一种基于微生物矿化技术的混凝土再生集料制备方法与流程

本发明属于微生物建筑材料领域，具体涉及以固体废弃混凝土为主要原料基于微生物矿化技术的一种高品质混凝土再生集料制备方法。

背景技术：

混凝土是目前乃至今后使用最广泛且用量最大的建筑材料，随着天然砂石资源限采和环境保护力度不断加大，可用于混凝土的天然集料资源日渐短缺。随着城市化进程加快，大量老旧建筑拆除重建所带来的废弃混凝土亟需处理。将废弃混凝土经分离、破碎、筛分、制备、强化等环节处理后用作混凝土集料，即为再生集料，可实现废弃混凝土的资源化利用。通常在破碎、制备过程中易产生微裂纹，且再生集料表面附着大量旧砂浆和水泥石，造成再生集料吸水率大、坚固性差和压碎指标低的特点，严重影响所配置再生砂浆和再生混凝土的性能，从而限制了再生集料的广泛应用。此外，工艺中所产生的细粉较多，难以被充分应用，影响了废弃混凝土资源化利用效率。如何有效实现废弃混凝土的再利用，制备出高品质人工集料成为当下废弃物资源化利用领域的研究热点。

微生物矿化技术是指为自然界中所提取的某种微生物提供最佳的生长、繁殖和酶化反应条件，再提高所需co2的浓度，使其分泌的碳酸酐酶可加速co2的吸收和转化，从而与含有碱性或碱土金属氧化物发生矿化反应，生成稳定的、具有一定胶凝性的碳酸盐这样一系列过程。并且微生物分泌物也具有一定的胶凝性，从而达到微生物的高效固碳。该技术是一项可利用废弃物、节约资源和能源的先进技术，在一定程度上缓解工业排放所引起的污染问题，具有较高的经济和社会效益。

技术实现要素：

发明目的：针对现有技术中制备所得再生集料性能差、废弃混凝土细粉料无法利用的缺陷，本发明提出了一种基于微生物矿化技术的混凝土再生集料制备方法。

技术方案：本发明所述的一种基于微生物矿化技术的混凝土再生集料制备方法，包括以下步骤：

(1)将菌体浓度为10⁶～10⁷个/ml的浓缩胶质芽孢菌液用喷雾干燥设备制成菌粉，作为微生物添加剂；

(2)取除杂、破碎后粒径小于4.75mm的废弃混凝土颗粒和细粉，筛分得粒径范围2.36～4.75mm的细颗粒α料，和粒径小于2.36mm的细粉β料；

(3)以步骤(2)的α料作为内核料，取水泥、步骤(2)的β料、步骤(1)的微生物添加剂搅拌混合均匀作为裹粉料，将内核料放置于糖衣机中采用边喷淋加水边加裹粉料的方式进行裹球、成球造粒；

(4)成球后在相对湿度95±5％，温度20±5℃的环境中养护，1～3天后取出进行筛分得到粒径大于5mm的颗粒并进行下一步处理，剩余粒径小于5mm的继续裹粉成球直至粒径大于5mm；

(5)筛后大于5mm的颗粒置于co2碳化箱中养护4～6h，取出后在大气条件下养护7～14天，即为最终的成品再生集料。

步骤(1)中，所述浓缩胶质芽孢菌液的制备过程为：将胶质芽孢杆菌接种于灭菌后的培养基(每升培养基含蛋白胨2～7g，牛肉浸取物4～6g，nacl4～7g，琼脂12～16g，mgso40.4～0.7g，控制ph为7～8，于30±5℃下震荡培养24h)中，得到含有胶质芽孢杆菌的菌液，在5℃下经4000～6000rpm高速离心15～20min后，除去上层培养基营养物质后加去离子水，浓缩菌液中所含菌体浓度为10⁶～10⁷个/ml即得。

步骤(3)中，所述内核料与裹粉料质量比为1：2～3.33，裹粉料中β料、水泥、微生物添加剂质量比为1：0.1～0.4：0.02～0.05，水掺量以不超过内内核料和裹粉料总质量的30％喷淋方式制备，优选水掺量为内核料和裹粉料总质量的20～30％。

