CN113715143B - 超强耐久材料的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种超强耐久材料的制备方法，包括：按质量百分比计，称取以下原料：35～57％磨细水泥、15～45％级配细砂、15～45％超细灰，以及固含量占原料总量0.3～1.5％的外加剂；将磨细水泥、级配细砂、超细灰和外加剂混合后加水搅拌，得到砂浆；将砂浆制作成预制件；将预制件进行蒸汽养护，然后置于碳化釜内真空除气脱水，接着向碳化釜内通入气态和液态CO2，控制压力和温度，使进入碳化釜的CO2处于超临界状态并恒温保压；从碳化釜中取出预制件并对其表面打磨修整，再在预制件表面喷涂防腐耐磨材料。本发明大幅度提高了高性能水泥基材料的强度和耐久性，可实现规模化替代钢铝等金属制造的板材、管材和型材并具备陶瓷材料的耐久性。

Description

超强耐久材料的制备方法
技术领域
本发明涉及水泥基材料领域。更具体地说，本发明涉及一种超强耐久材料的制备方法。
背景技术
最重要的工业材料钢铁，因其容重大，强度高，韧性好，易于采用工业化生产，制成的构件运到现场拼装，采用螺栓连接，且结构轻，故施工方便，施工周期短，但钢材易于锈蚀，钢材在潮湿环境中，特别是处于有腐蚀介质的环境中更容易锈蚀，必须用水泥材料隔离或表面涂层保护，而且在使用期间还应定期维护，其建筑设施的使用寿命很难超过50年，另外钢材生产造成了大量的碳排放，全球平均每生产1吨粗钢会排放1.7吨CO2，全球钢铁行业排放量约占全球CO2总排放量的6.7％，2020年全球粗钢产量18.64亿吨，中国10.65亿吨，中国占全球钢铁行业碳排放量超过50％，占中国碳排放总量的18％，是中国碳排放量最高的制造行业。
铝合金建筑材料凭借其自重轻、比强度高、容易加工、耐腐蚀性好以及便于回收利用等特点成为建筑领域里一种新型应用材料，铝合金在建筑门窗、幕墙、室内外装饰用、隔热铝型材、结构型材等方面应用广泛，但是因为铝合金绝对强度低，疲劳性差，弹性模量低，温度越高弹性模量越小，导致其使用寿命有限，同时铝合金的熔点约为650℃，防火性能差，平均起来铝合金的使用寿命很难超过50年，另外电解铝也是碳排放较多的金属材料之一，生产1吨电解铝的碳排放大约是粗钢的6.2倍，中国也是世界上最大的电解铝生产国，2020年全球电解铝产量为6526.7万吨，中国3731.7万吨，占比57.18％，2020年中国电解铝行业CO2总排放量约为4.26亿吨，约占中国CO2净排放量100亿吨的5％，碳足迹较大。
水泥是最大宗的建筑材料，2020年，我国水泥产量23.77亿吨，约占全球55％，排放CO2约14.66亿吨，约占全国碳排放总量14.3％。吨水泥、吨水泥熟料CO2排放量分别约为616.6kg、865.8kg。水泥等行业加入全国碳排放权交易，将对我国水泥工业及其运行产生重大而深远影响。发展低碳建筑，推广高性能砼和大掺量应用混合材三者方向一致、相辅相成，科学合理高效应用水泥，减少单位投资(建、构筑物面积)水泥熟料使用量，提高水泥产品使用效率，是当前水泥和建筑行业的重要方向之一。混凝土的强度与耐久性长期以来一直为人们所关注，由于普通混凝土中长期暴露在空气中，因为致密度不高，孔隙率大，容易受到自然界一些有害物质的腐蚀，其耐久性会降低，其中二氧化碳进入混凝土内部的碳化最终会导致钢筋保护层剥落，将引起混凝土的使用寿命大幅度下降，阻止二氧化碳进入混凝土内部，就可以有效降低混凝土的碳化，有效提高混凝土的寿命，是目前混凝土施工技术的重要方向，高性能活性水泥基材料因为远高于普通混凝土的致密度，其极低的孔隙率，作为模板和外墙的一体化材料可以有效的隔绝空气，阻止普通混凝土的内部碳化，又因为是同类材料，与混凝土的相容性更好，不容易脱落，同时强度高，耐久性好，是预期服役寿命最长的结构工程材料，因此预制的高性能水泥基外墙模板一体化材料是混凝土材料长寿命的关键技术。
