CN115403342B - 一种低碳植生混凝土及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种低碳植生混凝土及其制备方法，属于建筑材料技术领域，所述混凝土包括5‑15份的低碱度硫铝酸盐水泥、1‑3份的低热硅酸盐水泥、4‑6份的磷石膏、0.5‑1份的过磷酸钙、0.08‑0.5份的重钙粉、2‑4份的膨润土、0.5‑2份的吸水树脂、100‑200份的岩质土壤、0.5‑2份的草种、10‑30份的有机质、5‑10份的餐余垃圾、5‑10份的农业废弃物和80‑100的份的水。本发明解决了现有植生混凝土pH过高、草种发芽率低、前期强度低、养护成本高、碳排放高等技术问题。本发明提供的一种低碳植生混凝土，碳排放低、原生pH低；缓冲剂用量少、养护条件简单、养护成本低；草种发芽率高，护坡效果好；二氧化碳碳化吸收能力强，绿色环保。

Description

一种低碳植生混凝土及其制备方法

技术领域

本发明属于建筑材料技术领域，具体涉及一种低碳植生混凝土及其制备方法。

背景技术

植生混凝土又称植物相容型生态混凝土或植被混凝土，由多孔混凝土、保水材料和营养物质、表层土以及植物组成。植生混凝土以多孔混凝土为粗骨料，多孔混凝土的孔隙应是连续型的；在混凝土孔隙中填充保水材料和植物生长所需的营养，上层再通过表层土覆盖；表层土中所含的水分和营养成分促使植物草种萌发，而填充的营养物质和保水材料保证了植物幼苗的生长，植物根系通过多孔混凝土连续贯通的孔隙到达底层土壤，从而保证了植物的进一步生长。由于植物和混凝土能相容，呈现生态特性；其耐久性、耐侵蚀性好，同时具有较高的强度。植生混凝土硬化速度快，方便现场浇筑施工；也可以预制，进行大规模的集中生产。由于植生混凝土具有上述特点，可以被大规模应用于河道护岸、公路护坡等生态修复工程，将生物防护和工程防护有机的结合在一起；也可以用于屋顶绿化、建筑物墙面的绿化、停车场等。并且有望进一步开发应用于沙漠，发挥固沙作用。

目前，植生混凝土制品已得到广泛的应用，但植生混凝土大多还是处于研发试验阶段。植生混凝土需要使用特种的胶凝材料，还需要为植物提供生长所必需的空间、养分和水分；更需要有足够的耐久性以及具有植被复种的可操作性。现有技术中，制备植生混凝土均采用普通硅酸水泥作为胶凝材料，植生混凝土水化过程中会产生氢氧化钙等强碱水化产物，造成强碱环境，对植物生长环境起到不利的影响，不利于植物早期的发芽以及后期长时间的生长，出现植物不发芽或次年生长率低的情况。为了解决上述技术问题，目前最常用的方法是降碱外加剂技术和矿物掺合料技术。例如专利号为CN110317008B、专利名称为一种植被混凝土及其制备方法与应用，该专利所述的植被混凝土在水化过程中碱性较弱，能够为植物提供适宜的生长环境；还能够减少开裂、脱落的现象，增加稳定性；而且肥性和保水性能优良，为植物提供了优异生长环境，同时利用了固废。但是该发明在降碱的过程中又添加了碱性激发剂，所制备的植生混凝土碱性仍然很高；并且该专利涉及固废如粉煤灰等在今天属于供不应求的资源。又如专利号为CN108323380B、专利名称为一种种植诸葛菜的盐碱地绿化护坡的施工方法，该专利降低了在盐碱地浇注绿化护坡的返碱现象，解决了盐碱地护坡植被单一且成活率低的问题，但是该专利所述材料中添加了大量降碱材料，成本高昂，且应用范围有限。

因此，提高一种天然碱度低、利用固废、环境友好、后期养护成本低以及护坡效果好的植生混凝土成为了本领域技术人员亟待解决的问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：提供一种低碳植生混凝土及其制备方法，以至少解决上述部分技术问题。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种低碳植生混凝土及其制备方法，包括以下质量份的原料：

