一种高铝固废基抗菌污水管道用胶凝材料及其应用

1.本发明属于城市地下给排水工程材料技术领域，涉及一种高铝固废基抗菌污水管道用胶凝材料及其应用。


背景技术：

2.城市地下给排水系统作为城市的“地下生命线”，其经年累月的服役后，部分地下给排水系统开始遭受严重的微生物诱导的污水管道混凝土腐蚀(简称micc) 危害，给城市造成了巨大的经济和社会负担。
3.地下给排水管网系统大量出现的微生物腐蚀病害，使得城市给排水基础设施的后续长期服役状况堪忧。典型的micc分为三个阶段：
4.(1)非生物酸化。此阶段内，混凝土表面ph过高，不适宜微生物的生长与繁殖；但h2s和co2等酸性气体可通过自由扩散的方式溶解在混凝土表面的水膜中，使得混凝土表面发生酸化、其ph随时间持续下降。
5.(2)微生物附着。由于上阶段酸性气体大量溶解，混凝土表面ph降至9-10，此阶段嗜中细菌开始在混凝土表面定居、生长。这些微生物的群落分泌的酸性物质使混凝土表面ph进一步下降至4-5。
6.(3)生物酸腐蚀。得益于嗜中细菌群落创造的酸性环境，此阶段大量嗜酸细菌逐渐取代嗜中细菌，成为混凝土表面生态系统的优势群落，其代谢产物硫酸开始腐蚀混凝土的表面。
7.目前已有针对污水管道混凝土的抗菌方法多数着眼于上述第三阶段，即通过材料本身的组成设计提高混凝土材料抗硫酸腐蚀的性能。例如通过降低混凝土材料熟料含量，减少水化过程中氢氧化钙的生成量，从而减少腐蚀产物石膏的生成。这类方法始终停留在“被动”抵抗层面，未能触及微生物这一micc的根本来源。
8.因此，若能够针对micc第一、第二阶段，设计一种能有效抑制混凝土表面微生物的胶凝材料，必定会在抗混凝土微生物腐蚀工程中取得新的突破。


