细粉料1份，水120份，减水剂1.2份，植物纤维10份，磁致伸缩纤维15份，氧化石墨烯15份。
对比例1
一种再生轻骨料透水混凝土，配比如下：
按各原料重量份数计，水泥350份，钢渣粉20份，石灰石粉10份，普通再生轻骨料1200份，植物细粉料1份，水120份，减水剂0.8份，植物纤维15份，氧化石墨烯15份。
对比例2
一种再生轻骨料透水混凝土，配比如下：
按各原料重量份数计，水泥350份，钢渣粉20份，石灰石粉10份，改性再生轻骨料1200份，改性植物细粉料1份，水120份，减水剂0.8份，植物纤维15份，氧化石墨烯15份。
对比例3
一种再生轻骨料透水混凝土，配比如下：
按各原料重量份数计，水泥350份，钢渣粉20份，石灰石粉10份，改性再生轻骨料1150份，磁性骨料125份，改性植物细粉料1份，水120份，减水剂0.8份，植物纤维10份，磁致伸缩纤维5份，氧化石墨烯15份。
上述实施例1-6、对比例1-3的再生轻骨料透水混凝土性能如下。抗压强度试验按《再生骨料透水混凝土应用技术规程》CJJ/T253-2016进行，渗透系数试验按《透水水泥混凝土路面技术规程》CJJ/T135-2009进行，空隙率试验按《再生骨料透水混凝土应用技术规程》CJJ/T253-2016进行，污染物削减率按《水和废水监测分析方法》及相关标准进行。渗透效率和污染物削减效率按下式计算。
渗透效率＝渗透系数/空隙率
污染物削减效率＝污染物削减率/空隙率
Figure BDA0002703844050000071
可以看出，上述实施例1-6的28d抗压强度、浸水3d抗压强度、渗透效率、污染物削减效率都稳定在一个较高水平，大于对比例。对比例中整体效果对比例3＞对比例2＞对比例1，在磁场和微生物协同作用下，再生轻骨料透水混凝土性能得到较大提高。
上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的实例，并非对本发明做任何形式上的限制。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化，均落入本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种再生轻骨料透水混凝土，其特征在于：所述的混凝土的组份及各组份的重量份数为：改性再生轻骨料800-1000份，磁性骨料500-1000份，水泥350-420份，矿物掺合料0-50份，改性植物细粉料0.5-1份，水100-120份，聚羧酸型减水剂0.8-1.2份，复合纤维15-25份，氧化石墨烯粉15-20份；
混合细菌溶液由芽孢八叠球菌与酵母菌1:0.5-1混合，细胞浓度为10000-100000cell/mL；
所述复合纤维的组份及各组份的重量份数为：植物纤维10-15份，磁致伸缩纤维15-20份；
所述改性再生轻骨料制备方法为：
（1）将再生轻骨料放入混合细菌溶液中浸泡10-30min，使细菌吸附在再生轻骨料表面；取出后置于温度20-37℃、湿度90-100%的恒温箱中5-15d，每隔12-24h对骨料喷洒一次混合细菌溶液；取出后干化；
（2）将步骤（1）处理后的再生轻骨料放入有机硅防水剂中浸泡5-10min，取出后待骨料表面防水剂固化形成物理防水膜，得到改性再生轻骨料。
2.根据权利要求1所述的再生轻骨料透水混凝土，其特征在于：所述矿物掺合料的组份及各组份的重量份数为：钢渣粉20-40份，石灰石粉10-20份。
3.根据权利要求1所述的再生轻骨料透水混凝土，其特征在于：所述复合纤维中，植物纤维的长度在5-15cm，植物纤维的直径在20-60μm；磁致伸缩纤维的长度在5-15cm，磁致伸缩纤维的直径在20-60μm。
4.根据权利要求3所述的再生轻骨料透水混凝土，其特征在于：植物纤维为亚麻、剑麻中的一种或两种任意比例组合；磁致伸缩纤维包括Fe-Ga系磁致伸缩金属纤维。
5.根据权利要求1所述的再生轻骨料透水混凝土，其特征在于：所述磁性骨料具有体积稳定性和化学稳定性，骨料间可产生稳定磁场，磁场力＜混凝土粘结力，包括废弃的磁性硬磁陶瓷及磁铁矿碎石，粒径在2.36-26.5mm。
6.根据权利要求1所述的再生轻骨料透水混凝土，其特征在于：所述改性植物细粉料是由植物细粉料在混合细菌溶液中浸泡1-2h后干化得到；植物细粉料包括粉碎的稻草秸秆、小麦秸秆、玉米秸秆、木屑中的至少一种，或以上任意比例进行组合，长度在2-5cm；所述改性再生轻骨料包括破碎分级的泡沫混凝土、加气混凝土、多孔砌块、红砖中的至少一种，或以上任意比例进行组合，粒径在2.36-26.5mm。
7.根据权利要求6所述的再生轻骨料透水混凝土，其特征在于：混合细菌溶液的溶质组分及各组分含量为钙源3-10g/L、尿素3-10g/L，溶剂为去离子水；其中钙源包括氯化钙、硝酸钙、氢氧化钙中的至少一种，或任意比例组合。
8.根据权利要求1所述的再生轻骨料透水混凝土，其特征在于：所述有机硅防水剂为甲基硅树脂与植物细粉料的混合物，植物细粉料含量为50-100g/L；植物细粉料包括粉碎的稻草秸秆、小麦秸秆、玉米秸秆、木屑中的至少一种，或任意比例进行组合，长度在2-5mm。
9.一种如权利要求1-8任意一项所述再生轻骨料透水混凝土的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
（1）将水、矿物掺合料、水泥加入搅拌机，搅拌5-10min，形成均匀的水泥净浆；
（2）再将氧化石墨烯粉、减水剂、复合纤维、改性植物细粉料加入搅拌机，继续搅拌5-10min；
（3）再将改性再生轻骨料和磁性骨料投入搅拌机，继续搅拌5-10min，得到再生轻骨料透水混凝土。
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