一种生态混凝土及其制备方法与流程

本发明涉及混凝土制备技术领域，特别是涉及一种生态混凝土及其制备方法。

背景技术：

水中的微生物起着清洁污水的作用，它们以水体中的有机污染物作为自己的营养食料。通过吸附、吸收、氧化、分解等过程，把有机物变成简单的无机物，既满足了微生物本身繁殖和生命活动的需要，又净化了污水。“藻菌共生系统”是指水塘中细菌分解废水的有机物产生的二氧化碳、磷酸盐、铵盐等营养物供藻类生长。藻类光合作用产生的氧气又供细菌生长，从而构成共生系统。

当前在交通、水利等工程的建设中，使用的普通混凝土往往会破坏大自然原有的生物生息场所，从而影响该区域动植物和微生物的生长，造成严重的生态环境破坏。例如在河道两侧通常采用的普通毛石混凝土护坡，由于将水体封闭在河道中，切断了微生物的物质、能量及信息流动，破坏了原有“共生系统”中的藻菌分布平衡，导致生物多样性及河道自净能力大大降低，生态系统变得十分脆弱，污染物一旦流入即造成严重污染。所以为微生物营造合适的栖息地环境，是交通、水利等工程建设中避免生态环境破坏以及水体治理过程中恢复生物多样性、提高水体自净能力的关键。

技术实现要素：

本发明实施例的目的在于提供一种生态混凝土，用于在实现混凝土的功能同时，还能为微生物提供附着环境,以促进微生物的繁殖。同时，本发明还提供了上述生态混凝土的制备方法。具体技术方案如下：

本发明首先提供了一种生态混凝土，其中每立方米生态混凝土由包括如下配合比的原料制得：

水泥：200～350kg；

水：158～203kg；

粗骨料：1045～1533kg；

细骨料：296～765kg；

减水剂：4.9～6.3kg；

矿粉：0～135kg；

石墨烯和/或其衍生物：0.1～2kg。

在本发明的一些实施方式中，所述的水泥为硅酸盐水泥。

在本发明的一些实施方式中，所述的粗骨料选自碎石、卵石、浮石、人造多孔性轻质材料、碎砖、玻璃及混凝土中的一种或其任意组合；优选地，粗骨料的粒径范围在5～20mm，连续级配。

在本发明的一些实施方式中，所述的细骨料选自河砂、海砂及碎石砂中的一种或其任意组合；细骨料的细度模数为3.0～2.3，优选为2.8。

在本发明的一些实施方式中，所述的减水剂选自聚羧酸减水剂、木质素磺酸盐减水剂、萘系磺酸盐甲醛缩合物减水剂、三聚氰胺甲醛缩聚物减水剂，丙酮磺酸盐甲醛缩合物减水剂、氨基磺酸盐甲醛缩合物减水剂中的一种或其任意组合；优选为聚羧酸减水剂。

在本发明的一些实施方式中，石墨烯和/或其衍生物选自：石墨烯、膨胀石墨及氧化石墨烯中的一种或其任意组合。

在本发明的一些实施方式中，每立方米生态混凝土的的原料，还包括：10～60kg的植物纤维；优选地，所述植物纤维选自经预处理后的秸秆、椰壳或其它棕榈纤维、竹子纤维、玉米秆纤维中的一种或多种。

在本发明的一些实施方式中，每立方米生态混凝土的的原料，还包括：0.01～1.25kg的发泡剂。

在本发明的一些实施方式中，所述的发泡剂选自：十二烷基苯磺酸钠、聚乙二醇非离子型表面活性剂、烷基酚聚氧乙烯醚、茶皂素发泡剂、皂角苷型发泡剂中的一种或其任意组合。

本发明还提供了前述生态混凝土的制备方法，包括以下步骤：

(1)将所述原料中，除石墨烯或其衍生物外的其它物质进行预搅拌混合，得到混凝土预混母体；预搅拌混合所用的水量为配合比的水量的87.5-97.5重量％；

(2)在所述混凝土预混母体仍具有流动性时，向其中加入石墨烯或其衍生物的分散液，再次搅拌混合，得到混凝土拌合料；所述石墨烯或其衍生物的分散液的溶剂为水；分散液中的水量为：配合比的水量减去步骤(1)预搅拌混合所用的水量的剩余量；

(3)将所述混凝土拌合料注入模具，经成型、脱模后制得生态混凝土。

本发明提供的生态混凝土，通过将混凝土与石墨烯或其衍生物复合，利用石墨烯或其衍生物的生物相容性、良好的化学稳定性，为微生物提供附着环境；当生态混凝土作为河道和水体的护坡材料，或构筑为水体中的生态岛时，通过给微生物提供附着环境，更利于微生物的繁殖，进而更利于净化水质。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为实施例1制备的生态混凝土对细胞增殖的影响。

