CN113636815A - 一种基于固废回收利用的生态混凝土 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种基于固废回收利用的生态混凝土，其原料包括水泥20‑26wt％、粉煤灰5‑9wt％、煤矸石粉17‑25wt％、陶粒22‑29wt％、复合纤维5‑9wt％、外加剂1‑2wt％、水11‑17wt％；陶粒的制备方法是先称取钢渣粉、磷渣粉、植物纤维、污泥粉，加水造粒制成生料球；然后在900‑1200℃烧结25‑30min，冷却，球磨制成。本发明利用常见的工业废料、河道污泥治理产物、煤矸石等为原料，制备得到了能够适用于水体修复并具有良好修复效果的生态混凝土，通过特殊原料的选择，使这种混凝土内部形成不同形状的孔道结构，促使更多微生物和污染物被吸附进入混凝土，增大微生物与污染物的接触面积，水体净化效果显著提升；同时，混凝土的力学强度和抗酸腐蚀等效果也有显著增强。

Description

一种基于固废回收利用的生态混凝土
技术领域
本发明属于环保混凝土技术领域，特别是基于固废回收利用的生态混凝土。
背景技术
生态混凝土是一种较为特殊的混凝土，其材料选用、制造工艺都与普通混凝土存在一定的区别，所以制造出来的混凝土结构较为特殊，表面特性也不同。生态混凝土能有效改善环境负荷，并能与自然环境和谐相处，达到一定的环保效果。生态混凝土概念的提出，意味着在处理混凝土与环境之间的关系上得到积极的改善。
生态混凝土主要分为环境友好型和生物相容型的两类。其中，生物相容型生态混凝土是指能够与大自然中的动植物和谐共存，并能在一定程度上协调生态环境，有效美化环境，达到人与自然的和谐共存。生物相容型混凝土的种类十分繁多，其能够帮助植物透气透水，渗透植物所需的营养物质，促进植物根系生长，让陆生和水生植物附着栖息在空隙内相互作用形成食物链；吸附各种微生物，利用微生物循环消耗污水中的营养物质达到净化水质，消除水体富营养状态的目的，最终实现改善海洋生物和淡水生物良好生长环境从而保护生态环境。
现有技术中，中国专利申请CN112759343A提供了一种固废基低碱度多孔生态透水混凝土及其制备方法，其原料包括低碱度胶凝材料、掘进矸石骨料、粘合剂、水剂、水；低碱度胶凝材料由固废基硫铝酸盐胶凝材料、混合石粉、脱硫石膏按特定质量比组成，混合石粉为红矸石粉与废石粉的混合物，固废基硫铝酸盐胶凝材料由废石粉、脱硫石膏、钢渣、铝渣四种固废原材料制备而成。这种混凝土虽然早期强度高，孔隙碱度低，成本低，但是其主要在边坡防护中用于植生生长。
又例如中国专利申请CN112456835A提供了一种生态混凝土添加剂及生态混凝土，生态混凝土添加剂是将多孔骨料置于复合菌液中，经真空吸附、烘干而成，生态混凝土包括生态混凝土添加剂、粉煤灰、水泥、超细粉防腐剂、减水剂和水。与现有技术相比，本发明所提供的生态混凝土添加剂及生态混凝土，能在多孔骨料的内外壁面形成微生物膜，又能对混凝土裂缝进行自修复，具有更大生物容量，提高了其对水质净化的效果。然而，这种混凝土的力学强度和抗腐蚀性能有限。
又例如中国授权专利CN109534739B提供了一种环保型生态混凝土及其制备工艺，其原料包括水、水泥、粗骨料、固废陶粒、细骨料、纳米二氧化钛改性纤维质混合物、聚羧酸减水剂、引气剂、专用复合外加剂；专用复合外加剂包括硫酸铵、硝酸钠、硅酸钠、磷酸二氢钾等植物生长所需的营养成分。该环保型生态混凝土，在不降低透水性能的情况下，提高了抗压强度和抗折强度，降低了生态混凝土的pH值，适应植物的生长。然而，这种混凝土是将含有草籽的浆体灌注到混凝土中养护，同样不适用于水体中，且耐腐蚀性能也不强。
又例如中国授权专利CN106966756A提供了一种利用畜禽粪便和污泥制备水质净化功能生态混凝土的方法，该混凝土是将新鲜禽畜粪便预处理并固液分离后，再按特定方式加入硫酸、新鲜污泥、硅藻土、铁粉，最后烘干烧结制成多孔球状的生态混凝土。然而这种混凝土的球状形式并不适用于制备大型的生态混凝土，同时力学强度的远远达不到要求，耐腐蚀性能也不佳。
发明内容
针对以上现有技术的不足，本发明提供了一种基于固废回收利用的生态混凝土，具体通过以下技术实现。
