CN112125550A

CN112125550A - 一种开放式碳化强化废旧混凝土再生骨料的方法

Info

Publication number: CN112125550A
Application number: CN202010821127.5A
Authority: CN
Inventors: 刘松辉; 管学茂; 朱建平; 张海波; 勾密峰; 王雨利; 史才军
Original assignee: Henan University of Technology
Current assignee: Henan University of Technology
Priority date: 2020-08-14
Filing date: 2020-08-14
Publication date: 2020-12-25
Anticipated expiration: 2040-08-14
Also published as: CN112125550B

Abstract

本发明提供一种开放式碳化强化废旧混凝土再生骨料的方法，将废旧混凝土破碎得到颗粒状再生骨料，将所述颗粒状再生骨料浸泡在水中，持续通入含二氧化碳的工业废气，在浸泡过程中，所述工业废气中所含的二氧化碳与所述颗粒状再生骨料表面的附着砂浆发生碳化反应。本发明不需要二氧化碳密封碳化装置，易于连续生产，而且可以利用不同浓度的二氧化碳工业废气。

Description

一种开放式碳化强化废旧混凝土再生骨料的方法

技术领域

本发明属于废旧混凝土再生骨料领域，具体涉及一种开放式碳化强化废旧混凝土再生骨料的方法。

背景技术

由于建筑物的拆除或倒塌，将产生大量建筑垃圾。据统计，中国是世界上产生建筑垃圾最多的国家，每年建筑垃圾产生量近20亿吨，其中，废旧混凝土约占30％-40％。不仅占用耕地，污染环境，而且碱性的废旧混凝土会令大片土壤失去活性。另一方面，我国基础建设每年需要约100亿吨的砂石骨料，如此大规模的需求，仅靠开采来满足，必将造成有限自然资源的过度消耗，破坏生态环境的可持续发展。

若将废旧混凝土块体经破碎、筛分、除去杂质等工序后制备成废旧混凝土再生骨料，部分或全部替代天然砂石骨料，则不仅可以实现废旧混凝土的资源化利用，从源头解决废旧混凝土占用耕地、污染环境问题，还可以弥补基础建设对天然砂石的巨量需求，符合国家可持续发展战略的需求，这已成为土木工程及混凝土等领域的研究热点。

然而相比于天然骨料，废旧混凝土再生骨料存在表观密度小、孔隙率大、吸水率高、压碎指标值较高等弱点，使得由其制备的再生混凝土的内部宏观和微观结构更为复杂和不均匀，出现强度较低、收缩率大、耐久性较差、变异性高等系列问题，特别是最为薄弱的界面过渡区(interfacial transition zone，ITZ)对再生混凝土的各项性能影响显著。例如，利用100％的再生混凝土骨料，可以导致30％的力学性能降低，而且需要提高高效减水剂的用量才能达到同样的工作性能。

为了更高效地利用再生骨料，针对再生骨料性能的改善技术，国内外已经有大量报道，包括三个方面：①去除表面附着砂浆；②强化表面附着砂浆；③改变混凝土搅拌工艺等。这些强化处理技术中，碳化强化能够显著提高再生骨料的性能，同时能够实现二氧化碳的矿物封存，被认为是一种绿色、可持续的强化技术。

如：专利CN110357473A-一种碳化增强再生骨料及其制备方法与应用，公布了一种利用固废粉体成球后，密封碳化养护来制备轻骨料的方法。专利CN104045251A一种二氧化碳强化再生混凝土骨料的方法，公布了一种直接将再生骨料放置在密闭容器中，控制相对湿度30-90％，二氧化碳浓度5-90％，碳化处理6天来提高再生骨料性能的方法。专利CN105174766A-一种利用二氧化碳强化再生混凝土细骨料的方法，针对废旧混凝土再生骨料中可碳化组分低的问题，提出预先对再生细骨料进行氢氧化钙溶液或钙盐加钙处理，然后在密闭的碳化养护箱内养护的方法。专利CN110615628A-一种生物碳化强化再生骨料的方法，公布了一种利用钙盐溶液和胶质芽孢杆菌菌液喷淋预处理再生骨料，然后放入密闭碳化反应容器内，控制二氧化碳压力0.1-0.6MPa来碳化强化再生骨料的方法。专利CN108726910A-一种利用CO₂强化再生混凝土粗骨料的方法，公布了一种利用纳米二氧化硅浆液浸渍预处理再生骨料，然后放入密封碳化反应容器中碳化强化再生骨料性能的方法。

