CN111253139A - 一种基于碳酸化的高性能结构材料的制备方法 - Google Patents

一种基于碳酸化的高性能结构材料的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种基于碳酸化的高性能结构材料的制备方法，该制备方法采用钙质原料、硅质原料烧制成主要矿物组成为硅酸三钙、β‑硅酸二钙等具有水化活性，或γ‑硅酸二钙、二硅酸三钙、硅酸一钙等无水化活性，或上述任意矿物的组合的熟料，并将其与细骨料/和外加剂混合后，以低水固比成型，并进行碳酸化养护，其在养护过程中形成具有较高力学性能的碳酸钙和硅胶，使得本发明制得的高性能结构材料相比水泥基材料中的C‑S‑H凝胶具有更加优异的力学性能、热稳定性、耐侵蚀性能和体积稳定性，且可使其具有更短的养护时间，适用于建筑外墙、海洋设施、快速修复等工程建设。

Description

一种基于碳酸化的高性能结构材料的制备方法
技术领域
本发明涉及建筑材料技术领域，特别涉及一种基于碳酸化的高性能结构材料的制备方法。
背景技术
混凝土是通过水泥的水化反应生成C-S-H凝胶等水化产物将砂石骨料胶连形成的一种多孔、多相、多尺度的复杂结构材料，具有抗压强度高以及生产原料与工艺适应性强等优点，是当今世界用量最大的建筑材料。
石灰石(Limestone)是水泥生产的关键原料，同时也是混凝土的重要骨料，具有高强、高稳定、高耐久的特点，若能制备出一种产物组成结构类似于石灰石的建筑材料，则可以显著提升其力学性能和耐久性，促进基础设施建设向更广阔的区域延伸。
发明内容
有鉴于此，本发明旨在提出一种基于碳酸化的高性能结构材料的制备方法，以解决现有水泥水化反应生成C-S-H凝胶热稳定性和耐侵蚀性能较低的问题。
为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
一种基于碳酸化的高性能结构材料的制备方法，包括以下步骤：
1)熟料烧成：将钙质原料、硅质原料破碎、混合、粉磨，得到生料；将所述生料煅烧后，冷却，粉磨，得到磨细熟料；
2)坯体成型：将所述磨细熟料、细骨料、外加剂混合后，加水搅拌均匀，然后，浇筑成型，并养护24h后脱模，脱模后干燥，得到浇筑成型坯体；或将所述磨细熟料、细骨料混合后，加水搅拌均匀，然后，压制成型，得到压制成型坯体；
3)碳酸化养护：将所述浇筑成型坯体或所述压制成型坯体进行碳酸化养护，得到基于碳酸化的高性能结构材料。
可选地，所述步骤1)中所述生料的钙硅比为1.78-1.93。
可选地，所述步骤1)中所述煅烧的烧成温度为1320-1420℃，所述冷却的冷却速率为150-350℃/min。
可选地，所述步骤1)中所述磨细熟料的勃式比表面积为280-380m2/kg。
可选地，按质量百分数计，所述步骤2)的浇筑成型中所述磨细熟料、所述细骨料、所述外加剂的用量分别为50-70％、25-45％、3-5％，所述水的加入量为所述磨细熟料的用量的20-25％。
可选地，所述步骤2)的浇筑成型中所述养护的养护温度为20-40℃、养护湿度为75-100％；所述步骤2)的浇筑成型中所述干燥采用红外干燥，且干燥后的坯体含水率为10-15％。
可选地，按质量百分数计，所述步骤2)的压制成型中所述磨细熟料、所述细骨料的含量分别为50-70％、30-50％，所述水的加入量为所述磨细熟料的用量的10-15％。
可选地，所述步骤2)中所述压制成型的压力为20-40MPa，保压时间为1-3min。
可选地，所述步骤2)中所述浇筑成型或所述压制成型的细骨料均为石英砂，且所述石英砂由平均粒径为150μm的石英砂A和平均粒径为400μm的石英砂B按照35-45∶55-65的质量比混合而成。
可选地，所述步骤3)中所述碳酸化养护的养护工艺为：将所述浇筑成型坯体或所述压制成型坯体置于抽真空至压力为0.01-0.03MPa的碳酸化反应釜中，通入浓度大于20％、分压大于0.07MPa的CO2气体，碳酸化养护5-36h，在碳酸化养护过程中，养护龄期×CO2分压大于2.5MPa·h。
