用于河流污染修复的生态混凝土及其制备方法

1.本发明涉及混凝土技术领域，尤其涉及用于河流污染修复的生态混凝土及其制备方 法。


背景技术：

2.近年来，随着社会经济和城市化的发展，我国河流、湖泊、水库水环境污染状况日趋 严重，如何防治水体污染及对污染水体的修复技术的研究已成为水环境保护研究的重点。 寻求解决水污染问题的方法，一方面是控制点源污染和面源污染；另一方面就是对天然水 体实施工程性或非工程性措施，提高河流、湖泊等水体的自净能力，修复恶化的水生态环 境。对于前者可通过强制性政策、法规来推进，对于后者，可通过生态水处理技术以及水 体原位性生态修复工程来实现。
3.生态混凝土是通过材料筛选、添加功能性添加剂、采用一定工艺制造出来的具有特殊 结构与功能、环境负荷小、生态环境协调性高，并能为环保做出贡献的混凝土。河流沉积 物被认为是“水下土壤”，世界各地每年都要疏浚上亿吨含水量大的泥沙，近年来由于严重 的环境污染，农业、工业和居民产生的重金属、氮、磷和有机污染物沉积在河流沉积物中， 在经济和可持续的安全处置方式的背景下，利用河流沉积物制造建筑材料是一个有前景的 策略。
4.在现有技术中鲜少有采用河流沉积物来制备混凝土，同时并未达到加大混凝土的生态 效益，提高生态混凝土净化水质的效果。


