CN116177952A - 一种基于沥青废粉的低碳透水砖及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种基于沥青废粉的低碳透水砖及其制备方法，涉及建筑砌块技术领域。制备方法的具体步骤为：S1、在沥青废粉中添加贝壳粉，通过组分调节、高温重构的方式制备新型胶凝材料，作为S2的原料；S2、基于微生物固碳技术，通过体积法确定各原材料的配比，对各原材料进行混合搅拌；S3、将S2中获得的混合料模压，养护，获得低碳透水砖。通过组分调节，高温重构的方式对沥青废粉进行处理后，使其具备一定胶凝能力，可作为相关建材使用，有效减少废粉污染，添加能够分泌碳酸酐酶的微生物菌粉，提高固碳效率。

Description

一种基于沥青废粉的低碳透水砖及其制备方法
技术领域
本发明属于建筑砌块领域，涉及一种基于沥青废粉的低碳透水砖及其制备方法。
背景技术
公开该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。
随着城镇化进程的加快，城市地表正在被各种建筑物和混凝土铺装层所覆盖，不透水地面的比例大幅提升。为此，相关部门提出建设“海绵城市”，使城市在适应环境变化与应对雨水带来的自然灾害等方面具有良好的“弹性”。透水路面是“海绵城市”的重要组成部分，在建设透水路面的过程中亟需大量的透水砖等建筑材料。
沥青废粉即沥青搅拌站回收废粉，是在沥青混合料拌和过程中，产生的大量微米级粉尘，直接排放会造成严重的空气污染，因此现在的沥青搅拌站都设有除尘装置对其进行回收。由于道路基础设施建设的快速发展，沥青混合料用量较大。一座沥青拌合站每生产100吨沥青混凝土就会产生8～10吨的废粉，全国每年产生的废粉多达数千万吨。这些废粉目前没有好的处理方式，大多进行填埋处理。一方面占用土地资源，另一方面污染环境。若是能够将这些废粉有效地利用起来，既可变废为宝又能解决环境污染问题。
沥青废粉各组分比例如下表1。
表1
Figure BDA0004010507130000021
沥青废粉来自于沥青拌合过程中产生的粉尘，颗粒较小，一般粒径小于0.075mm，比表面积很大，无需磨细加工；且由于其产生过程中混入了大量泥土，导致化学成分与拌和原料相比发生了变化。沥青废粉活性较低，直接采用废粉制备透水砖类的建材时，其力学强度无法满足规范要求。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种基于沥青废粉的低碳透水砖及其制备方法，对沥青废粉通过组分调节，高温重构的处理方式开发新型胶凝材料，同时添加固碳微生物，制成低碳透水砖，既实现废物利用，又利于环保效果。
为了实现上述目的，本发明的技术方案为：
第一方面，基于沥青废粉的低碳透水砖的制备方法，具体步骤为：
S1、在沥青废粉中添加贝壳粉，通过组分调节、高温重构的方式制备新型胶凝材料，作为S2的原料；
S2、基于微生物固碳技术，通过体积法确定各原材料的配比，对各原材料进行混合搅拌；
S3、将S2中获得的混合料模压，养护，获得低碳透水砖。
其中，S1中，组分调节过程为：
利用石灰理论极限含量，根据沥青废粉与贝壳粉中氧化物含量，再根据CaO守恒，计算出生产C2S所需要的沥青废粉、贝壳粉质量，确定沥青废粉与贝壳粉的质量比。
在生产水泥中，理论上每1.0％酸性氧化物反应时所需的石灰量分别为：(为了便于计算将C4AF改写成“C3A”与“CF”)
每1.0％SiO2形成C3S所需CaO＝3×CaO分子量/SiO2分子量＝3×56.08/60.09＝2.8(CaO分子量取56.08，SiO2分子量取60.09，下同)；
每1.0％SiO2形成C2S所需CaO＝2×CaO分子量/SiO2分子量＝2×56.08/60.09＝1.87；
每1.0％Al2O3形成C3A所需CaO＝3×CaO分子量/Al2O3分子量＝3×56.08/101.96＝1.65(Al2O3分子量取101.96)；
每1.0％Fe2O3形成“CF”所需CaO＝CaO分子量/Fe2O3分子量＝
