CN114195441B - 一种微孔双级配吸附混凝土产品、制备方法及其应用 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及绿色建筑技术领域，具体公开了一系列与吸附混凝土相关的技术方案，涉及一种微孔双级配吸附混凝土产品、制备方法及其应用。本发明通过设计具有高吸附能力的骨料、具有高吸附能力的砂浆以及构建微孔结构，提高透水混凝土的吸附能力，形成吸附混凝土。本发明提供的吸附混凝土，是一种具有微孔结构的双级配的具有高吸附能力的透水混凝土，能够有效吸附雨水携带的污染物，适用于去除暴雨径流污染物。

Description

一种微孔双级配吸附混凝土产品、制备方法及其应用
技术领域
本发明涉及绿色建筑材料技术领域，具体涉及一种微孔双级配吸附混凝土及其制备方法、一种颗粒状的吸附骨料及其制备方法和一种吸附砂料。
背景技术
磷是水体污染的主要污染物之一，主要来自于农田、工业、生活污水以及大气污染沉积物。它也是植物生长的必要微量元素，可以提高作物产量，被广泛用作植物肥料。过量的磷会导致水体富营养化和藻类的疯狂生长，影响鱼类繁殖并阻碍阳光穿过水体，破坏水生系统平衡，导致鱼类与水生植物的大量死亡。世界上50％的河流和湖泊都存在富营养化，我国排放了全球大约30％(约48.6万吨)磷。因此，降低水体中的磷对提高水质具有重要意义。
随着海绵城市的快速发展，考虑到在透水的同时，也降低暴雨径流中的污染物，普通透水混凝土的吸附特性也开始被关注。在普通透水混凝土雨水渗透过程中，可以对水中污染物，比如磷、重金属、大肠杆菌等进行吸附，但吸附能力非常低。因为普通透水混凝土是由不具备吸附能力的碎石作为骨料，碎石在吸附过程中不体现吸附作用，吸附能力归因于砂浆与水中污染物的反应，而普通密实砂浆本身的吸附能力也有限，导致与污染物的反应时间长、移除能力低。为了进一步增加透水混凝土的吸附特性，粉煤灰、氧化铁、氢氧化铝等材料，被应用到混凝土组分中，但这并没有从根本上解决问题。第一、透水混凝土的出发点是提高混凝土的透水、渗水的能力，在设计初始阶段并没有以除去暴雨径流污染物为目标，导致它的低吸附特性。第二、普通透水混凝土只考虑了污水物的吸附，对饱和吸附后污染物的移除方法需要进一步研究。
暴雨径流是将污染物从源头转移到水体中的关键路径。在径流携带污染物转移过程中，基于城镇广泛分布的混凝土集水面积，用高吸附混凝土实现暴雨径流的初次吸附，对降低水体污染物程度和提高水体质量具有非常重要的意义。因此，为了增加透水混凝土对暴雨污染物的移除能力，不仅要提出高吸附骨料的设计方法，还需要提高普通砂浆的吸附能力，构建合理的微孔结构。特别是当污染物达到饱和后，研发适用于污染物的自循环移除结构，显著地提高吸附混凝土的服务寿命。
发明内容
针对现有技术中透水混凝土对路面径流携带的雨水污染物吸附能力不足的问题，本发明提供了一系列与吸附混凝土相关的技术方案，通过设计具有高吸附能力的骨料、具有高吸附能力的砂浆以及构建微孔结构，提高透水混凝土的吸附能力，形成吸附混凝土。本发明提供的吸附混凝土，是一种具有微孔结构的双级配的具有高吸附能力的透水混凝土，能够有效吸附雨水携带的污染物，适用于去除暴雨径流污染物。
首先，从提高透水混凝土吸附能力角度考虑，本发明提供了一种微孔双级配吸附混凝土产品、制备方法及其应用。
所述吸附混凝土包括骨料、水泥浆体和砂，其中，所述骨料分为普通骨料和吸附骨料，且所述吸附骨料占骨料的体积比为25％-75％；
所述普通骨料为颗粒状的大粒径骨料，所述普通骨料的粒径为R1；
所述吸附骨料为颗粒状的小粒径骨料，且所述吸附骨料的粒径为R2，
满足：R2＝(0.22-0.73)R1。
本发明所提供的吸附混凝土中均为颗粒状但粒径不同的普通骨料、吸附骨料都是骨料，但粒径较大的普通骨料作为吸附混凝土的主骨架，粒径较小的吸附骨料填充到普通骨料中共同形成了吸附主体。也就是说，所述吸附混凝土中大颗粒的普通骨料和小颗粒的吸附骨料形成了双级配的微孔结构。
再者，本发明所提供的吸附混凝土中吸附骨料利用多孔材料、吸附材料制备，又增加了骨料本身的吸附能力。因此，本发明同时具备吸附骨料、微孔结构的吸附混凝土与现有技术中的透水混凝土相比，显著提高了对污染物的吸附能力，能够在有效移除雨水中的污染物，适用于暴雨径流污染物的去除。
进一步地，所述普通骨料可以采用常规破碎的石子，也可以采用与吸附骨料配方相同的产品。当所述普通骨料采用与吸附骨料配方相同的产品时，制备的吸附混凝土具有更好的吸附能力。