这些专利都是需要将未预处理或者预处理后(钙盐、菌液、纳米二氧化硅浸泡等)的再生骨料，放置在一个密封的反应容器中，然后通入二氧化碳气体，保持二氧化碳压力在0-1MPa，碳化养护1天-28天。由于是密封碳化，所以不能连续生产。而且密封碳化需要严格控制密封反应容器内的相对湿度(50-70％)才能达到较高的碳化程度。同时由于碳化过程中二氧化碳会不断消耗，所以密封碳化不利于利用低二氧化碳浓度的工业废气，因为在密封反应容器中，二氧化碳消耗后，即使补充新的工业废气，密封反应容器中的二氧化碳浓度依然会越来越低，碳化反应速率会大大降低。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术中密封碳化无法连续生产且难以利用低二氧化碳浓度的工业废气的技术问题，而提出一种开放式碳化强化废旧混凝土再生骨料的方法，本发明不需要二氧化碳密封碳化装置，易于连续生产，而且可以利用不同浓度的二氧化碳工业废气。

为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种开放式碳化强化废旧混凝土再生骨料的方法，将废旧混凝土破碎得到颗粒状再生骨料，将所述颗粒状再生骨料浸泡在水中，持续通入含二氧化碳的工业废气，在浸泡过程中，所述工业废气中所含的二氧化碳与所述颗粒状再生骨料表面的附着砂浆发生碳化反应。

如上所述的开放式碳化强化废旧混凝土再生骨料的方法，优选地，所述工业废气中所含的二氧化碳的体积分数为5-100％。

如上所述的开放式碳化强化废旧混凝土再生骨料的方法，优选地，所述工业废气中所含的二氧化碳的体积分数为20-100％。

如上所述的开放式碳化强化废旧混凝土再生骨料的方法，优选地，所述工业废气的通气速率为0.1-0.5L/min/g(即每克再生骨料，通入的工业废气控制在每分钟0.1-0.5L)。

如上所述的开放式碳化强化废旧混凝土再生骨料的方法，优选地，所述浸泡的时间为0.5-6h。

如上所述的开放式碳化强化废旧混凝土再生骨料的方法，优选地，所述水的温度控制在0-40℃。

如上所述的开放式碳化强化废旧混凝土再生骨料的方法，优选地，在持续通入所述工业废气的同时，进行搅拌，且搅拌速度为30-240r/min。

如上所述的开放式碳化强化废旧混凝土再生骨料的方法，优选地，所述颗粒状再生骨料在所述水中的浓度为25-100g/L。

如上所述的开放式碳化强化废旧混凝土再生骨料的方法，优选地，所述颗粒状再生骨料的粒径为5-20mm。

如上所述的开放式碳化强化废旧混凝土再生骨料的方法，优选地，首先将所述颗粒状再生骨料装入网格笼内，然后将装有所述颗粒状再生骨料的网格笼浸泡在所述水中。

与最接近的现有技术相比，本发明提供的技术方案具有如下有益效果：

本发明将废旧混凝土再生粗骨料浸入持续通入二氧化碳气体的水中，通过控制再生骨料与水的比例、通气速率、二氧化碳浓度、水的温度、浸泡时间等参数，利用二氧化碳与再生骨料表面附着水泥浆体的碳酸化反应，使废旧混凝土再生骨料表面均匀生成高活性的碳酸钙和二氧化硅凝胶，从而降低再生骨料的吸水率、提高密实度、大大改善再生骨料与新砂浆的界面粘结性能、提高再生骨料混凝土性能的目的，与现有的密封碳化方法相比，具有如下优点：

