CN113307582A - 一种含sap网结构的碳捕捉混凝土的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种能够进行高效碳捕捉的含高吸水性树脂(SAP)网结构混凝土的制备方法。该发明所用材料和设备包括细棒状SAP、水泥、河砂、石子、高性能减水剂、细尼龙绳、试模、混凝土搅拌机和养护箱。首先拌制混凝土，将混凝土浇筑到试模中，混凝土的浇筑深度为试模深度的一半。将经混凝土孔溶液浸泡的细棒状SAP呈纵横交错布置，相交节点处用细尼龙绳绑扎。随后，缓慢浇筑混凝土并使混凝土完全充满试模。待混凝土硬化后脱模并置于养护箱中养护。随后将含SAP网结构的混凝土置于环境中进行碳捕捉。该方法简单有效，可利用混凝土自身的碳化行为进行碳捕捉，且SAP网结构的网孔直径和网间距均可进行调整，该发明有助于抑制CO2浓度过高引起的气候恶化。
Description
技术领域
本发明属于水泥混凝土领域，特别是采用SAP网结构提高混凝土CO2捕捉效率的技术领域。
背景技术
工业排放的CO2会引起温室效应。混凝土作为最大宗的人造材料可通过碳化反应吸收空气中的CO2。混凝土的碳化反应往往发生在表面层(5～30mm)，这导致混凝土的CO2捕捉效率较低。
SAP是一种有机材料，能够在混凝土拌合阶段吸水膨胀，并在混凝土内部湿度降低时收缩产生孔洞。本发明基于SAP的这一特性，利用细棒状SAP的纵横交错，在混凝土内部制备网结构。SAP网结构的存在使环境中CO2能够进入混凝土内部，从而增加了可碳化混凝土的表面积，进而提升了混凝土的CO2捕捉效率。
文献1(B.Park,Y.C.Choi,Investigation of carbon-capture property offoam concrete using stainless steel AOD slag,Journal of Cleaner Production288(2021):125621)公布了一种提高混凝土CO2捕捉效率的方法。该方法是在混凝土中加入适量引气剂从而产生大量气孔，通过改善混凝土的透气性来提升混凝土的CO2捕捉能力。
文献2(C.Moro,V.Francioso,M.Velay-Lizancos,Modification of CO2 captureand pore structure of hardened cement paste made with nano-TiO2 addition:Influence of water-to-cement ratio and CO2 exposure age,Construction andBuilding Materials 275(2021):122131.)公布了一种提高硬化水泥基材料CO2捕捉能力的方法。该技术是利用TiO2改变硬化水泥浆的孔隙率和基体中氢氧化钙的活性，进而提升硬化水泥浆的CO2捕捉能力。
文献3(一种用水泥基材料固定二氧化碳的方法及装置；申请号：CN202010258381.9；公开号：CN112191090A)公布了一种采用水泥基材料固定CO2的方法和装置。该技术通过将CO2反应温度设置为400℃～700℃，以水泥基材料为二氧化碳的吸收材料，在特定的反应容器中进行加速碳化反应。当水泥基材料孔隙率低于5％时，加水使水泥基材料达到饱和孔隙含水率。可实现工业排放二氧化碳的部分吸收。
上述技术的不足在于：(1)在干燥环境中，文献1和文献2中所设计材料由于缺水而无法进行碳化反应。而本发明中SAP网结构中的SAP可在湿环境中吸水膨胀，从而使混凝土在干燥环境中保持较高湿度，进而保证碳化反应的进行。(2)文献1难以精准调控水泥基材料的孔结构特性，这是因为引气剂产生的气孔体系是不稳定的。小气泡的自由能高于大气泡，故小气泡倾向于合并而形成大气泡。由于气泡的密度小于混凝土的密度，所以气泡有脱离混凝土的趋势。此外，长时间拌合、泌水、高温和喷射工艺等都会促使气泡脱离混凝土，从而造成无法精准调控气孔体系的特性。这也导致无法进一步优化混凝土的碳捕捉能力。(3)文献2中TiO2的掺量在一定范围时才能提升硬化水泥浆的CO2捕捉能力，并且其提高的程度有限。这是因为TiO2既可以提高氢氧化钙的反应活性又可降低混凝土孔隙率，前者能够提升碳化效率，后者会抑制碳化反应。TiO2掺量过多或过少均会导致硬化水泥浆的CO2捕捉能力降低。文献4中装置存在CO2泄露风险，此外，加热、喷淋、材料传输等工艺均会产生高能耗；当温度高于100℃时，喷淋水会快速蒸发，导致CO2吸收效率降低。
发明内容
为弥补现有测试技术的不足，本发明提出了一种能够提升混凝土CO2捕捉能力的技术——SAP网结构，进而发明一种含SAP网结构的碳捕捉混凝土的制备方法。
本发明的技术方案如下：
一种含SAP网结构的碳捕捉混凝土的制备方法，步骤如下：