进一步地，所述水泥浆体可以采用水灰比为30％-37％的普通的水泥浆体，也可以采用添加了多孔材料、吸附材料的吸附型的水泥浆体。当采用吸附水泥浆体时，制备的吸附混凝土具有更好的吸附能力。
制备所述吸附混凝土时，需要提前准备好普通骨料、吸附骨料、砂、水泥、水等原料。所述普通骨料、所述吸附骨料均为颗粒状产品，而水泥浆体主要有水泥和水组成，也可以在水泥浆体中添加多孔材料、吸附材料进一步提升吸附性能。
本发明提供一种微孔双级配吸附混凝土产品，包括骨料、水泥浆体和砂，其中，所述骨料分为普通骨料和吸附骨料，且所述吸附骨料占骨料的体积比为25％-75％。
所述普通骨料为颗粒状的大粒径骨料，所述普通骨料的粒径为R1；
所述吸附骨料为颗粒状的小粒径骨料，且所述吸附骨料的粒径为R2，
满足：R2＝(0.22-0.73)R1。
进一步地，所述普通骨料为常规破碎的石子，或者所述普通骨料为与所述吸附骨料配方相同但粒径不同的骨料；
所述吸附骨料包括多孔材料A、吸附材料A、胶结材料A和水；
所述水泥浆体包括多孔材料B、吸附材料B、水泥和水；
所述多孔材料A、多孔材料B均为粉末状的炭化多孔生物基材料；
所述吸附材料A、吸附材料B均为粉末状的含钙矿物质材料；
所述胶结材料A为水泥。
具体地，所述微孔双级配吸附混凝土的制备方法，包括以下步骤：
步骤S1：制备吸附骨料；
步骤S2：按重量比计算并称量普通骨料、步骤S1制备的吸附骨料、多孔材料B、吸附材料B、水泥、砂、水；
步骤S3：将步骤S2中称量的普通骨料、吸附骨料、砂倒入搅拌机搅拌均匀后，加入多孔材料B、吸附材料B、水泥后干燥混合1-2分钟，再分2-3次加入水，继续搅拌2-5分钟；得到新鲜的混合物；
步骤S4：向步骤S3中得到的新鲜的混合物倒入模具，在振动台上振动5-20秒；
步骤S5：在步骤S4振动处理后的混合物表面覆盖塑料膜，经24-48小时后脱模，放入标准养护室养护至少28天，得到吸附混凝土。
由上述制备方法制备的吸附混凝土利用双级配形成的微孔结构，提高了对雨水污染物的吸附能力。
考虑到吸附混凝土达到饱和后移除污染物再利用的问题，本发明还提供了一种吸附混凝土饱和后污染物自循环移除结构。
所述污染物自循环移除结构包括雨水汇集区、植物循环利用区和混凝土吸附区；
所述混凝土吸附区主要由吸附混凝土组成；所述雨水汇集区的雨水能够流入所述混凝土吸附区进行雨水污染物的初步吸附；
所述植物循环利用区位于所述混凝土吸附区上方且水体互通；所述植物循环利用区侧壁由不透水混凝土制成，中间的上部设置为用于种植植物的土壤层，中间的下部设置为能够吸附雨水中污染物且能够透水的吸附层。
进一步地，所述混凝土吸附区设置有多个交错排布的不透水板，形成“S”形的水流通道，增加雨水与所述吸附混凝土的接触面积。
本发明提供的污染物自循环移除结构，利用吸附混凝土构建混凝土吸附区，对从雨水汇集区流入的雨水进行污染物的初步吸附。吸附收集的氮、磷以及有机质作为植物生产的养分被植物吸收。利用植物对养分吸收的特性，不仅解决了吸附混凝土中污染物的自移除问题，延长了吸附混凝土的服务寿命，还形成了资源的循环利用。这样一套“雨水收集-净化处理-植物景观布置”的设计方案，值得大力推广。
其次，本发明还提供了一种吸附骨料及其制备方法。
所述吸附骨料包括多孔材料A、吸附材料A、胶结材料A和水；所述吸附骨料包括多孔材料A、吸附材料A、胶结材料A和水；以吸附材料A的质量为基数1，所述多孔材料A、吸附材料A、胶结材料A、水的质量比为：1％-5％：1：5％-20％：10％-20％。
所述吸附骨料的制备方法为：按重量比称量多孔材料A、吸附材料A、胶结材料A、水后，先将多孔材料A、吸附材料A、胶结材料A倒入搅拌机干燥混合3分钟，然后在造粒机的圆盘上喷洒部分水以湿润圆盘表面，然后将搅拌机中混合的多孔材料A、吸附材料A、胶结材料A倒入造粒机，将造粒机的旋转速度设置在150-250rpm、旋转时间设置在3-5分钟，且旋转过程中加入剩余的水；旋转停止后将生成的颗粒状的新鲜的吸附骨料从圆盘上移除并装入密封塑料袋中，放入标准养护室养护至少28天，得到颗粒状的吸附骨料。
再者，本发明还提供了一种吸附型的水泥浆体的配方。
所述水泥浆体，包括多孔材料B、吸附材料B、水泥、砂和水；所述水泥浆体包括多孔材料B、吸附材料B、水泥和水；以水泥的质量为基数1，所述多孔材料B、吸附材料B、水泥和水的质量比为：0.5％-1％：5％-20％：1:40％-60％。
本发明的有益效果如下：
