CN110922107A - 一种彩色碳化硬化材料及其制备方法和用途 - Google Patents

一种彩色碳化硬化材料及其制备方法和用途 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种彩色碳化硬化材料及其制备方法和用途，该彩色碳化硬化材料由以下重量份的原料组成：碳化胶凝材料83～88份、颜料0.5～2份、碳化增强剂0.4～1.5份和水10～15份。本发明提供的彩色碳化硬化材料色彩丰富，抗压强度高，耐磨性能好，使用周期长，可作为彩色瓷砖使用；该彩色碳化硬化材料的制备方法制备过程简单、可控性高、成本低廉，同时可固化二氧化碳，符合如今社会的绿色节能减排理念。

Description

一种彩色碳化硬化材料及其制备方法和用途
技术领域
本发明涉及建筑材料技术领域，特别涉及一种彩色碳化硬化材料及其制备方法和用途。
背景技术
水泥行业是建筑行业的主要部分，最初的波特兰水泥自发明以来，由于其良好的力学性能和施工性能成为世界上应用最为广泛的建筑材料。然而，水泥工业是全球公认的二氧化碳排放大户，其二氧化碳排放主要来源于化石燃料的燃烧与碳酸钙的分解，随着CO2的大量排放，全球气温逐渐升高，导致温室效应，这与如今的可持续发展背道相驰。CO2的利用越来越受到广大学者的关注，碳化应运而生。
γ-C2S是水泥熟料矿物的一种，因其几乎无水化活性，故在水泥熟料的制备过程中是尽量避免生成的一类物质，然而因其矿物的组成使得γ-C2S具有很高的碳化活性，这种性能在当今社会呼吁的低碳环保理念下具有很好的优势与利用价值。与此同时，跟混凝土相比，γ-C2S不需要在添加引气剂、减水剂等一系列外加剂的情况下，仅仅在碳化后就具有很高的力学性能，这一点是混凝土所不具备的。
瓷砖是一种具有高强度、耐磨的材料，被广泛应用于建筑行业中。现有技术中，大部分彩色瓷砖材料采取烧结的方式使材料成型且具有一定的强度，然而其制作过程具有能耗高、可控性差、步骤复杂且耗时高等缺点。
发明内容
本发明的目的在于克服上述技术不足，提出一种彩色碳化硬化材料及其制备方法和用途，解决现有技术中现有的彩色瓷砖制作过程能耗高、可控性差、步骤复杂且耗时高的技术问题。
为达到上述技术目的，本发明的第一解决方案提供了一种彩色碳化硬化材料，由以下重量份的原料组成：碳化胶凝材料83～88份、颜料0.5～2份、碳化增强剂0.4～1.5份和水10～15份。
本发明的第二解决方案提供了一种彩色碳化硬化材料的制备方法，包括以下步骤：
将碳化增强剂和水配置成碳化增强剂溶液；
将碳化胶凝材料粉磨并过筛；
将过筛后的碳化胶凝材料、颜料和碳化增强剂溶液均匀混合，得到湿料；
将上述湿料置于模具中成型，得到坯体；
将上述坯体在二氧化碳气氛下养护，得到彩色碳化硬化材料。
上述彩色碳化硬化材料的制备方法用于制备本发明第一解决方案中提供的彩色碳化硬化材料。
本发明的第三解决方案提供了一种彩色碳化硬化材料的用途，本发明第一解决方案中提供的彩色碳化硬化材料用作彩色瓷砖。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
本发明提供的彩色碳化硬化材料色彩丰富，抗压强度高，耐磨性能好，使用周期长；
本发明提供的彩色碳化硬化材料的制备方法制备过程简单、可控性高、成本低廉，同时可固化二氧化碳，符合如今社会的绿色节能减排理念。
本发明提供的彩色碳化硬化材料可作为彩色瓷砖使用。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
对于本发明的第一解决方案，本发明提出了一种彩色碳化硬化材料，由以下重量份的原料组成：碳化胶凝材料83～88份、颜料0.5～2份、碳化增强剂0.4～1.5份和水10～15份。
根据本发明，上述碳化胶凝材料为γ型硅酸二钙(γ-C2S)、硅酸一钙、钢渣、二硅酸三钙中的一种或多种；优选地，上述碳化胶凝材料为为γ-C2S。上述碳化胶凝材料具有较低水化活性和较高碳化活性，碳化后具有有很高的力学性能。
