CN113372090A - 一种凝灰岩基绿色生态混凝土及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种凝灰岩基绿色生态混凝土及其制备方法，各组分及其所占重量份数包括：凝灰岩粉100～140份，凝灰岩颗粒30～50份，粉煤灰80～120份，高岭土60～80份，复合外加剂30～50份，沙漠砂280～350份，高性能空心玻璃微珠80～120份，陶粒100～150份，水160～200份；其中所述复合外加剂以磷酸二氢钾、磷酸二氢钠、碳酰胺和氧化石墨烯分散液为主要原料，经发酵复配而成。本发明所得生态混凝土具有良好保水、固肥、透气性能和耐久性能，可用于沙漠边缘防风林、戈壁种植植物、防风固沙，并可实现凝灰岩、沙漠砂等资源化利用，具有重要的经济和环境效益。
Description
技术领域
本发明属于生态混凝土技术领域，具体涉及一种凝灰岩基绿色生态混凝土及其制备方法。
背景技术
凝灰岩是一种火山碎屑岩，其火山碎屑物质有50％以上的颗粒直径小于2mm，成分主要是火山灰。火山喷发得到的凝灰岩主要矿物成分包括：1)铝硅酸盐玻璃体(除具有Al、Si、O主要成分外，还含有少量的Ca、Fe、Na、K、Ti、Mg和Mn等元素)，含量60％以上；2)晶体矿物，通常包括石英、磷灰石、莫来石、黑云母、磁铁矿、绿帘石，其总量约为20～40％；3)未燃尽的碳颗粒，在凝灰岩中一般不超过5％。但凝灰岩存在活性较低等问题，通常需要进行球磨加工，但球磨后的凝灰岩颗粒形状不规则，影响混凝土的工作性能，且需水量高，早期强度低；影响其在混凝土中的高效应用。此外，沙漠砂细度模数小，属于特细砂，且含泥量高，需水量高，外加剂适应性差。因此，进一步探索凝灰岩和沙漠砂在混凝土领域中的资源化应用，具有重要的经济和环境效益。
生态混凝土往往需要具备大孔隙，孔隙中充填土壤便于植物生长；但泥土保水量有限，需要经常补充水分，通常需要在混凝土内部铺设给水管网，建立浇灌系统，然而频繁的浇灌容易导致土壤养分流失，且工程造价昂贵，后期维护成本较高。生态混凝土是一种具有连续及半连续多孔隙的混凝土，其孔隙结构可使水分、空气贯通，为植物创造很好的生长环境，但大孔隙的存在势必会导致水分和易溶盐的流失，造成土壤水分和肥力下降。然而，目前普通生态混凝土还存在如下缺点：1)耐久性差，植被混凝中存在大量蜂窝状连通孔隙，其孔隙率在25％以上，耐久性较差；2)抗压强度低，难以有效兼顾抗压强度与高孔隙率特征，需进一步解决抗压强度与孔隙率之间的矛盾问题；3)碱度高，利用普通硅酸盐水泥制备的生态混凝土势必会碱度很高(pH值在12以上)，无法满足植物生长的要求，如何在不降低抗压强度的基础上降低碱度是一大技术难题。
发明内容
本发明的主要目的在于针对现有生态混凝土存在的不足，提供一种利用凝灰岩制备的生态混凝土，具有良好保水、保肥、透气性能，可用于沙漠边缘防风林、戈壁种植植物、防风固沙，并可实现凝灰岩、沙漠砂等资源化利用，具有重要的经济和环境效益。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种凝灰岩基绿色生态混凝土，各组分及其所占重量份数包括：凝灰岩粉100～140份，凝灰岩颗粒30～50份，粉煤灰80～120份，高岭土60～80份，复合外加剂30～50份，沙漠砂280～350份，高性能空心玻璃微珠80～120份，陶粒100～150份，水160～200份；其中所述复合外加剂以磷酸二氢钾、磷酸二氢钠、碳酰胺为主要原料，并引入氧化石墨烯分散液，发酵，再与减水剂复配而成(有利于进一步改善减水剂等组分的分散性能)。