技术实现要素：

9.本发明的目的就是为了提供一种高铝固废基抗菌污水管道用胶凝材料及其应用，所提供的固废基抗菌污水管道用胶凝材料，在污水浸泡下的抗腐蚀性相比于单纯硅酸盐水泥基材料具有明显优势，能够大幅提高污水管道抗微生物腐蚀性能，同时降低其制备污染和维护成本。
10.本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
11.本发明的技术方案之一提供了一种高铝固废基抗菌污水管道用胶凝材料，由以下重量百分数的原料组分组成：60-80％矿渣，15～30％无水石膏，5～10％硫铝酸盐水泥。
12.进一步的，所述硫铝酸盐水泥中，以质量百分含量计，硫铝酸钙和硅酸二钙的总质量占比应大于75％。常规硫铝酸盐水泥中硫铝酸钙和硅酸二钙的总质量占比约为65％，本
发明进一步提高二者总质量占比至大于75％，这样，在此条件下硫铝酸盐水泥的有效水化矿物含量高，硬化材料具有更高的早期强度。
13.进一步的，所述矿渣与无水石膏、硫铝酸盐水泥的质量比为80:15:5。
14.进一步的，所述矿渣7天活性指数不小于75％。
15.本发明的胶凝材料中，硫铝酸盐水泥以无水硫铝酸钙为主，水化后生成多种铝相；在微生物诱导的极酸性环境下，铝相中的铝易以离子形式溶出，抑制材料表面微生物的生命活动。此外，硫铝酸盐水泥自身具有快硬早强、抗硫酸盐腐蚀的优异特性，能够很好地满足地下污水管道的施工要求。在此基础上，采用矿渣替代绝大多数的水泥熟料和石膏，实现了对固体废弃物资源的高程度再利用。
16.本发明的技术方案之二提供了高铝固废基抗菌污水管道用胶凝材料的应用，该胶凝材料用于制备高铝固废基抗菌污水管道。
17.进一步的，胶凝材料用于制备高铝固废基抗菌污水管道的过程具体为：将所述胶凝材料与集料、水混合并搅拌均匀，浇注成型，即完成。
18.更进一步的，胶凝材料与集料的质量比为1:3-4。
19.更进一步的，所述的集料为砂和/或石。
20.与现有技术相比，本发明具有以下优点：
21.(1)相比于通过改变胶凝材料组成增加材料抗硫酸或硫酸盐腐蚀的性能，本发明以硫铝酸盐水泥和矿渣为基础，制备出富含铝的胶凝材料，抑制微生物的生命活动，从根源上缓解或解决micc的问题，降低污水管道的维护或更换费用；
22.(2)本发明在实现提高材料抗micc能力的同时，引用了矿渣等大量的固体废弃物，实现了大宗固体废弃物的再利用；同时，用无水石膏替代了大部分的水泥，进一步减小了材料的水泥熟料用量，从而极大程度地降低了准备原材料所造成的排碳量，提高本发明的经济效益。
23.(3)优选了7天活性指数矿渣大于75％的矿渣作为辅助性胶凝材料，保证了高矿渣替代水平下砂浆或混凝土的力学性能和耐久性能。
附图说明
24.图1为实施例1中，抗菌水泥、硅酸盐水泥基砂浆试块表面腐蚀深度随腐蚀时间的变化。
25.图2为s75抗菌水泥组和s95抗菌水泥组在实验条件下的腐蚀深度发展图。
26.图3为50％实验组与5％实验组在实验条件下的腐蚀深度发展图。
具体实施方式
27.下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
28.以下各实施例中，使用的硫铝酸盐水泥为河北唐山北极熊建材有限公司购买。其余如无特别说明的原料或处理技术，则表明其均为本领域的常规市售原料或常规处理技术。
29.实施例1
30.制备两种不同胶凝材料制成的砂浆试块，一块以硅酸盐水泥与高炉矿渣制成，另一块以抗菌水泥制成，其中一块的胶凝材料中，硅酸盐水泥与高炉矿渣质量比为 20:80，另外一块的胶凝材料为：硫铝酸盐水泥、无水石膏和高炉矿渣质量比为 5:15:80。砂浆试块为长宽40mm，高160mm的棱柱体，其中砂为符合is0679的标准砂，胶凝材料与砂的质量比为1:3。所用高炉矿渣为s95矿渣。
31.将两块砂浆试块置于某生活污水排放管内，砂浆块周围有大量流动的污水，且管壁各处均出现了肉眼可见的腐蚀现象与生物质膜。经测量，污水ph长期维持在5-6左右。使用不锈钢架将试块固定在污水水平面附近，使其一半体积浸没在污水中，并在该处暴露12个月，暴露期间定期测量其表面腐蚀深度。
32.经过12个月的暴露处理，硅酸盐水泥基砂浆试块的表面腐蚀严重，表面粗糙度显著增加，且砂颗粒大量外露；而抗菌水泥基砂浆试块表面具有更高的平整度，腐蚀现象明显减少，试块基本保持完好。
33.图1中描述了实验过程中两试块表面腐蚀深度随腐蚀时间的变化。由图可知，在暴露于污水管道的12个月中，硅酸盐水泥砂浆试块表面的腐蚀程度显著大于抗菌水泥基砂浆试块，这说明抗菌水泥基砂浆试块较好地抑制了微生物繁殖，尤其是硫氧化细菌的生命活动，实现了抗micc性能提升。
34.实施例2：
35.以不同胶凝材料分别制备长200mm、宽150mm、高80mm的混凝土试块，其胶凝材料配比如表1所示；胶凝材料与砂、石以及水的质量比为1:1.32:2.32:0.4。每组配比下各制备三块混凝土试块。此处所用矿渣均为s95矿渣粉。
36.在20℃下，将混凝土均匀拌合并浇筑完毕，随后置于与实施例1相同的污水管道中暴露12个月后测量试块的质量损失。测试结果如表2所示。
37.由表2可知，使用硅酸盐水泥制得的混凝土在12个月的暴露下表面均出现了不同程度的骨料外露，相应的腐蚀质量损失总体上显著，但腐蚀效果随着水泥不断被等质量矿渣替代而减弱。相比之下，使用本发明制得的混凝土试块在整个暴露过程中表现出了优异的抗菌性，表面完整度高，无明显的骨料露出，其12个月平均质量损失仅为1.59％。
38.表1不同胶凝材料制得混凝土试块的配合比
39.样品编号胶凝材料pc1100％硅酸盐水泥pc280％硅酸盐水泥 20％矿渣pc320％硅酸盐水泥 80％矿渣kj5％硫铝酸盐水泥 15％无水石膏 80％矿渣
40.表2混凝土试块暴露12个月后的质量损失(％)
41.[0042][0043]
对比例1：
[0044]
与实施例1对比，加设一组实验组。该组除采用s75矿渣粉以外，其他材料配合比与试验处理与实施例1中抗菌水泥完全相同。以下称使用s75矿渣粉的砂浆试块为s75抗菌水泥组，称实施例1中的砂浆试块为s95抗菌水泥组。s75抗菌水泥组和s95抗菌水泥组在实验条件下的腐蚀深度发展如图2所示。由图可知，使用s75矿渣粉制备的抗菌水泥在抗微生物腐蚀上比使用s95矿渣粉的抗菌水泥表现更差，矿渣粉足够的活性(即7天活性大于75％)在本发明的制备中是不可或缺的。
[0045]
对比例2：
[0046]
与实施例1对比，加设一组实验组。该组除采用50％硫铝酸盐水泥含量外并不使用无水石膏外，其他材料配合比与试验处理与实施例1中抗菌水泥完全相同。以下称采用50％硫铝酸盐水泥含量的砂浆试块为50％实验组，称采用5％硫铝酸盐水泥含量的砂浆试块为5％实验组。上述二者在实验条件下的腐蚀深度发展如图3 所示。有图可知，硫铝酸盐水泥含量为50％的抗菌水泥其抗微生物腐蚀能力弱于硫铝酸盐水泥含量为5％的抗菌水泥，过多的硫铝酸盐含量对于制备本发明中涉及的抗菌水泥是有害的。
[0047]
上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。