CN112479636A - 一种净水型固废透水混凝土 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种净水型固废透水混凝土。所述透水混凝土的胶凝材料是地质聚合物，其由主要含硅铝质的固体废弃材料、高碱性赤泥及少量的碱激发剂混合后制备。本发明的透水混凝土克服传统透水混凝土生产能耗高、环境污染大的缺点，具有大量消纳固体废弃物、减少对自然资源开采、降低成本等优点，且同时具有净化水和有效保护地下水资源的功能。
Description
技术领域
本发明总体属于建筑材料制造技术领域，具体地，涉及由固体废弃物材料制造的一种净水型固废透水混凝土以及该净水型固废透水透水混凝土在制造建筑材料以及环保净水材料中的用途。
背景技术
透水混凝土是主要由粗骨料、胶凝材料、水和外加剂等材料经特定搅拌方式成型的一种多孔混凝土。它不含细骨料，主要由胶凝材料包裹粗骨料后并且相互粘结形成，因此其内部具有一定连通的空隙，是能够透气透水的多孔结构。透水混凝土作为“海绵城市”路面铺装的主要材料，具有减轻城市排水系统压力、缓解城市热岛效应、适当补充地下水、吸声降噪和净化表面径流等作用，能够为人类构造舒适的生活环境，又能与自然环境协调共生，这对实现“海绵城市”的理念十分关键。
近些年，随着我国工业化进程不断加快，产生许多如高炉矿渣、粉煤灰、赤泥和钢渣等固体废弃物，由于对其缺乏合理且有效的处置，最终导致固体废物堆积成山。一方面，这不仅侵占了良田，严重损害了人们赖以生存的环境，而且引起地下水和土壤污染等一系列环境问题。另一方面，大批新建、改建、扩建工程的进行又急需大量砂、石、土地等自然资源，而这些资源的过度消耗必然成为制约社会、经济可持续发展和建筑行业发展的一大瓶颈。因此，如何将大量固体废弃物作为一种资源进行循环再利用，对于节约资源和保护环境都是一个至关重要的问题。
目前对于透水混凝土所用材料，其胶凝材料主要为普通硅酸盐水泥，这种传统水泥工业一直存在高物耗、高能耗及高污染的问题。而地质聚合物作为一种新型绿色胶凝材料，它能合理地利用工业废弃物，大量减少温室气体排放，且制成的产品具有早期强度形成快、抗压强度高、耐高温、耐化学腐蚀、优良的抗渗性、收缩率低等优点，能够满足透水混凝土在建筑工程中所需的性能并实现明显的社会经济效益。同时，透水混凝土的粗骨料大多来自于天然砂石厂的开采，这极大的消耗了自然资源和人力物力，同时破坏了地表结构和周边环境。
另外，由于雨水中含有一定量的重金属离子、N、P等污染物质，如果不加处理直接进入地下水系，势必会严重影响地下水质量。因此，有必要开发一种同时具有净水功能的透水混凝土。
因此，合理地将各种固体废弃物资源化利用于透水混凝土，是一项利于环境、社会的高性价比方案，能够为国家可持续发展提供保障和支持，且净水型固废透水混凝土会具有良好的应用前景。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：提供一种净水型固废透水混凝土，其有效地消纳多种固体废弃物并使其资源化或提高其附加值，同时具体净化水的功能。
本发明通过以下技术方案实现：
在一个方面，本发明提供了一种净水型固废透水混凝土，其包括胶凝材料、粗骨料和适量的水。
进一步地，胶凝材料是地质聚合物，其由主要含硅铝质的固体废弃材料、高碱性赤泥和少量的碱激发剂混合后制备。
进一步地，粗骨料包括钢渣。
进一步地，固体废弃材料包括粉煤灰、高炉矿渣、或其两者的组合。
进一步地，固体废弃材料的用量为280-500kg/m3、优选地300-400kg/m3、更优选地340-380kg/m3。
进一步地，高碱性赤泥包括赤泥浸出液和/或其废渣。
进一步地，高碱性赤泥的用量为50-150kg/m3、优选地60-130kg/m3、优选地80-100kg/m3。该用量确保在赤泥提供部分硅铝质原料的基础上增加地质聚合物的强度，同时通过合理利用赤泥的高碱性来为地质聚合物的碱激发形成有利的环境，进而减少碱的用量。
进一步地，碱激发剂包括氢氧化钠与硅酸钠的混合溶液、氢氧化钠与硅酸钾的混合溶液、氢氧化钾与硅酸钠的混合溶液、氢氧化钾与硅酸钾的混合溶液或其任意组合。
进一步地，碱激发剂的模数M(SiO2/Na2O)在0.5-2之间、优选地碱激发剂的模数M(SiO2/Na2O)在0.5-1.5之间、更优选地碱激发剂的模数M(SiO2/Na2O)在0.5-1.0之间。