一种基于固废回收利用的生态混凝土，其原料包括水泥20-26wt％、粉煤灰5-9wt％、煤矸石粉17-25wt％、陶粒22-29wt％、复合纤维5-9wt％、外加剂1-2wt％、水11-17wt％；
所述陶粒的制备方法为：
S1、称取钢渣粉19-25wt％、磷渣粉15-21wt％、植物纤维27-34wt％、污泥粉20-29wt％作为陶粒的原料；加水造粒制成生料球；
S2、将生料球在900-1200℃烧结25-30min，冷却，然后分别球磨制成粒径1-2mm和2.5-3mm的陶粒成品。
上述生态混凝土的使用方法是，混凝土浇筑成型、养护后制成长方体状或厚板状或奇特特殊形状的成品，具体尺寸依据待净化等处理的具体水体环境而定；将混凝土浸没到水体中或沉入水底即可。利用生态混凝土内部的特殊孔洞结构，吸附水体中的微生物(例如厌氧菌、好氧菌、浮游植物、浮游动物)以及富营养物质(例如含有氮、磷等元素的植物肥料)；不仅使微生物附着在混凝土表面，同时还能被吸附到混凝土内部，使得微生物能够在生态混凝土的内部和周围实现有效的富集，创造优势环境，加快水体净化。
上述生态混凝土选用了采用特殊原料和制备方法制得的陶粒，陶粒原料中选用的植物纤维(例如稻草秆、玉米秆、油菜秆、棉纤维、麻纤维等)在烧结过程中，所含的有机物炭化形成长条状的空隙通道；污泥粉在烧结过程中，所含的有机物炭化形成球状或圆点状的空隙通道。这些不同形状的空隙通道能够发挥不同的作用，长条状的空隙通道能够帮助微生物和富营养物质进入混凝土内部，球状或圆形孔洞结构能够容纳大量的微生物，在孔洞内壁形成微生物膜状结构。此外，钢渣粉、磷渣粉在烧结时也会有少量孔洞结构生成，混凝土原料煤矸石粉中也同样具有大量孔洞结构。这些不同形状和大小的孔洞结构，形成了外界水体、微生物、富营养物质进入混凝土内部的通道，使得混凝土的吸附效果更显著，微生物对水体富营养物质的代谢降解作用更强，水体净化效果更好。
优选地，所述复合纤维为有机纤维和玻璃纤维；所述有机纤维为长度4-10mm，单丝直径30-80μm的聚丙烯纤维、聚乙烯醇纤维、聚酯纤维、聚酰胺纤维、聚乙烯纤维、聚丙烯腈纤维中的一种或几种；所述玻璃纤维的单丝直径为6-20μm，长度为8-14mm。
更优选地，所述有机纤维与玻璃纤维的用量比为1-3:1。
优选地，所述陶粒的制备方法中，步骤S1的陶粒的原料为钢渣粉22wt％、磷渣粉19wt％、植物纤维32wt％、污泥粉27wt％。
优选地，所述陶粒的制备方法中，所述植物纤维的长度为3.5-5mm。
优选地，所述陶粒的制备方法中，步骤S2的烧结方式为1100℃烧结25min。
优选地，所述煤矸石粉的粒径分别为0.06-0.08mm、0.5-0.9mm、1-2mm，且三种粒径的用量比为1:(2.5-3):1；所述外加剂为重量比为2:1:1的聚羧酸减水剂、膨胀剂和阻锈剂。
更优选地，其原料包括水泥22wt％、粉煤灰6wt％、煤矸石粉22wt％、陶粒26wt％、复合纤维8wt％、外加剂1wt％、水15wt％。
与现有技术相比，本发明的有益之处在于：本发明利用常见的工业废料、河道污泥治理产物、煤矸石等为原料，制备得到了能够适用于水体修复并具有良好修复效果的生态混凝土，通过特殊原料的选择，使这种混凝土内部形成不同形状的孔道结构，促使更多微生物和污染物被吸附进入混凝土，增大微生物与污染物的接触面积，水体净化效果显著提升；同时，混凝土的力学强度和抗酸腐蚀等效果也有显著增强。
具体实施方式
下面将对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动条件下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
以下实施例和对比例提供的生态混凝土，所选用的水泥为P·O 42.5的普通硅酸盐水泥；煤矸石粉和粉煤灰均为市售的常见原料，煤矸石粉选用的粒径分别为0.06-0.08mm、 0.5-0.9mm、1-2mm；钢渣粉、磷渣粉均采购自湖北，比表面积大约为300-450㎡/kg；植物纤维为切碎后长度为3.5-5mm的稻草秆；污泥粉为市售产品，粒度80-100nm；复合纤维选用聚丙烯纤维和玻璃纤维，聚丙烯纤维的长度4-10mm，单丝直径30-80μm，玻璃纤维的单丝直径为6-20μm，长度为8-14mm；外加剂为用量比2:1:1的市售的高效聚羧酸减水剂、CSAⅠ型膨胀剂、五水偏硅酸钠(阻锈剂)。
