微生物改性高硫煤矸石及其免烧砖的物理力学性能研究

作     者：余春雨 

作者单位：太原理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：李珠;白艳琴

授予年度：2023年

学科分类：08[工学] 081304[工学-建筑技术科学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 080502[工学-材料学] 0813[工学-建筑学] 

主      题：高硫煤矸石 微生物 矿化沉积 煤矸石砖(或砌块) 物理力学性能 水化机制 

摘      要：高硫煤储量、堆积量大,利用率低,是资源化利用的重点和难点,在将其作为烧结砖利用时,会产生泛霜、爆裂及试件强度低等问题,大多被遗留堆积造成一系列环境问题。由于高硫煤中无机硫含量较高,在低温潮湿环境中,与氧气发生氧化反应并放出热量,热量积累到一定程度,引起煤矸石中残留煤质的燃烧,进而导致整座矸石山燃烧;高硫煤矸石的露天堆储过程中,不仅存在坍塌、滑坡、泥石流等潜在危害,而且在受风化、降水淋溶以及水体浸泡等影响也会发生氧化反应,无机硫中的硫化物被氧化成硫酸形成酸性矿山废水;其次大量重金属元素在雨水冲刷和酸性矿山废水运移过程中被淋溶出来,形成有毒的重金属酸性水污染,同时也会释放大量的有毒有害气体,危害人体健康,也会对环境造成严重破坏,因此回收利用高硫煤矸石是推动经济发展的重要组成部分。目前,微生物制造建材的研发和性能研究逐渐趋于成熟,大量研究结果表明产脲酶菌矿化产物(沉积产物碳酸钙)是一种优秀的生物胶凝材料。本文通过借鉴自然界碳酸岩硫酸化的替代反应机理,利用微生物矿化沉积技术生成的碳酸钙替换黄铁矿氧化后生成的硫酸盐,降低骨料中无机硫含量,同时中和硫化物氧化产生的H,以避免酸性废水生成,另一方面利用生成的碳酸钙对骨料的表面和内部孔隙进行填充,降低煤矸石骨料的吸水率,固化重金属离子,达到对骨料改性和强化的目的;除此之外,考虑到传统水泥的生产利用与国家低碳环保的发展理念相违背,碱激发胶凝材料是目前可替代水泥的胶凝材料之一,选择使用粉煤灰、矿渣粉等固体废弃物充当胶凝材料来代替水泥,并使用氢氧化钙激发混合材的胶凝特性,制备微生物高硫煤矸石免烧结砖。主要取得了以下研究成果:(1)将高硫煤矸石进行破碎、筛分,并用产脲酶细菌KJ01进行微生物改性增强骨料品质,研究骨料改性过程中菌液浓度、营养液中尿素浓度及钙离子浓度对骨料力学性能的影响规律。实验结果表明:Ca浓度为1.0mol/L时,骨料的全硫量由7.99%降至4.4%,降幅为44.9%,吸水率由11.33%降至6.1%,吸水率降幅46.16%;菌液浓度为0.4时全硫量由7.99%降至3.76%,全硫量降幅为52.9%,吸水率由11.33%降至7.05%,吸水率降幅为37.77%;尿素浓度为1.0mol/L时,骨料的全硫量由7.99%降至3.5%,全硫量降幅为56.2%,吸水率由11.33%降至5.14%,吸水率降幅为54.63%。(2)使用改性后的高硫煤矸石骨料、粉煤灰、矿渣粉、石膏以及氢氧化钙制备高硫煤矸石免烧结砖试件,分析粉煤灰、矿渣粉、石膏及氢氧化钙掺量对微生物高硫煤矸石免烧结砖抗折强度和抗压强度的影响规律。基于前期研究高硫煤矸石骨料与粉煤灰质量比为3:7时试件力学性能较好,后续实验研究保持高硫煤矸石占比不变,采用不同矿物掺和料等量替换粉煤灰,改变其比例。在28d的养护龄期下,实验结果表明,试件的抗折强度和抗压强度较对照组都有所增加:添加20%矿粉试件的抗折强度较对照组增长86.7%,抗压强度增长38.9%;添加20%矿粉及10%熟石灰试件的抗折强度较对照组增长100%,抗压强度增长398.1%;同时添加20%矿粉、10%熟石灰和5%石膏试件的抗折强度较对照组增长193.3%,抗压强度增长463%,故高硫煤矸石免烧砖的最佳配合比为高硫煤矸石:粉煤灰:矿粉:熟石灰:石膏=6:7:4:2:1。(3)对高硫煤矸石免烧结砖中微生物优化抗折强度、抗压强度的效果展开研究,分析菌液浓度、营养液中钙离子浓度及尿素浓度对微生物高硫煤矸石免烧结砖强度的影响规律。研究表明:随着菌液浓度(0-1.20)和营养液中钙离子浓度(0mol/L-1.20mol/L)、尿素浓度(0mol/L-1.20mol/L)的提高,相比于对照组,高硫煤矸石免烧砖的抗折强度、抗压强度均呈先增后减的变化趋势。实验结果表明:菌水悬液OD为0.8时,高硫煤矸石免烧砖的抗折强度从3.1MPa增长到4.8MPa,增幅为54.8%,抗压强度从27.5MPa增长到42.1MPa,增幅为53.1%;Ca浓度为0.8mol/L时,高硫煤矸石免烧砖的抗折强度从3.9MPa增长到5.0MPa,增幅为28.2%,抗压强度从25.3MPa增长到34.6MPa,增幅为36.8%;尿素溶液浓度0.8mol/L时,高硫煤矸石免烧砖的抗折强度从4.2MPa增长到5.2MPa,抗折强度增幅为23.8%,抗压强度从24.9MPa增长到31.2MPa,增幅为25.3%。(4)利用SEM及XRD技术,分析改性前后高硫煤矸石骨料以及微生物高硫煤矸石免烧结砖中矿化沉积后组分的变化,结果表明:骨料表面及缺陷处生成大量碳酸钙;试件中的胶凝材料粉煤灰、矿渣粉在氢氧化钙碱激发作用下,发生水化反应生成钙矾石,提高了试件的强度。利用ICP技术,分析骨料中重金属离子的固化率,结果表明:MICP过程中产