技术实现要素：

5.本发明针对上述技术问题，提供用于河流污染修复的生态混凝土，能够最大程度的利 用河流底泥，同时添加纳米二氧化锰加大混凝土的生态效益，使得水环境中污染物吸附降 解效果显著提高，制备的生态混凝土建材性能好强度高、满足实际需求。
6.本发明的另一目的在于提供用于河流污染修复的生态混凝土的制备方法，流程简单， 经济环保。
7.为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
8.用于河流污染修复的生态混凝土，包括以下重量份的组分：河流底泥270份、凝胶材 料120～230份、水65～70份、减水剂3～5份，发泡剂6～10份，纳米二氧化锰2～4份。
9.生态混凝土采用河流底泥作为再生骨料，所述河流底泥为河流疏浚废置的河流沉积 物，自身含有植物生长所需的丰富营养物质及改良微生境的菌群，并辅以腐殖酸类有机肥 提升其营养等级，可以为种植在生态混凝土上的水生植物提供持续营养供给；纳米二氧化 锰作为重要的催化剂，添加在生态混凝土中能够与发泡剂发生化学反应，影响混凝土的孔 隙状态和抗压强度，纳米二氧化锰的加入能够使混凝土在保持原有的孔隙率下，提升混凝 土的抗压强度，从而增加其耐久性，同时利用纳米材料的特殊表面性质，纳米二氧化锰在 有机污染物的降解和废水治理方面有显著效果。
10.优选地，所述凝胶材料由硅灰和水泥按照质量比1～3:10混合而成。
11.优选地，所述水泥为硅酸盐水泥。更具体的，水泥为gb175-2007中规定的普通硅酸 盐水泥。
12.优选地，所述减水剂为聚羧酸盐减水剂。
13.优选地，所述发泡剂为茶皂素发泡剂。
14.优选地，所述纳米二氧化锰为粒径是25nm的纳米二氧化锰颗粒。
15.本发明还提供用于河流污染修复的生态混凝土的制备方法，具体制备步骤如下：
16.步骤1，将河流底泥骨料、纳米二氧化锰、硅灰和水泥混合均匀5～8分钟，然后添加 水混合搅拌4～6分钟，形成混合浆ⅰ；
17.步骤2，将减水剂加入混合浆ⅰ中，混合搅拌3～5分钟，形成具有流动性的混合浆ⅱ；
18.步骤3，将发泡剂与水混合搅拌形成泡沫体，加入到混合浆ⅱ中混合搅拌均匀，形成 具有孔隙结构的混合浆ⅲ；
19.步骤4，将混合浆ⅲ装入模具中，通过轻微震动增加压实感，铺设塑料膜，固化24小 时成型后脱膜，在温度23
±
3℃、相对湿度95％的养护室保存3～8天，得到用于河流污染修 复的生态混凝土。
20.采用上述方法制备得到的生态混凝土与水生植物和微生物组成的复合体系，能有效削 减河流中污染物的含量。水生植物应就地取材，结合当地的植物类别，选取当地有污染物 净化能力的植物，推荐使用苦草、黑藻和狐尾藻等。
21.优选地，所述步骤1中将河流底泥在25℃风干后，用球磨机粉粹5～8分钟，通过直径 2mm的筛网去除大石子，得到河流底泥骨料。
22.本发明还提供用于河流污染修复的生态混凝土在受污染水体去除污染物中的应用。
23.与现有技术相比，本发明的有益效果为：
24.1.从生态混凝土的基本力学性能方面，本发明将疏浚的河流底泥作为生态混凝土骨 料，硅灰部分替代普通硅酸盐水泥，不仅保留了生态混凝土的比表面积和内部连通孔隙的 特征，还提高了生态混凝土的力学性能和耐性，同时其多孔结构更加利于水生植物的生长， 提高生态效益。
25.2.从使用的原材料方面，本发明运用疏浚的河流底泥，可以实现资源回收再利用，避 免受污染底泥对环境造成污染；利用硅灰部分替代普通硅酸盐水泥，有利于减少水泥生产 产生的温室气体，保护环境，减少生产成本。
26.3.本发明通过向多孔质混凝土内添加纳米二氧化锰颗粒提高了多孔质混凝土的抗压 强度和耐久性，同时提高了底泥基多孔质混凝土对有机污染物、重金属的净化效果，从而 强化了对河湖水体中污染物净化效果。
27.4.本发明的生态混凝土与水生植物以及微生物形成的复合体系，通过生态混凝土的吸 附、过滤和离子交换等作用，水生植物的直接吸收以及吸收转化，微生物吸收、矿化、硝 化作用等，形成生态混凝土、植物、微生物三位一体的净水体系，可以有效改善受污染水 体水质，同时获得明显的经济效益。
附图说明
28.图1是种植沉积物组、未加纳米材料种植生态混凝土组和加纳米材料种植生态混凝土 组制备的生态混凝土在处理污水中cod、tn和tp的去除效率图。
具体实施方式
29.下面对本发明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条件下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
30.以下实施例和对比例所提供的用于河流污染修复的生态混凝土的制备方法，具体制备 步骤如下：
31.步骤1，将河流底泥骨料、纳米二氧化锰、硅灰和水泥混合均匀6分钟，然后添加95wt％ 水混合搅拌5分钟，形成混合浆ⅰ；
32.步骤2，将聚梭酸减水剂加入混合浆ⅰ中，混合搅拌4分钟，形成具有流动性的混合 浆ⅱ；
33.步骤3，将茶皂素发泡剂与5wt％水混合搅拌形成泡沫体，加入到混合浆ⅱ中混合搅拌 均匀，形成具有孔隙结构的混合浆ⅲ；
