CN117486575B - 一种高含有机质渣土低碳固化材料及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种高含有机质渣土低碳固化材料及其制备方法和应用，涉及土壤固化技术领域，高含有机质渣土低碳固化材料包括以下重量份的组分：复合菌泥5‑10份、钢渣20‑35份、矿渣35‑40份、碱渣10‑15份、脱硫石膏16‑24份、再生细骨料20‑35份。本发明采用多种功能复合菌泥、钢渣、矿渣、碱渣、脱硫石膏和再生细骨料联合固化稳定有机质渣土，复合菌泥可以分解有机质成CO2和水等，CO2又可以被钢渣粉和再生细骨料利用，通过矿化作用提升固化渣土的强度。本发明通过优化粉料配比和再生骨料级配制备渣土低碳固化材料，同时，掺加复合菌泥以实现高含有机质渣土高效且低碳的固化目的，可显著提高有机质渣土的工程性能，且经济和环境效益显著。
Description
技术领域
本发明涉及土壤固化技术领域，具体涉及一种高含有机质渣土低碳固化材料及其制备方法和应用。
背景技术
交通量的增加和车辆荷载的加重对路基和路面材料性能提出了更高的要求。同时，人们对工程中的环境污染问题也更加重视。
当前，道路施工通常使用大量水泥、砂、石等材料来固化有机质渣土，这不仅增加了工程费用和碳排放量，还消耗了大量的不可再生资源。虽然有些道路施工采用钢渣、矿渣、废弃混凝土等材料来处理有机质渣土，但其无法有效处理渣土中的有机质，而且对于较细的再生骨料的颗粒级配也没有进一步划分，导致固化后的有机质渣土性能较低。因此，许多路面在短时间内就出现了损坏现象。
为了解决上述问题，本发明中提出了一种高含有机质渣土低碳固化材料及其制备方法和应用。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中高含有机质渣土固化强度低的问题，适应现实需要，提供一种高含有机质渣土低碳固化材料及其制备方法和应用，以解决上述技术问题。
为了实现本发明的目的，本发明所采用的技术方案为：一种高含有机质渣土低碳固化材料及其制备，包括以下重量份的组分：复合菌泥5-10份、钢渣20-35份、矿渣35-40份、碱渣10-15份、脱硫石膏16-24份、再生细骨料20-35份。
优选的，所述复合菌泥由枯草芽孢杆菌泥、恶臭假单胞菌泥、巴氏芽孢杆菌泥按照质量比为2：3：1混合制备成；
根据渣土高含水率的特点，选用菌泥相比菌液在不增加有机质渣土含水率的同时，微生物浓度更高，分解有机质速率更快。通过在试验确定三种菌以质量比为2：3：1混合后，其分解有机质的效果优于单种和任意两种菌混合。复合菌泥相比单种菌泥在高有机质渣土中的适应性更好。复合菌泥中枯草芽孢杆菌、恶臭假单胞菌、巴氏芽孢杆菌可以分解有机质成CO2和水等，CO2又可以被钢渣粉和再生细骨料利用，通过矿化作用提升其强度。
优选的，所述复合菌泥制备方法如下：
S1：取少量高含有机质原状渣土，加入100-300%原状渣土体积的菌液（菌液浓度为107-109cell/ml）并充分搅拌，静置48-72h后进行微生物的分离和纯化，将不同菌种依次重复以上操作，得到三种驯化菌；
在少量高含有机质原状渣土中加入大量微生物，以便于微生物的分离和纯化。同时，不同地区的土壤对应的环境（温度、湿度)和有机质含量不同，采用天然渣土环境驯化效果更好且更适用于实际工程应用。
