CN103193434B - 一种低碳和吸碳混凝土及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种低碳和吸碳混凝土及其制备方法，所述低碳和吸碳混凝土包括胶凝材料、骨料、激发剂、减水剂和水；以每立方米混凝土计，所述胶凝材料加入量为290～560kg；所述骨料加入量为1690～1860kg；所述激发剂的加入量为6～12kg；所述减水剂的加入量为1.5～6kg；水胶比为0.28～0.65；其中，在所述胶凝材料中，所述胶凝材料包括如下原料：水泥、矿渣粉、高钙粉煤灰或增钙粉煤灰；所述激发剂为至少含有硫酸钠、天然石膏、工业石膏中的一种、和速溶硅酸钠、碳酸钠、碳酸氢钠、氢氧化钠、氟化钠中的任意一种或几种。本发明所述低碳和吸碳混凝土是在利用高钙粉煤灰或增钙粉煤灰制备得到的在水泥用量较少的情况下具有高强度、高稳定性且吸碳性能的低碳混凝土。

Description

一种低碳和吸碳混凝土及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种低碳和吸碳混凝土及其制备方法，属于混凝土工程技术领域。

背景技术

水泥生产过程中不可避免地会产生二氧化碳，根据二氧化碳产生的阶段不同可将水泥生产过程中二氧化碳的排放分为直接排放和间接排放，其中，直接排放是指水泥生产过程中由碳酸钙分解产生的二氧化碳的排放，间接排放是指水泥生产过程中水泥窑燃料燃烧产生的二氧化碳以及电耗等阶段产生的二氧化碳。据统计，每生产一吨水泥，直接排放和间接排放总计约0.8吨的二氧化碳。因此，水泥业是名符其实的碳排放大户。大量的二氧化碳的排放不仅破坏了人类的生存环境，还极大地损害人类的健康。在国家大力提倡可持续发展的今天，发展绿色环保的高性能混凝土显得尤为重要。

近年来，预拌混凝土中常使用大量的矿物掺合料，如粒化高炉矿渣粉、粉煤灰等，这些矿物掺合料的使用不仅改善了混凝土的工作性、耐久性和体积稳定性，更为重要的是其在一定程度上减少了水泥的用量，而水泥用量的减少可以适当降低水泥的生产量，进而减少二氧化碳的排放量。高钙粉煤灰作为一种矿物掺合料，其可以代替部分水泥应用于混凝土中，但是，高钙粉煤灰与普通低钙粉煤灰相比，高钙粉煤灰的矿物组成中不仅含有与低钙粉煤灰相同的矿物，如石英、莫来石等，还含有低钙粉煤灰中没有的铝酸三钙、硅酸二钙、f-CaO、MgO等，其中含量较高的f-CaO容易造成混凝土体积膨胀而引起安定性不良。因此，本领域技术人员在将高钙粉煤灰作为矿物掺合料应用于混凝土中时，必须首先对高钙粉煤灰中的f-CaO进行无害化处理。

诸如，中国专利文献CN101898883A公开了一种利用高钙粉煤灰作为混凝土矿物掺合料制备得到的高钙粉煤灰混凝土，其包括如下原料，拌合水144～175kg、水泥224～480kg、高钙粉煤灰35～135kg、碎石1007～1120kg、砂671～804kg、减水剂1.7～9kg、低钙粉煤灰0～110kg、矿渣粉0～110kg。上述技术中，采用高钙粉煤灰作为矿物掺合料，为了解决高钙粉煤灰中f-CaO对混凝土安定性的影响，其必须采用富含Ca（HCO₃）₂与Mg（HCO₃）₂的暂时硬水作为拌合水，利用拌合水中的Ca（HCO₃）₂与Mg（HCO₃）与高钙粉煤灰中的f-CaO反应生成CaCO₃与Mg（OH）₂固体，才可以消除高钙粉煤灰应用于混凝土制备时带来的安定性不良问题。但是，暂时硬水受地域分布影响较大，对于暂时硬水分布较少的北方地区，就不能采用上述技术将高钙粉煤灰应用于混凝土领域，进而导致高钙粉煤灰使用受限。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是现有技术中需要使用暂时硬水对高钙粉煤灰进行无害化处理，而暂时硬水受地域分布影响较大，进而导致高钙粉煤灰使用受限，进而提供一种不需对高钙粉煤灰进行无害化处理，还可以利用高钙粉煤灰制备具有低碳和吸碳性能的绿色环保混凝土。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种低碳和吸碳混凝土，以每立方米混凝土计，所述胶凝材料加入量为290～560kg；所述骨料加入量为1690～1860kg；所述激发剂的加入量为6～12kg；所述减水剂的加入量为1.5～6kg；水胶比为0.28～0.65；

