CN113968701B - 一种co2驱动固结的轻质混凝土及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种CO2驱动固结的轻质混凝土及其制备方法。该CO2驱动固结的轻质混凝土，按重量份计，其原料包括：胶凝组分90～100份、惰性填料1～10份、性能增强剂0.1～1份、发泡剂0.1～10份、水30～200份。其中，胶凝组分包括水化胶凝相和碳化胶凝相，且碳化胶凝相占胶凝组分质量百分比的70％以上。本发明通过水化胶凝相的水化反应提供早期脱模强度并通过碳化胶凝相的碳化反应快速形成以碳酸钙为主要胶结相的高强轻质多孔结构，无需高压蒸养，在成本和操作方面改善较大；同时，所得轻质混凝土材料具有高强、低重、均匀孔隙分布以及固碳率高的特性。

Description

一种CO2驱动固结的轻质混凝土及其制备方法
技术领域
本发明涉及建筑材料技术领域，尤其涉及一种CO2驱动固结的轻质混凝土及其制备方法。
背景技术
加气混凝土和泡沫混凝土均属于轻质多孔保温墙体材料。传统加气混凝土的制备方法主要包括砂加气和灰加气两种工艺，通过钙质材料(氧化钙)与硅铝质材料(粉煤灰或石英砂粉)在蒸压作用下的水热反应生产以托贝莫来石和水化石榴石为主要组成的基体结构，在铝粉等发泡剂的发气作用下最终形成轻质多孔结构。泡沫混凝土在制备过程中较发气混凝土更加简单，将发泡剂通过发泡机产生均匀泡沫后引入混凝土，在混凝土内部产生微小密闭的均匀气孔，可形成轻质高强、保温隔热性能良好的泡沫混凝土。
随着工业的不断发展，二氧化碳排放量不断增加，由此导致的温室效应对环境以及人类的生活带来极大影响。因此，基于能够消耗二氧化碳的碳化技术生产轻质混凝土具有重要的意义。
中国专利CN101139182A公开一种碳化养护加气混凝土，其通过利用含有碳化成分的钢渣或水泥为原料，加入引气剂和水，混合均匀，经压制成型和碳化养护得到碳化养护混凝土。通过该方法制备的加气混凝土具有一定的抗压强度，但其二氧化碳吸收率均小于15％，二氧化碳消耗少。
因此，需要提出新的方案来解决上述问题，以制备得到一种固碳率高、轻质、高强、耐久性优异且成本可控的轻质混凝土材料。
发明内容
有鉴于此，有必要提供一种CO2驱动固结的轻质混凝土及其制备方法，用以解决现有技术中现有的轻质混凝土材料固碳率低、容重大、强度低的技术问题。
本发明的第一方面提供一种CO2驱动固结的轻质混凝土，按重量份计，其原料包括：胶凝组分90～100份、惰性填料1～10份、性能增强剂0.1～1份、发泡剂0.1～10份、水30～200份。其中，胶凝组分包括水化胶凝相和碳化胶凝相，且碳化胶凝相占胶凝组分质量百分比的70％以上。
本发明的第二方面提供一种CO2驱动固结的轻质混凝土的制备方法，包括以下步骤：
将上述原料混合制备成轻质多孔坯体；
将轻质多孔坯体经碳化养护得到CO2驱动固结的轻质混凝土。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
本发明通过水化胶凝相的水化反应提供早期脱模强度并通过碳化胶凝相的碳化反应快速形成以碳酸钙为主要胶结相的高强轻质多孔结构，无需高压蒸养，在成本和操作方面改善较大；同时，所得轻质混凝土材料具有高强、低重、均匀孔隙分布以及固碳率高的特性。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明的第一方面提供一种CO2驱动固结的轻质混凝土，按重量份计，其原料包括：胶凝组分90～100份、惰性填料1～10份、性能增强剂0.1～1份、发泡剂0.1～10份、水30～200份。其中，胶凝组分包括水化胶凝相和碳化胶凝相，且碳化胶凝相占胶凝组分质量百分比的70％以上。