(1)本发明提供的吸附混凝土同时具备吸附骨料、水泥浆体、微孔结构，与现有技术中的透水混凝土相比，污染物吸附效果显著提升，适用于暴雨径流污染物的去除；
(2)本发明提供的吸附混凝土，由大颗粒的普通骨料和小颗粒的吸附骨料形成了双级配的微孔结构，不仅增加了对污染物的吸附能力，而且可以降低吸附混凝土的孔隙度，从而提高吸附混凝土的力学强度与耐久性；
(3)本发明提供的吸附混凝土、吸附骨料、吸附型的水泥浆体均采用工业废弃物作为吸附材料、采用农业废弃物作为多孔材料，降低了吸附混凝土的生产成本，增加了废弃物在功能型建筑材料领域的资源化利用途径；
(4)本发明提供的污染物自循环移除结构，利用植物对养分吸收的特性，不仅解决了吸附混凝土中污染物的自移除问题，延长了吸附混凝土的服务寿命，还形成了资源的循环利用。
附图说明
图1为本发明的吸附混凝土理论状态下微观结构示意图；
图2为本发明的双级配的骨料颗粒理论状态下堆积结构示意图；
图3为本发明的吸附骨料加工制造示意图；
图4为本发明的吸附混凝土加工制造示意图；
图5为本发明的吸附混凝土对雨水中磷的吸附机理示意图；
图6为本发明的吸附混凝土饱和后自循环移除结构示意图；
图7为实施例4中吸附能力测试组中炭化桃壳、钢渣、未处理芒草、炭化芒草的磷吸附量折线图；
图8为实施例4中吸附能力测试组中炭化桃壳、钢渣、未处理芒草、炭化芒草的磷移除率折线图。
图中，
1、吸附混凝土；
2、普通骨料；
3、吸附骨料；31、多孔材料A；32、吸附材料A；33、胶结材料A；
4、水泥浆体；41、多孔材料B；42、吸附材料B；43、525级水泥；
5、砂；
6、搅拌机；7、造粒机；
8、雨水；9、不透水板；10、市政管网；11、不透水混凝土；12、土壤层；13、吸附层；
14、水流流向；15、植物；16、基础；
100、雨水汇集区；200、混凝土吸附区；300、植物循环利用区；
M、微孔结构；C、立方体堆积结构；O、八面体堆积结构；T、四面体堆积结构。
具体实施方式
以下结合实施例的具体实施方式，对本发明的上述内容再做进一步的详细说明。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实例。在不脱离本发明上述技术思想情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段作出的各种替换或变更，均应包括在本发明的范围内。
说明：本发明中所有“吸附混凝土”均是指“微孔双级配吸附混凝土”。
实施例1：
本实施例针对提高混凝土对雨水8污染物的吸附能力，提供了一种微孔双级配吸附混凝土产品，并提供了所述吸附混凝土1的制备方法和具体应用。
一、一种微孔双级配吸附混凝土产品
如图1所示，所述吸附混凝土1包括骨料、水泥浆体4和砂5，其中，所述骨料分为普通骨料2和吸附骨料3，且所述吸附骨料3占骨料的体积比为25％-75％；
所述普通骨料2为颗粒状的大粒径骨料，所述普通骨料2的粒径为R1；
所述吸附骨料3为颗粒状的小粒径骨料，且所述吸附骨料3的粒径为R2，
满足：R2＝(0.22-0.73)R1。。
第一、本实施例所提供的吸附混凝土1中采用了粒径R1的大颗粒的普通骨料2和粒径R2的小颗粒的吸附骨料3两种粒径不同的骨料。粒径较大的普通骨料2作为吸附混凝土1的主骨架，粒径较小的吸附骨料3填充到普通骨料2中共同形成了吸附主体。也就是说，所述吸附混凝土1中大颗粒的普通骨料2和小颗粒的吸附骨料3形成了双级配的微孔结构M。
如图2所示，从理论状态分析，粒径不同的两种骨料稳定堆积的局部结构主要是立方体堆积结构C、八面体堆积结构O、四面体堆积结构T；对应的普通骨料2的粒径R1和吸附骨料3的粒径R2的之间的数字关系分别为：
Figure BDA0003440849090000061
Figure BDA0003440849090000062
Figure BDA0003440849090000063
综合考虑堆积结构中微孔结构M的稳定性、均匀性，要求吸附骨料3的粒径R2为普通骨料2的粒径R1的0.22-0.73倍，即R2＝(0.22-0.73)R1。通常，为了形成更为合适的微孔结构M，优选小颗粒的吸附骨料3占总骨料的体积比为25％-75％。
第二，为了提高吸附混凝土1的吸附能力，除了优化微孔结构M设计以外，本实施例选用了吸附骨料3。所述吸附骨料3包括多孔材料A 31、吸附材料A 32、胶结材料A 33和水。所述水泥浆体4包括多孔材料B 41、吸附材料B 42、水泥、砂5和水。选择多孔材料的目的是想提高吸附骨料3的孔隙度，增加对雨水8的渗透性，使得雨水8能够更充分的与吸附材料接触，提升对污染物的吸附效果。因此，本实施例中同时具备吸附骨料3、水泥浆体4、微孔结构M的吸附混凝土1与现有技术中的透水混凝土相比，显著提高了对污染物的吸附能力，能够在有效移除雨水8中的污染物，适用于暴雨径流污染物的去除。