其中，在所述胶凝材料中，所述胶凝材料包括如下重量份数的原料：水泥为10～50份、矿渣粉为10～60份、高钙粉煤灰或增钙粉煤灰或高钙粉煤灰与增钙粉煤灰的混合物为10～30份；

所述骨料包括砂子和石子；

所述激发剂至少含有硫酸钠、天然石膏、天然二水石膏、工业石膏中的一种。

在所述胶凝材料中，所述胶凝材料由如下重量份数的原料组成：水泥为10～50份、矿渣粉为10～60份、高钙粉煤灰或增钙粉煤灰或高钙粉煤灰与增钙粉煤灰的混合物为10～30份；

在所述胶凝材料中，所述胶凝材料优选由如下重量份数的原料组成：所述水泥为20～30份，所述矿渣粉为20～40份，所述高钙粉煤灰或增钙粉煤灰为15～25份。

所述激发剂还包括激发剂助剂，所述激发剂助剂为硅酸钠、碳酸钠、碳酸氢钠、氢氧化钠、氟化钠中的一种或几种。

以质量计，所述激发剂与所述激发剂助剂添加量的比值为2:1～1:1。

所述骨料的砂率为40～55%。

所述矿渣粉中玻璃体含量大于90wt%，所述矿渣粉的比表面积≥400m²/kg。

所述高钙或增钙粉煤灰中10wt%＜CaO含量＜20wt%，细度为45μm方孔筛筛余不大于25%。

所述水泥为硅酸盐水泥、粉煤灰硅酸盐水泥、矿渣硅酸盐水泥和复合硅酸盐水泥中的任意一种；所述减水剂为萘系减水剂、脂肪族减水剂、氨基磺酸盐减水剂或聚羧酸减水剂的任意一种或几种。

本发明还提供了一种所述混凝土的制备方法，包括如下步骤：

（1）将特定量的水泥、矿渣粉、高钙粉煤灰或增钙粉煤灰或高钙粉煤灰与增钙粉煤灰的混合物、激发剂或激发剂与激发剂助剂的混合物混合均匀，得到混合材料；

（2）将特定量的所述步骤（1）中的混合材料与特定量的骨料混合均匀，得到混合物；

（3）将特定量的减水剂溶于特定量的水中，得到减水剂水溶液；

（4）将所述步骤（3）中的减水剂水溶液加入至所述步骤（2）中的混合物中，搅拌均匀，得到低碳和吸碳混凝土。

本发明所述的地聚合物混凝土及其制备方法与现有技术相比具有如下优点：

（1）本发明所述低碳和吸碳混凝土，通过选择特定量的水泥、矿渣粉、高钙粉煤灰或增钙粉煤灰或高钙粉煤灰与增钙粉煤灰混合物作为胶凝材料，与特定量、特定种类的激发剂相互作用时，矿渣粉中的玻璃体在高钙粉煤灰或增钙粉煤灰提供的部分f-CaO的作用下发生解聚，形成水化铝酸钙，同时激发剂中的硫酸根离子促使水化铝酸钙转化成强度更高、稳定性较好的钙矾石，最终与骨料相互作用形成强度高、稳定性好的混凝土。而混凝土中含有的高钙粉煤灰或增钙粉煤灰中没有参与矿渣粉解聚的的剩余的f-CaO还可以吸收空气中的CO₂。由于本发明所述低碳和吸碳混凝土中形成了钙矾石，而钙矾石具有强度高、稳定性好的优点，因此混凝土中剩余的f-CaO吸收空气中CO₂时，不会发生现有技术中常出现的混凝土安定性不良的问题，从而克服了现有技术中需要用暂时硬水对高钙粉煤灰中f-CaO进行处理时由于暂时硬水分布不均导致高钙粉煤灰使用受限的问题。在本发明所述特定配比的胶凝材料、高钙粉煤灰或增钙粉煤灰、骨料、减水剂以及激发剂的量的作用下，可以在不消除高钙粉煤灰或增钙粉煤灰中f-CaO的影响下，且在水泥用量较少的情况下形成高强度、高稳定性且具有吸碳性能的低碳和吸碳混凝土。

