一种赤泥-膨胀土联合微生物的泡沫轻质土及其制备方法

本发明涉及土木工程材料，特别是一种赤泥-膨胀土联合微生物的泡沫轻质土及其制备方法。

背景技术：

1、中国是世界制铝大国，据2021年统计，中国氧化铝产量约占世界总量的55％，制铝工业的蓬勃发展也带来了大量的固体废弃物-赤泥。赤泥是工业提取氧化铝产生的副产品，每提炼一吨氧化铝会产生1～2吨赤泥，且每年以1.2亿吨的增量持续增加。根据制铝工艺的不同，赤泥主要有：烧结法赤泥、拜尔法赤泥和联合法赤泥三种类型，中国制铝企业大部分采用拜耳法工艺。中国赤泥堆场总量超10亿吨，以广西壮族自治区百色市为例，其赤泥堆场占地面积超过25000亩，每年投入的堆场维护费用高达1.2亿元。这些给制铝行业的健康发展带来严重负担，亟需探索合理、快速消耗赤泥的新思路。

2、膨胀土，是一种高塑性黏土，具有很强的亲水性和饱水性，遇水快速膨胀、失水极易收缩，其工程性质与水分密切相关，遇水后易引发各类工程事故，属于典型的致灾特殊土。膨胀土在中国各地区分部广泛。现有工程建设中，对于膨胀土地基通常采用“换填法”处治，即将膨胀土挖除，替换以工程性质优良的其他土体。这种处治方法费工、费时，且挖除的膨胀土需要运输和场地堆存，没有从本质上实现膨胀土的高效、低碳、安全处治。土木工程建设通常需要消耗大量的土、石类建筑材料，这些材料在经过特定的科学技术手段处理后，可满足相应的工程设计要求，进而实现固体废弃物、不良土体的安全、快速处治，此外，工程建设成本也会显著降低。

3、现有学者提出利用赤泥、膨胀土制备泡沫轻质土技术，应用于道路、桥梁等各类构筑物的基础建设中，获得了良好的经济和社会效益。需要指出的是，目前关于赤泥、膨胀土或两者混合物制备泡沫轻质土的技术中，仍需消耗大量传统水泥材料，以达到胶结目的。水泥材料在生产过程中需要消耗大量的天然黏土、化石能源，同时排放出二氧化碳等温室气体，是一种高能耗、高排放的建筑材料。基于尿素水解反应的微生物诱导碳酸盐沉积技术(micp)是一种较为高效的一种生物调控技术，其发挥胶凝作用的过程中完全突破了传统水泥材料的限制，真正实现了“绿色”、“低碳”，受到多个领域学者的青睐。天然膨胀土中存在土著脲酶菌，在特定的环境下可将其激活、培养繁殖，脲酶菌能够分泌脲酶并水解尿素，释放出碳酸根离子。在适宜的碱性环境中，碳酸根离子与钙、镁等阳离子结合，产生具有胶凝效果的碳酸盐沉淀。赤泥中含有丰富的钙、铝等金属离子，酸碱度为碱性，可为碳酸盐类胶凝产物的生成提供必要且良好的环境。

4、因此，在micp技术的基础上，亟需高效、安全激发膨胀土中的土著脲酶菌，充分利用赤泥提供的良好胶凝沉淀环境，突破传统水泥材料的限制，研发完全绿色、低碳的赤泥-膨胀土泡沫轻质土材料。

技术实现思路

1、本发明要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，而提供一种赤泥-膨胀土联合微生物的泡沫轻质土及其制备方法，该赤泥-膨胀土联合微生物的泡沫轻质土及其制备方法能够有效利用膨胀土中的土著脲酶菌，并与固废赤泥协同发挥作用，使其产生胶结物质，提升泡沫土的工程性能，可为固废赤泥和膨胀土的安全、高效资源化利用，以及绿色、低碳土木建筑材料研发提供重要技术支持，具有重要的工程实践价值和良好的社会经济效益。

2、为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

3、一种赤泥-膨胀土联合微生物的泡沫轻质土，包括以下重量份的组分原料：

4、赤泥150-200份；

5、膨胀土400-500份；

6、土著脲酶菌培养液20-50份；

7、发泡气体气泡群30-50份；

8、水200-300份；

9、其中，土著脲酶菌培养液包括酸碱度调节液、土著脲酶菌激发液和土著脲酶菌胶结液。

10、土著脲酶菌激发液中具有浓度不低于15g/l的尿素。

11、土著脲酶菌胶结液中具有浓度不低于0.3mol/l的钙离子。

12、赤泥中氧化钙的质量分数不低于10％，二氧化硅的质量分数不低于10％，三氧化二铝的质量分数不低于15％。

13、膨胀土自由膨胀率不低于50％。

14、土著脲酶菌培养液中酸碱度调节液的重量份为30-50份、土著脲酶菌激发液的重量份为300-400份，土著脲酶菌胶结液的重量份为150-200份；其中，酸碱度调节液为10g/l硫酸铵；土著脲酶菌激发液包括25-30g/l营养肉汤和15-20g/l尿素；土著脲酶菌胶结液包括35-40g/l氯化钙、15-18g/l尿素、5-10g/l氯化铵和0.5-1.0g/l营养肉汤。