以下实施例和对比例所选用的生态混凝土的制备方法为将水泥、粉煤灰、煤矸石粉、陶粒、复合纤维混合均匀成混合物料，外加剂与水混合均匀后加入混合物料后搅拌均匀制成混凝土浆料，浇筑在模具中成型，然后保湿养护28d即可。
实施例1
本实施例提供的基于固废回收利用的生态混凝土，其原料包括水泥22wt％、粉煤灰 6wt％、煤矸石粉22wt％、陶粒26wt％、复合纤维8wt％、外加剂1wt％、水15wt％。所述复合纤维为聚丙烯纤维和玻璃纤维且用量比为2:1。
所述陶粒的制备方法为：
S1、称取钢渣粉22wt％、磷渣粉19wt％、植物纤维(稻草秆)32wt％、污泥粉27wt％，作为陶粒的原料；加水造粒制成生料球；
S2、将生料球在1100℃烧结30min，冷却，然后分别球磨制成重量比为1:1，且粒径1-2mm和2.5-3mm的陶粒成品。
实施例2
本实施例提供的基于固废回收利用的生态混凝土，陶粒的用量与制备方法与实施例1 相同，不同之处在于，混凝土的原料为水泥20wt％、粉煤灰9wt％、煤矸石粉17wt％、陶粒29wt％、复合纤维9wt％、外加剂1wt％、水15wt％。
实施例3
本实施例提供的基于固废回收利用的生态混凝土，陶粒的用量与制备方法与实施例1 相同，不同之处在于，混凝土的原料为水泥26wt％、粉煤灰5wt％、煤矸石粉25wt％、陶粒22wt％、复合纤维5wt％、外加剂1wt％、水16wt％。
实施例4
本实施例提供的基于固废回收利用的生态混凝土，其原料与实施例1相同，陶粒的制备方法也与实施例1基本相同，不同之处在于，陶粒的制备方法的步骤S1中，陶粒的原料为钢渣粉25wt％、磷渣粉21wt％、植物纤维34wt％、污泥粉20wt％。
实施例5
本实施例提供的基于固废回收利用的生态混凝土，其原料与实施例1相同，陶粒的制备方法也与实施例1基本相同，不同之处在于，陶粒的制备方法的步骤S1中，陶粒的原料为钢渣粉25wt％、磷渣粉19wt％、植物纤维27wt％、污泥粉29wt％。
实施例6
本实施例提供的基于固废回收利用的生态混凝土，其原料与实施例1相同，陶粒的制备方法也与实施例1基本相同，不同之处在于，陶粒的制备方法的步骤S2中，陶粒的烧结条件为900℃烧结30min。
实施例7
本实施例提供的基于固废回收利用的生态混凝土，其原料与实施例1相同，陶粒的制备方法也与实施例1基本相同，不同之处在于，陶粒的制备方法的步骤S2中，陶粒的烧结条件为1200℃烧结25min。
对比例1
本对比例提供的基于固废回收利用的生态混凝土，陶粒的用量与制备方法与实施例1 相同，不同之处在于，钢渣粉25wt％、磷渣粉21wt％、植物纤维38wt％、污泥粉16wt％。
对比例2
本对比例提供的基于固废回收利用的生态混凝土，陶粒的用量与制备方法与实施例1 相同，不同之处在于，钢渣粉25wt％、磷渣粉21wt％、植物纤维20wt％、污泥粉34wt％。
对比例3
本对比例提供的基于固废回收利用的生态混凝土，陶粒的用量与制备方法与实施例1 相同，不同之处在于，将煤矸石粉替换成粒径等参数相同的河砂。
对比例4
本对比例提供的基于固废回收利用的生态混凝土，陶粒的用量与制备方法与实施例1 相同，不同之处在于，将复合纤维替换成相同长度和单丝直径的玄武岩纤维。
对比例5
本对比例提供的基于固废回收利用的生态混凝土，其原料与实施例1相同，陶粒的制备方法也与实施例1基本相同，不同之处在于，陶粒的制备方法的步骤S1中，将植物纤维替换成相同长度，单丝直径30-80μm的钢纤维。
对比例6
本对比例提供的基于固废回收利用的生态混凝土，其原料与实施例1相同，陶粒的制备方法也与实施例1基本相同，不同之处在于，陶粒的制备方法的步骤S1中，陶粒原料不含有植物纤维，且污泥粉用量为59wt％。
应用例1：生态混凝土性能测试