（2）本发明所述低碳和吸碳混凝土，进一步限制所述矿渣粉中玻璃体的含量大于90wt%，这样更有利于矿渣粉在高钙粉煤灰或增钙粉煤灰的作用下发生解聚，且可以形成更多的水化铝酸钙，进而在低碳和吸碳混凝土内形成大量的强度更高、稳定性较好的钙矾石，使得本发明所述低碳和吸碳混凝土在吸碳过程中，具有优异的体积稳定性，同时还可增加低碳和吸碳混凝土的使用寿命。进一步地，本发明还限制了所述高钙或增钙粉煤灰中10wt%＜CaO含量＜20wt%，氧化钙含量在该范围内时，一方面可以保证粉煤灰中玻璃体解聚更为完全，另一方面还可以保证所述混凝土具有优异的吸碳性能，使得制备得到混凝土的吸碳性能和体积稳定性能达到最佳平衡。

（3）本发明所述低碳和吸碳混凝土的制备方法，首先将特定量的水泥、矿渣粉、高钙粉煤灰或增钙粉煤灰与特定量的激发剂混合均匀，这样有利于胶凝材料与激发剂紧密接触；然后再将上述材料与特定量的骨料混合均匀，形成混合物，使胶凝材料与激发剂尽量完全地包覆于骨料颗粒的表面，同时还均匀填充于骨料颗粒之间的空隙内；将减水剂水溶液加入至上述混合物中，激发剂遇水后，由于激发剂与胶凝材料紧密结合，便于激发剂与胶凝材料中矿渣粉、高钙粉煤灰或增钙粉煤灰迅速且完全反应，形成强度高、稳定性好的钙矾石，而激发剂与胶凝材料又包覆于骨料颗粒的表面及填充于骨料颗粒的孔隙内，使得在骨料颗粒表面及骨料颗粒之间形成稳定的钙矾石，进而使得制备得到的混凝土，一方面具有水泥用量少，即低碳性能，另一方面混凝土内含有的多余的f-CaO还可以吸收空气中CO₂，且吸收CO₂后的混凝土还具有高强度和高稳定性作用。

具体实施方式

以下结合实施例，对本发明所述低碳和吸碳混凝土作进一步具体描述，但不局限于此。在实施例中所使用的原料均为市售产品。

实施例1

（1）将29kg的硅酸盐水泥、174kg的矿渣粉、87kg的氧化钙含量为8wt%的高钙粉煤灰、6kg工业石膏混合均匀，得到混合材料；

（2）将上述步骤（1）中的混合材料与1860kg的骨料混合均匀，得到混合物，其中所述骨料为石子和砂子，所述骨料的砂率为55%；

（3）将1.5kg的萘系减水剂溶于188.5kg的水中，得到减水剂水溶液；

（4）将所述步骤（3）中的减水剂水溶液加入所述步骤（2）中的混合物中，搅拌均匀，得到低碳和吸碳混凝土A。

实施例2

（1）将80kg的粉煤灰硅酸盐水泥、160kg的玻璃体含量为90.7wt%的矿渣粉、100kg的氧化钙含量为10.2wt%的高钙粉煤灰、8kg的天然石膏混合均匀，得到混合材料；

（2）将上述步骤（1）中的混合材料与1824kg的骨料混合均匀，得到混合物，其中所述骨料为石子和砂子，所述骨料的砂率为48%；

（3）将2.7kg的脂肪族减水剂溶于170kg的水中，得到减水剂水溶液；

（4）将所述步骤（3）中的减水剂水溶液加入所述步骤（2）中的混合物中，搅拌均匀，得到低碳和吸碳混凝土B。

实施例3

（1）将180kg的矿渣硅酸盐水泥、120kg的玻璃体含量为97.5wt%的矿渣粉、90kg的氧化钙含量为12.4wt%的高钙粉煤灰、9kg的硫酸钠钠混合均匀，得到混合材料；

（2）将上述步骤（1）中的混合材料与1786kg的骨料混合均匀，得到混合物，其中所述骨料为石子和砂子，所述骨料的砂率为45%；

（3）将3.8kg的氨基磺酸盐减水剂溶于167.7kg的水中，得到减水剂水溶液；

（4）将所述步骤（3）中的减水剂水溶液加入所述步骤（2）中的混合物中，搅拌均匀，得到低碳和吸碳混凝土C。

实施例4

（1）将150kg的复合硅酸盐水泥、150kg的玻璃体含量为90.5wt%的矿渣粉、150kg的氧化钙含量为14.7wt%的增钙粉煤灰、10kg的硫酸钠混合均匀，得到混合材料；