进一步优选的，所述裹粉料中β料、水泥、微生物添加剂质量比为1：0.1～0.4：0.03～0.04。

步骤(3)中，所述水泥为快凝快硬型水泥，水掺量根据废弃混凝土实际情况调控。

步骤(3)中，裹球、成球造粒具体操作为：取内核料放入糖衣机，转动后表面喷洒2～5次水，待表面润湿，将配比量的裹粉料均匀分次加入糖衣机，并按加一次裹粉料、喷洒淋水1～2次水进行裹球、成球造粒。

步骤(4)中，碳化箱中养护条件为：70±5％rh，0.1～0.2mpaco2压力。

制备所得再生集料成品是以裹粉料包裹内核料制备核壳结构再生集料。

本发明中，在一定二氧化碳压力养护条件下，所述胶质芽孢杆菌菌粉以微生物添加剂作裹粉料，在混凝土废弃物颗粒和水泥碱性体系环境中通过微生物矿化作用形成caco3，并且作粘结剂的水泥通过水化生成水化产物，再生集料性能得到明显改善和提高，在上述配比范围内掺量越多效果越好。

对再生集料成品进行检测，吸水率范围为5.5～10％，表观密度在2250～2600kg/m³堆积密度在1200～1550kg/m³，压碎指标在10～25％，并且裹粉料中微生物添加剂在质量比0.02～0.05范围内，随掺量比例增大，吸水率逐渐减小，堆积密度逐渐增大。由于微生物添加剂的掺入，微生物矿化作用加速co2转化为碳酸根，结合ca²⁺形成碳酸钙沉积，使得颗粒变得更致密、强度更高，降低吸水率提高集料堆积密度。

有益效果：相比较于现有技术，本申请再生集料制备方法具有以下优势：

(1)制备的成品再生集料单颗粒结构形式主要为核壳结构如图2所示，该方法充分利用了粒径小于4.75mm废弃混凝土颗粒，以及解决了细粉料利用率低、难以高效利用的缺陷，制备出了吸水率低、强度高的再生集料。

(2)上述裹粉料中所加入的微生物添加剂经过湿养护和碳化中，胶质芽孢杆菌在生长繁殖过程中产生碳酸酐酶会促进co2吸收和转换，生成的碳酸根与碱性体系环境中的ca²⁺形成有胶结性的caco3，从而提高集料颗粒密实度，降低吸水率，强化再生集料颗粒强度。

(3)本制备方法实现了核壳结构颗粒的再生集料制备，并通过微生物矿化技术强化了再生集料性能，废弃混凝土得到高效利用。适用性强，利废率高，效果显著、环境友好，对固体废弃资源循环利用和可持续发展都有重要意义，便于实施推广，应用前景广阔。

附图说明

图1表示本发明方法制备的再生集料外观形貌图；

图2表示本发明方法制备的再生集料颗粒核壳结构示意图。

具体实施方式

以下结合实施例对本发明做进一步详细说明。

本发明所采用的胶质芽孢杆菌均来源于中国工业微生物菌种保藏中心

采用本发明一种基于微生物矿化技术的混凝土再生集料制备方法制备再生集料，具体步骤如下：

(1)获取微生物添加剂：将胶质芽孢杆菌接种于灭菌后的培养基，每升培养基含蛋白胨2～7g，牛肉浸取物4～6g，nacl4～7g，琼脂12～16g，mgso40.4～0.7g，控制ph为7～8，于30±5℃下震荡培养24h，得到含有胶质芽孢杆菌的菌液，在5℃下经4000～6000rpm高速离心15～20min后，除去上层培养基营养物质后加去离子水，浓缩菌液中所含菌体浓度为10⁶～10⁷个/ml；再通过qfn-8000s喷雾干燥机将菌液制备为粉体，即胶质芽孢杆菌菌粉；

(2)取除杂、破碎后粒径小于4.75mm的废弃混凝土颗粒和细粉，并筛分为粒径范围2.36～4.75mm的细颗α料和小于2.36mm的细粉β料；

(3)将α料作为内核料待用；将β料、水泥、微生物添加剂按质量比为1:0.1～0.4:0.02～0.05混合后搅拌均匀作为裹粉料待用；

(4)取内核料mg放入糖衣机，转动后表面喷洒2～5次水，待表面润湿，将以质量比为2～3.33mg裹粉料均匀分次加入糖衣机，并按加一次裹粉料、喷洒淋水1～2次水进行裹球、成球造粒；