56.08/159.70＝0.35(Fe2O3分子量取159.70)。
进一步地，设沥青废粉质量x，贝壳粉质量y，
Figure BDA0004010507130000031
其中，Si1：沥青废粉中SiO2含量；Si2：贝壳粉中SiO2含量；A1：沥青废粉中Al2O3含量；A2：贝壳粉中Al2O3含量；F1：沥青废粉中Fe2O3含量；F2：贝壳粉中Fe2O3含量；C1：沥青废粉中CaO含量；C2：贝壳粉中CaO含量；
可以根据沥青废粉质量x得出需要添加的贝壳粉质量y。
高温重构过程为：
将沥青废粉与贝壳粉混合搅拌至均匀，并高温煅烧后保温一段时间，冷却，使粉料反应完全，制成胶凝材料，制成的胶凝材料以C2S为主，同时含有一定量的C3S；
进一步地，待加热温度到达1350℃后，保温1h，后冷却；
进一步地，将高温重构过程中产生的CO2收集冷却，在S2步骤中加入。
S2中，具体步骤为：
将粗骨料、醋酸溶液加入到混凝土搅拌机中，搅拌30s，使粗骨料表面达到均匀湿润状态，将S1中制备的胶凝材料加入其中，并加入添加剂，通入高温重构时产生的CO2，搅拌30s，形成胶凝材料浆壳对粗骨料进行包裹，将剩余醋酸溶液在搅拌过程中加入，再搅拌180s左右。
所述粗骨料选自粒径在2.36mm～4.75mm的玄武岩石子，其表观密度为2976kg/m3；
所述醋酸溶液能够加速胶凝材料中钙的溶解，将沥青废粉中大量活性较低的、以固溶态存在的钙释放出来，为整个体系提供内部钙源；
所述添加剂为能够分泌碳酸酐酶的微生物菌粉，选自胶质芽孢杆菌，优选地，胶质芽孢杆菌菌粉的活性为5.0×109cell/g，适宜的培养环境在ph值7.5～8之间，优选地，使用的胶质芽孢杆菌菌粉表观密度为1200kg/m3，通过其催化作用来提升胶凝材料的固碳效率，并能够在后续透水砖使用过程中维持活性，持续发挥固碳效果，环保优势明显；
进一步地，通入在高温重构过程中收集后经冷却的二氧化碳气体，使矿物发生碳酸化反应，并通过能够分泌碳酸酐酶的微生物的催化作用来提升胶凝材料的固碳效率。
进一步地，利用体积法确定各种原材料的配比，体积法计算公式如下：
Figure BDA0004010507130000041
其中，MG为每立方米粗骨料的用量，kg/m3；ρG为粗骨料的表观密度，kg/m3；kg/m3；MW为每立方米水的用量，kg/m3；ρW为水的表观密度；MS为每立方米胶凝材料的用量，kg/m3；ρS为胶凝材料的表观密度，kg/m3；MZ为每立方米添加剂的用量，kg/m3；ρZ为添加剂的表观密度，kg/m3；P为目标孔隙率；所述水为浓度为1.00mol/L的醋酸溶液。
S3中，具体步骤为：采用静压力成型法，在规范标准中要求的试模表面均匀抹上润滑油，将混合料倒入试模，利用荷载对混合料施加20MPa的压应力，并稳压1min，使混合料成型，静止8h左右，使形状稳定，拆除摸具，并将制备出的试件，送至相对湿度60％、温度25℃的养护箱中养护18h后，得到低碳透水砖成品。
第二方面，一种应用上述步骤制得的低碳透水砖，能够用于路面铺装。
本发明的有益效果为：
1.本发明提供了一种沥青废粉和高含钙量材料的合理比例，并通过组分调节，高温重构的方式对沥青废粉进行处理后，使其具备一定胶凝能力，可作为相关建材使用，有效减少废粉污染，为废粉提供一种新型处理路径。
3.本发明利用高温重构工艺，对混合粉料进行煅烧，使煅烧充分后的混合粉具有一定量的C2S，提高沥青废粉活性。
4.本发明在制砖时通入高温重构过程产生的二氧化碳，为矿物碳酸化反应提供原材料，减少二氧化碳排量，实现低碳生产。
5.本发明在胶凝材料发生碳酸化反应过程中，添加能够分泌碳酸酐酶的添加剂(微生物菌粉)，提高固碳效率。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1为本发明提供的一种基于沥青废粉活性激发的低碳透水砖制备方法流程图。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
实施例1
一种基于沥青废粉活性激发的低碳透水砖制备方法，流程如图1所示，包括如下步骤：