1、根据GB/T50081-2019《混凝土物理力学性能试验方法标准》公开的方法，检测上述生态混凝土的28d抗压强度和28d抗折强度。结果见表1所示。
2、采用体积法测定生态混凝土试样块的孔隙率；采用常水头法测定各生态混凝土试样块的透水系数；采用整块混凝土试块浸没在水中24h，测定浸泡水的pH值。结果见表1所示。
3、参考中国授权专利CN106966756B的方式，采用配制的模拟生活污水进行水体净化的试验。模拟生活污水以葡萄糖、氯化铵和磷酸二氢钾为主要碳、氮和磷源，以铅离子作为重金属，预先测得模拟生活污水中总氮(TN)、总磷(TP)、化学需氧量(CODCr)的浓度分别为4mg/L、0.9mg/L、83.4mg/L，分别量取10L水样。将实施例1-7和对比例1-6所得的生态混凝土各1块，清水浸泡去碱后，浸没于水样中；以30r/min搅拌速度搅拌水样，室温下放置，定期按照《水和废水监测分析方法》中规定的方法测定水中总氮(TN)、总磷 (TP)、化学需氧量(CODCr)的含量。结果见表2所示。
表1生态混凝土性能结果
Figure BDA0003215769330000061
Figure BDA0003215769330000071
表2生态混凝土性能结果(续)
Figure BDA0003215769330000072
从上表1、2可以看到，当改变陶粒的原料中植物纤维和污泥粉的用量比例时，对生态混凝土的孔隙率和透水性有比较明显的影响，进而影响微生物，碳、氮和磷源的吸附，最终影响对水体的净化效果。当植物纤维和污泥粉缺少任意一种，或将植物纤维替换成钢纤维等其他不具有相同功能的纤维时，上述不利影响会进一步凸显。只有按照本发明的特殊的配方和陶粒制备方法，制备的生态混凝土在保证自身力学强度的同时，实现更高效的水体净化。

Claims (8)

1.一种基于固废回收利用的生态混凝土，其特征在于，其原料包括水泥20-26wt％、粉煤灰5-9wt％、煤矸石粉17-25wt％、陶粒22-29wt％、复合纤维5-9wt％、外加剂1-2wt％、水11-17wt％；
所述陶粒的制备方法为：
S1、称取钢渣粉19-25wt％、磷渣粉15-21wt％、植物纤维27-34wt％、污泥粉20-29wt％作为陶粒的原料；加水造粒制成生料球；
S2、将生料球在900-1200℃烧结25-30min，冷却，然后分别球磨制成粒径1-2mm和2.5-3mm的陶粒成品。
2.根据权利要求1所述的基于固废回收利用的生态混凝土，其特征在于，所述复合纤维为有机纤维和玻璃纤维；所述有机纤维为长度4-10mm，单丝直径30-80μm的聚丙烯纤维、聚乙烯醇纤维、聚酯纤维、聚酰胺纤维、聚乙烯纤维、聚丙烯腈纤维中的一种或几种；所述玻璃纤维的单丝直径为6-20μm，长度为8-14mm。
3.根据权利要求2所述的基于固废回收利用的生态混凝土，其特征在于，所述有机纤维与玻璃纤维的用量比为1-3:1。
4.根据权利要求1所述的基于固废回收利用的生态混凝土，其特征在于，所述陶粒的制备方法中，步骤S1的陶粒的原料为钢渣粉22wt％、磷渣粉19wt％、植物纤维32wt％、污泥粉27wt％。
5.根据权利要求1所述的基于固废回收利用的生态混凝土，其特征在于，所述陶粒的制备方法中，所述植物纤维的长度为3.5-5mm。
6.根据权利要求1所述的基于固废回收利用的生态混凝土，其特征在于，所述陶粒的制备方法中，步骤S2的烧结方式为1100℃烧结25min。
7.根据权利要求1所述的基于固废回收利用的生态混凝土，其特征在于，所述煤矸石粉的粒径分别为0.06-0.08mm、0.5-0.9mm、1-2mm，且三种粒径的用量比为1:(2.5-3):1；所述外加剂为重量比为2:1:1的聚羧酸减水剂、膨胀剂和阻锈剂。
8.根据权利要求1-7任一项所述的基于固废回收利用的生态混凝土，其特征在于，其原料包括水泥22wt％、粉煤灰6wt％、煤矸石粉22wt％、陶粒26wt％、复合纤维8wt％、外加剂1wt％、水15wt％。
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