本发明通过将胶凝组分、惰性填料与水混合均匀，加以性能增强剂与发泡剂形成坯体，通过在CO2气体的碳化反应驱动作用下快速固结而制成。该过程中，利用水化胶凝相的水化反应提供早期脱模强度，然后脱模转移至碳化釜内在常温下通过碳化胶凝相与CO2的碳化反应快速形成以碳酸钙为主要胶结相的高强轻质多孔结构。
本发明中，水化胶凝相为水泥，水化胶凝相在本发明的体系中，通过水化反应生产C-S-H凝胶、Ca(OH)2等胶凝相，为发泡混凝土坯体提供初期强度，便于脱模；Ca(OH)2为发泡剂提供碱性环境，同时上述水化产物也可在后期进一步与CO2发生碳化反应。进一步地，水化胶凝相的材料包括硅酸盐水泥、硫铝酸盐水泥中的一种或几种。
本发明中，碳化胶凝相为γ型硅酸二钙、二硅酸三钙、硅酸一钙中的至少一种。碳化胶凝相早期水化活性低，主要起填充作用，后期通过与CO2的碳化反应快速形成CaCO3基体结构，是泡沫混凝土强度的主要来源，其具有低水化活性、高碳化活性的特点。进一步地，碳化胶凝相的材料(以下简称为碳化胶凝材料)包括：γ型硅酸二钙、二硅酸三钙、硅酸一钙、钢渣中的一种或几种，其平均粒度小于50μm。
在本发明的一些优选实施方式中，胶凝组分包括普通硅酸盐水泥和碳化胶凝材料，平均粒度小于50μm。进一步地，碳化胶凝材料占胶凝组分质量百分比的75％～90％。在该范围内，能使所得坯体具有较高的早期脱模强度和较高的碳化强度。
本发明中，惰性填料为混凝土再生微粉、石灰石粉、黄金尾矿、石英砂尾矿、花岗岩石粉中的至少一种。进一步地，惰性填料的平均粒度小于75μm。上述惰性填料，不参与化学反应，主要在基体中起填充作用，同时可有效消纳固体废弃物。
本发明中，性能增强剂为聚乙烯醇、羧甲基纤维素、聚丙烯酰胺中的一种或多种。上述性能增强剂一方面通过所带羟基与胶凝组分钙离子的络合作用促进钙离子溶出，从而提升胶凝组分碳化反应活性；另一方面该组分在浆体中均匀分散后，能提高试块在碳化之前的稳定性，不至于由于水化胶凝材料过少导致基体的坍塌与不均匀性，且碳化之后的试块由于有机网络相互交织的存在，提高了基体的力学性能。进一步地，性能增强剂的加入量为胶凝组分的0.5％～1％。若性能增强剂的加入量过多，将导致水泥水化强度降低，不利于形成早期脱模强度。
本发明中，发泡剂为铝粉或泡沫型发泡剂。铝粉通过在碱性环境下与水的化学反应发泡；泡沫发泡剂能够降低液体表面张力，通过机械作用力产生大量均匀而稳定的泡沫。本发明对泡沫发泡型发泡剂的具体种类不做限制，本领域技术人员可以根据需要进行选择，例如可以为植物发泡剂、动物蛋白发泡剂、以及新型复合发泡剂等。
在本发明的一些具体实施方式中，发泡剂为铝粉，且铝粉的加入量为胶凝组分的0.1％～0.5％。该实施方式中，以铝粉为发泡剂，与其余组分混合后在碱性条件下使坯体形成具有轻质多孔结构的加气混凝土。
在本发明的又一些具体实施方式中，发泡剂为泡沫型发泡剂，且泡沫型发泡剂的加入量为胶凝组分的1％～5％，进一步为2％。该实施方式中，以泡沫型发泡剂为发泡剂，预先兑水稀释数倍并通过发泡机压缩形成均匀泡沫后与浆体拌和浇筑到模型中形成坯体。进一步地，稀释的倍数为20～100倍，更进一步为50倍。
进一步地，CO2驱动固结的轻质混凝土的原料还包括：碱性组分。更进一步地，碱性组分为氧化钙、氢氧化钙、含氧化钙或氢氧化钙的工业废渣中的至少一种。碱性组分为体系提供碱性环境，促进铝粉的发泡反应，同时所含的Ca(OH)2或者生成的Ca(OH)2也可发生碳化反应生产碳酸钙，但仅Ca(OH)2反应会释放大量水分，所生产的碳酸钙颗粒间胶凝性较差，本发明通过引入普通硅酸盐水泥，利用水泥的水化作用消耗产生的水分，同时水泥水化产生的C-S-H凝胶可以有效将Ca(OH)2碳化反应产生的碳酸钙颗粒胶凝为整体。更进一步地，碱性组分的平均粒度小于75μm。更进一步地，碱性组分的加入量为胶凝组分的2％～10％，优选为3％～5％。