水泥通常选用525级水泥43或425级水泥，本实施例中以选用525级水泥43为例，进行说明。
第三，为了提高吸附混凝土1的吸附能力，本实施例还选用了添加多孔材料B 41、吸附材料B 42的吸附型的水泥浆体4。进一步增加吸附混凝土1的吸附性能。
二、吸附混凝土1的制备方法
如图4所示，所述微孔双级配吸附混凝土的制备方法，包括以下步骤：
步骤S1：制备吸附骨料3；
步骤S2：按重量比计算并称量普通骨料2、步骤S1制备的吸附骨料3、多孔材料B41、吸附材料B 42、525级水泥43、砂5、水；
步骤S3：将步骤S2中称量的普通骨料2、吸附骨料3、砂5倒入搅拌机6搅拌均匀后，加入多孔材料B 41、吸附材料B 42、525级水泥43后干燥混合1-2分钟，再分2-3次加入水，继续搅拌2-5分钟；得到新鲜的混合物；
步骤S4：向步骤S3中得到的新鲜的混合物倒入模具，在振动台上振动5-20秒；
步骤S5：在步骤S4振动处理后的混合物表面覆盖塑料膜，经24-48小时后脱模，放入标准养护室养护至少28天，得到吸附混凝土1。
由上述制备方法制备的吸附混凝土1利用双级配形成的微孔结构M，提高了对雨水8污染物的吸附能力。
三、一种吸附混凝土1饱和后污染物自循环移除结构
如图6所示，所述污染物自循环移除结构建造在基础16上，包括雨水汇集区100、植物循环利用区300和混凝土吸附区200。所述混凝土吸附区200主要由吸附混凝土1组成；所述雨水汇集区100的雨水8能够流入所述混凝土吸附区200进行雨水8污染物的初步吸附；所述植物循环利用区300位于所述混凝土吸附区200上方且水体互通；所述植物循环利用区300侧壁由不透水混凝土11制成，中间的上部设置为用于种植植物15的土壤层12，中间的下部设置为能够吸附雨水8中污染物且能够透水的吸附层13。
所述雨水汇集区100通常用于收集雨水8，但也可以用于收集其他水体。所述雨水汇集区100通常设置为道路路面、生态河道等雨水8径流汇集的区域，但也可以设置为其他便于收集雨水8的区域或用于存储雨水8的区域。
所述混凝土吸附区200主要用来吸附所述雨水汇集区100里的污染物，主要由吸附混凝土1组成。所述混凝土吸附区200通常设置在所述雨水汇集区100侧边，便于水体自然流通；但也可以与所述雨水汇集区100分离，用水泵等其他设备将所述雨水汇集区100中的水体输送到所述混凝土吸附区200中进行初步吸附。
所述混凝土吸附区200与市政管网10连接，经过混凝土吸附区200吸附了污染物而初步净化的雨水8能够通过市政管网10进行汇集，统一调用或处理。
所述植物循环利用区300中吸附层13由吸附材料组成，通常选择沸石、活性炭、钢渣等。吸附层13可以用于对直接落入植物循环利用区300的雨水8进行污染物吸附，也可以用于对位于混凝土吸附区200顶部的雨水8进行污染物吸附。吸附的氮、磷以及其他有机质等可以作为植物15生长的养分。
进一步地，所述混凝土吸附区200设置有多个交错排布的不透水板9，形成“S”形的水流通道，此时水流流向14如图6所示。设置不透水板9后，能增加雨水8与所述吸附混凝土1的接触面积。
本实施例提供的污染物自循环移除结构，利用吸附混凝土1构建混凝土吸附区200，对从雨水汇集区100流入的雨水8进行污染物的初步吸附。吸附收集的氮、磷以及有机质作为植物15生产的养分被植物15吸收。利用植物15对养分吸收的特性，不仅解决了吸附混凝土1中污染物的自移除问题，延长了吸附混凝土1的服务寿命，还形成了资源的循环利用。这样一套“雨水8收集-净化处理-植物15景观布置”的设计方案，值得大力推广。
实施例2：
本实施例在实施例1的基础上，具体公开吸附骨料3产品及其制备方法。
所述吸附骨料3是组成吸附混凝土1的重要原料之一。所述吸附骨料3需要先加工成颗粒状，再用于制备吸附混凝土1。
所述吸附骨料3包括多孔材料A 31、吸附材料A32、胶结材料A 33和水；以吸附材料A 32的质量为基数1，所述多孔材料A 31、吸附材料A 32、胶结材料A 33、水的质量比为：1％-5％：1：5％-20％：10％-20％。
所述多孔材料A 31为粉末状的多孔生物基材料。优选热处理后的芒草粉末、桃壳粉末、杏壳粉末、花生壳粉末、竹子粉末中任意一种或多种。