(1)本发明采用开放式的碳化强化方法，不需要二氧化碳的密封碳化装置，易于实现连续生产，连续生产对于工业生产的效率提高具有重要意义；

(2)在密封碳化中，随着碳化过程的进行，密封体系中的二氧化碳浓度随之降低，即使补充二氧化碳气体，二氧化碳浓度也是越来越低，而本发明采用开放式的碳化体系，碳化效果不依赖于二氧化碳的浓度，能够利用含不同浓度的二氧化碳的工业废气，这也正好契合工业废气的现状，因为工业废气本身由于来源不同，其所含的气体组分不同，二氧化碳含量亦不相同；

(3)碳化反应必须要有水参与反应，现有技术中的密封加压碳化是利用二氧化碳在水溶液中扩散，20℃时，二氧化碳在水溶液中的扩散系数为1.77×10^-9m²/s，故即使提高二氧化碳压力，也只能使表层的水溶液达到二氧化碳的溶解平衡，因此为了提高加压碳化的反应速率，密封加压碳化通常需要对再生骨料进行预处理，而本发明利用二氧化碳与水的对流，二氧化碳能够与水充分接触，再通过搅拌能够保证再生骨料快速的碳化反应。因此本发明的碳化方法只需要0.5-6h，碳化时间大大缩短，生产效率高，更易于工业应用；

(4)水化产物碳化反应的机理为：①二氧化碳溶于水形成碳酸，并电离产生弱酸性环境；②水化产物矿物中的钙离子溶出；③钙离子与碳酸电离的碳酸根结合形成碳酸钙沉淀，第①步和第②步能够相互促进，但必须有水参加，干燥的矿物是不能碳化反应的，第②步中，钙离子溶出的同时，有些水化产物还会形成二氧化硅凝胶，如水化硅酸钙。其中，碳酸钙晶体的沉淀结晶与溶液离子浓度，pH值，温度等因素密切相关。本发明通过在溶液中发生碳化反应，液相离子浓度低，碳化生成的碳酸钙均为1um左右的方解石，反应活性更高；此外碳酸钙和二氧化硅凝胶的分布状态也与密封加压碳化有所不同，加压碳化生成的二氧化硅凝胶被碳酸钙包裹，不易溶出，而本发明生成的碳酸钙和二氧化硅凝胶相间分布，更易溶出。总之，本发明在溶液中碳化生成的碳酸钙和二氧化硅活性更高，对再生混凝土的性能提升效果更明显。

附图说明

图1为实施例1的碳化强化过程的示意图；

图2为实施例1碳化后的再生骨料的扫描电镜测试结果；

图3为对比例2碳化后的再生骨料的扫描电镜测试结果。

具体实施方式

下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明实施例中的特征可以相互组合。

本发明的实施例提供了一种开放式碳化强化废旧混凝土再生骨料的方法，其亦为一种湿法碳化强化方法，主要在于将废旧混凝土破碎得到颗粒状再生骨料，将所述颗粒状再生骨料浸泡在水中，持续通入含二氧化碳的工业废气，在浸泡过程中，所述工业废气中所含的二氧化碳与所述颗粒状再生骨料发生碳化反应。

含有二氧化碳、对环境无污染且对再生骨料无侵蚀等不良影响的工业废气均可用作本发明碳化强化的二氧化碳来源，例如1)水泥回转窑烟气，其中的二氧化碳的体积分数为10-20％；2)生石灰窑烟气，其中的二氧化碳的体积分数为35-40％；3)化工合成尿素过程中排放的废气，其中的二氧化碳的体积分数为90-98％。

本发明的具体实施例中，操作步骤如下：

(1)废旧混凝土破碎、筛分得到粒径为5-20mm的颗粒状再生骨料，按照再生骨料在水的浓度为25-100g/L(例如30、35、47、62、80、90g/L)称取再生骨料，然后将再生骨料浸泡在水中；为便于碳化结束后再生骨料的收集，优选将所述再生骨料装入网格笼中(不宜对骨料进行强制搅拌，因为搅拌会产生很多粉体)，然后再放入水中；网格笼的设计是为了能快速移除碳化处理好的骨料，便于连续生产，水溶液可以一直重复使用；

(2)控制水的温度为0-40℃(例如2、5、10、20、25、30、37℃等)，开始搅拌，搅拌速度为30-240r/min(例如35、45、60、100、130、200、220r/min)；