S2：将三种驯化菌分别扩大培养，培养过程为：将高含有机质渣土和水按质量百分比为50%：50%均匀混合，然后在30-40℃、70-180r/min条件下振荡12-24h后过滤出液体，然后制备三份浸出液，并将其置于100-130℃灭菌20-60min得到灭菌后的浸出液，将灭菌后的浸出液代替水制备三种微生物的培养基，并将其置于100-130℃灭菌20-60min，再于无菌环境中冷却至室温后分别接入3-5%体积分数的枯草芽孢杆菌、恶臭假单胞菌、巴氏芽孢杆菌种液，最后在30-40℃、70-180r/min条件下振荡培养20-30h后得到三份菌液。将三份菌液分别加入离心机，保持转速为2000-4000rpm，时间5-10min得到三种菌泥，依次将三种菌泥按照所述质量比均匀混合制备成复合菌泥。
分离纯化获得菌泥的经济性和效率均极低，故采用灭菌后的天然渣土过滤液进行扩大培养，更加经济方便。
优选的，所述钢渣为炼钢工业废渣经研磨、烘干、除杂处理后得到的粉粒，粒径范围为5-30μm。
优选的，所述矿渣为高炉炼铁产生的水渣经研磨、烘干、除杂后得到的粉粒，粒径范围为1-35μm。
优选的，所述脱硫石膏为工业生产中烟气脱硫产生的副产物经烘干、除杂后得到的粉粒，粒径范围为10-40μm。
优选的，所述碱渣粉为工业制碱废渣经研磨、烘干、除杂后筛选出的粉粒，粒径范围为15-35μm。
优选的，所述再生骨料为建筑垃圾中的废弃混凝土经研磨、烘干、筛分、碳化所得，所述再生骨料粒径范围为75-475μm，其中粒径为0.075-1.25mm的细骨料质量百分比为40%-50%。
一种高含有机质渣土低碳固化材料的应用方法，包括以下步骤：
S1：根据有机质渣土的特性（含水率、有机质含量等）确定渣土固化材料的掺量，并根据待固化的有机质渣土总量确定所需渣土固化材料的总质量以及各组分的质量；
S2：分别称取所需的复合菌泥、钢渣、矿渣、碱渣、脱硫石膏、再生细骨料；
S3：将待固化的有机质渣土与再生细骨料均匀混合，焖料处理12h，检测混合料的含水率，若含水率低于60%，可进行下一步处理，若不满足要求，需摊铺晾晒至所要求的含水率；
将渣土与菌泥先混合会产生团聚现象，不利于菌泥和粉料分散。故先将渣土与再生细骨料混合，因为再生细骨料本身能吸收一部分渣土中的水分，并且分散渣土颗粒，水分的减少和渣土颗粒的分散能够极大地减少团聚现象的发生；
S4：将S3得到的混合料与复合菌泥、钢渣粉均匀混合，加入与原状渣土相等体积的氧气后，焖料处理24-48h，温度保持20-40℃；
S5：对焖料处理后的混合料进行取样检测，若浸出液COD值低于100mg/L，则可进行下一步处理，若不满足要求，应增加复合菌泥的掺量，每次增加幅值为10-20%，继续焖料处理，直至满足指标要求；
S6：将S5中满足指标要求的混合料与矿渣、碱渣、脱硫石膏均匀混合，即可得到固化渣土材料；
S7：实验室测试固化渣土材料的无侧限抗压强度，强度达标后将固化渣土材料在24h内运至施工现场作为沟槽回填料使用。
本发明的有益效果：
1、本发明使用钢渣、矿渣、脱硫石膏、碱渣、再生细骨料作为有机渣土固化材料的主要成分，以降低固化材料的成本。同时，掺加复合菌泥，复合菌泥中枯草芽孢杆菌、恶臭假单胞菌、巴氏芽孢杆菌可以分解有机质成CO2和水等，使有机质渣土中的有机质大量降解，同时CO2又可以被钢渣粉和再生细骨料利用，通过矿化作用提升其强度。同时，基于堆积密度理论获得细再生骨料的最佳级配可进一步提升固化渣土的密实性。最后通过优化配比，钢渣、矿渣在脱硫石膏和碱渣激发下生成大量胶凝材料，显著提高有机渣土的固化体强度。