进一步地，碱激发剂的用量为20-100kg/m3、优选地碱激发剂的用量为40-80kg/m3、更优选地碱激发剂的用量为50-70kg/m3。
进一步地，在透水混凝土中，水以0.15-0.45的水灰比与碱激发剂混溶、优选地水以0.2-0.35的水灰比与碱激发剂混溶、更优选地水以0.25-0.30的水灰比与碱激发剂混溶。
进一步地，为了降低钢渣使用成本，并且为了增加透水混凝土多孔结构对钢渣的膨胀带来的不良安定性的容纳能力，所述钢渣作为粗骨料在使用前经过适当陈化、预湿、碳化、蒸压等简单预处理过程以增加钢渣使用的稳定性。
进一步地，钢渣是单粒级的，其尺寸为2.36-13.2mm、优选地3.50-10.5mm、更优选地4.75-9.5mm。
进一步地，钢渣的用量为1200-2000kg/m3、优选地1400-1800kg/m3、更优选地1500-1700kg/m3。
在另一方面，本发明提供了本发明的净水型固废透水混凝土在制造建筑材料以及环保净水材料中的用途。
与现有技术相比，本发明的透水混凝土具有以下的优势和特点：
本发明的净水型固废透水混凝土在达到工程应用所需性能的基础上，实现固体废弃物资源化利用，大量消纳各种固体废弃物，减少对自然资源的开采和环境污染，实现了人与自然的和谐发展。
本发明的净水型固废透水混凝土使用地质聚合物作为胶凝材料，合理利用高碱性赤泥，把钢渣作为粗骨料，充分发挥各原料自身的性质和协同效应，同时降低了使用难度，有效地提高了各个固体废弃物的附加值，具有显著的经济效益和社会效益。
另外，由于赤泥对重金属离子等污染物质具有很强的吸附特性，本发明的净水型固废透水混凝土具有显著的水净化特性，尤其显著地降低了雨水中的Pb2+、NH4+和HPO4 2-浓度，从而实现水资源、尤其是地下水资源的有效保护。
具体实施方式
以下参照具体实施方式来进一步描述本发明，以使得本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。但应理解，如下列举的具体实施例仅用于示范的目，其不意欲限制本发明的保护范围，本发明实际保护的技术方案以权利要求书记载的范围为准。
实施例1
选用武汉钢华水泥厂S95级矿粉，用量为300kg/m3；选用山西阳泉尖峰铝业赤泥堆场的高碱性赤泥，用量为60kg/m3；碱激发剂选用氢氧化钠与硅酸钠的混合溶液，碱激发剂的模数M(SiO2/Na2O)为1，碱激发剂的用量为70kg/m3，所用的水量确保以0.23的水灰比和碱激发剂混溶；从陈化和预湿过的钢渣中选取单粒级的且尺寸为4.75-9.5mm的钢渣作为粗骨料，用量为1600kg/m3。根据常规透水混凝土的制备方法，采用混凝土搅拌机将上述材料进行搅拌60秒后，分三层装模，并采用上压下振的方式进行成型，试模尺寸为100*100*100mm，成型后常温下养护28天得到制品，测得其透水系数为6.8mm/s，抗压强度为18.9MPa。每立方米固体废弃物消纳量为1960kg。此外，采用0.1mg/L的Pb2+溶液模拟污染雨水，在雨水透过上述透水混凝土试块后，溶液中Pb2+浓度下降了70％。可见，其具有很强的Pb2+去除作用。
实施例2
选用武汉阳逻电厂Ⅱ级粉煤灰，用量为340kg/m3；选用山西阳泉尖峰铝业赤泥堆场的高碱性的赤泥，用量为70kg/m3；碱激发剂选用氢氧化钠与硅酸钠混合溶液，碱激发剂的模数M(SiO2/Na2O)为0.8，碱激发剂的用量为75kg/m3，水量确保以0.21的水灰比和碱激发剂混溶；从陈化和预湿过的钢渣中选取单粒级的且尺寸为4.75-9.5mm的钢渣作为粗骨料，用量为1650kg/m3。根据常规透水混凝土的制备方法，采用混凝土搅拌机将上述材料进行搅拌60秒后，分三层装模，并采用上压下振的方式进行成型，试模尺寸为100*100*100mm，成型后常温下养护28天得到制品，测得其透水系数为5.3mm/s，抗压强度为20.6MPa。每立方米固体废弃物的消纳量为2060kg。此外，采用0.1mg/L的NH4+溶液模拟污染雨水，在雨水透过上述透水混凝土试块后，溶液中NH4+浓度下降了65％。可见，其具有很强的NH4+去除作用。
实施例3