进一步地，所述磷石膏的粒度为10-40μm。

进一步地，所述过磷酸钙含有15wt.％～20wt.％的十氧化四磷，十氧化四磷85％～95％溶于水。

进一步地，所述重钙粉的比表面积为400-500m²/kg。

进一步地，所述膨润土为二级膨润土，二级膨润土的比表面积为800-1000m²/kg。

进一步地，所述有机质为稻壳、锯木、酒糟的一种或多种混合，有机质的湿度为10-15％。

进一步地，所述农业废弃物为秸秆、残株、杂草、落叶、果实外壳、藤蔓、树枝的一种或多种混合，农业废弃物的纤维含量为30-50％。

进一步地，所述餐余垃圾为菜叶、剩菜、剩饭、果皮、蛋壳、茶渣、骨头的一种或多种混合。

进一步地，所述吸水树脂为高吸水树脂，高吸水树脂的吸水率为300-500倍、粒径为45μm～75μm，

一种低碳植生混凝土的制备方法，包括以下步骤：

步骤1、分别称取低热硅酸盐水泥、磷石膏、过磷酸钙膨润土、吸水树脂、岩质土壤、有机质、质量份占比1/4～1/2的低碱度硫铝酸盐水泥、以及质量份占比1/3～3/5的重钙粉，将其与水混合并均匀喷射作为基层；

步骤2、将除餐余垃圾和农业废弃物的其他原料的剩余部分混合均匀，并覆盖于基层上作为面层；

步骤3、将餐余垃圾和农业废弃物混合打成浆并喷到面层表面作为保护层。

本发明将混凝土分为三层，其中基层不含种子，且胶凝材料更多，可以更好地固定附着于挂网之上，增加护坡性能；面层中胶凝材料较基层少，其强度及pH都更适宜种子早期发芽生长；最后的保护层主要作用是早期遮光及防雨水冲刷，及在后期提供养分。

本发明的配料中有机物会出现升温发酵现象，但是仅在早期出现，早期出现的升温控制得当可以为种子生长发芽提供良好的环境。特别是温度较低或温差较大的地方，能够很好的保护种子及幼苗。

本发明的植生混凝土应用时，基层厚度6-10cm，面层厚度1-3cm，保护层的厚度0.2-0.8cm；优选地，基层厚度8cm，面层厚度2cm，保护层的厚度0.5cm。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明解决了现有植生混凝土pH过高、草种发芽率低、前期强度低、养护成本高、碳排放高等技术问题。本发明提供的一种低碳植生混凝土，碳排放低、原生pH低；缓冲剂用量少、养护条件简单、养护成本低；草种发芽率高，护坡效果好；二氧化碳碳化吸收能力强，绿色环保。

附图说明

图1为本发明秸秆渣与餐余垃圾料浆图。

图2为本发明农业废弃物的秸秆渣图。

图3为本发明植生混凝土胶凝水化3天的电镜图。

图4为本发明植生混凝土胶凝水化28天的电镜图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图，对本发明进一步详细说明。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前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

一种低碳植生混凝土及其制备方法，包括以下质量份的原料：

本发明所用的低碱度硫铝酸盐水泥，其原生碱性低，适宜草种发芽pH范围宽；其早期强度高，能省去覆膜养护及在喷水过程中的雾化喷水成本；易于碳化，利于草种后期发芽植物根的发展，同时在碳化的过程中能吸收大量二氧化碳，绿色环保。

本发明所用的低热硅酸盐水泥，其早期水化热低，防止植生混凝土坯体温度过高，烧伤草种；后期强度高，在草种生根之前，能起到补充植生混凝土坯体强度的作用。本发明所选用的低碱度硫铝酸盐水泥和低热硅酸盐水泥均为凝胶材质的低碳水泥，碳排放低。

本发明所用的磷石膏是湿法磷酸工艺中产生的固体废弃物，磷石膏中除了硫酸钙以外，还包括少量未完全分解的磷矿、残留的磷酸以及氟化物、酸不溶物、铁铝化合物、有机质等，并且呈弱酸性。所述磷石膏的粒度优选10-40μm。本发明将磷石膏作为pH调节剂，有效利用了固废；磷石膏还能为草种生长提供磷肥，促进生根并提升护坡效果。由于磷石膏随着温度的升高溶解速率减缓，而低热硅酸盐水泥水化热低，能有效缓解水泥水化对磷石膏溶解的抑制作用。除此之外，磷石膏过量会影响普通水泥的凝结，但是在本发明中，磷石膏能与低碱度硫铝酸盐水泥快速反应生成钙钒石，降低了磷石膏对水泥水化的影响，主要反应如下：

