CN111393060A - 一种水泥基材料碳化内养护剂及其制备与使用方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种水泥基材料碳化内养护剂及其制备与使用方法，所述水泥基材料碳化内养护剂以分子筛为原料，进行表面疏水改性或表面包覆释控处理后，使分子筛具备疏水特性，然后对其进行CO2吸附，即制得所述水泥基材料碳化内养护剂。该碳化内养护剂解决了现有水泥基材料碳化养护过程中碳化反应程度低、材料水灰比低工作性能差及受高压养护设备限制无法现场应用等技术缺点。本发明以释控处理后的分子筛为CO2载体，不仅能将CO2更多的引入水泥基材料内部还可控制其释放行为。使用该碳化内养护剂，在不降低水泥基材料水灰比的条件下，可突破养护设备限制实现碳化养护在水泥基材料的现场应用。

Description

一种水泥基材料碳化内养护剂及其制备与使用方法
技术领域
本发明提供了一种水泥基材料碳化内养护剂，以及该养护剂的制备与使用方法，属于建筑材料技术领域。
背景技术
碳化养护是将不含钢筋的素混凝土或砂浆等水泥基材料成型后置于高压CO2气氛中养护，水泥中的矿物与CO2发生化学反应，进而使水泥基材料在很短的时间内凝结硬化，亦称CO2养护或加速碳化养护，是一种可实现CO2封存和利用的新型养护方式。水泥基材料经碳化养护后能获得较高的早期强度，大大缩短混凝土养护时间，并且有较好的尺寸稳定性，孔隙率降低，力学性能和耐久性均得到提升。CO2在此过程中以碳酸钙(CaCO3)的形式稳定的固化在水泥基材料中，不存在再次逸出的风险，资源化利用的同时，实现了CO2的安全封存。与常规水化养护和蒸汽养护相比，碳化养护不仅加速了水泥基材料的强度发展提高了养护效率同时提升了材料性能降低了养护能耗。
然而，CO2在水泥基材料中扩散问题导致其在水泥基材料中的应用仍存在下列问题：(1)碳化反应仅在材料表层范围内发生，整体反应程度较低，材料性能的提升幅度以及固碳量均受到限制。一般水泥基材料为达到工作性能要求，拌合水量均高于水泥水化的理论需水量，而CO2在常温常压下在纯水中的溶解度很低，过量的自由水阻碍了CO2向材料内部渗透，进而造成水泥基材料碳化反应程度大幅下降。此外，先期碳化反应生成的CaCO3会细化或封堵部分孔隙，阻碍后期CO2继续向材料内部扩散。(2)一般应用于低水灰比、干硬性、压缩成型的水泥基材料，适用范围有限。为了提高碳化反应程度，降低自由水的阻碍作用，碳化养护水泥基材料的水灰比往往很低，基本不具有流动性，呈现干硬性特点，且一般采用压缩的方式成型，大大限制了适用范围。(3)碳化养护需要高压养护设备，无法实现碳化养护在水泥基材料中的现场应用。为了提高CO2在水泥基材料中的扩散深度，往往采用提高CO2养护压力的方法，这使得碳化养护无法摆脱专用高压养护设备的限制，无法现场应用。
中国专利《CN201910036456-一种提高碳化制品结构性能的原位碳化方法》通过在碳化制品中加入菌体粉末，在后期养护过程中细菌接触到尿素营养液，从而进行脲解反应，通过自身的新陈代谢作用将尿素分解为二氧化碳与水，从而从内部产生碳酸根离子，以达到由内而外的碳化过程。中国专利《CN201910059816-一种防水抗压型蒸压加气混凝土砌块的制备方法》在制备防水抗压型蒸压加气混凝土砌块时加入改性四钛酸，加入的纳米二氧化硅在经过改性后，表面接枝有氨基，在四钛酸改性时，氨基化纳米二氧化硅可进入四钛酸的层间结构中，并且，由于氨基改性后的纳米二氧化硅具有二氧化碳吸附性，在随改性四钛酸进入产品中后，可在产品制备过程中在高温高压的作用下，释放二氧化碳，从而在产品中起到引气的功能。以上两项专利中通过化学反应的方法来进行引气，虽然能够解决上述背景技术中的问题，但是仍然存在成本过高、制备步骤繁琐的缺陷。
发明内容
本发明提供了一种水泥基材料碳化内养护剂及其制备与使用方法，解决了上述背景技术中水泥基材料碳化养护过程中碳化反应程度低、材料水灰比低工作性能差及受高压养护设备限制无法现场应用等技术缺点，该碳化内养护剂以分子筛为载体，经过释控处理，不仅能引入更多的CO2气体还可控制其在材料内部的释放行为。使用该碳化内养护剂，在不降低水泥基材料水灰比的条件下，可突破养护设备限制实现碳化养护在水泥基材料的现场应用。