高性能活性水泥基材料包括活性粉末混凝土(RPC)和超高性能混凝土(UHPC)等，是不同于传统的高强混凝土(HSC)和钢纤维混凝土(SFRC)的材料，也不是传统意义“高性能混凝土(HPC)”的高强化，而是性能指标明确的新品种水泥基结构工程材料，强度与钢接近，密度和铝合金接近，属于现代先进材料，创新了水泥基材料(混凝土或砂浆)与纤维、钢材(钢筋或高强预应力钢筋)的复合模式，大幅度提高了纤维和钢筋在混凝土中的强度利用效率，使水泥基结构材料的全面性能发生了跨越式进步，可以建造轻质高强和高韧性的结构，其结构所拥有的耐久性和工作寿命，超越钢、铝、塑料等其它所有结构材料。但是现在制造的高性能活性水泥基材料因为内部活性，也就是没有完全碳化，在强度和耐久性方面依然有较大的提升空间，目前普通的加压碳化不能有效的碳化这种材料，而CO2在温度高于临界温度Tc＝31.26℃，压力高于临界压力Pc＝72.9atm的状态下，性质会发生变化，其密度近于液体，粘度近于气体，扩散系数为液体的100倍，具有极强的渗透能力，试验表明用超临界CO2液处理普通混凝士块，能在数分钟内将其转化为石灰石，同时将在反应过程中形成的水分从微孔中排除，这样处理后的混凝土其抗压强度能够提高1倍，抗拉强度提高75％，如果超临界CO2液浸润高性能活性水泥基材料，使其强度超过钢材，耐久性超过陶瓷，甚至可以替代不锈钢，将开启无机非金属材料替代金属材料的先河，在材料行业将是重大的技术进步，但是目前用超临界CO2处理高性能活性水泥基材料并没有先例和数据支持。
发明内容
本发明的一个目的是解决至少上述问题，并提供至少后面将说明的优点。
本发明还有一个目的是提供一种超强耐久材料的制备方法，解决了当前超临界碳化技术只能处理普通混凝土的技术难题，大幅度提高了高性能水泥基材料的强度和耐久性，可实现规模化替代钢铝等金属制造的板材、管材和型材。
本发明的另外一个目的是提高高活性水泥基材料的生产效率，超临界CO2可以使水泥基材料提前完成硬化，仅用一天时间就可能达到28天甚至是10年以后材料的强度，也使这种材料的生产效率提高80％以上。
本发明另外一个目的就是通过材料本身吸收CO2的特性进行固碳，工业上代替钢和铝可以或大规模降低工业活动的碳排放，做到环境上可持续，同时材料性能上的突破，大幅度提高材料的附加值，使其在经济性上具有可持续性。
本发明创造性的通过调整水泥基材料的配方和使用超临界碳化技术解决了高性能水泥基材料的规模化工业生产问题，与当前的技术进行对比，自然养护的周期是28天，强度也只达到最终强度的70％，导致在材料在寿命周期内无法达到最佳强度，本发明在实现材料增强和提高耐久性的同时，解决了材料的生产周期和使用周期问题。
为了实现根据本发明的这些目的和其它优点，提供了一种超强耐久材料的制备方法，包括：
按质量百分比计，称取以下原料：35～57％的磨细水泥、15～45％的级配细砂、15～45％超细灰，以及固含量占原料总量0.3～1.5％的外加剂；将磨细水泥、级配细砂、超细灰和外加剂混合后加水搅拌，得到砂浆；
将砂浆制作成预制件；
将预制件进行蒸汽养护，然后置于碳化釜内真空除气脱水，接着向碳化釜内通入气态和液态CO2，控制压力和温度，使进入碳化釜的CO2处于超临界状态并恒温保压2～200min；
从碳化釜中取出预制件并对其表面打磨修整，再在预制件表面喷涂防腐耐磨材料。