(5)成球后将再生集料取出放置于相对湿度(95±5％)，温度(20±5℃)恒温恒湿养护箱环境养护，养护1天后取出进行筛分。将粒径大于5mm的再生集料进行下一步处理，粒径小于5mm的重新放置于糖衣机，继续裹球，直至粒径满足要求；

(6)将筛分后大于5mm的颗粒放置于入相对湿度为(70±5％)的co2碳化箱中，在一定co2压力下养护4～6h，取出后大气条件下养护7天，即为最终的成品再生集料。

实施例1

选取其中的一个配合比，进行再生集料制备，步骤和产品效果如下：

内核料与裹粉料比例为1:2.5，裹粉料按β料、水泥、微生物添加剂为1:0.25:0.03，喷水量按内核与裹粉料总质量25％制备。具体步骤：

表1.再生集料废弃混凝土体系配比/(g)

(1)获取微生物添加剂：将胶质芽孢杆菌接种于灭菌后的培养基溶液，得到含有胶质芽孢杆菌的菌液，在5℃下经5000rpm高速离心15min后，除去上层培养基营养物质后加去离子水，浓缩菌液中所含菌体浓度为10⁶～10⁷个/ml。通过发酵qfn-8000s喷雾干燥机制备菌粉。

(2)取除杂、破碎后粒径小于4.75mm的废弃混凝土颗粒和细粉，并筛分为粒径范围2.36～4.75mm的细颗粒α料和小于2.36mm的细粉β料；

(3)将α作为内核料待用；取β料977g、硫铝酸盐水泥244g和微生物添加剂29g混合后搅拌均匀作为裹粉料待用；

(4)取内核料500g放入糖衣机，转动后表面喷洒3次水，待表面润湿，将1250g裹粉料均匀分5次加入糖衣机，并按加一次裹粉料喷洒淋水一次水进行裹球、成球和造粒，水总用量为437.5g；

(5)成球后将再生集料取出放置于相对湿度(95±5％)，温度(20±5℃)恒温恒湿养护箱环境养护，养护1天后取出进行筛分。将筛分后大于5mm的颗粒放置于入相对湿度为(70±5％)co2碳化箱中，在一定co2压力下养护4～6h，取出后在大气条件下(20±10℃，60±10％rh)养护7天，即为最终的成品再生集料。粒径小于5mm的重新放置于糖衣机，继续裹球，直至粒径满足要求。

该再生集料按gb/t25177-2010对其部分性能进行分析，粒径尺寸范围为5～15mm，吸水率为9.5％，表观密度2340kg/m³，堆积密度1280kg/m³，压碎指标为18.5％。由于微生物矿化作用，再生集料碳化后表层产生大量碳酸钙，使颗粒致密度增加。

实施例2

该实施例制备方法同实施例1，不同之处在于裹粉料用量提高，水泥及微生物调加剂比例相对提高，具体如下所示：

内核料与裹粉料比例为1:3.33，裹粉料按β料、水泥、微生物添加剂为1:0.35:0.04，喷水量按内核与裹粉料总质量25％制备。

表2.再生集料废弃混凝土体系配比/(g)

该再生集料按gb/t25177-2010对其部分性能进行分析，粒径尺寸范围为5～15mm，吸水率为6.8％，表观密度2430kg/m³，堆积密度1350kg/m³，压碎指标为15.5％。由于微生物矿化作用，再生集料碳化后表层产生大量碳酸钙，使颗粒致密度增加。

实施例3

该实施例制备方法同实施例1，不同之处在于裹粉料用量降低，水泥及微生物调加剂比例相对提高，具体如下所示：

内核料与裹粉料比例为1:2，裹粉料按β料、水泥、微生物添加剂为1:0.15:0.03，喷水量按内核与裹粉料总质量25％制备。

表3.再生集料废弃混凝土体系配比/(g)

该再生集料外观形貌如图1所示，核壳结构示意图如图2所示，按gb/t25177-2010对其部分性能进行分析，粒径尺寸范围为5～15mm，吸水率为11.8％，表观密度2300kg/m³，堆积密度1150kg/m³，压碎指标为19.8％。由于微生物矿化作用，再生集料碳化后表层产生大量碳酸钙，颗粒致密度增加。