具体实施方式

现有技术已有报道，石墨烯或其衍生物具有一定的生物相容性，有利于微生物的繁殖；例如文献中已有报道，氧化石墨烯(go)可以通过增强细菌的附着、增殖及形成生物膜等，来促进细菌的生长(“grapheneoxide:anonspecificenhancerofcellulargrowth”，oscarn.ruizetal.，acsnano2011,vol.5，no.10，8100-8107)。基于此，本发明的发明人开创性地将普通混凝土与石墨烯或其衍生物进行复合，得到一种生态混凝土，使其在具备混凝土的结构材料功能的同时，还能为微生物提供附着环境；当生态混凝土作为河道和水体的护坡材料，或构筑为水体中的生态岛时，水体中的污染物降解菌，例如氨氮降解菌、硝化细菌等，可以依附于生态混凝土进行繁殖，利于净化水质。

本发明提供的一种生态混凝土，每立方米生态混凝土由包括如下配合比的原料制得：

水泥：200～350kg；

水：158～203kg；

粗骨料：1045～1533kg；

细骨料：296～765kg；

减水剂：4.9～6.3kg；

矿粉：0～135kg；

石墨烯或其衍生物：0.1～2kg。

在本发明的一些具体实施方式中，所述的石墨烯和/或其衍生物可以选自：石墨烯、膨胀石墨及氧化石墨烯中的一种或其任意组合。优选地，在本发明提供的生态混凝土中，石墨烯或其衍生物是氧化石墨烯。

需要说明的是，石墨烯或其衍生物的制备方法均为现有技术，本发明在此不进行限定。例如，氧化石墨烯可以通过改进的hummer法来制备：

将天然鳞片石墨(5g)，浓硫酸(230ml，98％)和硝酸钠(nano3，5g)混合，在冰浴条件下冷却并不停用玻璃棒搅拌，混合均匀后，缓慢加入高锰酸钾(kmno4，30g)，控制反应体系温度。然后将反应容器置于35℃左右的恒温水浴中，搅拌30min后，加入去离子水(460ml)，油浴，控制反应液温度在98℃左右。继续搅拌15min，然后加入大量的去离子水(1.4l)洗涤，同时加入双氧水(30％h2o2，25ml)，这时溶液从棕黑色变为鲜亮的黄色。静置陈化后过滤，并用稀盐酸(1：10体积比，2l)对产物进行洗涤。用去离子水充分洗涤直至滤液中无so4^2-(bacl2溶液检测)。65℃空气干燥，密闭保存。

在本发明的一些具体实施方式中，水泥为硅酸盐水泥；更为具体地，可以采用po42.5水泥。当然，也可以根据实际需要采用其它种类或型号的水泥。

在本发明的一些具体实施方式中，粗骨料可以选自碎石、卵石、浮石、人造多孔性轻质材料、碎砖、玻璃及混凝土中的一种或其任意组合；优选地，粗骨料可以选自碎石或卵石；粗骨料的粒径范围在5～20mm，连续级配。

在本发明的一些具体实施方式中，细骨料选自河砂、海砂及碎石砂中的一种或其任意组合；细骨料的细度模数为3.0～2.3，优选为2.8。

在本发明的一些具体实施方式中，减水剂选自聚羧酸减水剂、木质素磺酸盐减水剂、萘系磺酸盐甲醛缩合物减水剂、三聚氰胺甲醛缩聚物减水剂，丙酮磺酸盐甲醛缩合物减水剂、氨基磺酸盐甲醛缩合物减水剂中的一种或其任意组合；优选为聚羧酸减水剂。

矿粉，也叫矿渣粉、粒化高炉矿渣粉；在本发明的一些具体实施方式中，可以采用s95级矿粉。当然也可以根据实际需要采用其它级别的矿粉，如s105级矿粉等。

在本发明的一些具体实施方式中，每立方米生态混凝土的的原料，还包括：10～60kg的植物纤维；在具体实施过程中，植物纤维可以选自经预处理后的秸秆、椰壳或其它棕榈纤维、竹子纤维、玉米秆纤维中的一种或多种。

所说的预处理是指将秸秆、椰壳或其它棕榈纤维、竹子纤维、玉米秆纤维等破碎为0.1～20mm尺寸，以保障其在生态混凝土制备时的分散性，破碎后的秸秆等再用质量分数0.1～5.0％的氢氧化钠、氢氧化钾或氢氧根含量范围与以上氢氧化钠、氢氧化钾溶液相同的其它溶液进行浸泡，目的为避免秸秆中含有糖分在生态混凝土制备过程中可能导致的缓凝乃至不凝结问题。

