CN115093151A - 一种基于微生物和纳米材料的再生骨料强化方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及建筑材料技术领域，公开了一种基于微生物和纳米材料的再生骨料强化方法，采用纳米二氧化硅溶胶处理和硝基还原杆菌反硝化诱导碳酸钙沉淀相结合的方法，能制备出性能优异的颗粒状再生骨料，同时本发明不受再生混凝土附着砂浆的水灰比和组成的影响，可以用于各种标号再生混凝土制备再生骨料。采用本发明制备的再生骨料压碎值、表观密度、吸水率和坚固性满足《GB/T25177‑2010混凝土用再生粗骨料》I类要求，能够最大化地利用再生混凝土，节约资源，保护环境。
Description
技术领域
本发明属于建筑材料技术领域，具体涉及一种基于微生物和纳米材料的再生骨料强化方法。
背景技术
近年来，我国道路行业备受关注。道路工程的路基工程需土方量比较大，这就为建筑垃圾的综合利用提供了契机。可以将建筑垃圾作为土方填筑路基，但是建筑垃圾所含成分复杂，尤其是有一定含量的有机物，这就要先把建筑垃圾中的有机物及其它不利成分剔除。另外，破除后的混凝土粗细骨料可以和石灰或水泥结合做成结石，可作为半刚性或刚性基层。既处理了建筑垃圾，又减少了土方的开挖。废旧混凝土再生粗骨料的采用可以减少对天然砂石的开采，实现生活及建筑垃圾的再生利用。
目前，再生骨料的回收利用技术的发展，各种再生骨料强化方法应运而生。
CN110498629B公开了一种ECC材料在再生骨料强化中的应用、再生强化骨料及其制备方法和应用。该强化材料包括有如下成分：水泥113～152；粉煤灰38～52；PE纤维1.4～1.9；减水剂3.5～4.7；水30～41。使用该ECC材料强化的再生骨料，压碎指标提高了37.4％，使用强化后再生骨料制备的混凝土7d抗压强度超过普通再生骨料。
CN108298849A公开了一种使用稀醋酸溶液强化再生骨料的方法。再生骨料经过0.6％～1.8％的稀醋酸浸泡12～168h后，其吸水率、表观密度和压碎值均有一定程度的改善，浸泡液和再生渣也可作为原料用于混凝土制备中。
CN110668727A公开了一种废弃混凝土再生骨料的清洗强化方法。使用超声波洗涤粉碎后的再生混凝土，使用由渗透剂20～40份、硅灰15～20份，纳米材料5～10份和催化组剂1～2份组成的强化材料进行强化。使用该方法能有效提高清洗效率，减少再生骨料吸水率，提高骨料强度，从而改善再生混凝土的工作性能。
但是，现有再生骨料存在以下弊端：1.再生骨料吸水率大、吸水速度快，而且受基体混凝土的影响，吸水率的离散性较大。同时，再生骨料的吸水速率也远远大于天然骨料。2.再生骨料的压碎指标比天然骨料的压碎指标高，一般再生骨料的压碎指标在15％～25％，远远高于天然骨料的压碎指标。3.再生骨料由于其来源很不稳定，质量不均匀，其本身的随机性和变异性较大，将导致再生混凝土的抗压强度的变异性增加。
这些特性对再生混凝土的配合比设计和工作性产生极大的影响。强化再生骨料对于再生混凝土强度的提高具有重要作用，对再生混凝土应用于强度要求稍高的环境具有十分重要的现实意义。
发明内容
为解决现有再生骨料吸水率高、压碎值高和质量差的问题，本发明的目的在于提供一种基于微生物和纳米材料复合作用的再生骨料强化方法。
为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种基于微生物和纳米材料的再生骨料强化方法，包括以下步骤：
1)配制细菌培养液：对培养液进行灭菌、冷却后接入硝基还原杆菌菌种，培育后取出，加入钙盐溶液，得细菌培养液；
2)配制二氧化硅溶胶：将纳米二氧化硅加入弱碱性氢氧化钠溶液中，制成质量浓度为2％～3％的二氧化硅溶胶；