选用大唐山东发电有限公司S95级矿粉，用量为320kg/m3；选用江西宏成铝业有限公司高碱性的赤泥，用量为80kg/m3；碱激发剂选用氢氧化钠与硅酸钠混合溶液，碱激发剂的模数M(SiO2/Na2O)为1，碱激发剂的用量为80kg/m3，水量确保以0.23的水灰比和碱激发剂混溶；从陈化和预湿过的钢渣中选取单粒级的且尺寸为9.5-13.2mm的钢渣作为粗骨料，用量为1600kg/m3。根据常规透水混凝土的制备方法，采用混凝土搅拌机将上述材料进行搅拌60秒后，分三层装模，并采用上压下振的方式进行成型，试模尺寸为100*100*100mm，成型后常温下养护28天得到制品，测得其透水系数为7.7mm/s，抗压强度为21.4MPa。每立方米固体废弃物的消纳量为2000kg。此外，采用0.1mg/L的HPO4 2-溶液模拟污染雨水，在雨水透过上述透水混凝土试块后，溶液中HPO4 2-浓度下降了87％。可见，其具有很强的HPO4 2-去除作用。
将以上3个实施例的结果汇总于如下表1中：
表1本发明制造的透水混凝土的性能汇总
从实施例1-3可以看出，本发明的透水混凝土既满足了现代工程应用所需的强度和透水性能，又消纳了大量的固废材料。并且，模拟雨水实验结果显示，本发明的透水混凝土能够显著地降低水中的Pb2+、NH4+和HPO4 2-浓度，例如约65-87％，从而避免了过多的Pb2+、NH4+和HPO4 2-随着雨水下渗到地下水中，从而避免了地下水中N、P以及Pb累积造成的地下水污染。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例，但在不偏离本发明要求保护的技术方案的精神和实质的范围下，对本发明的各种技术特征的修改、变型、替换以及组合对本领域技术人员来说将是显而易见的，其亦涵盖在本发明要求保护的范围之内。应理解，本发明将不会被限制于本文所示的这些具体实施例，凡是符合与本文所公开的原理和特征相一致的最宽范围内，皆应由权利要求书所确定的内容所保护。
Claims (14)
1.一种净水型固废透水混凝土，其包括胶凝材料、粗骨料和适量的水，其特征在于：所述透水混凝土的胶凝材料是地质聚合物，所述地质聚合物由主要含硅铝质的固体废弃材料、高碱性赤泥和少量的碱激发剂混合后制备。
2.根据权利要求1所述的透水混凝土，其特征在于：所述粗骨料包括钢渣。
3.根据权利要求1所述的透水混凝土，其特征在于：所述主要含硅铝质的固体废弃材料包括粉煤灰、高炉矿渣、或其两者的组合。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的透水混凝土，其特征在于：所述固体废弃材料的用量为280-500kg/m3。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的透水混凝土，其特征在于：所述高碱性赤泥包括赤泥浸出液和/或其废渣。
6.根据权利要求1-5中任一项所述的透水混凝土，其特征在于：所述高碱性赤泥的用量为50-150kg/m3。
7.根据权利要求1-6中任一项所述的透水混凝土，其特征在于：所述碱激发剂包括氢氧化钠与硅酸钠的混合溶液、氢氧化钠与硅酸钾的混合溶液、氢氧化钾与硅酸钠的混合溶液、氢氧化钾与硅酸钾的混合溶液或其任意组合。
8.根据权利要求1-7中任一项所述的透水混凝土，其特征在于：所述碱激发剂中的模数M(SiO2/Na2O)在0.5-2之间。
9.根据权利要求1-8中任一项所述的透水混凝土，其特征在于：所述碱激发剂的用量为20-100kg/m3。
10.根据权利要求1-9中任一项所述的透水混凝土，其特征在于：在所述透水混凝土中，所述水以0.15-0.45的水灰比和所述碱激发剂混溶。
11.根据权利要求2-10中任一项所述的透水混凝土，其特征在于：所述钢渣作为粗骨料在使用前经过陈化、预湿、碳化、蒸压简单预处理过程以增加钢渣使用的稳定性。
12.根据权利要求2-11中任一项所述的透水混凝土，其特征在于：所述钢渣是单粒级的，其尺寸在2.36-13.2mm的范围内。
13.根据权利要求2-12中任一项所述的透水混凝土，其特征在于：所述钢渣的用量为1200-2000kg/m3。
14.根据权利要求1-13中任一项所述的透水混凝土在制造建筑材料以及环保净水材料中的用途。
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