所述吸附材料A 32为粉末状的矿物质材料。优选钢渣粉末、炉渣粉末中任意一种或多种。
所述胶结材料A 33优选水泥。
本实施例公开了一种上述吸附骨料3的制备方法。如图3所示，所述吸附骨料3的制备方法为：按重量比称量多孔材料A 31、吸附材料A 32、胶结材料A 33、水后，先将多孔材料A 31、吸附材料A 32、胶结材料A 33倒入搅拌机6干燥混合3分钟，然后在造粒机7的圆盘上喷洒部分水以湿润圆盘表面，然后将搅拌机6中混合的多孔材料A 31、吸附材料A 32、胶结材料A 33倒入造粒机7，将造粒机7的旋转速度设置在150-250rpm、旋转时间设置在3-5分钟，且旋转过程中加入剩余的水；旋转停止后将生成的颗粒状的新鲜的吸附骨料3从圆盘上移除并装入密封塑料袋中，放入标准养护室养护至少28天，得到颗粒状的吸附骨料3。
本实施例的其他部分与实施例1相同，故不再赘述。
实施例3：
本实施例在实施例1或实施例2的基础上，对吸附混凝土1的原材料进行优选。
水处理领域的现有技术中，为了移除雨水8污染物，已经尝试过采用化学合成材料、天然多孔材料、工业废弃物、农业废弃物等不同类型的吸附材料。通常，化学合成材料具有优异的吸附特性，但是水处理属于敏感领域，化学合成材料容易导致水体二次污染。因此，提出了采用坡缕石、海泡石、沸石等多孔岩石材料这类天然多孔材料进行水体污染物吸附的方案。然而，天然多孔材料属于不可再生资源，不能满足水处理的巨大需求，而且它们的吸附能力有限，容易达到吸附饱和。近年来，为了降低水处理成本，如花生壳、桃壳、竹子等各种农业废弃物被引入水处理领域，利用农业废弃物的多孔结构吸附污染物。再者，如钢渣、炉渣等含有大量金属氧化物的各种工业废弃物被引入水处理领域，利用工业废弃物析出的钙离子吸附雨水8中的磷。
由此，本实施例在上述技术背景下继续研究，对选材进行了优化选择。
所述普通骨料2为常规破碎的石子，或者所述普通骨料2为与所述吸附骨料3配方相同但粒径不同的材料。当所述普通骨料2与所述吸附骨料3配方相同时，能进一步提升吸附能力。
所述多孔材料A 31、多孔材料B 41均为粉末状的多孔生物基材料；进一步地，所述多孔材料A 31、多孔材料B 41采用热处理的炭化生物基材料；更进一步地，所述多孔材料A31、多孔材料B 41采用芒草粉末、桃壳粉末、杏壳粉末、花生壳粉末、竹子粉末中任意一种或多种。
芒草粉末、桃壳粉末、杏壳粉末、花生壳粉末、竹子粉末等多孔生物基材料作为多孔材料相对于现有技术的透水混凝土可以提高吸附性能。进一步，为了降低多孔生物基材料对吸附骨料3力学性能的影响，优选经过热处理的炭化生物基材料。
所述吸附材料A 32、吸附材料B 42均为粉末状的矿物质材料；进一步地，所述含钙矿物质材料为钢渣粉末、炉渣粉末中任意一种或多种。
粉末状的钢渣、炉渣、粉煤灰等材料都有一定的污染物移除能力，且对骨料力学性能影响小。但是，本实施例中主要技术构思是通过析出的钙与磷酸根结合对磷进行吸附，而粉煤灰的主要成分是二氧化硅，对磷的吸附效果不佳。因此，本实施例中选择钢渣、炉渣或二者混合物作为吸附材料。
所述胶结材料A 33为水泥。通常，选择水泥52.5级。
如图5所示，上述吸附混凝土1对水体中的磷的移除机理为：当含有磷的污水与吸附混凝土1表面以及混凝土内部的吸附材料接触后，吸附混凝土1的表面析出的钙离子Ca2+与氢氧根离子OH-与污水中的磷酸根离子
Figure BDA0003440849090000103
结合，最终吸附的磷酸根离子
Figure BDA0003440849090000104
在吸附混凝土1表面沉淀，达到移除磷污染物的目的，实现化学吸附的目的。
此外，吸附骨料3与吸附砂5浆里含有的多孔材料，使吸附混凝土1存在更多的微孔结构M，其中小于2nm的微孔结构M对磷溶液、重金属等污染物也有物理吸附作用。
本实施例的其他部分与实施例1或实施例2相同，故不再赘述。
实施例4：
本实施例在实施例1-实施例3任一项的基础上详细说明。
为了研究不同多孔材料、吸附材料的吸附能力，本实施例设计了一组测试：重点分析炭化桃壳、钢渣、未处理芒草、炭化芒草几种原材料对磷的吸附能力。将炭化桃壳、钢渣、未处理芒草、炭化芒草加工成同一量级的粉末，进行磷的吸附测试。
芒草的热处理方法为：将未处理芒草粉末放入到真空炉中，通氮气的环境条件下进行热处理3小时，温度设置为250℃。
磷的吸附测试操作如下：将1g的原材料放入25ml的磷溶液中，磷溶液的浓度为5-700mg/L；在225rpm/min的转速下，振荡24小时以确定达到吸附平衡；通过0.45μm的滤纸，提取上层清液用于磷的浓度测试。