优选的是，在原料中掺加纤维材料，纤维材料在原料总量中的质量占比小于12％，纤维材料采用钢纤维、玄武岩纤维、陶瓷纤维的一种或两种混合。
优选的是，原料中的部分磨细水泥和部分超细灰采用偏高岭土等量替换，偏高岭土的细度大于800目，偏高岭土在原料总量中的质量占比为5～35％。
优选的是，在原料中掺加石墨、石墨烯或碳纳米管，石墨、石墨烯或碳纳米管在原料总量中的质量占比0.03～15％。
优选的是，向碳化釜内通入气态和液态CO2的同时还加入苯乙烯，苯乙烯在原料总量中的质量占比0.5～6.5％。
优选的是，向碳化釜内通入气态和液态CO2的同时还加入乙醇或者甲醇，乙醇掺加量小于8％，甲醇掺加量小于6％。
优选的是，通过PVD、CVD或磁控溅射方式在预制件表面涂镀氧化锆、氧化铝或碳化硅材料，涂镀层厚度大于1um。
优选的是，磨细水泥的比表面积为380～780m2/kg，细度80μm筛余小于7％；
级配细砂的细度为0.1～0.8mm，表观密度大于2400kg/m3，堆积密度大于1200kg/m3，压碎值小于6％，含泥量小于0.1％，级配细砂选用石英砂、玄武岩机制砂、金矿尾砂和铁矿尾砂中至少一种；
超细灰由矿渣和钢渣粉中的至少一种与硅灰按质量比为(0.3～3)：1的比例混合而成，矿渣和钢渣粉的比表面积均大于4500cm2/g；
外加剂为高效早强减水剂；
磨细水泥、级配细砂、超细灰、外加剂先混合搅拌3～10min，再边加水边搅拌，加水搅拌过程中，若后续采用半干法成型工艺制作预制件，则水灰比小于0.18，若后续采用湿法成型工艺制作预制件，则水灰比小于0.25，加水搅拌3～15min，停止加水后继续搅拌超过3min；
将砂浆制作成预制件采用半干法成型工艺，使用振动压实成型机，振动频率大于35Hz，平均振幅大于0.5mm，压力大于600t/m2；或将砂浆制作成预制件采用湿法成型工艺，使用真空硬塑挤出机，挤出压力2.5～4.5MPa，真空度0.3～0.85atm；
预制件包括板材、管材或型材，材料成型的厚度范围为0.5～60mm；
蒸汽养护采用常压蒸汽养护，蒸汽温度大于80℃，养护时间大于3小时；或采用加压蒸汽养护，蒸汽压力大于0.3MPa，蒸汽温度大于120℃，养护时间大于2小时；
碳化釜内真空除气脱水的真空度控制范围为0.1～0.7atm。
优选的是，所述碳化釜外壁包裹有保温层，所述碳化釜通过管道分别与一真空系统和一超临界系统连接，所述碳化釜内顶部设置有轨道，所述轨道上设置有多个碳化车，每个碳化车下方设置有用于悬吊预制件的挂具；
所述碳化釜的使用过程包括：
入料阶段：清理碳化釜，将预制件悬吊于碳化釜入口处的挂具上，通过顶推预制件使其在多个碳化车的挂具上接续移动，从而进入碳化釜中央，密封关闭碳化釜；
真空阶段：启动与碳化釜连接的真空系统，使碳化釜内脱除空气和水，控制抽真空速率小于0.3atm/min，直至碳化釜内的真空度为0.1～0.7atm；
碳化阶段；启动与碳化釜连接的超临界系统，持续向碳化釜内通入气体CO2增压至超临界压力，再通入液态CO2淹没预制件，调整温度至超临界温度，按预设时间恒温保压后，导出液态CO2，在预设时间内降到常压，回收CO2后，通入空气，打开碳化釜，取出预制件。
优选的是，所述碳化釜设置有A、B两台，A、B两台碳化釜共用真空系统和超临界系统；
应用A、B两台碳化釜连续生产的方法包括：
真空平衡：A碳化釜真空阶段结束后，打开A碳化釜和B碳化釜的连接管路，使B碳化釜进入真空阶段，A碳化釜和B碳化釜真空平衡后，关闭A碳化釜和B碳化釜的连接管路，A碳化釜进入碳化阶段，B碳化釜与真空系统连接管路打开，继续真空阶段，B碳化釜真空阶段结束后关闭真空系统；