3)将再生骨料置于步骤2)所配制的二氧化硅溶胶中浸泡后干燥；
4)使用蒸馏水稀释细菌培养液，将步骤3)所得再生骨料置于细菌培养液中浸后干燥；
5)将步骤4)所得再生骨料机械振动除去碎渣，得到强化的再生骨料。
进一步地，步骤1)中，菌种接入量为1％(v/v)。
进一步地，步骤1)中，培养液成分包括胰蛋白胨、大豆蛋白胨和氯化钠，胰蛋白胨、大豆蛋白胨和氯化钠含量分别为5～10g/L、5～10g/L和3～5g/L，培养液pH＝9.0。
优选地，步骤1)中，钙盐溶液包括摩尔比为7:3的硝酸钙和甲酸钙，钙盐溶液中钙离子浓度为0.2～0.3mol/L。
优选地，步骤2)中，弱碱性氢氧化钠溶液pH为8～8.5。
优选地，步骤2)中，将纳米二氧化硅加入弱碱性氢氧化钠溶液中后进行搅拌，搅拌速率为300～500r/min，搅拌时长为10～15min。
优选地，步骤(3)所述的二氧化硅溶胶与再生骨料质量之比为1:1，再生骨料粒径为10～40mm。
优选的，步骤3)中，再生骨料在二氧化硅溶胶中浸泡时间为12～24h；步骤4)中，再生骨料在细菌培养液中浸泡时间为5～7d。
优选地，步骤4)中，使用蒸馏水将细菌培养液稀释至107～108cells/mL，稀释后的细菌培养液与再生骨料质量比为(1～2):1。
优选地，步骤5)中，所述的机械振动频率为25Hz，振动时长不少于30min。
发明人在研究中发现，再生骨料表面附着一层砂浆，砂浆中存在水化产物Ca(OH)2、C-S-H、C-A-H具有潜在的活性。
纳米SiO2粒径小、高活性，可以渗透到骨料的微裂缝内部并与Ca(OH)2发生反应生成C-S-H凝胶，起到降低孔隙率、提高强度的作用。同时，SiO2颗粒可促进碳酸钙异质形核，加速后续微生物诱导碳酸钙沉淀。
硝基还原杆菌在缺氧条件下，使用硝酸钙和甲酸钙作为钙源和营养源，通过反硝化反应，在再生骨料的界面过渡区出产生碳酸钙沉淀，对界面过渡区起到填充作用。
同时使用硝化还原杆菌和纳米二氧化硅，通过生物和纳米介导的方式在旧砂浆和骨料本身的粘结界面处发生方解石和C-S-H凝胶沉淀，可以提高界面过渡区的显微硬度，使旧砂浆致密化，显著改善再生骨料的机械性能和吸水性能。
本发明提供了一种基于微生物和纳米材料的再生骨料强化方法，具备以下有益效果：
(1)本发明的一种基于微生物和纳米材料的再生骨料强化方法可以改善再生骨料表面粗糙、孔隙率高、吸水率高、压碎指标高的缺点，提高其物理性能，保证其拥有较好的机械性，提高制备而成再生混凝土的力学性能。
(2)本发明将纳米二氧化硅溶胶处理与硝基还原杆菌诱导碳酸钙沉淀相结合，首先采用二氧化硅溶胶浸泡，一方面生成C-H-S凝胶，另一方面纳米二氧化硅颗粒可促进碳酸钙异质形核，加速后续微生物诱导碳酸钙沉淀。二者复合作用起到强化再生骨料的作用。
(3)本发明采用将再生骨料浸入含钙培养液而非细菌浸泡后再放入钙盐溶液的方式，更有利于细菌生长代谢，充分发挥细菌活性，进而起到更好的诱导沉淀及强化效果。
(4)本发明具有操作简单、效果明显、应用范围广等优点，可用于建筑垃圾再生骨料生产工艺中。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
实施例1
一种基于微生物和纳米材料的再生骨料强化方法，包括以下步骤：
(1)以胰蛋白胨5g/L、大豆蛋白胨5g/L、氯化钠5g/L为准制备细菌培养基，调整培养基pH＝9.0，高温高压灭菌、冷却后接种1％(v/v)的硝基还原杆菌(Diaphorobacternitroreducens)液体种子，并将其置于30℃、160r/min的恒温振荡摇床中培育24h后取出，加入钙离子浓度为0.3mol/L的硝酸钙、甲酸钙混合钙溶液，硝酸钙和甲酸钙摩尔比为7:3，得细菌培养液。