磷的吸附量(q,mg/g)和移除率(PR,％)根据以下公式计算：
Figure BDA0003440849090000101
Figure BDA0003440849090000102
式中，C0是初始磷溶液浓度，单位：mg/L；
Ce是吸附后磷溶液的浓度，单位：mg/L；
M是原材料的质量，单位：g；
V是溶液体积，单位：L。
材料类型 BET比表面积(m<sup>2</sup>/g) 微孔面积(m<sup>2</sup>/g) 微孔尺寸(nm) 微孔体积(cm<sup>3</sup>/g)
炭化桃壳 297.4 237.3 2.01 0.1494
钢渣 5.14 0.58 13.18 0.0017
未处理芒草 0.12 0.54 30.66 0.0066
炭化芒草 1.98 1.40 12.75 0.0063
表1
各材料的孔隙特征如表1所示，磷吸附量如图7所示，磷移除率如图8所示。可以看出，钢渣展示了更高的吸附能力，它被考虑作为优选的吸附材料；而炭化芒草具有更合适的微孔尺寸，它被作为优选的多孔材料。
本实施例的其他部分与实施例1-实施例3任一项相同，故不再赘述。
实施例5：
本实施例在实施例1-实施例4任一项的基础上详细说明。所述吸附骨料3包括多孔材料A 31、吸附材料A 32、胶结材料A 33和水；以吸附材料A 32的质量为基数1，所述多孔材料A 31、吸附材料A 32、胶结材料A 33、水的质量比为：1％-5％：1：5％-20％：10％-20％。
本实施例设计了一组测试，重点分析不同原材料配合比对吸附骨料3吸附性能的影响。
本组测试中，多孔材料A 31选用与实施例4相同的芒草粉末；而且也分成未处理芒草粉末、炭化芒草粉末两组作为对照例。
本组测试中，吸附材料A 32选用与实施例4相同的钢渣粉末。
本组测试中，胶结材料A 33选用52.5级的水泥；而且设计水泥与钢渣粉末重量比不同的两组配合比作为对照例。
所述吸附骨料3的制备方法与实施例3相同。
详细测试方案如表2所示，选取钢渣粉末2kg；未处理芒草粉末、炭化芒草粉末重量分别占钢渣粉末的3％(0.06kg)和5％(0.10kg)；水泥占钢渣粉末重量的10％(0.20kg)和15％(0.30kg)；水占钢渣粉末质量的10％(0.20kg)和15％(0.30kg)。
吸附测试时，称取1g颗粒状吸附骨料3放入到25ml的磷溶液中，磷溶液的初始浓度为200mg/L，在转速为225rpm条件下震荡24小时后，进行磷吸附量与移除率分析，磷的吸附量与移除率结果如表2所示。
Figure BDA0003440849090000111
Figure BDA0003440849090000121
Figure BDA0003440849090000131
表2
测试例2A-测试例2D采用未处理芒草粉末作为多孔材料，测试例2E-测试例2H采用炭化芒草粉末作为多孔材料。由测试例2A-测试例2E对照、测试例2B-测试例2F对照、测试例2C-测试例2G对照、测试例2D-测试例2H对照四组对照例可见，其他条件相同的情况下，选择炭化芒草粉末作为多孔材料时，整个吸附骨料3具有更高的颗粒强度与磷的移除能力。理论分析：因为炭化芒草粉末具有更高的比表面积与微孔结构M，增加了对磷的吸附能力，而更好的界面粘结能力提高了颗粒强度。
由测试例2A-测试例2C对照、测试例2B-测试例2D对照、测试例2E-测试例2G对照、测试例2F-测试例2H对照四组对照例可见，其他条件相同的情况下，多孔材料重量比高的其磷移除率高。
上述测试例中测试例2G、测试例2H的磷移除率高，24h吸水率好。
本实施例的其他部分与实施例1-实施例4任一项相同，故不再赘述。
实施例6：
本实施例在实施例1-实施例5任一项的基础上详细说明。
所述水泥浆体4包括多孔材料B 41、吸附材料B 42、水泥和水；以水泥的质量为基数1，所述多孔材料B 41、吸附材料B 42、水泥和水的质量比为：0.5％-1％：5％-20％：1:40％-60％。
本实施例设计了一组测试，重点分析不同原材料配合比对吸附型水泥浆体4吸附性能的影响。
本组测试中，多孔材料B 41选用与实施例5相同的炭化芒草粉末。
本组测试中，吸附材料B 42选用与实施例5相同的钢渣粉末。
本组测试中，水泥选用52.5级的水泥。
设计水泥与钢渣粉末重量比不同的两组配合比作为对照例；还设计水泥与炭化芒草粉末重量比不同的两组配合比作为对照例。