2、本发明所提供的低碳固化材料可利用大宗固体废弃物，包括对建筑垃圾再生细骨料(如废弃混凝土)和活性工业废渣(如钢渣、碱渣等)。该材料不仅提高了固化渣土的强度，还解决了建筑垃圾和工业废渣对环境的污染与资源浪费问题，有助于降低工程后期维护费用且低碳环保。
3、本发明的渣土固化材料采用固态粉末颗粒形式，易于保存和运输。
附图说明
图1为本发明的实施例1、实施例2、实施例3在3d、7d和28d的无侧限抗压强度柱状图。
图2为本发明的实施例3、对比例1、对比例2、对比例3的无侧限抗压强度随时间变换曲线图。
具体实施方式
下面对本发明的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，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作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。
为方便理解，以下举实施例作进一步说明：
实施例1：一种高含有机质渣土低碳固化材料，包括以下组分：复合菌泥8份、钢渣粉30份、矿渣粉30份、碱渣粉10份、脱硫石膏18份、再生细骨料35份。
高含有机质渣土低碳固化材料的制备方法，包括以下步骤：
S1：取三份体积为4cm3原状渣土，将2ml的三个菌液分别放入后充分搅拌，静置48h后进行微生物的分离操作，鉴定确认后，挑选活性较高的菌体保存；
S2：将三种驯化菌分别扩大培养，培养过程为：大量制备三种微生物的培养基（枯草芽孢杆菌培养基：1L灭菌后浸出液、5g胰蛋白胨、3g牛肉膏、10g葡萄糖；恶臭假单胞菌培养基：1L灭菌后浸出液、17g胰蛋白胨、3g大豆蛋白胨、5g氯化钠、2.5g磷酸二氢钾、2.5g葡萄糖；巴氏芽孢杆菌培养基：1L灭菌后浸出液、5g胰蛋白胨、3g牛肉膏），并将其置于120℃灭菌30min，再于无菌环境中冷却至室温后分别接入5%体积分数的驯化后枯草芽孢杆菌、恶臭假单胞菌、巴氏芽孢杆菌液，最后在35℃、135r/min条件下振荡培养24h后得到三份菌液。将三份菌液分别加入离心机，保持转速为2500rpm，时间5min得到三种菌泥，依次将三种菌泥按质量比为2：3：1混合后获得复合菌泥；
S3：将钢渣、矿渣、脱硫石膏、矿渣、碱渣破碎研磨除杂后50℃烘干48h得到粉粒；
S4：对废弃混凝土经研磨、碳化处理，并经过筛分选出的两种粒径范围分别为0.075-1.25mm、1.25-4.75mm的细骨料，其中粒径为0.075-1.25mm的细骨料质量百分比为45%；
渣土固化材料应用方法如下：
S1：测试得到有机质渣土的含水率为63%、有机质含量36%，确定渣土固化材料的掺量为30%，待固化的有机质渣土总量约为27吨，所需渣土固化材料的总质量为8.1吨，各组分的质量为复合菌泥0.5吨、钢渣粉1.9吨、矿渣粉1.9吨、碱渣粉0.6吨、脱硫石膏1.1吨、0.075-1.25mm粒径再生细骨料1.0吨、1.25-4.75mm粒径再生细骨料1.2吨；
S2：分别称取所需的复合菌泥、钢渣、矿渣、碱渣、脱硫石膏、再生细骨料；
S3：将待固化的有机质渣土与再生细骨料均匀混合，焖料处理12h，检测混合料的含水率为58%；
S4：将S3得到的混合料与复合菌泥、钢渣粉均匀混合，加入与原状渣土相等体积的氧气后焖料处理24h，温度保持30℃；
S5：对焖料处理后的混合料进行取样检测，浸出液COD值为91mg/L；