具体的，γ-C2S为白色粉末，粒径分布为0.5～100μm，表观密度为2.91g/cm3。特别地，γ-C2S由氢氧化钙、二氧化硅和水混合后烧结制成；其中，氢氧化钙和二氧化硅的摩尔比2：1，水的加入量为氢氧化钙和二氧化硅总量的80～120％，烧结的温度为1350～1500℃，烧结的时间为2～4h。
根据本发明，上述碳化增强剂为聚乙二醇、聚乙烯醇、壳聚糖、无定形硅质材料中的一种或多种。本发明中，碳化增强材料的掺入可进一步提高彩色碳化硬化材料的强度。
根据本发明，上述颜料为氧化铁粉体颜料，如氧化铁红、氧化铁黄、氧化铁绿、氧化铁黑中的一种或多种。上述颜料具有色彩鲜艳、丰富和易拌和等特点，可根据需要在上述掺量范围内选取相应的颜料进行配色，掺量过低，将导致所得碳化硬化材料颜色不够鲜艳，掺量过高，将导致所得碳化硬化材料强度降低。
对于本发明的第二解决方案，本发明提出了一种彩色碳化硬化材料的制备方法，包括以下步骤：
将碳化增强剂和水配置成碳化增强剂溶液；
将碳化胶凝材料粉磨并过200～250目筛；
将过筛后的碳化胶凝材料、颜料和碳化增强剂溶液按水灰比0.14～0.16均匀混合，得到湿料；优选的，水灰比为0.15；
将上述湿料置于模具中成型，得到坯体；
将上述坯体在二氧化碳气氛下养护，得到彩色碳化硬化材料。
本发明第二解决方案中提供的彩色碳化硬化材料的制备方法用于制备本发明第一解决方案中提供的彩色碳化硬化材料。
根据本发明，上述将过筛后的碳化胶凝材料、颜料和碳化增强剂溶液按水灰比0.14～0.16均匀混合得到湿料的具体步骤为将过筛后的碳化胶凝材料和颜料按质量份配制并放入搅拌机中搅拌均匀，随后加入碳化增强剂溶液按水灰比0.14～0.16均匀混合。
根据本发明，将上述湿料置于模具中成型得到坯体的具体步骤为采用模具压制成型或冷等静压成型的方式得到坯体。优选为，上述成型的压力为10～30MPa，成型的时间为1～3min；上述成型过程中，所需坯体形状由成型模具控制，通过选择不同的成型模具可以得到不同形状的坯体。
根据本发明，上述坯体在二氧化碳气氛下养护的过程中，碳化养护容器内的温度为5～50℃，相对湿度50～100％，二氧化碳浓度10～99.8％，气压为0.1～0.5MPa，碳化时间为2～8小时。
对于本发明的第三解决方案，本发明提出了一种彩色碳化硬化材料的用途，本发明第一解决方案中提供的彩色碳化硬化材料用作彩色瓷砖，该彩色碳化硬化材料具有色彩丰富，抗压强度高，耐磨性能好，使用周期长等特点。
为避免赘述，本发明以下实施例中使用的原料总结如下：
本发明实施例中所用碳化胶凝材料为γ-C2S，该γ-C2S由摩尔比为2：1的氢氧化钙和二氧化硅混合后，加入与氢氧化钙和二氧化硅混合物等质量的水进一步混合后在1400℃下烧结3h而成，所得γ-C2S为白色粉末，粒径分布为0.5～100μm，表观密度为2.91g/cm3；
所用颜料为具有各种不同颜色的氧化铁粉颜料；
所用碳化增强剂为低分子量壳聚糖。
实施例1
将0.5份壳聚糖和12.8份去离子水混合，配置成壳聚糖溶液；
将上述壳聚糖溶液、85.4份过200～250目筛后的γ-C2S和1.3份氧化铁红混合均匀，得到湿料；
称取100g拌匀后的湿料置于10cm×10cm×10cm方形模具中，并以成型压力30MPa压制成型，得到坯体一；
称取12g湿料置于直径20mm模具中制备高度20mm的圆片，得到坯体二；
将上述坯体一和坯体二进行碳化，得到上述彩色碳化硬化材料。其中，碳化过程中CO2的纯度为99.8％，碳化压强为0.3MPa，碳化时间为2h。
上述过程中，所得坯体一和坯体二均为红色，且坯体一用于作为彩色瓷砖使用，坯体二用于测试所得碳化硬化材料的性能；经测试所得碳化硬化材料的2h抗压强度为67.64Mpa，表观密度为2.92g/cm3,孔隙率为27.6％。
实施例2
将0.9份壳聚糖和12.8份去离子水混合，配置成壳聚糖溶液；
将上述壳聚糖溶液、85份过200～250目筛后的γ-C2S和1.3份氧化铁黄混合均匀，得到湿料；
称取100g拌匀后的湿料置于10cm×10cm×10cm方形模具中，并以成型压力30MPa压制成型，得到坯体一；
称取12g湿料置于直径20mm模具中制备高度20mm的圆片，得到坯体二；