上述方案中，所述凝灰岩颗粒通过将凝灰岩进行破碎(破碎时间控制在0.5～1min)，得到粒径为5～10mm大小的凝灰岩颗粒物而成；所述凝灰岩粉是将凝灰岩颗粒在试验磨中继续球磨至表面积为400～550m2/kg而成，其堆积密度大于2.49g/cm3。
上述方案中，所述凝灰岩为层状沉积岩，来源于新疆伊犁地区，其主要化学组成及所占质量百分比包括：SiO2 64.5～73.8％，CaO 0.30～0.52％，Al2O3 21.8～26.3％，MgO0.45～1.18％，K2O 1.10～1.39％，Na2O 0.10～0.30％。
上述方案中，所述粉煤灰为II级粉煤灰。
上述方案中，所述高岭土为软质高岭土，密度在2.50～2.60g/cm3；砂质含量为32～38wt％。
上述方案中，所述沙漠砂的细度模数为1.10～1.25，属于特细砂，其含泥量为1.5～3.0wt％，密度为2.45～2.60g/cm3；本发明采用的沙漠砂细度模数较小，细度太细，将其应用于拌制生态混凝土时存在需水量高等问题，工作性差；本发明进一步引入高岭土、氧化石墨烯及其与磷基复合外加剂的粘聚复合效应等，可有效改善沙漠砂保水性差等问题；有效解决沙漠砂的资源化应用问题，可避免对河砂的开采或机制砂破碎对能源的消耗问题，同时对沙漠治理具有重要意义。
上述方案中，所述高性能空心玻璃微珠的堆积密度为0.33～0.36g/cm3，pH值为8.0～9.5，抗压强度为80.5～88.3MPa。
上述方案中，所述陶粒为页岩陶粒，筒压强度7.0～10.0MPa，24h吸水率4.0～6.8％，容重1000～1500kg/m3，粒径范围10～25mm。
上述方案中，所述复合外加剂的制备方法具体包括如下步骤：称取浓度3-5wt％的氧化石墨烯分散液、磷酸二氢钾、磷酸二氢钠、碳酰胺和水，混合均匀后，在50-60℃温度条件下进行发酵24-48h，再加入减水剂，混合均匀，得所述复合外加剂；其中各原料及其所占重量份数包括：氧化石墨烯分散液50～100份、磷酸二氢钾0.5～1.5份、磷酸二氢钠0.8～1.2份、碳酰胺2.4～3.5份和外加水10～20份(不包含氧化石墨烯分散液中引入的水)，聚羧酸减水剂2.5～3.7份。
上述一种凝灰岩生态混凝土的制备方法，包括如下步骤：
1)原料称取；各组分及其所占重量份数包括：凝灰岩粉100～140份，凝灰岩颗粒30～50份，粉煤灰80～120份，高岭土60～80份，复合外加剂30～50份，沙漠砂280～350份，高性能空心玻璃微珠80～120份，陶粒100～150份，水160～200份；
2)将称取的凝灰岩粉、凝灰岩颗粒、粉煤灰、高岭土、复合外加剂、沙漠砂、高性能空心玻璃微珠、陶粒和水，拌合均匀，即得所述凝灰岩生态混凝土。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
1)凝灰岩资源丰富，本发明采用凝灰岩等矿物掺合料完全取代水泥制备生态混凝土，无需水泥等高温煅烧工艺，可有效降低能耗和制备成本，并可同时提供一定植物生长所需微量元素；引入的凝灰岩粉可发挥一定的填充效应及微集料效应，并可优化生态混凝土的孔结构，储存植物所需的养分，中和肥料发酵后产生的酸，为植物生长提供适宜的酸碱度；此外引入的凝灰岩的蓄水能力较强，能够起到一定的保水作用，为植物生长储存一定的水分；在凝灰岩基胶凝体系中进一步引入高岭土，通过调节粉料之间合适的粒径和比表面积，并与发酵后的复合外加剂进一步粘聚、粘连，为种植植物保水、保湿提供了良好的保水条件；且高岭土耐酸性能强，能调节生态混凝土的酸碱度，保证种植土的工作性同时，增强种植土的可塑性。