碳化平衡：A碳化釜碳化阶段和B碳化釜真空阶段全部结束后，打开A和B的超临界系统连接管路，压力和温度平衡后，超临界系统继续工作，抽取A碳化釜液态CO2送入B碳化釜，直至A碳化釜达到常压，A碳化釜完成超临界碳化，B碳化釜继续加压进入超临界碳化阶段；
A碳化釜和B碳化釜在不同的工作阶段接替循环，与真空系统和超临界系统组成连续生产线。
本发明还提供一种应用上述制备方法得到的超强耐久材料。
本发明至少包括以下有益效果：本发明通过调整高性能水泥基材料的配方、成型方法以及降低成型件的厚度，使其适应于超临界CO2浸渍碳化，将碳化时间缩短到几个小时甚至是几分钟，极大的提高了生产效率，也解决了当前超临界碳化技术只能处理普通混凝土的技术难题，使材料内部的活性变为惰性，大幅度提高了高性能水泥基材料的强度和耐久性，通过检测，本发明提供的超强耐久材料抗压强度最高超过1000MPa，抗拉强度最高超过150MPa，可实现规模化替代钢铝等金属制造的板材、管材和型材。另外，在填加包含矿渣和钢渣的超细灰的情况下，1吨的水泥基材料完全碳化时可以吸收超过0.3吨的CO2，每吨水泥基材料水泥质量比50％时，所排放的CO2全部被吸收，理论上这种材料的碳排放能达到负碳效果，是当前较为理想的促进工业发展还不增加碳排放的新材料，因此利用超临界碳化开发高性能水泥基材料不仅可以获得超强耐久材料，还能有效降低CO2的排放，降低温室气体的影响，最终有利于环境的持续改善。
本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。
附图说明
图1为本发明一实施例所述碳化釜的结构示意图；
图2为本发明一实施例两碳化釜联用的结构示意图。
附图1中包括：半成品循环车-1，碳化釜-2，碳化车-3，成品循环车-4，真空系统-5，液态二氧化碳槽-6，超临界控制系统-7，二氧化碳回收系统-8。
附图2中包括：半成品循环车-1，A碳化釜-2’，B碳化釜-2”，碳化车-3，成品循环车-4，真空系统-5，液态二氧化碳槽-6，超临界控制系统-7，二氧化碳回收系统-8。
下面结合实施例对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。
需要说明的是，下述实施方案中所述实验方法，如无特殊说明，均为常规方法，所述试剂和材料，如无特殊说明，均可从商业途径获得；在本发明的描述中，术语“横向”、“纵向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，并不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
<实施例1>
一种超强耐久材料的制备方法，包括：
按质量百分比计，称取以下原料：49％的磨细水泥、35％的级配细砂、15％超细灰，以及固含量占原料总量1％的外加剂；将磨细水泥、级配细砂、超细灰和外加剂混合后加水搅拌，得到砂浆；
其中，磨细水泥采用纯熟料PO524水泥经磨细处理得到，磨细后水泥的比表面积为680m2/kg，细度80μm筛余6％；
级配细砂采用金矿尾砂和铁矿尾砂对半混合后筛分，再按粗中细1：1：1混合，压碎值5％，细度为0.1～0.6mm，表观密度大于2700kg/m3，堆积密度大于1400kg/m3，含泥量小于0.1％；
超细灰由硅灰和矿渣粉按质量比为1：2的比例混合而成，矿渣粉的比表面积为5200cm2/g；
外加剂为奈系高效早强减水剂；