2CaO·SiO₂+nH₂O→C-S-H+Ca(OH)₂；

Al₂O₃·3H₂O+3Ca(OH)₂+3CaSO₄+26H₂O→3CaO·Al₂O₃·3CaSO₄·32H₂O。

本发明所用的过磷酸钙是用硫酸分解磷矿直接制得的磷肥，主要有用组分是磷酸二氢钙的水合物Ca(H₂PO₄)₂·H₂O和少量游离的磷酸，还含有对缺硫土壤有用的无水硫酸钙组分，能快速溶解在水中，与水泥反应生成钙钒石并附着于磷石膏表面，抑制磷石膏溶解，延缓磷石膏与低碱度硫铝酸盐水泥的反应，降低其水化热；同时还能与磷石膏相互补充，调节pH并提供磷肥，对土壤环境零伤害。本发明所述过磷酸钙含有15％～20％的十氧化四磷，且十氧化四磷85％～95％溶于水。

本发明所用的重钙粉，能填充在水化产物中提升强度；重钙粉还能水泥碳化的过程中能起到晶核的作用加速碳化；与低热水泥一起调剂坯体强度与保证前期强度高，中期强度稳定，后期强度衰减快，与草种生根相匹配。重钙粉的比表面积优选400-500m²/kg。

本发明所用的膨润土，能快速吸收自身重量两倍以上的水，为草种生长持续提供水分。膨润土吸水形成浆体，在雨水环境下能维持坯体物质不流失,并在喷射初期维持坯体稳定，不坍缩，保证孔隙率。膨润土遇水之后发生水化反应，团聚体发生膨胀即第一阶段膨胀；到第二阶段即双电层形成；到第三阶段双电层开始膨胀，之后层叠体甚至变成单个单元。膨胀之后外界分子就更加容易进入层间，且膨润土本身含有大量的晶层使得膨润土的内比表面积增大,吸附容能力强；能提升孔隙率加速碳化，同时膨润土能够有效吸附磷石膏中的氟化物，降低磷石膏中氟化物对植物生长的影响。所述膨润土优选二级膨润土，二级膨润土的比表面积优选800-1000m²/kg。

本发明所用的吸水树脂，也能快速吸收大量水，为草种生长持续提供水分。吸水树脂优选为高吸水树脂，高吸水树脂的吸水率为300-500倍、粒径为45μm～75μm。

本发明充分利用了餐余垃圾和农业废弃物。农业废弃物中富含纤维，可以有效帮助餐余垃圾粘结附着于喷射混凝土表面，并起到一定的遮光和抗冲刷作用。餐余垃圾及农业废弃物在草种发芽后会腐烂，发酵并转化为植物生长所需要的养分。餐余垃圾及农业废弃物升温发酵现象仅在早期出现，早期出现的升温控制得当可以为草种生长发芽提供良好的环境，特别是温度较低或温差较大的地方，能够很好的保护草种及幼苗。另外，二者所带的菌类也能更好地帮助植物生长。所述农业废弃物为秸秆、残株、杂草、落叶、果实外壳、藤蔓、树枝的一种或多种混合，农业废弃物的纤维含量为30-50％。所述餐余垃圾为菜叶、剩菜、剩饭、果皮、蛋壳、茶渣、骨头的一种或多种混合。

本发明所述的制备方法，包括以下步骤：

步骤1、分别称取低热硅酸盐水泥、磷石膏、过磷酸钙膨润土、吸水树脂、岩质土壤、有机质、质量份占比1/4～1/2的低碱度硫铝酸盐水泥、以及质量份占比1/3～3/5的重钙粉，将其与水混合并均匀喷射作为基层；

步骤2、将除餐余垃圾和农业废弃物的其他原料的剩余部分混合均匀，并覆盖于基层上作为面层；

步骤3、将餐余垃圾和农业废弃物混合打成浆并喷到面层表面。

本发明制备的低碳植生混凝土为基层、面层和保护层的三层结构，并且每层的组分不一致。基层中不含草种且胶凝材料最多，可以更好固定附着于挂网之上，增加护坡性能；面层中胶凝材料含量只有基层的一半，其强度及pH更适宜草种草种发芽生长；保护层主要作用是早期遮光、防雨水冲刷，以及后期为草种提供养分。