在混凝土中掺入秸秆等植物纤维，一方面可以通过纤维增强弥补了因石墨烯和/或其衍生物的加入导致的强度下降，使混凝土有更好的韧性；另一方面，植物纤维和石墨烯和/或其衍生物结合，使混凝土具有了更好的生态特征，如更多的孔隙性、渗透性，更好的生物附着能力，更好的呼吸功能；同时，植物纤维为植物根部和微生物群落提供了营养，促进了植物根系的发展和微生物生态微环境的建立。

在本发明的一些具体实施方式中，每立方米生态混凝土的的原料，还包括：0.01～1.25kg的发泡剂。在具体实施过程中，发泡剂可以选自十二烷基苯磺酸钠、聚乙二醇非离子型表面活性剂、烷基酚聚氧乙烯醚、茶皂素发泡剂、皂角苷型发泡剂中的一种或或其任意组合。

发泡剂可以使混凝土发泡，形成一系列孔洞，更便于微生物和植物根部附着，形成生态微群落。

需要说明的是，本发明所采用的各原料，包括但不限于水泥、水、粗骨料、细骨料、减水剂、矿粉、发泡剂、植物纤维，以及石墨烯或其衍生物等，均可以从商业途径获得，当然可以根据实际需要，自行制备。

本发明还提供了前述的生态混凝土的制备方法，其包括以下步骤：

(1)将所述原料中，除石墨烯或其衍生物外的其它物质进行预搅拌混合，得到混凝土预混母体；预搅拌混合所用的水量为配合比的水量的87.5-97.5重量％；

(2)在所述混凝土预混母体仍具有流动性时，向其中加入石墨烯或其衍生物的分散液，再次搅拌混合，得到混凝土拌合料；所述石墨烯或其衍生物的分散液的溶剂为水；分散液中的水量为：配合比的水量减去预搅拌混合所用的水量后的剩余量；

(3)将所述混凝土拌合料注入模具，经成型、脱模后制得生态混凝土。

需要说明的是，石墨烯或其衍生物的分散液的制备方法为现有技术，本发明在此不进行限定。例如，氧化石墨烯分散液可以通过以下方法制备：

将氧化石墨烯与水混合后，进行超声处理，直至氧化石墨烯分散至水中，形成氧化石墨烯分散液。

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。

实施例1生态混凝土的制备

混凝土的配合比见表1

表1

制备过程如下：

按表1中所记载的配合比，将水泥、碎石、砂混合后，再加入减水剂、矿粉以及90重量％配合比的水量，进行预搅拌混合；得到混凝土预混母体；在45分钟后，混凝土预混母体尚具有流动性时，加入氧化石墨烯分散液(石墨烯2kg分散于10重量％配合比的水量)，再进行充分搅拌混合后，得到混凝土拌合料；将所述混凝土拌合料注入模具，经成型、脱模后制得成品。

实施例2生态混凝土的制备

混凝土的配合比见表2

表2

制备过程如下：

按表2中所记载的配合比，将水泥、碎石、砂混合后，再加入减水剂、矿粉、秸秆以及95重量％配合比的水量，进行预搅拌混合；得到混凝土预混母体；在45分钟后，混凝土预混母体尚具有流动性时，加入氧化石墨烯分散液(氧化石墨烯1kg分散于5重量％配合比的水量)，再进行充分搅拌混合后，得到混凝土拌合料；将所述混凝土拌合料注入模具，经成型、脱模后制得成品。

实施例3生态混凝土的制备

混凝土的配合比见表3

表2

制备过程如下：

按表3中所记载的配合比，将水泥、碎石、砂混合后，再加入减水剂、矿粉、秸秆、发泡剂以及90重量％配合比的水量，进行预搅拌混合；得到混凝土预混母体；在45分钟后，混凝土预混母体尚具有流动性时，加入氧化石墨烯分散液(膨胀石墨1kg分散于10重量％配合比的水量)，再进行充分搅拌混合后，得到混凝土拌合料；将所述混凝土拌合料注入模具，经成型、脱模后制得成品。

生态混凝土的生物相容性测试

为研究混凝土石墨烯原子层与微生物的相容性以及其对细胞增殖的作用，首先按实施例1的方法，制备混凝土培养皿，作为nih-3t3细胞的生长媒介，借助dapi染色技术研究细胞在石墨烯混凝土表面的生长和增殖情况；结果如图1所示。图1中(1)展示了细胞在培养72小时后的结果，在石墨烯混凝土表面表现出良好的增殖行为。借助染色技术可发现，细胞保持了正常的形貌(比例尺200微米)与骨架(右上图，比例尺50微米)。这说明石墨烯不会对细胞结构产生影响。图1中(2)为细胞在24、48及72小时的数目统计结果。由此可知复合有石墨烯的混凝土具有良好的生物相容性。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围内。