磨细水泥、级配细砂、超细灰、外加剂先混合搅拌8min，再边加水边搅拌，采用半干法成型工艺制作预制件，水灰比小于0.17，加水搅拌7min，停止加水后继续搅拌超过5min；
将砂浆制作成预制件，预制件包括板材、管材或型材，材料成型的厚度20mm，采用半干法成型工艺，使用振动压实成型机，振动频率56Hz，平均振幅大于0.8mm，压力大于1000t/m2；
将预制件进行蒸汽养护，采用加压蒸汽养护，蒸汽压力大于0.3MPa，蒸汽温度大于120℃，然后置于碳化釜内真空除气脱水，真空度控制至0.5atm，接着向碳化釜内通入气态和液态CO2，控制压力和温度，使进入碳化釜的CO2处于超临界状态并恒温保压60min；
其中，如图1所示，所述碳化釜2外壁包裹有保温层，所述碳化釜2通过管道分别与一真空系统5和一超临界系统连接，超临界系统包括超临界控制系统7和液态二氧化碳槽6，碳化釜2还与一二氧化碳回收系统8连接，所述碳化釜2内顶部设置有轨道，所述轨道上设置有多个碳化车3，每个碳化车3下方设置有用于悬吊预制件的挂具；
所述碳化釜2的使用过程包括：
入料阶段：清理碳化釜2，将预制件悬吊于碳化釜2入口处的碳化车3挂具上，通过顶推预制件使其在多个碳化车3的挂具上接续移动，从而进入碳化釜2中央，密封关闭碳化釜2；
具体的，可通过叉车将预制件直接悬吊在碳化釜2入口处的碳化车3挂具上；
或者在碳化釜2入口外也设置轨道，碳化釜2入口外轨道与碳化釜2内轨道在碳化釜入口处断开，用以留出碳化釜2入口仓门设置空间，碳化釜2外轨道上设置半成品循环车1，半成品循环车1下方也设置有用于悬吊预制件的挂具，通过使用半成品循环车1将预制件运送到碳化釜2入口外，通过顶推预制件使其从半成品循环车1上移动到靠近碳化釜2入口的碳化车3挂具上，再进入入料阶段。
真空阶段：启动与碳化釜2连接的真空系统5，使碳化釜2内脱除空气和水，控制抽真空速率小于0.2atm/min，直至碳化釜2内的真空度为0.5atm；
碳化阶段；启动与碳化釜2连接的超临界系统7，持续向碳化釜2内通入气体CO2增压至超临界压力，再通入液态CO2淹没预制件，调整温度至超临界温度，按预设时间恒温保压后，导出液态CO2，在预设时间内降到常压，回收CO2后，通入空气，打开碳化釜2，取出预制件。
具体的，通过顶推预制件使其在多个碳化车3的挂具上接续移动，从碳化釜2中央移动至碳化釜2出口处，再通过叉车将预制件直接从碳化釜2出口处的碳化车挂具上取出；
或者在碳化釜2出口外也设置轨道，碳化釜2出口外轨道与碳化釜2内轨道在碳化釜2出口处断开，用以留出碳化釜2出口仓门设置空间，碳化釜2出口外轨道上设置成品循环车4，成品循环车4下方也设置有用于悬吊预制件的挂具，通过顶推预制件使其在多个碳化车3的挂具上接续移动，从碳化釜2中央移动至碳化釜2出口处，再使用成品循环车4将预制件从碳化釜2出口处转移到后续处理工艺场所。
需要说明的是，半成品循环车1，碳化车3和成品循环车4仅是简单作业时根据产品碳化程度确定的名称，在形成连续作业时可以是同一辆车全部完成作业循环，以下同理。
从碳化釜2中取出预制件并对其表面打磨修整，再通过PVD、CVD或磁控溅射方式在预制件表面涂镀氧化锆、氧化铝或碳化硅材料，涂层厚度10um。
试块采用半干法压制成型，试块3天强度抗压>350MPa，抗折>80MPa，抗冻等级超过D200，抗渗等级大于P12，抗硫酸盐等级大于KS150，氯离子迁移系数等级(RCM法)RCM-Ⅴ,电通量法Q-Ⅴ,抗碳化性能等级T-Ⅴ。
<实施例2>
一种超强耐久材料的制备方法，其过程与实施例1基本相同，区别在于，按质量百分比计，称取以下原料：49％的磨细水泥、27％的级配细砂、8％钢纤维、15％超细灰，以及固含量占原料总量1％的外加剂。