S6：将S5中满足指标要求的混合料与矿渣、碱渣、脱硫石膏均匀混合后得到固化渣土材料；
S7：实验室测试固化渣土材料的无侧限抗压强度，结果为：3d无侧限抗压强度为4.51MPa，7d无侧限抗压强度为5.51MPa，28d无侧限抗压强度为7.93MPa。强度达到设计值，立刻将固化渣土材料运至施工现场作为沟槽回填料使用。
实施例2：一种高含有机质渣土低碳固化材料，包括以下组分：复合菌泥8份、钢渣粉25份、矿渣粉30份、碱渣粉15份、脱硫石膏20份、再生细骨料30份。
高含有机质渣土低碳固化材料的制备方法，包括以下步骤：
S1：取三份体积为4cm3原状渣土，将2ml的三个菌液分别放入后充分搅拌，静置48h后进行微生物的分离操作，鉴定确认后，挑选活性较高的菌体保存；
S2：将三种驯化菌分别扩大培养，培养过程为：大量制备三种微生物的培养基（枯草芽孢杆菌培养基：1L灭菌后浸出液、5g胰蛋白胨、3g牛肉膏、10g葡萄糖；恶臭假单胞菌培养基：1L灭菌后浸出液、17g胰蛋白胨、3g大豆蛋白胨、5g氯化钠、2.5g磷酸二氢钾、2.5g葡萄糖；巴氏芽孢杆菌培养基：1L灭菌后浸出液、5g胰蛋白胨、3g牛肉膏），并将其置于120℃灭菌30min，再于无菌环境中冷却至室温后分别接入5%体积分数的驯化后枯草芽孢杆菌、恶臭假单胞菌、巴氏芽孢杆菌液，最后在35℃、135r/min条件下振荡培养24h后得到三份菌液。将三份菌液分别加入离心机，保持转速为2500rpm，时间5min得到三种菌泥，依次将三种菌泥按质量比为2：3：1混合后获得复合菌泥；
S3：将钢渣、矿渣、脱硫石膏、矿渣、碱渣破碎研磨除杂后50℃烘干48h得到粉粒；
S4：对废弃混凝土经研磨、碳化处理，并经过筛分选出的两种粒径范围分别为0.075-1.25mm、1.25-4.75mm的细骨料，其中粒径为0.075-1.25mm的细骨料质量百分比为45%；
渣土固化材料应用方法如下：
S1：测试得到有机质渣土的含水率为68%、有机质含量36%，确定渣土固化材料的掺量为35%，待固化的有机质渣土总量约为35吨，所需渣土固化材料的总质量为12.3吨，各组分的质量为复合菌泥0.8吨、钢渣粉2.4吨、矿渣粉2.9吨、碱渣粉1.4吨、脱硫石膏1.9吨、0.075-1.25mm粒径再生细骨料1.3吨、1.25-4.75mm粒径再生细骨料1.6吨；
S2：分别称取所需的复合菌泥、钢渣、矿渣、碱渣、脱硫石膏、再生细骨料；
S3：将待固化的有机质渣土与再生细骨料均匀混合，焖料处理12h，检测混合料的含水率为67%，将其摊铺晾晒1h后含水率为53%；
S4：将S3得到的混合料与复合菌泥、钢渣粉均匀混合，加入与原状渣土相等体积的氧气后焖料处理24h，温度保持30℃；
S5：对焖料处理后的混合料进行取样检测，浸出液COD值为83mg/L；
S6：将S5中满足指标要求的混合料与矿渣、碱渣、脱硫石膏均匀混合后得到固化渣土材料；
S7：实验室测试固化渣土材料的无侧限抗压强度，结果为：3d无侧限抗压强度为5.48MPa，7d无侧限抗压强度为6.79MPa，28d无侧限抗压强度为9.26MPa。强度达到设计值，立刻将固化渣土材料运至施工现场作为沟槽回填料使用。
实施例3：一种高含有机质渣土低碳固化材料，包括以下组分：复合菌泥10份、钢渣粉25份、矿渣粉35份、碱渣粉10份、脱硫石膏20份、再生细骨料30份。
高含有机质渣土低碳固化材料的制备方法，包括以下步骤：