2)本发明在凝灰岩基种植土中进一步引入高性能空心玻璃微珠和陶粒，在改善力学性能的基础上，可进一步改善生态混凝土的孔隙率并调控其孔径。
3)本发明可同步实现沙漠砂和凝灰岩的有效资源化利用，具有重要的经济和环境效益。
4)本发明通过在复合外加剂的制备过程中进一步引入氧化石墨烯，然后进行发酵和复配，使所得无机盐基复合外加剂充分分散在氧化石墨烯分散液中，并进一步结合凝灰岩基胶凝材料和高岭土进行固化，有利于解决氮磷钾肥难以有效引入沙漠砂基混凝土等难题；此外，引入的多孔性氧化石墨烯，在发挥保水作用的同时，可进一步改善透气性能，有利于创造种植土的气孔条件，保证土壤有一定的疏松效果，增强植物根系吸收土壤中养分的能力；氧化石墨烯还能吸附一定量的微量元素(如铁离子、钠离子、镁离子等)，有助于植物的生长；引入的氧化石墨烯基复合外加剂可进一步改善混凝土内部的含气量，同时结合氧化石墨烯的孔隙结构和抗张拉能力，并对混凝土各组分之间的配比进行优化，可有效改善所得混凝土的抗冻性能和耐久性能。
5)本发明所得生态混凝土中富含充足的磷、钾、氮等元素，引入的凝灰岩、高岭土等胶凝-固化体系，可有效增强种植土的保水、保肥性，增加沙漠砂的可塑性，有效解决沙漠砂造成的水土流失问题，为植物提供长期稳定的生长营养元素。
具体实施方式
为了更好的理解本发明，下面结合具体实施例进一步阐明本发明的内容，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，采用凝灰岩取自新疆伊犁地区，为层状沉积岩，表观密度2.71g/cm3，其化学组成见表1。
表1凝灰岩粉的化学组成
采用的高岭土由灵寿县永源矿产品有限公司提供，密度为2.58g/cm3，砂质含量为33wt％。
采用的沙漠砂取自塔克拉玛干沙漠边缘，其细度模数1.25，属于特细砂，含泥量为1.8％，密度2.52g/cm3。
采用的高性能空心玻璃微珠来源于山西海诺科技股份有限公司，型号为HN60型，其真实密度为0.58～0.63g/cm3，堆积密度为0.33～0.36g/cm3，pH值为8.8，抗压强度为82.75MPa；陶粒为新疆五彩湾提供的页岩陶粒，筒压强度7.5MPa，24h吸水率4.2％，容重1400kg/m3。
实施例1
一种凝灰岩基绿色生态混凝土，其制备方法包括如下步骤：
1)采用颚式破碎机将凝灰岩进行破碎1min至粒径为5～10mm，得凝灰岩颗粒；然后取部分凝灰岩颗粒继续球磨1h，球磨完成后的凝灰岩堆积密度为2.49g/cm3，比表面积为450m2/kg，得凝灰岩粉；
2)称取浓度为3wt％的氧化石墨烯分散液(水溶液)100g，向其中加入0.8g磷酸二氢钾、1.0g磷酸二氢钠、2.6g碳酰胺、15g水，同时进行发酵复配48h，发酵温度控制在60℃，发酵后，加入2.8g聚羧酸减水剂，混合均匀，得到复合外加剂；
3)称取120份凝灰岩粉、30份凝灰岩颗粒、80份粉煤灰、60份高岭土、40份复合外加剂、280份沙漠砂、高性能空心玻璃微珠80份、陶粒100份、160份自来水，控制温度为20±5℃，湿度50％以上，将凝灰岩粉、粉煤灰、高岭土、凝灰岩颗粒、沙漠砂、高性能空心玻璃微珠、陶粒加入强制式混凝土搅拌机，盖上机盖混合搅拌30～60s，再将复合外加剂加入水中，用玻璃棒搅拌10～20s，混合均匀后加入混凝土搅拌机，然后将混凝土搅拌机继续搅拌60～90s，搅拌完成后将混凝土出机用铁锹拌制30s，得到凝灰岩生态混凝土。