试块采用半干法压制成型，试块3天强度抗压>850MPa，抗折>150MPa，抗冻等级超过D200，抗渗等级大于P12，抗硫酸盐等级大于KS150，氯离子迁移系数等级(RCM法)RCM-Ⅴ,电通量法Q-Ⅴ,抗碳化性能等级T-Ⅴ。
<实施例3>
一种超强耐久材料的制备方法，其过程与实施例2基本相同，区别在于，按质量百分比计，称取以下原料：45％的磨细水泥、8％的偏高岭土、27％的级配细砂、8％钢纤维、11％超细灰，以及固含量占原料总量1％的外加剂。
试块采用半干法压制成型，试块3天强度抗压>1050MPa，抗折>180MPa，抗冻等级超过D200，抗渗等级大于P12，抗硫酸盐等级大于KS150，氯离子迁移系数等级(RCM法)RCM-Ⅴ,电通量法Q-Ⅴ,抗碳化性能等级T-Ⅴ。
<实施例4>
一种超强耐久材料的制备方法，其过程与实施例1基本相同，区别在于，向碳化釜内通入气态和液态CO2的同时还加入苯乙烯，苯乙烯在原料总量中的质量占比1.5％，相应的，磨细水泥的质量占比减少1.5％，变为47.5％。
试块采用半干法压制成型，试块3天强度抗压>500MPa，抗折>50MPa，抗冻等级超过D200，抗渗等级大于P12，抗硫酸盐等级大于KS150，氯离子迁移系数等级(RCM法)RCM-Ⅴ,电通量法Q-Ⅴ,抗碳化性能等级T-Ⅴ，同时这种材料具有弹性，可弯曲。
<实施例5>
一种超强耐久材料的制备方法，其过程与实施例1基本相同，区别在于，在原料中掺加石墨10％、石墨烯0.01％，石墨在原料总量中的质量占比约10％，相应的，磨细水泥的质量占比减少5.01％，变为43.99％，超细灰的质量占比减少5％，变为10％，这种新型材料具有导电和导热性，性能与铝同级别。
试块采用半干法压制成型，试块3天强度抗压>500MPa，抗折>80MPa，抗冻等级超过D200，抗渗等级大于P12，抗硫酸盐等级大于KS150，氯离子迁移系数等级(RCM法)RCM-Ⅴ,电通量法Q-Ⅴ,抗碳化性能等级T-Ⅴ。
<实施例6>
一种超强耐久材料的制备方法，其过程与实施例1基本相同，区别在于，如图2所示，所述碳化釜设置有A、B两台，A、B两台碳化釜共用真空系统5和超临界系统；
应用A、B两台碳化釜连续生产的方法包括：
真空平衡：A碳化釜2’真空阶段结束后，打开A碳化釜2’和B碳化釜2”的连接管路，使B碳化釜2”进入真空阶段，A碳化釜2’和B碳化釜2”真空平衡后，关闭A碳化釜2’和B碳化釜2”的连接管路，A碳化釜2’进入碳化阶段，B碳化釜2”与真空系统5连接管路打开，继续真空阶段，B碳化釜2”真空阶段结束后关闭真空系统5；
碳化平衡：A碳化釜2’碳化阶段和B碳化釜2”真空阶段全部结束后，打开A和B的超临界系统连接管路，压力和温度平衡后，超临界系统继续工作，抽取A碳化釜2’液态CO2送入B碳化釜2”，直至A碳化釜2’达到常压，A碳化釜2’完成超临界碳化，B碳化釜2”继续加压进入超临界碳化阶段；
A碳化釜2’和B碳化釜2”在不同的工作阶段接替循环，与真空系统5和超临界系统组成连续生产线。
生产效率超过单台设备2.5倍。
<对比例1>
一种水泥基材料的制备方法，其过程与实施例1基本相同，区别在于，40％的磨细水泥、30％的级配细砂、28％超细灰，以及固含量占原料总量2％的外加剂。
试块采用半干法压制成型，试块3天强度抗压180MPa，抗折36MPa，抗冻等级达到D50，抗渗等级P8，抗硫酸盐等级KS60，氯离子迁移系数等级(RCM法)RCM-Ⅲ,电通量法Q-Ⅲ,抗碳化性能等级T-Ⅲ。
<对比例2>