基于所述方法制备的植生混凝土省去了覆膜养护成本，省去了雾化喷水成本。由于低碱度硫铝酸盐水泥早期强度高，以及农业废弃物与餐余垃圾的保护，可以直接喷水至植生混凝土表面，无需雾化后喷水；同时植生混凝土已经自带遮光作用，无需覆膜遮光，省去了覆膜及揭膜成本。

实施例1

本实施例公开了一种低碳植生混凝土，其原料为：

本实施例的低碳植生混凝土的制备方法为：

步骤1、分别称取低热硅酸盐水泥、磷石膏、过磷酸钙膨润土、吸水树脂、岩质土壤、有机质、质量份占比三分之一的低碱度硫铝酸盐水泥、质量份占比二分之一的重钙粉与水混合，并均匀喷射作为基层，基层厚度8cm；

步骤2、将除餐余垃圾和农业废弃物的其他原料的剩余部分混合均匀，并覆盖于基层上作为面层，面层厚度2cm；

步骤3、将餐余垃圾和农业废弃物混合打成浆并喷到面层表面，保护层的厚度0.5cm。

对比例1

一种植生混凝土1，本对比例与实施例1相比，低碱度硫铝酸盐水泥为125g；不含有低热硅酸盐水泥，其余条件均相同。具体地，本对比例的植生混凝土原料为：

对比例2

一种植生混凝土2，本对比例与实施例1相比，不含有过磷酸钙，膨润土为30g，其余条件均相同。具体地，本对比例的植生混凝土原料为：

对比例3

一种植生混凝土3，本对比例与实施例1相比，磷石膏为20g,膨润土为40g，吸水树脂为0g，其余条件均相同。具体地，本对比例的植生混凝土原料为：

对比例4

一种植生混凝土4，本对比例与实施例1相比，磷石膏为30g,膨润土为30g，不含有秸秆，其余条件均相同。具体地，本对比例的植生混凝土原料为：

对比例5

一种植生混凝土5，本对比例与实施例1相比，采用普通水泥替代低碱度硫铝酸盐水泥，膨润土为25g，其余条件均相同。具体地，本对比例的植生混凝土原料为：

实施例1以及对比例1～对比例5均采用本发明所述的方法制备。特别地，使用普通水泥替换低碱度硫铝酸盐水泥进行对比例5的制备。完成混凝土后，每天喷水养护，并观测数据。用环刀法测试容重及孔隙率、用电位法测试植生混凝土pH、用钼锑抗比色法测试有效磷含量、参照现行国家标准《土工试验方法标准》GB/T50123测试无侧限抗压强度、参照现行国家标准《土工试验方法标准》GB/T50123测试无侧限抗压强度。

实施例1和各对比例的测试结果如下表1所示：

表1实施例1和各对比例的测试结果

实施例1与对比例1对比可知，没有低热硅酸盐水泥与秸秆表面保护时，后期强度低，早期抗冲刷能力弱；实施例1与对比例2对比可知，缺乏有机质时，孔隙率降低，容重过高，且随着磷石膏用量降低，有效磷含量也降低，后期强度也因为孔隙率降低，没有得到充分碳化而偏高；实施例1与对比例3对比可知，当没有吸水树脂时，孔隙率降低，强度偏高；实施例1与对比例4对比可知，当没有秸秆时，抗冲刷能力减弱；实施例1与对比例5对比，当低碱度硫铝酸盐水泥替换为普通硫铝水泥后，基体pH偏高，后期强度提高。

根据本发明的pH测试结果可知，本发明的pH值稳定，利于植物生长。根据本发明的有效磷含量测试结果可知，本发明的植生混凝土能够缓慢释放磷肥，混凝土中磷肥含量波动性不大，利于植物生长。

图1和图2分别为本发明秸秆渣与餐余垃圾料浆图、以及本发明农业废弃物的秸秆渣图。图1与图2对比可知，秸秆及餐余垃圾打成浆体能够很好地附着于植生混凝土表面，并起到良好遮光和防冲刷作用，后期也能为植物生长提供有机质。

图3和图4分别为本发明植生混凝土胶凝水化3天和28天的电镜图。图3和图4对比可知，凝胶成型三天(3d)后水化产物主要以硫铝酸钙为主，结构密实，早期强度高，随着碳化的进行，凝胶成型28天(28d)后主要以碳酸钙为主，晶体结构明显，但是密实程度降低，强度下降，与植物生根相匹配。