S1、在沥青废粉中添加贝壳粉，通过组分调节、高温重构的方式制备新型胶凝材料，作为S2的原料；
S2、基于微生物固碳技术，通过体积法确定各原材料的配比，对各原材料进行混合搅拌；
S3、将S2中获得的混合料模压，养护，获得低碳透水砖。
S1中，沥青废粉获取自一沥青拌合站，废粉粒径大多小于0.075mm，表观密度为2580kg/m3。沥青废粉的主要成分为SiO2、Fe2O3、Al2O3、CaO、MgO，比例分别24.83％、2.11％、4.77％、35.70％、0.97％。贝壳粉为市面常见的贝壳研磨制成的粉末，其95％的成分是碳酸钙，表观密度为1080kg/m3；
添加贝壳粉对该沥青废粉进行组分调节，根据以下公式计算沥青废粉与贝壳粉的质量比(将贝壳中的碳酸钙换算为CaO，则贝壳粉中CaO含量为53％)：
Figure BDA0004010507130000061
其中，沥青废粉质量x，贝壳粉质量y；Si1：沥青废粉中SiO2含量；Si2：贝壳粉中SiO2含量；A1：沥青废粉中Al2O3含量；A2：贝壳粉中Al2O3含量；F1：沥青废粉中Fe2O3含量；F2：贝壳粉中Fe2O3含量；C1：沥青废粉中CaO含量；C2：贝壳粉中CaO含量；
计算得沥青废粉与贝壳粉的配比为4：1；
按照计算出的配比，将组分调节后的成分均匀的混合粉添加入煅烧罐中，煅烧并保温，煅烧温度1350℃，保温1h，即可将煅烧罐中重构后的胶凝材料送入冷却储存仓中进行冷却。
S2中，具体步骤为：
将粗骨料、醋酸溶液加入到混凝土搅拌机中，搅拌30s，使粗骨料表面达到均匀湿润状态，将S1中制备的胶凝材料加入其中，并加入添加剂，通入高温重构时产生的CO2，搅拌30s，形成胶凝材料浆壳对粗骨料进行包裹，将剩余醋酸溶液在搅拌过程中加入，再搅拌180s左右；
通过体积法进行透水路面砖配合比设计，公式如下：
Figure BDA0004010507130000071
其中，MG为每立方米粗骨料的用量，kg/m3；ρG为粗骨料的表观密度，本实施例取2976kg/m3；MW为每立方米水的用量，kg/m3；ρW为水的表观密度；MS为每立方米胶凝材料的用量，kg/m3；ρS为胶凝材料的表观密度，本实施例取1830kg/m3；MZ为每立方米添加剂的用量，kg/m3；ρZ为添加剂的表观密度，本实施例取1200kg/m3；P为目标孔隙率；所述水为浓度1mol/L的醋酸溶液；则ρW取1050kg/m3(为浓度为1mol/L的醋酸溶液密度)；
优选地，本实施例中透水砖目标孔隙率为15％，水胶比为0.3，添加剂掺量为胶凝材料质量的1％，粗骨料选自粒径在2.36mm～4.75mm的玄武岩石子；其中，水胶比是指每立方米混凝土用水量与所有胶凝材料用量的比值，其影响胶凝材料浆体的强度与流动性，在本实施例中，为保证胶凝材料浆体的强度，并且使胶凝材料的流动性能够充分包裹粗骨料，水胶比的取值为0.3，即MW：MS＝0.3；
计算出适合搭配的低碳透水砖每立方米各种材料用量，其中粗集料用量1753.22kg/m3，胶凝材料用量237.66kg/m3，添加剂用量4.22kg/m3，醋酸溶液用量127.82kg/m3；
添加剂为能够分泌碳酸酐酶的微生物菌粉，选自胶质芽孢杆菌，通过其催化作用来提升胶凝材料的固碳效率。
S3中，将搅拌均匀的混合料倒入试模，采用静压法成型。
本实施例中，采用静压力成型法，在规范标准中要求的试模表面均匀抹上润滑油，将混合料倒入试模，利用荷载对混合料施加20MPa的压应力，并稳压1min，使混合料成型，静止8h左右，使形状稳定，拆除摸具，并将制备出的试件，送至相对湿度60％、温度25℃的养护箱中养护18h后，得到低碳透水砖成品。
实施例2
将实施例1中制备好的低碳透水砖，根据《混凝土路面砖标准》(GB28635-2012)和《透水路面砖和透水路面板标准》(GBT25993—2010)，分别开展抗压强度、抗折强度和劈裂抗拉强度试验。