所述水泥浆体4的制备方法就是将多孔材料B 41、吸附材料B 42、水泥、水充分混合。
详细测试方案如表3所示，选取水泥400kg；钢渣粉末为水泥重量的5％(20kg)和10％(40kg)；炭化芒草粉末占水泥重量的0.5％(2kg)和1％(4kg)；水与水泥的重量比为50％(200kg)。
吸附测试时，1g的吸附型水泥浆体4放入到25ml的磷溶液中，磷溶液的初始浓度为2967.5mg/L，在转速为225rpm条件下震荡24小时后，进行磷吸附量与移除率分析，详细的混合比设计和性能测试结果如表3所示。
Figure BDA0003440849090000141
表3
由表3可以看出，测试例3D的组合物对应的磷移除率高于其他测试例。
本实施例的其他部分与实施例1-实施例5任一项相同，故不再赘述。
实施例7：
本实施例在实施例1-实施例6任一项的基础上详细说明。本实施例设计了一组测试，采用正交设计，研究不同原材料配合比对吸附混凝土1吸附性能的影响。
所述普通骨料2选用玄武岩，密度3050kg/m3。
所述吸附骨料3选用实施例5中测试例2G的配方提前制备好的颗粒状的吸附骨料3。
选用粒径5mm-7mm的普通骨料2，按照R2＝0.22-0.73R1的关系，计算出来的吸附骨料3的粒径理论值应当为1.1mm-5.11mm，但综合考虑到实际物料制备过程粒径均匀度情况、测量精度以及粒径比例对于混凝土性能的影响的重要程度等因素，通常选用粒径1mm-5mm的吸附骨料3，或者粒径为2mm-5mm的吸附骨料3。
所述水泥浆体4选用实施例6中测试例3D的配方。
Figure BDA0003440849090000151
表4
如表4所述，本实施例中吸附混凝土1中普通骨料2、吸附骨料3、多孔材料B 41、吸附材料B 42、水泥、砂5、水的重量比为：(12-48)、(15-52)、(0.05-0.3)、(0.6-3.6)、(12-19)、(15-20)、(4-7)。
具体测试例相关数据如下表：
Figure BDA0003440849090000152
Figure BDA0003440849090000161
Figure BDA0003440849090000171
表5
由上表可见，测试例4C和测试例4D对应的吸附混凝土1的磷吸附量、磷移除率较优。
本实施例的其他部分与实施例1-实施例6任一项相同，故不再赘述。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何形式上的限制，凡依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化，均落入本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种微孔双级配吸附混凝土，其特征在于，所述吸附混凝土（1）包括骨料、水泥浆体（4）和砂（5），其中，所述骨料分为普通骨料（2）和吸附骨料（3），且所述吸附骨料（3）占骨料的体积比为25%-75%；
所述普通骨料（2）为颗粒状的大粒径骨料，所述普通骨料（2）的粒径为R1；
所述吸附骨料（3）为颗粒状的小粒径骨料，且所述吸附骨料（3）的粒径为R2，
满足：吸附骨料的粒径R2为普通骨料的粒径R1的0.22-0.73倍；
所述普通骨料（2）为常规破碎的石子，或者所述普通骨料（2）为与所述吸附骨料（3）配方相同但粒径不同的骨料；
所述吸附骨料（3）由多孔材料A（31）、吸附材料A（32）、胶结材料A（33）和水组成；以吸附材料A（32）的质量为基数1，所述多孔材料A（31）、吸附材料A（32）、胶结材料A（33）、水的质量比为：1%-5%：1：5%-20%：10%-20%；
所述水泥浆体（4）包括多孔材料B（41）、吸附材料B（42）、水泥和水；以水泥的质量为基数1，所述多孔材料B（41）、吸附材料B（42）、水泥和水的质量比为：0.5%-1%：5%-20%：1:40%-60%；
所述多孔材料A（31）、多孔材料B（41）均为粉末状的炭化多孔生物基材料；
所述吸附材料A（32）、吸附材料B（42）均为粉末状的含钙矿物质材料；
所述胶结材料A（33）为水泥。
2.根据权利要求1所述的一种微孔双级配吸附混凝土，其特征在于，每1m3的吸附混凝土（1）包括350kg-1200kg的普通骨料（2）、200kg-1400kg的吸附骨料（3）、水泥浆体（4）、400kg-500kg的砂（5）。