在低温水(小于40℃)中，二氧化碳能迅速溶于水中，形成弱酸性环境，并逐渐达到溶解电离平衡点，如20℃的去离子水，通入二氧化碳10min即能达到平衡点，最终的pH值为4左右，当达到平衡点后再通入二氧化碳就不会被吸收了。溶解电离平衡点与温度、溶液介质密切相关，因此本发明限制水温的目的不是为了提高碳化反应速率，而是为了提高二氧化碳的溶解度。当再生骨料浸入后二氧化碳会被消耗，所以二氧化碳能够继续溶解。含不同浓度二氧化碳的工业废气通入水中后，大部分二氧化碳会被吸收，未被吸收的二氧化碳和其他气体排放到空气中，所以本发明的开放式碳化方法能一直保持较高的二氧化碳溶解度，不依赖于二氧化碳浓度。而密封碳化设备由于二氧化碳的消耗会使得反应釜内的二氧化碳浓度越来越低，即使在补充新的工业废气的情况下。

鉴于水温影响着二氧化碳的溶解度和碳化反应的速率，在一定范围内，水温升高，有利于加快碳化速率，但是由于本发明是开放式的环境，倘若水温过高，会导致二氧化碳的逸出过快，反而不利于二氧化碳与再生骨料接触反应，经研究，本发明将水温控制在0-40℃，可以保证二氧化碳有着较高的溶解度，使溶液中的二氧化碳与再生骨料充分反应；而且，水温还影响碳化生成碳酸钙的晶型和尺寸，本发明将水温控制在0-40℃，生成的碳酸钙和二氧化硅活性更高；同时，为保证良好的碳化效果，本发明在碳化过程中需要进行搅拌，搅拌的目的是为了加速二氧化碳与水的对流，使水溶液均匀，搅拌速度也需要合理控制，搅拌速度过快会导致通入的二氧化碳气体停留时间过短，而搅拌速度过慢则导致水溶液中二氧化碳不均匀，进而满足不了其碳化的强度要求，本发明将搅拌速度限定在30-240r/min(为达到最佳的碳化效果，搅拌速度的选择需同时兼顾二氧化碳浓度，如二氧化碳浓度低时，可选择较低的搅拌速度，以促进二氧化碳溶解)，基本能够保证碳化强度，且不浪费二氧化碳。

(3)在搅拌的同时，向水中通入含二氧化碳的工业废气，工业废气中所含的二氧化碳的体积分数为5-100％(例如10％、20％、30％、38％、50％、70％、85％、95％等)，工业废气的通气速率为0.1-0.5L/min/g(例如0.2、0.3、0.4L/min/g)，通气速率与工业烟气中的二氧化碳的浓度有关，二氧化碳的浓度越大，所需通气速率越小；

本发明属于开放式的碳化强化方法，可以持续地通入二氧化碳气体，碳化效果不依赖于二氧化碳的浓度，而且更为重要的是，本发明可以利用含不同浓度的二氧化碳的工业废气，均能够满足再生骨料的碳化强化需求；

对于二氧化碳浓度不等的工业废气来说，通气速率的快慢直接影响着水中二氧化碳的浓度，但对于低二氧化碳含量的工业废气来说，也不能一味地提高通气速率，因为通气速率过高，会导致二氧化碳在来不及与再生骨料反应的情况下就逸出，这既无法满足碳化强化的要求，又造成二氧化碳的浪费，基于此，经试验发现，通气速率在0.1-0.5L/min/g的范围内，可以较好地达到工艺效果；

(4)在浸泡过程中，通入水中的二氧化碳与再生骨料发生碳化反应，浸泡时间为0.5-6h(例如1.0、2.0、3.0、4.5、5.0h)，浸泡时间根据所用的工业废气种类(主要是其中二氧化碳的含量)、水温等综合考虑调整，浸泡结束后自然晾晒就可得到湿法强化处理的再生骨料；