(2)将纳米二氧化硅加入pH＝8.2的弱碱性氢氧化钠溶液中，以300r/min的频率搅拌10min，制成浓度为2％的纳米二氧化硅溶胶。
(3)将再生骨料以质量比1:1置于纳米二氧化硅溶胶中浸泡12h后捞出后自然风干。
(4)使用蒸馏水稀释细菌培养液至细菌浓度为107～108cells/mL，以质量比1:2将再生骨料置于细菌培养液中浸泡强化5d。
(5)将步骤(4)所得再生骨料捞出自然风干后机械振动30min除去碎渣，得到强化的再生骨料。
本实施例所述再生骨料为再生混凝土经破碎分级后成的再生粗骨料，粒径范围10～30mm。
实施例2
一种基于微生物和纳米材料的再生骨料强化方法，包括以下步骤：
(1)以胰蛋白胨5g/L、大豆蛋白胨7g/L、氯化钠3g/L为准制备细菌培养基，调整培养基pH＝9.0，高温高压灭菌、冷却后接种1％(v/v)的硝基还原杆菌液体种子，并将其置于30℃、160r/min的恒温振荡摇床中培育24h后取出，加入钙离子浓度为0.2mol/L的硝酸钙、甲酸钙混合钙溶液，硝酸钙和甲酸钙摩尔比为7:3，得细菌培养液。
(2)将纳米二氧化硅加入pH＝8.2的弱碱性氢氧化钠溶液中，以400r/min的频率搅拌10min，制成浓度为2％的纳米二氧化硅溶胶。
(3)将再生骨料以质量比1:1置于纳米二氧化硅溶胶中浸泡18h后捞出后自然风干。
(4)使用蒸馏水稀释细菌培养液至细菌浓度为107～108cells/mL，以质量比1:1将再生骨料置于细菌培养液中浸泡强化6d。
(5)将步骤(4)所得再生骨料捞出自然风干后机械振动1h除去碎渣后，得到强化的再生骨料。
本实施例所述再生骨料为再生混凝土经破碎分级后成的再生粗骨料，粒径范围10～25mm。
实施例3
一种基于微生物和纳米材料的再生骨料强化方法，包括以下步骤：
(1)以胰蛋白胨10g/L、大豆蛋白胨10g/L、氯化钠3g/L为准制备细菌培养基，调整培养基pH＝9.0，高温高压灭菌、冷却后接种1％(v/v)的硝基还原杆菌液体种子，并将其置于30℃、160r/min的恒温振荡摇床中培育24h后取出，加入钙离子浓度为0.3mol/L的硝酸钙、甲酸钙混合钙溶液，硝酸钙和甲酸钙摩尔比为7:3，得细菌培养液。
(2)将纳米二氧化硅加入pH 8.2的弱碱性氢氧化钠溶液中，以500r/min的频率搅拌15min，制成浓度为3％的纳米二氧化硅溶胶。
(3)将再生骨料以质量比1:1置于纳米二氧化硅溶胶中浸泡24h后捞出后自然风干。
(4)使用蒸馏水稀释细菌培养液至细菌浓度为107～108cells/mL，以质量比1:1将再生骨料置于细菌培养液中浸泡强化7d。
(5)将步骤(4)所得再生骨料捞出自然风干后机械振动45min除去碎渣后，得到强化的再生骨料。
本实施例所述再生骨料为再生混凝土经破碎分级后成的再生粗骨料，粒径范围10～40mm。
对比例1～3分别采用与实施例1～3相同来源的再生混凝土，使用颚式破碎机破碎成相同粒径的再生碎石。
为了说明本发明再生骨料的性能，发明人进行了如下性能测试：
将本发明实施例1～3制备的再生骨料，和对比例1～3制备的再生骨料，按照《GB/T14685-2011建设用卵石、碎石》分别测定再生骨料的压碎值、表观密度、吸水率和坚固性，检测结果见表1。
表1压碎值、表观密度、吸水率和坚固性检测结果
由表1可以看出与现有技术相比，本发明技术方案可以充分微生物与纳米材料的优点，短时间内对再生骨料进行强化，并取得优异的效果。制备的再生骨料压碎值、表观密度、吸水率和坚固性满足《GB/T25177-2010混凝土用再生粗骨料》I类要求，能够最大化地利用再生混凝土，节约资源，保护环境。
当然，上面只是对本发明优选的具体实施方式作以详细描述，并非以此限制本发明的实施范围，凡依本发明的原理、方法所做的等效变化，均应涵盖于本发明的保护范围内。