实现本发明上述目的所采用的技术方案为：
一种水泥基材料碳化内养护剂，采用以下方法制备：以分子筛为原料，进行表面疏水改性或表面包覆释控处理后，使分子筛具备疏水特性，然后对其进行CO2吸附，即制得所述水泥基材料碳化内养护剂。
所述分子筛为棒状颗粒、球形颗粒或粉末状。
所述分子筛的型号包括：A型、X型、Y型以及ZSM型中的一种以上。
对于棒状颗粒以及球形颗粒的分子筛，进行表面包覆释控处理，具体方法如下：首先将颗粒状的分子筛置于马弗炉中充分烘干；然后将硅酮溶解于二甲苯中，然后置于喷洒容器中，将颗粒状的分子筛置于转盘中，边转动边喷涂硅酮二甲苯溶液，充分喷洒后静置，待二甲苯挥发完全后硅酮凝固在分子筛颗粒表面形成一层透气不透水的薄膜包覆层。
所述硅酮二甲苯溶液中硅酮的质量浓度为30～70％。
对于粉末状分子筛，进行表面疏水改性，具体方法如下：首先将粉末状的分子筛置于马弗炉中充分烘干；然后将冷却后的粉末状分子筛置于三甲基氯硅烷的甲苯溶液中，并在恒温水浴中充分搅拌进行硅烷化处理，处理完毕后用甲苯和丙酮溶液冲洗，最后将冲洗的粉末状分子筛充分加热干燥。
所述三甲基氯硅烷的甲苯溶液的质量浓度为1～10％，粉末状分子筛与三甲基氯硅烷的甲苯溶液的固液比为1g：20～80mL，恒温水浴加热的温度为60～80℃。
所述CO2吸附的方法为CO2加压吸附或CO2气体吹扫。
一种水泥基材料碳化内养护剂的使用方法，将所述的水泥基材料碳化内养护剂按照水泥质量5～60％的比例掺入水泥基材料中。
本发明中，采用分子筛作为吸附载体，经过表面疏水改性或表面包覆释控处理后，分子筛表现为疏水特性，吸附CO2后掺入水泥基材料后不会因吸水而导致其内部吸附的CO2逸出。此外水泥基材料孔隙溶液中由水泥水解产生的Ca2+和OH-以及水解过程中pH值的上升会成为诱发分子筛内部CO2扩散的条件，实现了分子筛内部CO2的可控释放。CO2从分子筛内部释放出后能与水泥基中矿物相及水化产物发生碳化反应如下：
3CaO·SiO2+yH2O+(3-x)CO2→CaO·SiO2·yH2O+(3-x)CaCO3 式(1)
2CaO·SiO2+yH2O+(2-x)CO2→CaO·SiO2·yH2O+(2-x)CaCO3 式(2)
Ca(OH)2+CO2→CaCO3+H2O 式(3)
与现有技术相比，本发明的优点和显著效果如下：
1、本发明克服了碳化养护过程中CO2扩散深度低，碳化反应程度小的缺点，直接将CO2引入水泥基材料内部。
2、本发明不需降低水泥基材料水灰比即可提升碳化反应程度。
3、本发明不需专门的高压养护设备，可实现碳化养护在水泥材料中的现场应用。
4、本发明显著提高水泥基材料的早期力学性能。
附图说明
图1为本发明所提供的技术方案原理图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细具体的说明，但是本发明的保护范围并不局限于以下实施例。
本发明所提供的水泥基材料碳化内养护剂其方法制备及反应原理如图1所示，首先以棒状颗粒、球形颗粒或粉末状分子筛为原料，所述分子筛的型号包括：A型、X型、Y型以及ZSM型中的一种以上。
对于棒状颗粒以及球形颗粒的分子筛，进行表面包覆释控处理，具体方法如下：首先将颗粒状的分子筛置于马弗炉中充分烘干，优选以500℃在马弗炉中烘干4小时；然后将硅酮溶解于二甲苯中，所述硅酮二甲苯溶液中硅酮的质量浓度为30～70％(优选50％)。然后置于喷洒容器中，将颗粒状的分子筛置于转盘中，边转动边喷涂硅酮二甲苯溶液，充分喷洒后静置，待二甲苯挥发完全后硅酮凝固在分子筛颗粒表面形成一层透气不透水的薄膜包覆层。