S1：取三份体积为4cm3原状渣土，将2ml的三个菌液分别放入后充分搅拌，静置48h后进行微生物的分离操作，鉴定确认后，挑选活性较高的菌体保存；
S2：将三种驯化菌分别扩大培养，培养过程为：大量制备三种微生物的培养基（枯草芽孢杆菌培养基：1L灭菌后浸出液、5g胰蛋白胨、3g牛肉膏、10g葡萄糖；恶臭假单胞菌培养基：1L灭菌后浸出液、17g胰蛋白胨、3g大豆蛋白胨、5g氯化钠、2.5g磷酸二氢钾、2.5g葡萄糖；巴氏芽孢杆菌培养基：1L灭菌后浸出液、5g胰蛋白胨、3g牛肉膏），并将其置于120℃灭菌30min，再于无菌环境中冷却至室温后分别接入5%体积分数的驯化后枯草芽孢杆菌、恶臭假单胞菌、巴氏芽孢杆菌液，最后在35℃、135r/min条件下振荡培养24h后得到三份菌液。将三份菌液分别加入离心机，保持转速为2500rpm，时间5min得到三种菌泥，依次将三种菌泥按质量比为2：3：1混合后获得复合菌泥；
S3：将钢渣、矿渣、脱硫石膏、矿渣、碱渣破碎研磨除杂后50℃烘干48h得到粉粒；
S4：对废弃混凝土经研磨、碳化处理，并经过筛分选出的两种粒径范围分别为0.075-1.25mm、1.25-4.75mm的细骨料，其中粒径为0.075-1.25mm的细骨料质量百分比为45%；
渣土固化材料应用方法如下：
S1：测试得到有机质渣土的含水率为61%、有机质含量35%，确定渣土固化材料的掺量为25%，待固化的有机质渣土总量约为42吨，所需渣土固化材料的总质量为10.5吨，各组分的质量为复合菌泥0.8吨、钢渣粉2.0吨、矿渣粉2.8吨、碱渣粉0.8吨、脱硫石膏1.6吨、0.075-1.25mm粒径再生细骨料1.1吨、1.25-4.75mm粒径再生细骨料1.3吨；
S2：分别称取所需的复合菌泥、钢渣、矿渣、碱渣、脱硫石膏、再生细骨料；
S3：将待固化的有机质渣土与再生细骨料均匀混合，焖料处理12h，检测混合料的含水率为57%；
S4：将S3得到的混合料与复合菌泥、钢渣粉均匀混合，加入与原状渣土相等体积的氧气后焖料处理24h，温度保持30℃；
S5：对焖料处理后的混合料进行取样检测，浸出液COD值为88mg/L；
S6：将S5中满足指标要求的混合料与矿渣、碱渣、脱硫石膏均匀混合后得到固化渣土材料；
S7：实验室测试固化渣土材料的无侧限抗压强度，结果为：3d无侧限抗压强度为4.78MPa，7d无侧限抗压强度为5.72MPa，28d无侧限抗压强度为8.27MPa。强度达到设计值，立刻将固化渣土材料运至施工现场作为沟槽回填料使用。
对比例1：一种高含有机质渣土低碳固化材料，与实施例3相比，本对比的区别在于渣土固化材料设置为一下组分：水泥28份、砂32份、高钙粉煤灰15份。
以固化材料掺量为25%制备固化体，实验室测试固化渣土材料的无侧限抗压强度，结果为：3d无侧限抗压强度为2.37MPa，7d无侧限抗压强度为2.83MPa，28d无侧限抗压强度为3.74MPa。
对比例2：一种高含有机质渣土低碳固化材料，与实施例3相比，本对比的区别在于未加复合菌泥处理。
以固化材料掺量为25%制备固化体，实验室测试固化渣土材料的无侧限抗压强度，结果为：3d无侧限抗压强度为2.51MPa，7d无侧限抗压强度为2.94MPa，28d无侧限抗压强度为4.75MPa。
对比例3：一种高含有机质渣土低碳固化材料，与实施例3相比，本对比的区别在于把全部固化材料与渣土同时混合。