将上述坯体一和坯体二进行碳化，得到上述彩色碳化硬化材料。其中，碳化过程中CO2的纯度为99.8％，碳化压强为0.3MPa，碳化时间为2h。
上述过程中，所得坯体一和坯体二均为黄色，且坯体一用于作为彩色瓷砖使用，坯体二用于测试所得碳化硬化材料的性能；经测试所得碳化硬化材料的2h抗压强度为88.72Mpa，表观密度为2.73g/cm3,孔隙率为28.1％。
实施例3
将1.3份壳聚糖和12.7份去离子水混合，配置成壳聚糖溶液；
将上述壳聚糖溶液、84.7份过200～250目筛后的γ-C2S和1.3份氧化铁绿混合均匀，得到湿料；
称取100g拌匀后的湿料置于10cm×10cm×10cm方形模具中，并以成型压力30MPa压制成型，得到坯体一；
称取12g湿料置于直径20mm模具中制备高度20mm的圆片，得到坯体二；
将上述坯体一和坯体二进行碳化，得到上述彩色碳化硬化材料。其中，碳化过程中CO2的纯度为99.8％，碳化压强为0.3MPa，碳化时间为2h。
上述过程中，所得坯体一和坯体二均为绿色，且坯体一用于作为彩色瓷砖使用，坯体二用于测试所得碳化硬化材料的性能；经测试所得碳化硬化材料的2h抗压强度为108.64Mpa，表观密度为2.71g/cm3,孔隙率为28.5％。
实施例4
将1.3份壳聚糖和15份去离子水混合，配置成壳聚糖溶液；
将上述壳聚糖溶液、83.2份过200～250目筛后的γ-C2S和0.5份氧化铁红混合均匀，得到湿料；
称取100g拌匀后的湿料置于10cm×10cm×10cm方形模具中，并以成型压力30MPa压制成型，得到坯体一；
称取12g湿料置于直径20mm模具中制备高度20mm的圆片，得到坯体二；
将上述坯体一和坯体二进行碳化，得到上述彩色碳化硬化材料。其中，碳化过程中CO2的纯度为99.8％，碳化压强为0.3MPa，碳化时间为2h。
上述过程中，所得坯体一和坯体二均为红色，且坯体一用于作为彩色瓷砖使用，坯体二用于测试所得碳化硬化材料的性能；经测试所得碳化硬化材料的2h抗压强度为91.3Mpa，表观密度为2.61g/cm3,孔隙率为30.6％。
实施例5
将0.5份壳聚糖和10.1份去离子水混合，配置成壳聚糖溶液；
将上述壳聚糖溶液、87.6份过200～250目筛后的γ-C2S和1.8份氧化铁红混合均匀，得到湿料；
称取100g拌匀后的湿料置于10cm×10cm×10cm方形模具中，并以成型压力30MPa压制成型，得到坯体一；
称取12g湿料置于直径20mm模具中制备高度20mm的圆片，得到坯体二；
将上述坯体一和坯体二进行碳化，得到上述彩色碳化硬化材料。其中，碳化过程中CO2的纯度为99.8％，碳化压强为0.3MPa，碳化时间为2h。
上述过程中，所得坯体一和坯体二均为红色，且坯体一用于作为彩色瓷砖使用，坯体二用于测试所得碳化硬化材料的性能；经测试所得碳化硬化材料的2h抗压强度为78.3Mpa，表观密度为2.58g/cm3,孔隙率为30.6％。
由上述实施例1～5可知，本发明提供的碳化硬化材料制备方法简单、可控程度高、成本低，所得碳化硬化材料色彩丰富、且具有较高的抗压强度，可用于制作彩色瓷砖；同时通过上述实施例1～5还可以看出，在本发明提供的各原料组分范围内，所得碳化硬化材料的2h抗压强度随着壳聚糖掺量的增加而增加，其原因可能在于壳聚糖在体系中可以调控碳化产物晶型，促进钙离子溶出从而促进碳化反应的进行，从而增加所得彩色碳化硬化材料的强度。
对比例1
将0.8份壳聚糖和11.9份去离子水混合，配置成壳聚糖溶液；
将上述壳聚糖溶液、85份过200～250目筛后的γ-C2S和2.3份氧化铁红混合均匀，得到湿料；
称取100g拌匀后的湿料置于10cm×10cm×10cm方形模具中，并以成型压力30MPa压制成型，得到坯体一；
称取12g湿料置于直径20mm模具中制备高度20mm的圆片，得到坯体二；
将上述坯体一和坯体二进行碳化，得到上述彩色碳化硬化材料。其中，碳化过程中CO2的纯度为99.8％，碳化压强为0.3MPa，碳化时间为2h。