1)将P·O 42.5水泥、河砂和石子置于混凝土搅拌机中干拌2分钟，随后加入溶有高性能聚羧酸减水剂的拌合水，按照《普通混凝土力学性能试验方法标准》(GB/T50081-2016)将混凝土拌制均匀。
2)制备水胶比为10的水泥浆，经6小时搅拌和18小时沉淀后，取上清液作为混凝土孔溶液。将细棒状SAP置于混凝土孔溶液中浸泡至完全膨胀。
3)将混凝土浇筑至试模深度的一半；在混凝土表面放置细棒状丙烯酸交联丙烯酰胺型SAP，SAP纵横交错布置，细棒状SAP交点位置用细尼龙绳绑扎；
4)在细棒状SAP网络上部缓慢浇筑混凝土至试模被充满。SAP在新拌混凝土中吸水膨胀，当混凝土内部湿度降低时，交错的细棒状SAP收缩并在硬化混凝土中产生SAP网结构。
5)SAP网结构的间距和网径可通过调整SAP的膨胀能力和细棒状SAP的布置方式进行调控。
6)将硬化的混凝土置于混凝土养护箱中进行养护，随后放置在自然环境中，通过混凝土自身的碳化反应进行CO2捕捉。
上述方法中优选的方案如下：
步骤1)中所拌制混凝土的水胶比为0.3～0.7；
步骤2)中细棒状SAP直径的范围为0.5～5毫米。
步骤3)中细棒状SAP须经混凝土孔溶液浸泡，以达到膨胀状态。
步骤5)中细棒状SAP的间距范围为2～20毫米
当借助混凝土自身的碳化反应进行CO2捕捉时，影响混凝土CO2捕捉效率的关键因素是如何提高混凝土与空气的接触面积。本研究通过引入SAP网结构提高混凝土与空气的接触面积，使内部混凝土可以参与碳化反应。由于SAP与混凝土相容性好，可将SAP网在混凝土浇筑间歇时置于混凝土内部，故本方法操作简单。SAP网结构的间距和网径可通过调整SAP的膨胀能力和细棒状SAP的布置方式进行调解，因此可对SAP网结构特性进行深度设计，从而进一步提升混凝土的CO2捕捉效率。
本发明的特点及优良效果如下：
(1)试验方法简单、易操作，细棒状SAP网固定后可在混凝土浇筑时置于混凝土内部；
(2)SAP网结构的可设计性强，通过改变SAP的膨胀能力和细棒状SAP的布置方式可调控SAP网结构的孔径和间距。
(3)在干湿交替环境中，SAP网结构中收缩的SAP可在湿阶段吸水膨胀，并在干阶段为砂浆提供水分，从而使砂浆内部保持较高的湿度，进而提升干阶段砂浆的CO2捕捉效率。
附图说明
图1为一种含SAP网结构的碳捕捉混凝土的制备方法的示意图。(a)为在模具中浇筑一半的混凝土；(b)为在混凝土表面布置SAP网；(c)为继续浇筑混凝土。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
Claims (6)
1.一种含SAP网结构的碳捕捉混凝土的制备方法，步骤如下：
1)将水泥、河砂和石子置于混凝土搅拌机中干拌2分钟；
2)随后加入溶有高性能减水剂的拌合水，按照《普通混凝土力学性能试验方法标准》(GB/T50081-2016)拌制混凝土至均匀；
3)制备水胶比为10的水泥浆，经6小时搅拌和18小时沉淀后，取上清液作为混凝土孔溶液。将细棒状SAP置于混凝土孔溶液中浸泡至完全膨胀。
4)将混凝土浇筑至试模深度的一半；在混凝土表面放置经混凝土孔溶液浸泡的细棒状SAP，SAP纵横交错布置，细棒状SAP交点位置用细尼龙绳绑扎；
5)在细棒状SAP网络上部缓慢浇筑混凝土至试模被充满；SAP在新拌混凝土中吸水膨胀；当混凝土内部湿度降低时，交错的细棒状SAP收缩并在硬化混凝土中产生SAP网结构；
6)SAP网结构的间距和网径可通过调整SAP的膨胀能力和细棒状SAP的布置方式进行调解；
7)将硬化的混凝土置于混凝土养护箱中进行养护，随后放置在自然环境中通过混凝土自身的碳化反应进行CO2捕捉。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述1)中水泥为P·O 42.5水泥。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述2)中减水剂为聚羧酸高性能减水剂；所拌制混凝土的水胶比为0.3～0.7。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述3)中SAP的材质为丙烯酸交联丙烯酰胺；SAP的外形为细棒状，其直径范围为0.5～5毫米。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述3)中细棒状SAP须经混凝土孔溶液浸泡。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述6)中SAP网结构的特性可通过改变细棒状SAP的膨胀能力和布置方式进行调控，细棒状SAP的间距范围为2～20毫米。
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