34.步骤4，将混合浆ⅲ装入模具中，通过轻微震动增加压实感，铺设塑料膜，固化24小 时成型后脱膜，在温度23℃、相对湿度95％的养护室保存6天，得到用于河流污染修复的 生态混凝土。
35.上述步骤1中，河流底泥骨料是将河流底泥在25℃风干后，用球磨机粉粹6分钟，通 过直径2mm的筛网去除大石子，得到河流底泥骨料，其中河流底泥为采用河底或者湖底 疏浚的河流沉积物，就地取材，其理化性质不做为对本发明的进一步限定，均可实现本发 明。
36.经实验发现，制备步骤中的搅拌时间、固化时间、养护温度和湿度在本发明保护的范 围内选择时，对产品性能影响不大，因此实施例和对比例中均采用上述步骤。
37.实施例1～4和对比例1～6
38.实施例1～4和对比例1～6提供的生态混凝土，其重量份的组分如下表1。
39.表1实施例1～4和对比例1～6中制备生态混凝土的组分的重量(单位：份)
[0040][0041]
性能测试
[0042]
检测实施例1-4和对比例1-6制备的生态混凝土，按照如下方式进行测试，性能结果 见表2。
[0043]
抗压强度：根据astmc39/c39m中规定的抗压强度测试方法，利用压缩试验机对生 态混凝土块的抗压强度进行测试；
[0044]
导热系数：在气候室(rxz-280,jiangnaninstrument,china)中进行；
[0045]
吸水率：通过测量样品在水中浸泡48h的质量变化测量；
[0046]
孔隙率：将混凝土立方体平行切割并抛光，表面涂上稀释的油墨，干燥后，将纳米碳 酸钙粉均匀涂抹在样品表面，以突出孔隙，然后用光学显微镜对样品表面进行10倍放大 拍照，对获取的图像进行二值化处理，利用image-proplus软件计算孔隙度。
[0047]
表2实施例1-4和对比例1-6中生态混凝土性能测试表
[0048][0049]
从表2可知，采用实施例1-4制备得到的生态混凝土抗压强度高，孔隙率达到合适数 值，同时导热系数和吸水性均在标准规定范围内，各方面性能表现较好。
[0050]
对比例1相比于实施例2，对比例1加大河流底泥的用量，使得混凝土孔隙率和吸水 率提高，进而导致样块抗压强度受到影响，使得混凝土抗压强度低，基本力学性能降低。
[0051]
对比例2相比于实施例2，对比例2降低河流底泥的用量，样块孔隙率增加，抗压强 度降低。
[0052]
对比例3相比于实施例2，改变凝胶材料中硅灰和硅酸盐水泥的质量比，采用硅灰和 硅酸盐水泥的质量比为1:5，混凝土的孔隙率和抗压强度均在一定程度上降低。
[0053]
对比例4相比于实施例2，对比例4替换凝胶材料中的硅灰，全部采用硅酸盐水泥， 生态混凝土的比表面积和内部连通孔隙的特征降低，同时降低了生态混凝土的力学性能和 耐性，由对比例3-4可以得出凝胶材料采用重量比为2:8的硅灰和硅酸盐水泥时效果较好。
[0054]
对比例5相比于实施例2，对比例5不加纳米二氧化锰，抗压强度显著降低，进一步 证明纳米二氧化锰作为重要的催化剂，添加在生态混凝土中能够与发泡剂发生化学反应， 提高了多孔质混凝土的抗压强度和耐久性。
[0055]
对比例6相比于实施例2，对比例6减少发泡剂用量，混凝土样块孔隙率、抗压强度、 吸水性均受到一定影响，相对于实施例2在一定程度上降低。
[0056]
应用例
[0057]
将上述实施例2和对比例5所制备的生态混凝土放置于采用人工设置的污水中，沉水 植物种植于所制备的生态混凝土块上，此外还设置空白组用于比较检测结果，空白组是将 沉水植物直接种植于河流沉积物上；设置三个实验组，分别为种植沉积物组、未加纳米材 料种植生态混凝土组和加纳米材料种植生态混凝土组。在23-25℃人工白光下进行，持续 时间30天，测定水质变化情况，所得水质净化结果如图1。
[0058]
根据图1中水质净化性能可知，采用实施例2制备得到的用于河流污染修复的生态混 凝土与水生植物和微生物组成的复合体系，能有效削减河流中污染物的含量，生态混凝
土 与水生植物协同作用体系对人工配置的污水具有一定的处理效果，并且生态混凝土的孔隙 率的大小和吸水性也会在不同程度上影响其水质净化能力，进一步证明添加了纳米二氧化 锰颗粒的生态混凝土能够支持沉水植物正常生长，并且对cod、tn和tp的去除效率远 大于普通种植的沉积物组。实施例2中的生态混凝土与水生植物协同作用体系不仅可以达 到普通水生态系统的水质净化能力，并且在脱氮除磷除有机物性能方面更加优越，为改善 河流湖泊等水域的富营养化发挥作用。
[0059]
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参 照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以 对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替 换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案。