参照JC/T 2557-2020《植生混凝土》和GB/T50082-2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》的方法对本实施例所的生态混凝土进行性能测试，结果见表2。
表2实施例1所得生态混凝土的性能测试结果
上述结果表明，本实施例所得生态混凝土满足标准性能要求。
将本实施例所得生态混凝土应用于种植效果测试，具体步骤包括：采用常见杨树苗作为种植对象，初始高度35cm，置于室外进行试验，室外平均气温25℃，空气湿度20％，平均日照时间10h，将杨树苗种植于凝灰岩混凝土中后，浇入2000mL自来水后，此后30d无需浇水养护，30d后杨树苗长势良好，高度长高15cm，满足种植要求。
实施例2
一种凝灰岩基绿色生态混凝土，其制备方法包括如下步骤：
1)采用颚式破碎机将凝灰岩进行破碎至粒径为5～10mm，得凝灰岩颗粒；取部分凝灰岩颗粒继续球磨1h，球磨完成后的凝灰岩堆积密度为2.54g/cm3，比表面积为500m2/kg，得凝灰岩粉；
2)称取5wt％氧化石墨烯分散液80g，向其中加入1.0g磷酸二氢钾、1.2g磷酸二氢钠、3.0g碳酰胺、15g水，同时进行发酵48h，发酵温度控制在60℃，发酵后，加入3.4g聚羧酸减水剂，混合均匀，得到复合外加剂；
3)称取140份凝灰岩粉、50份凝灰岩颗粒、100份粉煤灰、70份高岭土、50份复合外加剂、300份沙漠砂、高性能空心玻璃微珠100份、陶粒120份、200份自来水，拌合制备得到凝灰岩生态混凝土。
参照JC/T 2557-2020《植生混凝土》和GB/T50082-2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》的方法对本实施例所的生态混凝土进行性能测试，测试结果见表3。
表3实施例2所得生态混凝土的性能测试结果
将本实施例所得生态混凝土应用于种植效果测试，具体步骤包括：采用常见杨树苗作为种植对象，初始高度35cm，置于室外进行试验，室外平均气温25℃，空气湿度20％，平均日照时间10h，将杨树苗种植于凝灰岩混凝土中后，浇入2000mL自来水后，此后30d无需浇水养护；30d后，杨树苗长势良好，高度长高17cm，满足种植要求。
对比例1
一种采用沙漠砂的普通生态混凝土，采用的配方条件见表4。
表4采用沙漠砂的普通生态混凝土配合比
其中，土壤为新疆地区的砂土，砂土的砂粒含量超过50％，粘粒含量小于30％；水泥为新疆吉木萨尔水泥厂生产的P·O 42.5硅酸盐水泥；细骨料采用沙漠砂，来源于塔克拉玛干沙漠边缘，其细度模数1.25，属于特细砂，含泥量为1.8％，密度2.52g/cm3；粗骨料采用碎石，来源于新疆和砼源建材有限公司，粒径20～31.5mm，表观密度2830kg/m3，孔隙率46％；有机质为内蒙古纯羊粪生物有机菌肥(人畜粪便BB肥)，由内蒙古乌兰察布市绿翔农业生产资料有限公司提供；肥料为润德苑林黑菌宝型有机无机复混肥，由河南润之德农业科技有限公司提供；保水剂为山东润涵新材料科技有限公司提供的钾盐SD-16型农林抗旱保水剂，固含量24.2％，密度1.05g/cm3，pH值6.2；外加剂为乌鲁木齐科汇达化工建材有限公司提供的减水保坍JS-8型聚羧酸减水剂，固含12.8％，减水率25.2％。
表5采用沙漠砂对比例1所得普通生态混凝土的性能测试结果
本对比例采用常见杨树苗作为种植对象，初始高度35cm，置于室外进行试验，室外平均气温25℃，空气湿度20％，平均日照时间10h，将杨树苗种植于普通生态混凝土中后，浇入2000mL自来水后，此后30d不浇水，通过观测，第10d杨树苗长高3cm，第20d杨树苗开始枯萎，30d后，杨树苗枯萎死亡。