相对于现有技术，本发明所述的基于碳酸化的高性能结构材料的制备方法具有以下优势：
本发明采用钙质原料、硅质原料烧制成主要矿物组成为硅酸三钙、β-硅酸二钙等具有水化活性，或γ-硅酸二钙、二硅酸三钙、硅酸一钙等无水化活性，或上述任意矿物的组合的熟料，并将其与细骨料/和外加剂混合后，以低水固比成型，并进行碳酸化养护，其在养护过程中形成具有较高力学性能的碳酸钙和硅胶，使得本发明制得的高性能结构材料相比水泥基材料中的C-S-H凝胶具有更加优异的力学性能、热稳定性、耐侵蚀性能和体积稳定性，且可使其具有更短的养护时间，适用于建筑外墙、海洋设施、快速修复等工程建设。
附图说明
构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为本发明实施例1的基于碳酸化的高性能结构材料的体积变化曲线；
图2为本发明实施例1的基于碳酸化的高性能结构材料的抗高温性能图；
图3为本发明实施例2的基于碳酸化的高性能结构材料的毛细吸水率变化曲线。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
下面将结合附图和实施例来详细说明本发明。
实施例1
一种基于碳酸化的高性能结构材料的制备方法，具体包括以下步骤：
1)熟料烧成：将钙质原料(石灰石)、硅质原料(砂岩)破碎、混合、粉磨，得到钙硅比为1.80的生料；将生料在回转窑中煅烧(煅烧温度为1350℃)后，通过篦冷机冷却(冷却速率为350℃/min)，随后，进行粉磨，得到勃式比表面积为345m2/kg的磨细熟料；
2)坯体成型：按质量百分数计，将70％磨细熟料、25％石英砂、5％减水剂混合后，加自来水搅拌均匀，然后，倒入尺寸为50×50×100cm3的模具中浇筑成型，并在40℃、100％湿度下进行24h预养护，之后脱模并进行红外干燥，得到坯体含水率为15％的浇筑成型坯体，其中，水的加入量为磨细熟料的质量的23％，石英砂由平均粒径为150μm的石英砂A和平均粒径为400μm的石英砂B按照45∶55的质量比混合而成；
3)碳酸化养护：将浇筑成型坯体置于抽真空至压力为0.01MPa的碳酸化反应釜中，通入CO2浓度为30％、分压为0.3MPa的水泥窑压缩尾气，碳酸化养护24h，得到基于碳酸化的高性能结构材料，在该碳酸化养护过程中，养护龄期×CO2分压为7.2MPa·h。
对本实施例的基于碳酸化的高性能结构材料的力学性能以及真空饱水孔隙率进行测试。
经测试可知，本实施例的基于碳酸化的高性能结构材料的24h抗压强度为76MPa，其中，超早期2h抗压强度可达到48MPa，真空饱水孔隙率为16.7％，低于普通硅酸盐水泥砂浆20％的平均孔隙率。
对本实施例的基于碳酸化的高性能结构材料的体积稳定性、耐热性能进行测试。测试结果如图1和图2所示。
由图1可知，本实施例的基于碳酸化的高性能结构材料的体积变形要远小于超高性能混凝土材料，说明其具有优异的体积稳定性。
由图2可知，本实施例的基于碳酸化的高性能结构材料至少可以抵抗500℃的高温，不仅强度没有下降，反而有所提升，具有优异的耐热性能。
实施例2
一种基于碳酸化的高性能结构材料的制备方法，具体包括以下步骤：
1)熟料烧成：将钙质原料(石灰石)、硅质原料(砂岩)破碎、混合、粉磨，得到钙硅比为1.93的生料；将生料在回转窑中煅烧(煅烧温度为1350℃)后，通过篦冷机冷却(冷却速率为150℃/min)，随后，进行粉磨，得到勃式比表面积为365m2/kg的磨细熟料；
2)坯体成型：按质量百分数计，将50％磨细熟料、50％石英砂混合后，加自来水搅拌均匀，然后，倒入尺寸为5×5×12cm3的模具中，并在30MPa的成型压力下保压3min，以将混合料压制成型，得到压制成型坯体，其中，水的加入量为磨细熟料的质量的15％，石英砂由平均粒径为150μm的石英砂A和平均粒径为400μm的石英砂B按照45∶55的质量比混合而成；