一种水泥基材料的制备方法，其过程与实施例1基本相同，区别在于，60％的磨细水泥、10％的级配细砂、28％超细灰，以及固含量占原料总量2％的外加剂。
试块采用半干法压制成型，试块3天强度抗压220MPa，抗折60MPa，抗冻等级超过D50，抗渗等级P4，抗硫酸盐等级大于KS90，氯离子迁移系数等级(RCM法)RCM-Ⅱ,电通量法Q-Ⅱ,抗碳化性能等级T-Ⅱ。
<对比例3>
一种水泥基材料的制备方法，其过程与实施例1基本相同，区别在于，蒸汽养护完成后不进行后续处理。
试块采用半干法压制成型，试块3天强度抗压260MPa，抗折70MPa，抗冻等级超过D50，抗渗等级P4，抗硫酸盐等级大于KS30，氯离子迁移系数等级(RCM法)RCM-Ⅰ,电通量法Q-Ⅰ,抗碳化性能等级T-Ⅰ。
<实验例>
实验例和对比例所采用强度检测标准遵照《混凝土强度检验评定标准》B/T50107-2010和《混凝土耐久性检验评定标准》JGJ@T193-2009进行检测和对比。
实施例和对比例可以得出结论，高活性水泥基材料增加纤维可以大幅度增加试块强度，超临界碳化不仅可以继续大幅度增加强度和耐久性，生产周期也从28天缩短到1天，为大规模生产提供技术可行性。
统计实施例1和实施例3在碳化阶段所需时间，抗碳化性能均达到最高等级要求时，实施例3的碳化时间相比于实施例1可以缩短10分钟，因此，实施例3更有优势。
统计实施例2在碳化阶段CO2固化量，制作每吨超强耐久材料可固化0.3吨CO2，按照等体积替代计算方法，1吨超强耐久材料，净碳排放为0.3吨，去掉寿命影响因素，1吨超强耐久材料可以替代3吨钢材，每吨新材料的使用可以碳减排3.6吨，如果代替1吨铝合金，每吨超强耐久材料的使用可以碳减排15吨，假设制造1亿吨超强耐久材料，消耗水泥1亿吨，如果替代2.4亿吨钢材+2千万吨铝合金估算，可以实现碳减排超11.6亿吨，并具备很好的经济价值，在碳减排的经济性上具备开创性意义。
尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (8)

1.超强耐久材料的制备方法，其特征在于，包括：
按质量百分比计，称取以下原料：35~57%的磨细水泥、15~45%的级配细砂、15~45%超细灰，以及固含量占原料总量0.3~1.5%的外加剂；将磨细水泥、级配细砂、超细灰和外加剂混合后加水搅拌，得到砂浆；
将砂浆制作成预制件，预制件包括板材、管材或型材，材料成型的厚度范围为0.5~60mm；
将预制件进行蒸汽养护，然后置于碳化釜内真空除气脱水，接着向碳化釜内通入气态和液态CO2，控制压力和温度，使进入碳化釜的CO2处于超临界状态并恒温保压2~200min；
从碳化釜中取出预制件并对其表面打磨修整，再在预制件表面喷涂防腐耐磨材料；
其中，所述碳化釜外壁包裹有保温层，所述碳化釜通过管道分别与一真空系统和一超临界系统连接，所述碳化釜内顶部设置有轨道，所述轨道上设置有多个碳化车，每个碳化车下方设置有用于悬吊预制件的挂具；
所述碳化釜的使用过程包括：
入料阶段：清理碳化釜，将预制件悬吊于碳化釜入口处的挂具上，通过顶推预制件使其在多个碳化车的挂具上接续移动，从而进入碳化釜中央，密封关闭碳化釜；
真空阶段：启动与碳化釜连接的真空系统，使碳化釜内脱除空气和水，控制抽真空速率小于0.3atm/min，直至碳化釜内的真空度为0.1~0.7atm；
碳化阶段；启动与碳化釜连接的超临界系统，持续向碳化釜内通入气体CO2增压至超临界压力，再通入液态CO2淹没预制件，调整温度至超临界温度，按预设时间恒温保压后，导出液态CO2，在预设时间内降到常压，回收CO2后，通入空气，打开碳化釜，取出预制件；
