一种碳固存生物泡沫混凝土及其制备方法与流程

1.本发明涉及混凝土技术领域，具体为一种碳固存生物泡沫混凝土及其制备方法。


背景技术：

2.混凝土是目前用量最大的建筑材料之一，混凝土搅拌站、混凝土制品和构件及混凝土现场施工等方式每年产生超过30亿立方米的混凝土用于基本设施建设和国家重点工程，然而，传统的硅酸盐水泥混凝土的生产存在资源消耗巨大、高污染、破坏地球生态平衡问题，尤其是生产过程中co2排放量通常占到人类活动碳排放量的5-10%，水泥工业是我国碳排放量的主要来源，占到15%左右，每生产1吨水泥需排放co2约511kg，大量的二氧化碳的排放不仅破坏了人类的生存环境，还极大地损害人类的健康，此外，我国每年因拆除建筑产生的固体废弃物达数亿吨，仅废弃混凝土大约有1亿吨左右，其巨大的处理费用和由此引发的环境问题十分突出。
3.低碳混凝土是一种低毒少害、节约资源、减少排放的绿色环保混凝土，发展低碳混凝土是材料科学与技术可持续发展的必然，也是顺应国家政策的导向。
4.专利1提出一种采用废弃陶瓷粉、矿渣粉、粉煤灰、硅灰和纳米粘土部分取代水泥制备高性能低碳混凝土的方法（公开（公告）号：cn108439833a），然而该方法减少碳排放能力有限，并且胶凝材料掺量过大，容易造成资源浪费，专利2提出一种采用矿渣粉、粉煤灰、纳米粘土、偏高岭土、硅粉、聚丙烯纤维和铁矿粉代替水泥制备低离析、低碳混凝土的方法（公开（公告）号：cn113336488a），然而粉煤灰烧失量高，含碳量大，矿渣粉质量难以控制，该方法减少碳排放措施并不稳定，并且容易造成资源浪费。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种碳固存生物泡沫混凝土及其制备方法，以解决上述背景技术中提出的问题。
6.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种碳固存生物泡沫混凝土，混凝土由水泥、河砂、水、发泡剂和特基拉芽孢杆菌组成，其重量份数的组分为：水泥500-850份，河砂700-1200份，水220-500份，发泡剂25-50份，特基拉芽孢杆菌20-45份。
7.优选的，所述水泥采用标号为525级普通硅酸盐水泥，其质量符合国家标准《通用硅酸盐水泥》gb175-2017，河砂的粒径小于1mm（将砂子在60℃烘箱中充分干燥24h，使砂子中自然可利用的微生物复活）。
8.优选的，所述水采用自来水，其质量符合生活用水标准，发泡剂采用复合发泡剂，其主要成分为微生物蛋白，复配天然植物起泡剂，外观呈暗褐色粘性液体，密度为1.05-1.20g/cm3，发泡倍数为40-70倍（为了避免对特基拉芽孢杆菌的生长产生不良影响，在菌种筛选过程中使用发泡剂，将发泡剂添加到细菌生长培养基中，使细菌细胞能够耐受发泡剂组分生长的影响，将发泡剂按规定的比例用水稀释后，再加入到含有特基拉芽孢杆菌的泡沫混凝土中）。
9.优选的，所述特基拉芽孢杆菌的浓度为（3-4）
×
105cell/ml，特基拉芽孢杆菌菌株获取方式为：特基拉芽孢杆菌菌株从市场上购买得到（在水泥原料燃烧过程中和燃烧后，从水泥加工场地表面进行水泥窑灰的收集），选用0.5g/l的k2po4和kh2po4溶液作为缓冲液，1g/l的mgso4和1g/l的酵母抽提物溶液作为微量元素，以及水泥窑灰作为培养基碳元素提供来源，确保菌株良好的营养来源，培养基在（25
±
2）℃环境下连续振动24h，持续20d，使菌株环境复苏并确保菌株能在无机环境中适应较长的时间（菌株分离过程不对培养基进行灭菌处理，以得到最普通的细菌分离物，这些细菌在水泥窑尘中具有较强的生长能力），采用平板分离法，在含有窑灰培养基的选择性培养基上，从样品中回收细菌分离株，筛选出能够产生碳酸酐酶（ca）和脲酶，可以在较高浓度co2环境下存活，并在泡沫混凝土模拟培养基中生长的生长能力最强的细菌菌株，取一毫升的培养基涂布在含有琼脂的同一培养基上，作为凝固的基质，平板在30℃条件下孵育48-96h，菌株分离物在新的水泥窑尘培养基上采用划线技术进行纯化，将筛选的特基拉芽孢杆菌菌株加工成粉末形状，通过真空冷冻干燥器进行干燥提纯，加入到泡沫混凝土中。