对于粉末状分子筛，进行表面疏水改性，具体方法如下：首先将粉末状的分子筛置于马弗炉中充分烘干，优选以500℃在马弗炉中烘干4小时；然后将冷却后的粉末状分子筛置于三甲基氯硅烷的甲苯溶液中，所述三甲基氯硅烷的甲苯溶液的质量浓度为1～10％(优选5％)，粉末状分子筛与三甲基氯硅烷的甲苯溶液的固液比为1g:20～80mL(优选1g:50mL)，并在恒温水浴中充分搅拌进行硅烷化处理，恒温水浴加热的温度为60～80℃(优选70℃)。处理完毕后用甲苯和丙酮溶液冲洗，最后将冲洗的粉末状分子筛充分加热干燥(以50℃的温度干燥12h)。
经过上述表面疏水改性或表面包覆释控处理后，使分子筛具备疏水特性，然后对其进行CO2吸附，即制得所述水泥基材料碳化内养护剂，所述CO2吸附的方法为CO2加压吸附或CO2气体吹扫。
在使用时，将所述的水泥基材料碳化内养护剂按照水泥质量5～60％的比例掺入水泥基材料中。经过表面疏水改性或表面包覆释控处理后，分子筛表现为疏水特性，吸附CO2后掺入水泥基材料后不会因吸水而导致其内部吸附的CO2溢出。此外水泥基材料孔隙溶液中由水泥水解产生的Ca2+和OH-以及水解过程中pH值的上升会成为诱发分子筛内部CO2扩散的条件，实现了分子筛内部CO2的可控释放。
实施例1：本实施例中以球形颗粒状13X分子筛为CO2载体材料，经过表面包覆处理，通过CO2气体吹扫方式吸附CO2制得碳化内养护剂，按水泥质量20％掺入水灰比为0.38的水泥净浆中，相比未掺内养护剂的纯水泥净浆其1天抗压强度提高22％。
实施例2：本实施例中以粉末状5A分子筛为CO2载体材料，经过表面疏水改性，通过CO2加压吸附的方式吸附CO2制得碳化内养护剂，按水泥质量30％掺入水灰比为0.38的水泥净浆中，相比未掺入内养护剂的纯水泥净浆其1天抗压强度提高10％。
实施例3：本实施例中以粉末状ZSM-5分子筛为CO2载体材料，经过表面疏水改性，通过CO2加压吸附的方式吸附CO2制得碳化内养护剂，按水泥质量的30％掺入水灰比为0.5、胶砂比为1:3的砂浆中，相比未掺入内养护剂的砂浆其1天抗压强度提高16％。

Claims (9)

1.一种水泥基材料碳化内养护剂，其特征在于采用以下方法制备：以分子筛为原料，进行表面疏水改性或表面包覆释控处理后，使分子筛具备疏水特性，然后对其进行CO2吸附，即制得所述水泥基材料碳化内养护剂。
2.根据权利要求1所述的水泥基材料碳化内养护剂，其特征在于：所述分子筛为棒状颗粒、球形颗粒或粉末状。
3.根据权利要求1或2所述的水泥基材料碳化内养护剂，其特征在于：所述分子筛的型号包括：A型、X型、Y型以及ZSM型中的一种以上。
4.根据权利要求2所述的水泥基材料碳化内养护剂，其特征在于：对于棒状颗粒以及球形颗粒的分子筛，进行表面包覆释控处理，具体方法如下：首先将颗粒状的分子筛置于马弗炉中充分烘干；然后将硅酮溶解于二甲苯中，之后置于喷洒容器中，将颗粒状的分子筛置于转盘中，边转动边喷涂硅酮二甲苯溶液，充分喷洒后静置，待二甲苯挥发完全后硅酮凝固在分子筛颗粒表面形成一层透气不透水的薄膜包覆层。
5.根据权利要求4所述的水泥基材料碳化内养护剂，其特征在于：所述硅酮二甲苯溶液中硅酮的质量浓度为30～70％。
6.根据权利要求2所述的水泥基材料碳化内养护剂，其特征在于：对于粉末状分子筛，进行表面疏水改性，具体方法如下：首先将粉末状的分子筛置于马弗炉中充分烘干；然后将冷却后的粉末状分子筛置于三甲基氯硅烷的甲苯溶液中，并在恒温水浴中充分搅拌进行硅烷化处理，处理完毕后用甲苯和丙酮溶液冲洗，最后将冲洗的粉末状分子筛充分加热干燥。
7.根据权利要求6所述的水泥基材料碳化内养护剂，其特征在于：所述三甲基氯硅烷的甲苯溶液的质量浓度为1～10％，粉末状分子筛与三甲基氯硅烷的甲苯溶液的固液比为1g:20～80mL，恒温水浴加热的温度为60～80℃。
8.根据权利要求1所述的水泥基材料碳化内养护剂，其特征在于：所述CO2吸附的方法为CO2加压吸附或CO2气体吹扫。
9.一种水泥基材料碳化内养护剂的使用方法，其特征在于：将权利要求1所述的水泥基材料碳化内养护剂按照水泥质量5～60％的比例掺入水泥基材料中。
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