3.根据权利要求1所述的一种微孔双级配吸附混凝土，其特征在于，所述炭化多孔生物基材料为热处理后的芒草粉末、桃壳粉末、杏壳粉末、花生壳粉末、竹子粉末中任意一种或多种。
4.根据权利要求1所述的一种微孔双级配吸附混凝土，其特征在于，所述含钙矿物质材料为钢渣粉末、炉渣粉末中任意一种或多种。
5.一种微孔双级配吸附混凝土的制备方法，制备如权利要求1-4任一项所述的微孔双级配吸附混凝土，其特征在于，所述制备方法，包括以下步骤：
步骤S1：制备吸附骨料（3）；
步骤S2：按重量比计算并称量普通骨料（2）、步骤S1制备的吸附骨料（3）、多孔材料B（41）、吸附材料B（42）、水泥、砂（5）、水；
步骤S3：将步骤S2中称量的普通骨料（2）、吸附骨料（3）、砂（5）倒入搅拌机（6）搅拌均匀后，加入多孔材料B（41）、吸附材料B（42）、水泥干燥混合1-2分钟，再分2-3次加入水，继续搅拌2-5分钟；得到新鲜的混合物；
步骤S4：向步骤S3中得到的新鲜的混合物倒入模具，在振动台上振动5-20秒；
步骤S5：在步骤S4振动处理后的混合物表面覆盖塑料膜，经24-48小时后脱模，放入标准养护室养护至少28天，得到吸附混凝土（1）。
6.根据权利要求5所述的一种微孔双级配吸附混凝土的制备方法，其特征在于，所述吸附骨料（3）的制备方法为：按重量比称量多孔材料A（31）、吸附材料A（32）、胶结材料A（33）、水后，先将多孔材料A（31）、吸附材料A（32）、胶结材料A（33）倒入搅拌机（6）干燥混合3分钟，然后在造粒机（7）的圆盘上喷洒部分水以湿润圆盘表面，然后将搅拌机（6）中混合的多孔材料A（31）、吸附材料A（32）、胶结材料A（33）倒入造粒机（7），将造粒机（7）的旋转速度设置在150-250rpm、旋转时间设置在3-5分钟，且旋转过程中加入剩余的水；旋转停止后将生成的颗粒状的新鲜吸附骨料从圆盘上移除并装入密封塑料袋中，放入标准养护室养护至少28天，得到颗粒状的吸附骨料（3）。
7.一种微孔双级配吸附混凝土的应用，其特征在于，将如权利要求1-4任一项所述的微孔双级配吸附混凝土用于构建污染物自循环移除结构；
所述污染物自循环移除结构包括雨水汇集区（100）、植物循环利用区（300）和混凝土吸附区（200）；
所述混凝土吸附区（200）主要由吸附混凝土（1）组成；所述雨水汇集区（100）的雨水（8）能够流入所述混凝土吸附区（200）进行雨水（8）污染物的初步吸附；
所述植物循环利用区（300）位于所述混凝土吸附区（200）上方且水体互通；所述植物循环利用区（300）侧壁由不透水混凝土（11）制成，中间的上部设置为用于种植植物（15）的土壤层（12），中间的下部设置为能够吸附雨水（8）中污染物且能够透水的吸附层（13）。
8.根据权利要求7所述的一种微孔双级配吸附混凝土的应用，其特征在于，所述混凝土吸附区（200）设置有多个交错排布的不透水板（9），形成“S”形的水流通道，增加雨水（8）与所述吸附混凝土（1）的接触面积。
9.一种用于如权利要求1所述微孔双级配吸附混凝土的吸附骨料，其特征在于，所述吸附骨料（3）由多孔材料A（31）、吸附材料A（32）、胶结材料A（33）和水组成；所述多孔材料A（31）、吸附材料A（32）、胶结材料A（33）、水的重量比为1-5：100：10-15：10-15；
所述多孔材料A（31）为粉末状的炭化多孔生物基材料；所述炭化多孔生物基材料为热处理后的芒草粉末、桃壳粉末、杏壳粉末、花生壳粉末、竹子粉末中任意一种或多种；
所述吸附材料A（32）为粉末状的含钙矿物质材料；所述含钙矿物质材料为钢渣粉末、炉渣粉末中任意一种或多种；
所述胶结材料A（33）为水泥。
10.一种吸附骨料的制备方法，制备如权利要求9所述的吸附骨料（3），其特征在于，所述吸附骨料（3）的制备方法为：按重量比称量多孔材料A（31）、吸附材料A（32）、胶结材料A（33）、水后，先将多孔材料A（31）、吸附材料A（32）、胶结材料A（33）倒入搅拌机（6）干燥混合3分钟，然后在造粒机（7）的圆盘上喷洒部分水以湿润圆盘表面，然后将搅拌机（6）中混合的多孔材料A（31）、吸附材料A（32）、胶结材料A（33）倒入造粒机（7），将造粒机（7）的旋转速度设置在150-250rpm、旋转时间设置在3-5分钟，且旋转过程中加入剩余的水；旋转停止后将生成的颗粒状的新鲜吸附骨料从圆盘上移除并装入密封塑料袋中，放入标准养护室养护至少28天，得到颗粒状的吸附骨料（3）。
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