所述碳化釜设置有A、B两台，A、B两台碳化釜共用真空系统和超临界系统；
应用A、B两台碳化釜连续生产的方法包括：
真空平衡：A碳化釜真空阶段结束后，打开A碳化釜和B碳化釜的连接管路，使B碳化釜进入真空阶段，A碳化釜和B碳化釜真空平衡后关闭A碳化釜和B碳化釜的连接管路，A碳化釜进入碳化阶段，B碳化釜与真空系统连接管路打开，继续真空阶段，B碳化釜真空阶段结束后关闭真空系统；
碳化平衡：A碳化釜碳化阶段和B碳化釜真空阶段全部结束后，打开A和B的超临界系统连接管路，压力和温度平衡后，超临界系统继续工作，抽取A碳化釜液态CO2送入B碳化釜，直至A碳化釜达到常压，A碳化釜完成超临界碳化，B碳化釜继续加压进入超临界碳化阶段；
A碳化釜和B碳化釜在不同的工作阶段接替循环，与真空系统和超临界系统组成连续生产线。
2.如权利要求1所述的超强耐久材料的制备方法，其特征在于，在原料中掺加纤维材料，纤维材料在原料总量中的质量占比小于12%，纤维材料采用钢纤维、玄武岩纤维、陶瓷纤维的一种或两种混合。
3.如权利要求2所述的超强耐久材料的制备方法，其特征在于，原料中的部分磨细水泥和部分超细灰采用偏高岭土等量替换，偏高岭土的细度大于800目，偏高岭土在原料总量中的质量占比为5~35%。
4.如权利要求1所述的超强耐久材料的制备方法，其特征在于，在原料中掺加石墨、石墨烯或碳纳米管，石墨、石墨烯或碳纳米管在原料总量中的质量占比0.03~15%。
5.如权利要求1所述的超强耐久材料的制备方法，其特征在于，向碳化釜内通入气态和液态CO2的同时还加入苯乙烯，苯乙烯在原料总量中的质量占比0.5~6.5%。
6.如权利要求1所述的超强耐久材料的制备方法，其特征在于，向碳化釜内通入气态和液态CO2的同时还加入乙醇或者甲醇，乙醇在液态CO2中掺加的质量占比小于8%，甲醇在液态CO2中掺加的质量占比小于6%。
7.如权利要求1所述的超强耐久材料的制备方法，其特征在于，通过PVD、CVD或磁控溅射方式在预制件表面涂镀氧化锆、氧化铝或碳化硅材料，涂镀层厚度大于1um。
8.如权利要求1~7任意一项所述的超强耐久材料的制备方法，其特征在于，磨细水泥的比表面积为380~780m2/kg，细度80μm筛余小于7%；
级配细砂的细度为0.1~0.8mm，表观密度大于2400kg/m3，堆积密度大于1200kg/m3，压碎值小于6%，含泥量小于0.1%，级配细砂选用石英砂、玄武岩机制砂、金矿尾砂和铁矿尾砂中至少一种；
超细灰由矿渣和钢渣粉中的至少一种与硅灰按质量比为（0.3~3）：1的比例混合而成，矿渣和钢渣粉的比表面积均大于4500cm2/g；
外加剂为高效早强减水剂；
磨细水泥、级配细砂、超细灰、外加剂先混合搅拌3~10min，再边加水边搅拌，加水搅拌过程中，若后续采用半干法成型工艺制作预制件，则水灰比小于0.18，若后续采用湿法成型工艺制作预制件，则水灰比小于0.25，加水搅拌3~15min，停止加水后继续搅拌超过3min；
将砂浆制作成预制件采用半干法成型工艺，使用振动压实成型机，振动频率大于35Hz，平均振幅大于0.5mm，压力大于600t/m2；或将砂浆制作成预制件采用湿法成型工艺，使用真空硬塑挤出机，挤出压力2.5~4.5MPa，真空度0.3~0.85atm；
蒸汽养护采用常压蒸汽养护，蒸汽温度大于80℃，养护时间不低于3小时；或采用加压蒸汽养护，蒸汽压力大于0.3MPa，蒸汽温度大于120℃，养护时间不低于2小时；
碳化釜内真空除气脱水的真空度控制范围为0.1~0.7atm。
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