上述经过碳化强化后得到的再生骨料，可进一步与水泥、河沙、水等原料拌合制成再生骨料混凝土，由此实现废旧混凝土的回收利用。

综上，本发明将废旧混凝土再生粗骨料浸入持续通入二氧化碳气体的水中，通过控制再生骨料与水的比例、通气速率、二氧化碳浓度、水温、浸泡时间等参数，利用二氧化碳与再生骨料表面附着水泥浆体的碳酸化反应，使废旧混凝土再生骨料表面均匀生成高活性的碳酸钙和二氧化硅凝胶，从而降低再生骨料的吸水率、提高密实度、大大改善再生骨料与新砂浆的界面粘结性能，实现提高再生骨料混凝土性能的目的。

实施例1

一种开放式碳化强化废旧混凝土再生骨料的方法，包括以下步骤：

(1)将废旧混凝土块破碎、筛分得到粒径范围为10-20mm的颗粒状的废旧混凝土再生骨料，密封保存；

(2)将步骤(1)所得废旧混凝土再生骨料，按照再生骨料在水中的浓度为100g/L称取再生骨料，放入网格笼；

(3)将步骤(2)中的网格笼浸入水溶液中，控制水温度为20℃，搅拌速度为150r/min；

(4)将步骤(3)中的水溶液中通入化工行业的工业废气，该工业废气中二氧化碳气体浓度为95％，工业废气的通气速率为0.1L/min/g；

(5)将步骤(2)中的再生骨料浸泡在步骤(4)中的水溶液中0.5h，浸泡结束后自然晾晒就可得到湿法强化处理的再生骨料；

将步骤(5)中得到的再生骨料与水泥、河沙、水按照下表1的原料配比(重量份)拌合制成再生骨料混凝土；本发明中再生骨料混凝土的制备方法、养护方法以及力学性能测试按照GB/T 50081-2019《混凝土物理力学性能试验方法标准》进行。

表1再生混凝土原料配比

实施例2

(1)将废旧混凝土块破碎、筛分得到粒径范围为5-10mm的颗粒状的废旧混凝土再生骨料，密封保存；

(2)将步骤(1)所得废旧混凝土再生骨料，按照再生骨料在水中的浓度为50g/L称取再生骨料，放入网格笼；

(3)将步骤(2)中的网格笼浸入水溶液中，控制水温度为20℃，搅拌速度为100r/min；

(4)将步骤(3)中的水溶液中通入石灰窑工业烟气，二氧化碳气体浓度为37％，工业烟气的通气速率为0.3L/min/g；

(5)将步骤(2)中的再生骨料浸泡在步骤(4)中的水溶液中1h，浸泡结束后自然晾晒就可得到湿法强化处理的再生骨料。

实施例2采用与实施例1相同的方法将实施例2所得再生骨料制成再生骨料混凝土。

实施例3

(2)将步骤(1)所得废旧混凝土再生骨料，按照再生骨料在水中的浓度为25g/L称取再生骨料，放入网格笼；

(3)将步骤(2)中的网格笼浸入水溶液中，控制水温度为20℃，搅拌速度为50r/min；

(4)将步骤(3)中的水溶液中通入水泥工业烟气，二氧化碳气体浓度为15％，工业烟气的通气速率为0.5L/min/g；

(5)将步骤(2)中的再生骨料浸泡在步骤(4)中的水溶液中5h，浸泡结束后自然晾晒就可得到湿法强化处理的再生骨料。

实施例3采用与实施例1相同的方法将实施例3所得再生骨料制成再生骨料混凝土。

对比例1

对比例1采用与实施例1基本相同的碳化过程，仅碳化时间(即浸泡时间)有所不同，对比例1的碳化时间为10min；且对比例1强化后的再生骨料同样按照与实施例1相同的方法制成再生混凝土。

对比例2

对比例2采用加压碳化的方法进行再生骨料的碳化操作，其详细过程如下：1)将表面面干状态下的再生骨料放入相对湿度50％，温室20℃的环境箱内进行7天的预处理，以控制再生骨料具有合适的含水率，利于加压碳化；2)将预处理后的再生骨料置于密封的碳化反应釜内；3)打开真空口，关闭进气口、排气口及加压口，启动真空泵对反应釜内部进行抽真空，当反应釜内压力降至-0.1MPa时停止抽真空，关闭真空泵和真空口；4)打开进气口，通入100％浓度的二氧化碳气体，保持反应釜内二氧化碳压力为0.1MPa，湿度为50-70％，室温条件下碳化反应24小时，得到碳化后的再生骨料；对比例2碳化后的再生骨料同样按照与实施例1相同的方法制成再生混凝土。