上述过程中，所得坯体一和坯体二均为红色，且坯体一用于作为彩色瓷砖使用，坯体二用于测试所得碳化硬化材料的性能；经测试所得碳化硬化材料的2h抗压强度为58.73Mpa，表观密度为2.88g/cm3,孔隙率为28.7％。
由上述对比例1可知，在本发明提供的范围内，可根据需要调节颜料的掺量，便于得到不同颜色的彩色瓷砖，然而，颜料掺量不宜超过本发明提供的范围，若掺量过多将导致所得彩色碳化硬化材料的强度降低。
对比例2
本对比例提供了一种纯γ-C2S碳化材料，通过以下步骤制成:
将87份γ-C2S和13份去离子水置于玛瑙研钵中研磨使水与粉料均匀混合，得到湿料；
称取100g拌匀后的湿料置于10cm×10cm×10cm方形模具中，并以成型压力30MPa压制成型，得到坯体一；
取12g湿料置于直径20mm模具中制备高度20mm的圆片，得到坯体二；
将上述坯体一和坯体二进行碳化，得到上述纯γ-C2S碳化材料。其中，碳化过程中CO2的纯度为99.8％，碳化压强为0.3MPa，碳化时间为2h。
上述过程中，所得坯体一和坯体二均为白色，坯体二用于测试所得碳化硬化材料的性能；经测试所得坯体二的2h抗压强度为54.83Mpa，表观密度为2.94g/cm3,孔隙率为29.1％。
由上述对比例2可知，本发明通过掺入颜料和壳聚糖能得到彩色碳化硬化材料；同时，与单纯的将γ-C2S碳化材料相比，本发明所得彩色碳化硬化材料色彩丰富，抗压强度高。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
本发明提供的彩色碳化硬化材料色彩丰富，抗压强度高，耐磨性能好，使用周期长；
本发明提供的彩色碳化硬化材料的制备方法制备过程简单、可控性高、成本低廉，同时可固化二氧化碳，符合如今社会的绿色节能减排理念。
本发明提供的彩色碳化硬化材料可作为彩色瓷砖使用。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，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，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种彩色碳化硬化材料，其特征在于，由以下重量份的原料组成：碳化胶凝材料83～88份、颜料0.5～2份、碳化增强剂0.4～1.5份和水10～15份。
2.根据权利要求1所述彩色碳化硬化材料，其特征在于，所述碳化胶凝材料为γ型硅酸二钙、硅酸一钙、钢渣、二硅酸三钙中的一种或多种。
3.根据权利要求1所述彩色碳化硬化材料，其特征在于，所述碳化增强剂为聚乙二醇、聚乙烯醇、壳聚糖、无定形硅质材料中的一种或多种。
4.根据权利要求1所述彩色碳化硬化材料，其特征在于，所述颜料为氧化铁粉体颜料。
5.一种彩色碳化硬化材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
将碳化增强剂和水配置成碳化增强剂溶液；
将碳化胶凝材料粉磨并过筛；
将过筛后的碳化胶凝材料、颜料和碳化增强剂溶液均匀混合，得到湿料；
将所述湿料置于模具中成型，得到坯体；
将所述坯体在二氧化碳气氛下养护，得到彩色碳化硬化材料；
所述彩色碳化硬化材料的制备方法用于制备权利要求1～4中任一项所述彩色碳化硬化材料。
6.根据权利要求5所述彩色碳化硬化材料的制备方法，其特征在于，将所述湿料置于模具中成型得到坯体的具体步骤为采用模具压制成型或冷等静压成型的方式得到坯体。
7.根据权利要求6所述彩色碳化硬化材料的制备方法，其特征在于，所述成型的压力为10～30MPa，成型的时间为1～3min。
8.根据权利要求5所述彩色碳化硬化材料的制备方法，其特征在于，所述坯体在二氧化碳气氛下养护的过程中，碳化养护容器内的温度为5～50℃，相对湿度50～100％，二氧化碳浓度10～99.8％，气压为0.1～0.5MPa，碳化时间为2～8小时。
9.一种彩色碳化硬化材料的用途，其特征在于，如权利要求1～4中任一项所述彩色碳化硬化材料用作彩色瓷砖。
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