测得其强度分别达到了21.57MPa、5.31MPa和3.56MPa，可满足《透水路面砖和透水路面板标准》中的相关要求，可应用于透水路面砖的铺装。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于沥青废粉活性激发的低碳透水砖制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、在沥青废粉中添加贝壳粉，通过组分调节、高温重构的方式制备胶凝材料，作为S2的原料；
S2、基于微生物固碳技术，通过体积法确定各原材料的配比，对各原材料进行混合搅拌；
S3、将S2中获得的混合料模压，养护，获得低碳透水砖；
所述S2中原料包括：胶凝材料、粗骨料、醋酸溶液、添加剂；
所述添加剂包括能够分泌碳酸酐酶的微生物菌粉。
2.如权利要求1所述的基于沥青废粉活性激发的低碳透水砖制备方法，其特征在于，
所述S1中，沥青废粉获取自沥青拌合站。
3.如权利要求1所述的基于沥青废粉活性激发的低碳透水砖制备方法，其特征在于，
S1中，根据以下公式计算沥青废粉与贝壳粉的质量比：
Figure FDA0004010507120000011
其中，沥青废粉质量x，贝壳粉质量y；Si1：沥青废粉中SiO2含量；Si2：贝壳粉中SiO2含量；A1：沥青废粉中Al2O3含量；A2：贝壳粉中Al2O3含量；F1：沥青废粉中Fe2O3含量；F2：贝壳粉中Fe2O3含量；C1：沥青废粉中CaO含量；C2：贝壳粉中CaO含量。
4.如权利要求1所述的基于沥青废粉活性激发的低碳透水砖制备方法，其特征在于，
S1中，高温重构步骤为：将组分调节后的成分均匀的混合粉添加入煅烧罐中，煅烧并保温，煅烧温度1350℃，保温1h，将煅烧罐中重构后的胶凝材料送入冷却储存仓中进行冷却。
5.如权利要求1所述的基于沥青废粉活性激发的低碳透水砖制备方法，其特征在于，
S1中，将高温重构过程中产生的CO2收集冷却，在S2中加入。
6.如权利要求1所述的基于沥青废粉活性激发的低碳透水砖制备方法，其特征在于，
S2中，通过体积法进行透水路面砖配合比设计，计算式如下：
Figure FDA0004010507120000021
其中，MG为每立方米粗骨料的用量，kg/m3；ρG为粗骨料的表观密度，kg/m3；MW为每立方米水的用量，kg/m3；ρW为水的表观密度，kg/m3；MS为每立方米胶凝材料的用量，kg/m3；ρS为胶凝材料的表观密度，kg/m3；MZ为每立方米添加剂的用量，kg/m3；ρZ为添加剂的表观密度，kg/m3；P为目标孔隙率；所述水为浓度为1.00mol/L的醋酸溶液；
优选地，目标孔隙率为15％，MW：MS＝0.3；，添加剂掺量为胶凝材料质量的1％；粗骨料选自粒径在2.36mm～4.75mm的玄武岩石子。
7.如权利要求1所述的基于沥青废粉活性激发的低碳透水砖制备方法，其特征在于，
S2中，添加剂为能够分泌碳酸酐酶的微生物菌粉，选自胶质芽孢杆菌，优选地，胶质芽孢杆菌菌粉的活性为5.0×109cell/g。
8.如权利要求1所述的基于沥青废粉活性激发的低碳透水砖制备方法，其特征在于，S2中的混合搅拌方式为：
按配合比将称量好的粗骨料和20％用量的醋酸溶液加入到混凝土搅拌机中，一次搅拌，时间为30s，使粗骨料表面达到均匀湿润状态，然后，将胶凝材料和添加剂加入其中并通入高温重构时产生的CO2，形成胶凝材料浆壳对粗骨料表面进行包裹，并将剩余的醋酸溶液一边搅拌一边加入，二次搅拌；
优选地，一次搅拌时间为30s，二次搅拌时间为180s。
9.如权利要求1所述的基于沥青废粉活性激发的低碳透水砖制备方法，其特征在于，
S3中，具体步骤为：采用静压力成型法，在规范标准中要求的试模表面均匀抹上润滑油，将混合料倒入试模，利用荷载对混合料施加20MPa的压应力，并稳压1min，使混合料成型，静止8h左右，使形状稳定，拆除摸具，并将制备出的试件，送至相对湿度60％、温度25℃的养护箱中养护18h后，得到低碳透水砖成品。
10.如权利要求1-9任一所述所述的基于沥青废粉活性激发的低碳透水砖制备方法制备得到的低碳透水砖。
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