为考察碳化强化对再生骨料性能(包括吸水率、表观密度)及制备再生骨料混凝土性能(28天抗压强度)的影响，本发明测试了原始再生骨料(即未碳化处理的再生骨料，将其作为空白对照)、实施例1至3及对比例1和2强化后的再生骨料及其再生混凝土样品的性能，再生骨料的吸水率和表观密度参照GB/T 25177-2010《混凝土用再生粗骨料》进行测试，再生混凝土抗压强度参照GB/T 50081-2019《混凝土物理力学性能试验方法标准》进行，结果如下表2所示：

表2碳化强化后的再生骨料及再生混凝土性能

由表2可知，本发明不依赖于二氧化碳浓度，对于不同浓度的二氧化碳气体，常温反应0.5-6h内就能达到100％浓度二氧化碳加压碳化24h基本相当的效果，虽然本发明所得再生骨料的吸水率和表观密度稍逊色于对比例2中加压碳化后的再生骨料的吸水率和表观密度，但本发明实施例1至3所碳化后的再生骨料所制成的混凝土的抗压强度高于对比例2中加压碳化后的再生骨料所制成的再生混凝土的抗压强度。

本发明对实施例1和对比例2的再生骨料进行了扫描电镜测试，实施例1的再生骨料形貌如图2所示，可以看出，本发明碳化生成的碳酸钙颗粒更小更均匀，粒径约1um，而对比例2中碳化后的再生骨料的扫描电镜测试结果，如图3所示，加压碳化生成的碳酸钙聚集在一起，颗粒更大，这虽然对再生骨料的吸水率、表观密度等提升更明显，但是本发明碳化生成的产物反应活性更高，当再生骨料配制成混凝土后，对比例2中再生骨料表面的碳酸钙与水泥浆的反应活性不如本发明的湿法碳化，故本发明湿法碳化处理的再生骨料与新水泥浆体之间界面过渡区的性能更好，从而再生混凝土的抗压性能更高。

以上所述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，均在本发明待批权利要求保护范围之内。

Claims

1.一种开放式碳化强化废旧混凝土再生骨料的方法，其特征在于：将废旧混凝土破碎得到颗粒状再生骨料，将所述颗粒状再生骨料浸泡在水中，持续通入含二氧化碳的工业废气，在浸泡过程中，所述工业废气中所含的二氧化碳与所述颗粒状再生骨料表面的附着砂浆发生碳化反应。

2.如权利要求1所述的开放式碳化强化废旧混凝土再生骨料的方法，其特征在于，所述工业废气中所含的二氧化碳的体积分数为5-100％。

3.如权利要求2所述的开放式碳化强化废旧混凝土再生骨料的方法，其特征在于，所述工业废气中所含的二氧化碳的体积分数为20-100％。

4.如权利要求1至3任一项所述的开放式碳化强化废旧混凝土再生骨料的方法，其特征在于，所述工业废气的通气速率为0.1-0.5L/min/g。

5.如权利要求4所述的开放式碳化强化废旧混凝土再生骨料的方法，其特征在于，所述浸泡的时间为0.5-6h。

6.如权利要求1或5所述的开放式碳化强化废旧混凝土再生骨料的方法，其特征在于，所述水的温度控制在0-40℃。

7.如权利要求1所述的开放式碳化强化废旧混凝土再生骨料的方法，其特征在于，在持续通入所述工业废气的同时，进行搅拌，且搅拌速度为30-240r/min。

8.如权利要求1所述的开放式碳化强化废旧混凝土再生骨料的方法，其特征在于，所述颗粒状再生骨料在所述水中的浓度为25-100g/L。

9.如权利要求1所述的开放式碳化强化废旧混凝土再生骨料的方法，其特征在于，所述颗粒状再生骨料的粒径为5-20mm。

10.如权利要求1所述的开放式碳化强化废旧混凝土再生骨料的方法，其特征在于，首先将所述颗粒状再生骨料装入网格笼内，然后将装有所述颗粒状再生骨料的网格笼浸泡在所述水中。