3)碳酸化养护：将压制成型坯体置于抽真空至压力为0.03MPa的碳酸化反应釜中，通入CO2浓度为99％、分压为0.2MPa的工业CO2气体，碳酸化养护16h，得到基于碳酸化的高性能结构材料，在该碳酸化养护过程中，养护龄期×CO2分压为3.2MPa·h。
对本实施例的基于碳酸化的高性能结构材料的力学性能以及真空饱水孔隙率进行测试。
经测试可知，本实施例的基于碳酸化的高性能结构材料的8h抗压强度为108MPa，其中，超早期1h抗压强度可达到67MPa，真空饱水孔隙率为13.5％，低于普通硅酸盐水泥砂浆20％的平均孔隙率。
对本实施例的基于碳酸化的高性能结构材料的抗渗性能进行测试。测试结果如图3所示。
由图3可知，本实施例的基于碳酸化的高性能结构材料的毛细吸水水平要远低于超高性能混凝土(UHPC)和高性能混凝土材料(HPC)，说明其抗渗性能非常优异。
以上仅为本发明的较佳实施例而已，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 (10)

1.一种基于碳酸化的高性能结构材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)熟料烧成：将钙质原料、硅质原料破碎、混合、粉磨，得到生料；将所述生料煅烧后，冷却，粉磨，得到磨细熟料；
2)坯体成型：将所述磨细熟料、细骨料、外加剂混合后，加水搅拌均匀，然后，浇筑成型，并养护24h后脱模，脱模后干燥，得到浇筑成型坯体；或将所述磨细熟料、细骨料混合后，加水搅拌均匀，然后，压制成型，得到压制成型坯体；
3)碳酸化养护：将所述浇筑成型坯体或所述压制成型坯体进行碳酸化养护，得到基于碳酸化的高性能结构材料。
2.根据权利要求1所述的基于碳酸化制备高性能结构材料的方法，其特征在于，所述步骤1)中所述生料的钙硅比为1.78-1.93。
3.根据权利要求1所述的基于碳酸化制备高性能结构材料的方法，其特征在于，所述步骤1)中所述煅烧的烧成温度为1320-1420℃，所述冷却的冷却速率为150-350℃/min。
4.根据权利要求1所述的基于碳酸化制备高性能结构材料的方法，其特征在于，所述步骤1)中所述磨细熟料的勃式比表面积为280-380m2/kg。
5.根据权利要求1所述的基于碳酸化制备高性能结构材料的方法，其特征在于，按质量百分数计，所述步骤2)的浇筑成型中所述磨细熟料、所述细骨料、所述外加剂的用量分别为50-70％、25-45％、3-5％，所述水的加入量为所述磨细熟料的用量的20-25％。
6.根据权利要求1所述的基于碳酸化制备高性能结构材料的方法，其特征在于，所述步骤2)的浇筑成型中所述养护的养护温度为20-40℃、养护湿度为75-100％；所述步骤2)的浇筑成型中所述干燥采用红外干燥，且干燥后的坯体含水率为10-15％。
7.根据权利要求1所述的基于碳酸化制备高性能结构材料的方法，其特征在于，按质量百分数计，所述步骤2)的压制成型中所述磨细熟料、所述细骨料的含量分别为50-70％、30-50％，所述水的加入量为所述磨细熟料的用量的10-15％。
8.根据权利要求1所述的基于碳酸化制备高性能结构材料的方法，其特征在于，所述步骤2)中所述压制成型的压力为20-40MPa，保压时间为1-3min。
9.根据权利要求1所述的基于碳酸化制备高性能结构材料的方法，其特征在于，所述步骤2)中所述浇筑成型或所述压制成型的细骨料均为石英砂，且所述石英砂由平均粒径为150μm的石英砂A和平均粒径为400μm的石英砂B按照35-45∶55-65的质量比混合而成。
10.根据权利要求1所述的基于碳酸化制备高性能结构材料的方法，其特征在于，所述步骤3)中所述碳酸化养护的养护工艺为：将所述浇筑成型坯体或所述压制成型坯体置于抽真空至压力为0.01-0.03MPa的碳酸化反应釜中，通入浓度大于20％、分压大于0.07MPa的CO2气体，碳酸化养护5-36h，在碳酸化养护过程中，养护龄期×CO2分压大于2.5MPa·h。
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