对比例2
一种凝灰岩生态混凝土，其制备方法包括如下步骤：
1)采用颚式破碎机将凝灰岩进行破碎1min至粒径为5～10mm，得凝灰岩颗粒，继续通过试验磨球磨1h，球磨完成后的凝灰岩堆积密度为2.49g/cm3，比表面积为450m2/kg，得凝灰岩粉；
2)称取0.8g磷酸二氢钾、1.0g磷酸二氢钠、2.6g碳酰胺、15g蒸馏水，同时进行发酵48h，发酵温度控制在60℃，加入3.4g聚羧酸减水剂，混合均匀，得到复合外加剂；
3)称取140份凝灰岩粉、50份凝灰岩颗粒、100份粉煤灰、70份高岭土、50份复合外加剂、300份沙漠砂、高性能空心玻璃微珠100份、陶粒120份、200份自来水，将凝灰岩粉、粉煤灰、高岭土、凝灰岩颗粒、沙漠砂加入强制式混凝土搅拌机，盖上机盖混合搅拌30～60s，再将复合外加剂加入水中，用玻璃棒搅拌10～20s，混合均匀后加入混凝土搅拌机，然后将混凝土搅拌机继续搅拌60～90s，搅拌完成后将混凝土出机用铁锹拌制30s，得到凝灰岩生态混凝土。
本对比例所得生态混凝土的性能测试结果见表6。
表6对比例2所得普通生态混凝土的性能测试结果
测试结果表明：本调整了胶材、骨料、复合外加剂间的比例，配制成生态混凝土，性能测试如表6所示。由表6可以看出该生态混凝土连续孔隙率、生态孔径均出现了一定的下降，没有达到标准要求，且抗冻性能出现了一定程度的下降。
本对比例采用常见杨树苗作为种植对象，初始高度35cm，置于室外进行试验，室外平均气温25℃，空气湿度20％，平均日照时间10h，将杨树苗种植于该生态混凝土中后，浇入2000mL自来水后，此后30d不浇水，通过观测，第10d杨树苗长高2.5cm，第19d杨树苗开始枯萎，25d后，杨树苗枯萎死亡。
对比例3
一种凝灰岩生态混凝土，其制备方法包括如下步骤：
1)采用颚式破碎机将凝灰岩进行破碎1min至粒径为5～10mm，得凝灰岩颗粒，继续通过试验磨球磨1h，球磨完成后的凝灰岩堆积密度为2.49g/cm3，比表面积为450m2/kg，得凝灰岩粉；
2)称取80份凝灰岩粉、60份凝灰岩颗粒、70份粉煤灰、50份高岭土、280份沙漠砂、陶粒180份、保水剂0.8份、有机质20份(内蒙古纯羊粪生物有机菌肥，由内蒙古乌兰察布市绿翔农业生产资料有限公司提供)、350份自来水，减水剂用量2.1份；控制温度为20±5℃，湿度50％以上，将凝灰岩粉、粉煤灰、高岭土、凝灰岩颗粒、沙漠砂加入强制式混凝土搅拌机，盖上机盖混合搅拌30～60s，再将水加入混凝土搅拌机，然后将混凝土搅拌机搅拌60～90s，搅拌完成后将混凝土出机用铁锹拌制30s，得到凝灰岩生态混凝土。
本对比例所得生态混凝土的性能测试结果见表7。
表7对比例3所得普通生态混凝土的性能测试结果
本对比例中未添加氧化石墨烯复合外加剂、高性能玻璃微珠，添加了保水剂、有机质，调整了骨料的比例，配制成生态混凝土，性能测试如表7所示。由表7可以看出该生态混凝土的连续孔隙率、植生孔径均出现了一定的下降，没有达到标准要求，且抗冻性能出现了一定程度的下降。
本对比例采用常见杨树苗作为种植对象，初始高度35cm，置于室外进行试验，室外平均气温25℃，空气湿度20％，平均日照时间10h，将杨树苗种植于该生态混凝土中后，浇入2000mL自来水后，此后30d不浇水，通过观测，第10d杨树苗长高3.0cm，第20d杨树苗开始枯萎，26d后，杨树苗枯萎死亡。