10.一种碳固存生物泡沫混凝土的制备方法，其制备方法包括以下步骤：（1）选取符合要求的原材料并按配合比用量要求准确称取对应的原材料；（2）将水泥、河砂按规定的质量比进行混合，加入搅拌机拌合均匀；（3）将水置于恒温器中，使其温度稳定在规定的范围，然后将特基拉芽孢杆菌加入水中搅拌，放入恒温器中静置10min；（4）将水、特基拉芽孢杆菌混合液加入搅拌机中进行搅拌，以150r/min的转速进行搅拌制备成浆体；（5）边搅拌边加入发泡剂，拌合均匀，浇筑成模维护，试件尺寸为100mm
×
100mm
×
400mm。
11.优选的，所述步骤（5）中得到的试件24h后脱模置于50℃烘箱中烘干72h，然后在不同的养护条件下，在室内养护28天。
12.与现有技术相比，本发明的有益效果如下：本发明利用特基拉芽孢杆菌作为自然碳化加速因子，利用其产生碳酸酐酶和脲酶，加速co2的吸收，产生caco3沉淀，从而达到碳固存的目的。
附图说明
13.图1为本发明碳化深度测试图。
具体实施方式
14.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，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。
15.请参阅图1，一种碳固存生物泡沫混凝土，混凝土由水泥、河砂、水、发泡剂和特基拉芽孢杆菌组成，其重量份数的组分为：水泥500-850份，河砂700-1200份，水220-500份，发泡剂25-50份，特基拉芽孢杆菌20-45份。
16.水泥采用标号为525级普通硅酸盐水泥，其质量符合国家标准《通用硅酸盐水泥》gb175-2017，河砂的粒径小于1mm（将砂子在60℃烘箱中充分干燥24h，使砂子中自然可利用的微生物复活）。
17.水采用自来水，其质量符合生活用水标准，发泡剂采用复合发泡剂，其主要成分为微生物蛋白，复配天然植物起泡剂，外观呈暗褐色粘性液体，密度为1.05-1.20g/cm3，发泡倍数为40-70倍（为了避免对特基拉芽孢杆菌的生长产生不良影响，在菌种筛选过程中使用发泡剂，将发泡剂添加到细菌生长培养基中，使细菌细胞能够耐受发泡剂组分生长的影响，将发泡剂按规定的比例用水稀释后，再加入到含有特基拉芽孢杆菌的泡沫混凝土中）。
18.特基拉芽孢杆菌的浓度为（3-4）
×
105cell/ml，特基拉芽孢杆菌菌株获取方式为：特基拉芽孢杆菌菌株从市场上购买得到（在水泥原料燃烧过程中和燃烧后，从水泥加工场地表面进行水泥窑灰的收集），选用0.5g/l的k2po4和kh2po4溶液作为缓冲液，1g/l的mgso4和1g/l的酵母抽提物溶液作为微量元素，以及水泥窑灰作为培养基碳元素提供来源，确保菌株良好的营养来源，培养基在（25
±
2）℃环境下连续振动24h，持续20d，使菌株环境复苏并确保菌株能在无机环境中适应较长的时间（菌株分离过程不对培养基进行灭菌处理，以得到最普通的细菌分离物，这些细菌在水泥窑尘中具有较强的生长能力），采用平板分离法，在含有窑灰培养基的选择性培养基上，从样品中回收细菌分离株，筛选出能够产生碳酸酐酶（ca）和脲酶，可以在较高浓度co2环境下存活，并在泡沫混凝土模拟培养基中生长的生长能力最强的细菌菌株，取一毫升的培养基涂布在含有琼脂的同一培养基上，作为凝固的基质，平板在30℃条件下孵育48-96h，菌株分离物在新的水泥窑尘培养基上采用划线技术进行纯化，将筛选的特基拉芽孢杆菌菌株加工成粉末形状，通过真空冷冻干燥器进行干燥提纯，加入到泡沫混凝土中。
19.生物混凝土碳固存原理：细菌酶反应（ca和脲酶）作用促进caco3生成进入混凝土孔隙，加速了生物混凝土碳化过程极端ph和厌氧条件，细菌酶的反应有助于caco3沉淀到混凝土孔隙中。
20.细菌酶反应过程：脲酶催化尿素（co（nh2）2）水解co（nh2）2 h2o
→
nh2cooh nh3nh2cooh发生水合反应，生成h2co3和nh3nh2cooh h2o
→
nh3 h2co3在混凝土拌合物中水的作用下，h2co3水化生成碳酸氢根hco
3-，同时向混凝土拌合物释放1个h