以固化材料掺量为25%制备固化体，实验室测试固化渣土材料的无侧限抗压强度，结果为：3d无侧限抗压强度为1.78MPa，7d无侧限抗压强度为2.23MPa，28d无侧限抗压强度为3.99MPa。
由检测结果可见，本发明通过复合菌泥分解渣土中的有机质，结合基于紧密堆积理论的再生混凝土细骨料级配协同固化渣土，其3天无侧限抗压强度可达4.5MPa以上，优于传统天然建材为主体成分的固化材料和未加复合菌泥处理以及未分步混合处理的固化效果，且低碳绿色，值得大力推广。
本发明的实施例公布的是较佳的实施例，但并不局限于此，本领域的普通技术人员，极易根据上述实施例，领会本发明的精神，并做出不同的引申和变化，但只要不脱离本发明的精神，都在本发明的保护范围内。
Claims (6)
1.一种高含有机质渣土低碳固化材料，其特征在于，包括以下重量份的组分：复合菌泥5-10份、钢渣20-35份、矿渣35-40份、碱渣10-15份、脱硫石膏16-24份、再生细骨料20-35份，所述复合菌泥为枯草芽孢杆菌泥、恶臭假单胞菌泥、巴氏芽孢杆菌泥按质量比为2：3：1混合制备而成；
复合菌泥的制备方法如下：
S1：取少量高含有机质原状渣土，加入100-300%原状渣土体积的菌液并充分搅拌，静置48-72h后进行微生物的分离和纯化，将不同菌种依次重复以上操作，得到三种驯化菌；
S2：将三种驯化菌分别扩大培养，培养过程为：将高含有机质渣土和水按质量百分比为50%：50%均匀混合，然后在30-40℃、70-180r/min条件下振荡12-24h后过滤出液体，然后制备三份浸出液，并将其置于100-130℃灭菌20-60min得到灭菌后的浸出液，将灭菌后的浸出液代替水制备三种微生物的培养基，并将其置于100-130℃灭菌20-60min，再于无菌环境中冷却至室温后分别接入3-5%体积分数的枯草芽孢杆菌、恶臭假单胞菌、巴氏芽孢杆菌种液，最后在30-40℃、70-180r/min条件下振荡培养20-30h后得到三份菌液，将三份菌液分别加入离心机，保持转速为2000-4000rpm，时间5-10min得到三种菌泥，依次将三种菌泥按照所述质量比均匀混合制备成复合菌泥。
2.根据权利要求1所述的一种高含有机质渣土低碳固化材料，其特征在于，所述钢渣为炼钢工业废渣经研磨除杂后得到的粉粒，粒径范围为5-30μm。
3.根据权利要求1所述的一种高含有机质渣土低碳固化材料，其特征在于，所述矿渣为高炉炼铁产生的水渣经研磨、烘干、除杂后得到的粉粒，粒径范围为1-35μm。
4.根据权利要求1所述的一种高含有机质渣土低碳固化材料，其特征在于，所述碱渣为工业制碱废渣经研磨、烘干、除杂后得到的粉粒，粒径范围为15-35μm。
5.根据权利要求1所述的一种高含有机质渣土低碳固化材料，其特征在于，所述脱硫石膏为工业生产中烟气脱硫产生的副产物经烘干、除杂后得到的粉粒，粒径范围为10-40μm。
6.根据权利要求1所述的一种高含有机质渣土低碳固化材料，其特征在于，所述再生细骨料为建筑垃圾中的废弃混凝土经研磨、碳化处理，并经过筛分选出的两种粒径范围分别为0.075-1.25mm、1.25-4.75mm的细骨料，其中粒径为0.075-1.25mm的细骨料质量百分比为40%-50%。
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| GR01 | Patent grant | ||
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