15、发泡气体气泡群包括以下重量份的组分原料：发泡剂10-30份、稳泡剂0.1-1份和活性剂0.1-1份。

16、发泡剂为松香树脂类、合成表面活性剂类、蛋白活性物型类和复合改性型发泡剂中的一种或组合；稳泡剂为大分子物质类、硅树脂聚醚乳液类、脂肪醇和脂肪酸类稳泡剂中的一种；活性剂为椰油酰甘氨酸钠。

17、一种赤泥-膨胀土联合微生物的泡沫轻质土的制备方法，包括如下步骤。

18、步骤1、混料：将赤泥和膨胀土按设定比例搅拌混合均匀。

19、步骤2、调节ph：将酸碱度调节液和水添入步骤1-1制备的赤泥-膨胀土混料中并搅拌均匀，得到ph值为8.0-9.0的赤泥-膨胀土混合浆料；赤泥-膨胀土混合浆料中含有活性脲酶菌。

20、步骤3、生成碳酸根离子：将高压灭菌并冷却至室温的土著脲酶菌激发液，分次添加至ph值调节后的赤泥-膨胀土混合浆料中；此时，土著脲酶菌激发液中的尿素，将在活性脲酶菌的作用下水解，产生含有碳酸根离子的浆料。

21、步骤4、生成胶结物：将土著脲酶菌胶结液分次添入含有碳酸根离子的浆料中，碳酸根离子将与土著脲酶菌胶结液中的钙离子以及赤泥中的硅离子和铝离子，生成含有胶结物的浆料；胶结物包括碳酸钙胶结物、硅酸盐胶结物和铝酸盐胶结物。

22、步骤5、生成气泡：将发泡气体气泡群加入含有胶结物的浆料中，并搅拌均匀，得到含有气泡的浆料；

23、步骤6、制备泡沫轻质土：将含有气泡的浆料浇筑至设定浇筑模具中，并恒温养护至指定龄期，得到泡沫轻质土。

24、步骤5中，发泡气体气泡群的制备方法，包括如下步骤：

25、步骤5-1、制备发泡液：将发泡剂加水稀释，再加入稳泡剂和活性剂，搅拌混匀，得发泡液。

26、步骤5-2、发泡：将步骤5-1制备的发泡液加入发泡机；接着，打开发泡机的进气阀，使外部气体进入发泡机与发泡液产生发泡作用，形成气泡。

27、步骤5-3、出泡：将步骤5-2形成的气泡，以设定压力和水泵速比放出，得到发泡气体气泡群。

28、步骤5-1中，发泡剂加水稀释70-80倍；步骤5-2中，外部气体为空气、二氧化碳、氮气、氢气和氦气中的一种或组合；步骤5-3中，当设定压力为200-500kpa，水泵速比为50-100时，能得到密度为48-55kg/m3的发泡气体气泡群。

29、步骤5中，发泡气体气泡群中含有半衰期为γ的发泡剂；步骤6中，含有气泡的浆料必须在半衰期γ内，浇筑至设定浇筑模具中。

30、本发明具有如下有益效果：

31、1.本发明选用制铝工业固废材料赤泥作为制备泡沫轻质土的原料之一，可以安全、快速的消耗大量堆场赤泥，推动土木建筑材料向绿色、低碳方向转变，同时降低工程建设成本、节约能源消耗。

32、2.本发明选用不良土体膨胀土作为制备泡沫轻质土的原料之一，利用膨胀土中的土著脲酶菌分解尿素，最终诱导产生以碳酸钙为主的胶结产物，替代传统泡沫轻质土中的水泥组分的效用，此外，膨胀土具有极强的遇水膨胀特性，可以助力泡沫轻质土的发泡品质。选用膨胀土制备泡沫轻质土还可以解决挖方膨胀土的堆放难题，实现自然资源的再生利用。

33、3.赤泥的碱性环境有利于膨胀土中土著脲酶菌的激活和发挥功效，赤泥中的主要成分三氧化二铝、二氧化硅和氧化钙会参与泡沫轻质土中胶结产物的生成，赤泥和膨胀土发挥协同胶结作用，提升泡沫轻质土的工程性能。

34、4.赤泥-膨胀土联合微生物的泡沫轻质土实现了“零”水泥添加，减少了水泥生产过程中能源消耗、温室气体排放和天然黏土资源的消耗；为固废赤泥的绿色资源化利用提供了新的途径；明显提升了膨胀土的处治水平；原位利用土著脲酶菌的方法拓宽了该泡沫轻质土的工程应用前景；符合可持续发展和生态文明建设要求。