实施例2

本实施例公开了一种低碳植生混凝土，其原料为：

本实施例的低碳植生混凝土的制备方法为：

步骤1、分别称取低热硅酸盐水泥、磷石膏、过磷酸钙膨润土、吸水树脂、岩质土壤、有机质、质量份占比1/4的低碱度硫铝酸盐水泥、质量份占比3/5的重钙粉与水混合，并均匀喷射作为基层；

步骤2、将除餐余垃圾和农业废弃物的其他原料的剩余部分混合均匀，并覆盖于基层上作为面层；

步骤3、将餐余垃圾和农业废弃物混合打成浆并喷到面层表面。

实施例3

本实施例公开了一种低碳植生混凝土，其原料为：

本实施例的低碳植生混凝土的制备方法为：

步骤1、分别称取低热硅酸盐水泥、磷石膏、过磷酸钙膨润土、吸水树脂、岩质土壤、有机质、质量份占比1/2的低碱度硫铝酸盐水泥、质量份占比1/3的重钙粉与水混合，并均匀喷射作为基层；

步骤2、将除餐余垃圾和农业废弃物的其他原料的剩余部分混合均匀，并覆盖于基层上作为面层；

步骤3、将餐余垃圾和农业废弃物混合打成浆并喷到面层表面。

按照前述方法测试实施例2和实施例3的混凝土的性能，结果如下表所示：

表2

最后应说明的是：以上各实施例仅仅为本发明的较优实施例用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，当然更不是限制本发明的专利范围；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围；也就是说，但凡在本发明的主体设计思想和精神上作出的毫无实质意义的改动或润色，其所解决的技术问题仍然与本发明一致的，均应当包含在本发明的保护范围之内；另外，将本发明的技术方案直接或间接的运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种低碳植生混凝土，其特征在于，包括以下质量份的原料：

低碱度硫铝酸盐水泥   5-15份；

低热硅酸盐水泥       1-3份；

磷石膏               4-6份；

过磷酸钙             0.5-1份；

重钙粉               0.08-0.5份；

膨润土               2-4份；

吸水树脂             0.5-2份；

岩质土壤             100-200份；

草种                 0.5-2份；

有机质               10-30份；

餐余垃圾             5-10份；

农业废弃物           5-10份；

水                   80-100份。

2. 根据权利要求1所述的一种低碳植生混凝土，其特征在于，所述磷石膏的粒度为10-40 μm。

3. 根据权利要求1所述的一种低碳植生混凝土，其特征在于，所述过磷酸钙含有15wt.% ~ 20 wt.%的十氧化四磷，十氧化四磷85%～95%溶于水。

4.根据权利要求1所述的一种低碳植生混凝土，其特征在于，所述重钙粉的比表面积为400-500m²/kg。

5.根据权利要求1所述的一种低碳植生混凝土，其特征在于，所述膨润土为二级膨润土，二级膨润土的比表面积为800-1000m²/kg。

6.根据权利要求1所述的一种低碳植生混凝土，其特征在于，所述有机质为稻壳、锯木、酒糟的一种或多种混合，有机质的湿度为10-15%。

7.根据权利要求1所述的一种低碳植生混凝土，其特征在于，所述农业废弃物为秸秆、残株、杂草、落叶、果实外壳、藤蔓、树枝的一种或多种混合，农业废弃物的纤维含量为30-50%。

8.根据权利要求1所述的一种低碳植生混凝土，其特征在于，所述餐余垃圾包括菜叶、剩菜、剩饭、果皮、蛋壳、茶渣、骨头的一种或多种混合。

9. 根据权利要求1所述的一种低碳植生混凝土，其特征在于，所述吸水树脂为高吸水树脂，高吸水树脂的吸水率为300-500倍、粒径为45 μm~75 μm。

10.根据权利要求1-9中任一项所述的一种低碳植生混凝土的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、分别称取低热硅酸盐水泥、磷石膏、过磷酸钙膨润土、吸水树脂、岩质土壤、有机质、质量份占比1/4~1/2的低碱度硫铝酸盐水泥、以及质量份占比1/3~3/5的重钙粉，将其与水混合并均匀喷射作为基层；

步骤2、将除餐余垃圾和农业废弃物的其他原料的剩余部分混合均匀，并覆盖于基层上作为面层；

步骤3、将餐余垃圾和农业废弃物混合打成浆并喷到面层表面作为保护层。

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