（2）将上述步骤（1）中的混合材料与1750kg的骨料混合均匀，得到混合物，其中所述骨料为石子和砂子，所述骨料的砂率为42%；

（3）将4.6kg的聚羧酸减水剂溶于157.5kg的水中，得到减水剂水溶液；

（4）将所述步骤（3）中的减水剂水溶液加入所述步骤（2）中的混合物中，搅拌均匀，得到低碳和吸碳混凝土D。

实施例5

（1）将224kg的硅酸盐水泥、280kg的玻璃体含量为95.1wt%的矿渣粉、56kg的氧化钙含量为16.3wt%的增钙粉煤灰、12kg的工业石膏混合均匀，得到混合材料；

（2）将上述步骤（1）中的混合材料与1690kg的骨料混合均匀，得到混合物，其中所述骨料为石子和砂子，所述骨料的砂率为43%；

（3）将6.0kg的聚羧酸减水剂溶于156.8kg的水中，得到减水剂水溶液；

（4）将所述步骤（3）中的减水剂水溶液加入所述步骤（2）中的混合物中，搅拌均匀，得到低碳和吸碳混凝土E。

实施例6

（1）将350kg的矿渣硅酸盐水泥、70kg的玻璃体含量为94.7wt%的矿渣粉、30kg的氧化钙含量为16.3wt%的增钙粉煤灰和40kg的氧化钙含量为10.4wt%的高钙粉煤灰的混合物、11kg的天然石膏、6kg速溶硅酸钠和5kg的氢氧化钠混合均匀，得到混合材料；

（2）将上述步骤（1）中的混合材料与1730kg的骨料混合均匀，得到混合物，其中所述骨料为石子和砂子，所述骨料的砂率为40%；

（3）将5.2kg的聚羧酸减水剂溶于151.9kg的水中，得到减水剂水溶液；

（4）将所述步骤（3）中的减水剂水溶液加入所述步骤（2）中的混合物中，搅拌均匀，得到低碳和吸碳混凝土F。

实施例7

（1）将100kg的矿渣硅酸盐水泥、120kg的玻璃体含量为92.4wt%的矿渣粉、40kg的氧化钙含量为18.4wt%的增钙粉煤灰和40kg的氧化钙含量为18.9wt%的高钙粉煤灰混合物、7kg的天然二水石膏、7kg的速溶硅酸钠混合均匀，得到混合材料；

（2）将上述步骤（1）中的混合材料与1850kg的骨料混合均匀，得到混合物，其中所述骨料为石子和砂子，所述骨料的砂率为48%；

（3）将1.8kg的萘系减水剂溶于168kg的水中，得到减水剂水溶液；

（4）将所述步骤（3）中的减水剂水溶液加入所述步骤（2）中的混合物中，搅拌均匀，得到低碳和吸碳混凝土G。

实施例8

（1）将200kg的复合硅酸盐水泥、200kg的玻璃体含量为96.1wt%的矿渣粉、70kg的氧化钙含量为19.8wt%的增钙粉煤灰和90kg的氧化钙含量为19.4wt%的高钙粉煤灰的混合物、12kg的硫酸钠、6kg的速溶硅酸钠、4kg的碳酸氢钠混合均匀，得到混合材料；

（2）将上述步骤（1）中的混合材料与1690kg的骨料混合均匀，得到混合物，其中所述骨料为石子和砂子，所述骨料的砂率为41%；

（3）将6.0kg的聚羧酸减水剂溶于156.8kg的水中，得到减水剂水溶液；

（4）将所述步骤（3）中的减水剂水溶液加入所述步骤（2）中的混合物中，搅拌均匀，得到低碳和吸碳混凝土H。

实施例9

（1）将150kg的复合硅酸盐水泥、200kg的玻璃体含量为93.6wt%的粒化高炉矿渣粉、100kg的氧化钙含量为10.7wt%的增钙粉煤灰和25kg的氧化钙含量为10.6wt%的高钙粉煤灰混合物、10.5kg的天然二水石膏、7kg的氢氧化钠混合均匀，得到混合材料；