h2co3→
hco
3- h

nh3与h2o反应生成nh
4
和oh-2nh3 2h2o
↔
2nh
4
2oh-细菌细胞壁吸附高度集聚在水泥上的钙离子细菌，利用混凝土拌合物中hco
3-、h

、nh
4
、oh-生成co
32-，吸附在细菌细胞壁上的ca

离子与co
32-反应生成caco3，caco3以分层的形式沉淀在细菌细胞表面。
21.hco
3- h

2nh
4
2ca
2
cell
→
cell-ca
2
cell-ca
2
co
32-→
cell-caco3↓
因此，利用产生ca和脲酶的细菌可以加速空气中二氧化碳的吸收成为生物混凝土。
22.然而，碳化过程降低了混凝土中的碱含量，进而破坏了钢筋钝化膜，使钢筋暴露于腐蚀环境中，因此，本发明选取泡沫混凝土（无配筋）进行低碳生物混凝土的制备，泡沫混凝土是一种非结构性混凝土，与普通混凝土相比具有较高的孔隙率，有助于在孔隙中分离出大量的co2分子并生成caco3沉淀。
23.碳化深度测试：参考规范《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》（gb50082-2009），成型试件尺寸为100mm
×
100mm
×
400mm棱柱体，采用标准养护至28d龄期，从断面处3个方向测量碳化深度，见图1，用3个侧面的平均值作为试样的碳化深度（红色区域代表未发生碳化的部分，酚酞试剂变红）。试件用压力机进行劈裂，刷去断面上残存的粉末，喷上1%浓度的酚酞酒精溶液，约30s后，用钢直尺测量碳化深度值[碳化深度值（mm）=（d1 d2 d3）/3]。
[0024]
实施例一：水泥553.2份，河砂746.8份，水276.6份，发泡剂26.4份，特基拉芽孢杆菌22份，浓度为3.0
×
105cell/ml。
[0025]
制备方法：（1）选取符合要求的原材料并按配合比用量要求准确称取对应的原材料；（2）将水泥、河砂按规定的质量比进行混合，加入搅拌机拌合均匀；（3）将水置于恒温器中，使其温度稳定在规定的范围，然后将特基拉芽孢杆菌加入水中搅拌，放入恒温器中静置10min；（4）将水、特基拉芽孢杆菌混合液加入搅拌机中进行搅拌，以150r/min的转速进行搅拌制备成浆体；（5）边搅拌边加入发泡剂，拌合均匀，浇筑成模维护，试件尺寸为100mm
×
100mm
×
400mm。
[0026]
试件24h后脱模置于50℃烘箱中烘干72h，然后在不同的养护条件下，在室内养护28天。
[0027]
实施例一实施结果：测出d1，d2，d3分别为2.3mm，1.8mm，3.5mm，平均值2.5mm。
[0028]
实施例二：水泥658.5份，河砂891.5份，水328.5份，发泡剂27.4份，特基拉芽孢杆菌30份，浓度为3.5
×
105cell/ml。
[0029]
制备方法：（1）选取符合要求的原材料并按配合比用量要求准确称取对应的原材料；（2）将水泥、河砂按规定的质量比进行混合，加入搅拌机拌合均匀；（3）将水置于恒温器中，使其温度稳定在规定的范围，然后将特基拉芽孢杆菌加入水中搅拌，放入恒温器中静置10min；（4）将水、特基拉芽孢杆菌混合液加入搅拌机中进行搅拌，以150r/min的转速进行搅拌制备成浆体；（5）边搅拌边加入发泡剂，拌合均匀，浇筑成模维护，试件尺寸为100mm
×
100mm
×
400mm。
[0030]
试件24h后脱模置于50℃烘箱中烘干72h，然后在不同的养护条件下，在室内养护28天。
[0031]
实施例二实施结果：测出d1，d2，d3分别为4.2mm，3.0mm，6.7mm，平均值4.6mm。
[0032]
实施例三：水泥765.9份，河砂1030份，水378.6份，发泡剂35.6份，特基拉芽孢杆菌38份，浓度为3.2
×
105cell/ml。
[0033]
制备方法：（1）选取符合要求的原材料并按配合比用量要求准确称取对应的原材料；（2）将水泥、河砂按规定的质量比进行混合，加入搅拌机拌合均匀；（3）将水置于恒温器中，使其温度稳定在规定的范围，然后将特基拉芽孢杆菌加入水中搅拌，放入恒温器中静置10min；（4）将水、特基拉芽孢杆菌混合液加入搅拌机中进行搅拌，以150r/min的转速进行搅拌制备成浆体；（5）边搅拌边加入发泡剂，拌合均匀，浇筑成模维护，试件尺寸为100mm
×
100mm
×
400mm。
[0034]
试件24h后脱模置于50℃烘箱中烘干72h，然后在不同的养护条件下，在室内养护28天。
[0035]
实施例三实施结果：测出d1，d2，d3分别为5.1mm，2.8mm，7.2mm，平均值5.0mm。
[0036]
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。