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种凝灰岩基绿色生态混凝土，其特征在于，各组分及其所占重量份数包括：凝灰岩粉100～140份，凝灰岩颗粒30～50份，粉煤灰80～120份，高岭土60～80份，复合外加剂30～50份，沙漠砂280～350份，高性能空心玻璃微珠80～120份，陶粒100～150份，水160～200份；其中所述复合外加剂以磷酸二氢钾、磷酸二氢钠、碳酰胺为主要原料，并引入氧化石墨烯分散液，经发酵，再与减水剂复配而成。
2.根据权利要求1所述的凝灰岩基绿色生态混凝土，其特征在于，所述凝灰岩颗粒通过将凝灰岩进行破碎至5～10mm而成；所述凝灰岩粉通过将凝灰岩进行破碎至5～10mm，然后进行球磨至比表面积为400～550m2/kg而成，其堆积密度为2.49g/cm3以上。
3.根据权利要求2所述的凝灰岩基绿色生态混凝土，其特征在于，所述凝灰岩为层状沉积岩，其主要化学组成及所占质量百分比包括：SiO2 64.5～73.8％，CaO 0.30～0.52％，Al2O321.8～26.3％，MgO 0.45～1.18％，K2O 1.10～1.39％，Na2O 0.10～0.30％。
4.根据权利要求1所述的凝灰岩基绿色生态混凝土，其特征在于，所述粉煤灰为II级粉煤灰。
5.根据权利要求1所述的凝灰岩基绿色生态混凝土，其特征在于，所述高岭土为软质高岭土，密度为2.50～2.60g/cm3，砂质含量为32～38wt％。
6.根据权利要求1所述的凝灰岩基绿色生态混凝土，其特征在于，所述沙漠砂的细度模数为1.10～1.25，属于特细砂，其含泥量为1.5～3.0wt％，密度为2.45～2.60g/cm3。
7.根据权利要求1所述的凝灰岩基绿色生态混凝土，其特征在于，所述高性能空心玻璃微珠的堆积密度为0.33～0.36g/cm3，pH值为8.0～9.5，抗压强度为80.5～88.3MPa。
8.根据权利要求1所述的凝灰岩基绿色生态混凝土，其特征在于，所述陶粒为页岩陶粒，筒压强度7～10MPa，24h吸水率4.0～6.8％，容重1000～1500kg/m3，粒径范围在10～25mm。
9.根据权利要求1所述的凝灰岩基绿色生态混凝土，其特征在于，所述复合外加剂的制备方法具体包括如下步骤：称取浓度3-5wt％的氧化石墨烯分散液、磷酸二氢钾、磷酸二氢钠、碳酰胺和水，混合均匀后，在50-60℃温度条件下进行发酵复配24-48h，再加入聚羧酸减水剂，混合均匀，得所述复合外加剂；其中各原料及其所占重量份数包括：氧化石墨烯分散液50～100份、磷酸二氢钾0.5～1.5份、磷酸二氢钠0.8～1.2份、碳酰胺2.4～3.5份，外加水10～20份，减水剂2.5～3.7份。
10.权利要求1～9任一项所述凝灰岩基绿色生态混凝土的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)原料称取；各组分及其所占重量份数包括：凝灰岩粉100～140份，凝灰岩颗粒30～50份，粉煤灰80～120份，高岭土60～80份，复合外加剂30～50份，沙漠砂280～350份，高性能空心玻璃微珠80～120份，陶粒100～150份，水160～200份；
2)将称取的凝灰岩粉、凝灰岩颗粒、粉煤灰、高岭土、沙漠砂、高性能空心玻璃微珠、陶粒混合均匀，然后加入复合外加剂和水，搅拌均匀，即得所述凝灰岩基绿色生态混凝土。
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
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