（2）将上述步骤（1）中的混合材料与1740kg的骨料混合均匀，得到混合物，其中所述骨料为石子和砂子，所述骨料的砂率为40%；

（3）将4.8kg的聚羧酸减水剂溶于156.75kg的水中，得到减水剂水溶液；

（4）将所述步骤（3）中的减水剂水溶液加入所述步骤（2）中的混合物中，搅拌均匀，得到低碳和吸碳混凝土I。

对比例

将320kg的普通硅酸盐水泥、80kg的游离氧化钙含量为10wt%的高钙粉煤灰、1094kg的碎石、729kg的砂692kg、3.2kg的聚羧酸减水剂混合均匀，加入164kg的HCO3-浓度为630mg/L的暂时硬水，混合均匀得到混凝土J。

性能测定评价例

取上述实施例1至9制备得到的低碳和吸碳混凝土进行28d、60d抗压强度、坍落度、碳化深度的性能测试，测试结果见表1。

所述坍落度、抗压强度性能测试方法及仪器分别严格按照GB/T50080《普通混凝土拌合物性能试验方法》、GB/T50081《普通混凝土力学性能试验方法》执行。

所述碳化深度的测试依据GB/T50082《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》执行。

表1实施例1～9的测试结果：

从上述测试结果可以看出，本发明制备得到的低碳和吸碳混凝土，坍落度为180～240mm，7d抗压强度为11.8～43.8MPa，28d抗压强度为18.3～78.6MPa，28d的碳化深度为0.2～10.7mm，其中实施例3中C30的混凝土的7d抗压强度为26.4MPa，28d的抗压强度为44.6MPa，28d的碳化深度为9.4mm，而对比例中的C30的混凝土的7d的抗压强度为20.7MPa，28d抗压强度为42.5MPa，28d碳化深度则为0mm,由此可知本发明所述低碳和吸碳混凝土不仅具有优异的抗压强度，同时还具有现有技术中采用高钙粉煤灰制备得到的混凝土所不具有的优异的吸碳性能，并且降低了大幅降低了水泥用量，既节约了混凝土的生产成本还减少了碳排放。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举，而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造权利要求的保护范围之中。

Claims (1)

1.一种低碳和吸碳混凝土，其特征在于：以每立方米混凝土计，胶凝材料加入量为290~560kg；骨料加入量为1690~1860kg；激发剂的加入量为6~12kg；减水剂的加入量为1.5~6kg；水胶比为0.28~0.65；

其中，在所述胶凝材料中，所述胶凝材料由如下重量份数的原料组成：水泥为20～30 份，矿渣粉为20～40 份，高钙粉煤灰或增钙粉煤灰为15～25份；

所述骨料包括砂子和石子；

所述激发剂至少含有硫酸钠、天然石膏、天然二水石膏、工业石膏中的一种。

2.根据权利要求1 所述低碳和吸碳混凝土，其特征在于，所述激发剂还包括激发剂助剂，所述激发剂助剂为硅酸钠、碳酸钠、碳酸氢钠、氢氧化钠、氟化钠中的一种或几种。

3.根据权利要求2所述低碳和吸碳混凝土，其特征在于，以质量计，

所述激发剂与所述激发剂助剂添加量的比值为2:1~1:1。

4.根据权利要求1~3 任一所述低碳和吸碳混凝土，其特征在于，所述骨料的砂率为40~55%。

5.根据权利要求4所述低碳和吸碳混凝土，其特征在于，所述矿渣粉中玻璃体含量大于90wt%，所述矿渣粉的比表面积≥400m²/kg。

6.根据权利要求5所述低碳和吸碳混凝土，其特征在于，所述高钙或增钙粉煤灰中10wt%＜CaO 含量＜20wt%，细度为45μm 方孔筛筛余不大于25%。

7.根据权利要求6所述低碳和吸碳混凝土，其特征在于，所述水泥为硅酸盐水泥、粉煤灰硅酸盐水泥、矿渣硅酸盐水泥和复合硅酸盐水泥中的任意一种；所述减水剂为萘系减水剂、脂肪族减水剂、氨基磺酸盐减水剂或聚羧酸减水剂的任意一种或几种。

8.权利要求1~7 任一所述混凝土的制备方法，包括如下步骤：

（1）将特定量的水泥、矿渣粉、高钙粉煤灰或增钙粉煤灰、激发剂或激发剂与激发剂助剂的混合物混合均匀，得到混合材料；

（2）将特定量的所述步骤（1）中的混合材料与特定量的骨料混合均匀，得到混合物；

（3）将特定量的减水剂溶于特定量的水中，得到减水剂水溶液；

（4）将所述步骤（3）中的减水剂水溶液加入至所述步骤（2）中的混合物中，搅拌均匀，得到低碳和吸碳混凝土。