Claims (10)
1.一种基于微生物和纳米材料的再生骨料强化方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)配制细菌培养液：对培养液进行灭菌、冷却后接入硝基还原杆菌菌种，培育后取出，加入钙盐溶液，得细菌培养液；
2)配制二氧化硅溶胶：将纳米二氧化硅加入弱碱性氢氧化钠溶液中，制成质量浓度为2％～3％的二氧化硅溶胶；
3)将再生骨料置于步骤2)所配制的二氧化硅溶胶中浸泡后干燥；
4)使用蒸馏水稀释细菌培养液，将步骤3)所得再生骨料置于细菌培养液中浸后干燥；
5)将步骤4)所得再生骨料机械振动除去碎渣，得到强化的再生骨料。
2.根据权利要求1所述基于微生物和纳米材料的再生骨料强化方法，其特征在于，步骤1)中，菌种接入量为1％(v/v)。
3.根据权利要求1所述基于微生物和纳米材料的再生骨料强化方法，其特征在于，步骤1)中，培养液成分包括胰蛋白胨、大豆蛋白胨和氯化钠，胰蛋白胨、大豆蛋白胨和氯化钠含量分别为5～10g/L、5～10g/L和3～5g/L，培养液pH＝9.0。
4.根据权利要求1所述基于微生物和纳米材料的再生骨料强化方法，其特征在于，步骤1)中，钙盐溶液包括摩尔比为7:3的硝酸钙和甲酸钙，钙盐溶液中钙离子浓度为0.2～0.3mol/L。
5.根据权利要求1所述基于微生物和纳米材料的再生骨料强化方法，其特征在于，步骤2)中，弱碱性氢氧化钠溶液pH为8～8.5。
6.根据权利要求1所述基于微生物和纳米材料的再生骨料强化方法，其特征在于，步骤2)中，将纳米二氧化硅加入弱碱性氢氧化钠溶液中后进行搅拌，搅拌速率为300～500r/min，搅拌时长为10～15min。
7.根据权利要求1所述基于微生物和纳米材料的再生骨料强化方法，其特征在于，步骤3)所述的二氧化硅溶胶与再生骨料质量之比为1:1，再生骨料粒径为10～40mm。
8.根据权利要求1所述基于微生物和纳米材料的再生骨料强化方法，其特征在于，步骤3)中，再生骨料在二氧化硅溶胶中浸泡时间为12～24h；步骤4)中，再生骨料在细菌培养液中浸泡时间为5～7d。
9.根据权利要求1所述基于微生物和纳米材料的再生骨料强化方法，其特征在于，步骤4)中，使用蒸馏水将细菌培养液稀释至107～108cells/mL，稀释后的细菌培养液与再生骨料质量比为(1～2):1。
10.根据权利要求1所述基于微生物和纳米材料的再生骨料强化方法，其特征在于，步骤5)中，所述的机械振动频率为25Hz，振动时长不少于30min。
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| CN110105018A (zh) * | 2019-05-22 | 2019-08-09 | 郑州大学 | 一种改性粗骨料、及利用该改性粗骨料制得的纤维纳米再生混凝土及其制备方法 |
| CN112851170A (zh) * | 2021-01-27 | 2021-05-28 | 西交利物浦大学 | 一种利用微生物反硝化现象强化再生骨料混凝土的方法及再生骨料混凝土 |
| CN113121145A (zh) * | 2021-04-15 | 2021-07-16 | 同济大学 | 基于微生物协同矿化的混凝土裂缝自修复材料及应用 |
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2022
- 2022-06-24 CN CN202210724371.9A patent/CN115093151A/zh active Pending
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