本发明中，CO2驱动固结的轻质混凝土的原料还包括：碳酸氢钠。碳酸氢钠作为内部碳源，促进基体的整体碳化反应程度。进一步地，碳酸氢钠的加入量为胶凝组分的1％～15％，优选为5％～15％。
本发明的第二方面提供一种CO2驱动固结的轻质混凝土的制备方法，包括以下步骤：
S1、将上述原料混合制备成轻质多孔坯体；
S2、将轻质多孔坯体经碳化养护得到CO2驱动固结的轻质混凝土。
本发明第二方面提供的一种CO2驱动固结的轻质混凝土材料制备方法用于制备本发明第一方面提供的CO2驱动固结的轻质混凝土材料。
本发明中，轻质多孔坯体的含水率为10％～20％。若含水率过高或者含水率过低，都会不利于碳化反应的进行，导致成品强度不高。
在本发明的一些具体实施方式中，发泡剂为铝粉，且步骤S1具体为：
S11、将胶凝组分、惰性填料、碳酸氢钠、碱性组分和性能增强剂混合均匀，制得复合干混料；
S12、将复合干混料与水搅拌为均匀浆体后，加入铝粉再次搅拌使其充分分散，搅拌完成后将浆体浇筑入模具中，然后进行静置发气养护，随后脱模并干燥至含水率为10％～20％；其中，复合干混料与水的质量比为1：(0.25～0.35)；静置发气养护过程在初养室内进行，静置养护的温度为40～60℃，静置养护的时间为4～8h；干燥的温度为40～60℃。
在本发明的又一些具体实施方式中，发泡剂为泡沫型发泡剂，且步骤S1具体为：
S11、将胶凝组分、惰性填料、碳酸氢钠、碱性组分和性能增强剂混合均匀，制得复合干混料；
S12、将复合干混料与水搅拌为均匀浆体，随后加入由泡沫型发泡剂兑水稀释成的泡沫，拌合均匀后将浆体浇筑入模具中形成坯体，然后干燥至含水率为10％～20％；其中，将复合干混料与水搅拌为均匀浆体的过程中，复合干混料与水的质量比为1：(0.25～0.35)；干燥的温度为40～60℃。
本发明中，碳化养护过程中，外部CO2气体来源为水泥、热电厂、钢铁厂、化工厂等工业窑炉尾气，既可通过富集技术将CO2气体浓度提升后使用，也可以直接将尾气引入碳化釜使用。
本发明中，碳化养护的条件为：二氧化碳浓度为10％～99.8％；碳化养护温度为5～90℃，相对湿度为30～100％；碳化压力为0.01～5MPa，进一步为0.05～0.3MPa；碳化时间为2～12h。
在本发明的一些具体实施方式中，碳化条件为：碳化养护温度为25℃，相对湿度为50％，二氧化碳浓度为99.8％，气压为0.1MPa，碳化时间为8h。
本发明中，碳化养护前，还包括：将坯体脱模切割至规定尺寸。
本发明以下各实施例中，固碳率通过以下公式计算得到：
Figure BDA0003326824500000061
其中，m碳化后为碳化后所得轻质混凝土材料的质量，m碳化前为烘干至含水率为10％～20％的坯体的质量。
实施例1
实施例1提供了一种CO2驱动固结的轻质混凝土材料的制备方法，包括以下步骤：
将90份γ-C2S、10份普通硅酸盐水泥、0.5份羧甲基纤维素、5份碳酸氢钠、5份生石灰、5份石英砂尾矿混合均匀，将32份水拌和干料并均匀混合成浆体，取0.1份铝粉置于浆体中均匀拌和20s后置于模具中在50℃下养护4h后脱模，将坯体置于50℃烘箱内干燥至含水率为20％，将烘完后的砌块置于碳化反应釜中碳化。其中，碳化条件为：碳化养护温度为25℃，相对湿度为50％，二氧化碳浓度为99.8％，气压为0.1MPa，碳化时间为8h。
实施例1所得加气混凝土中，干密度为608kg/m3，抗压强度为4.8MPa，气孔率为40.6％，导热系数0.093W/(m·k)，固碳率为28.4％。
实施例2
实施例2提供了一种CO2驱动固结的轻质混凝土材料的制备方法，包括以下步骤：
将70份γ-C2S、30份普通硅酸盐水泥、1份聚乙烯醇、5份碳酸氢钠、5份生石灰、5份花岗岩石粉混合均匀，将40份水拌和干料并均匀混合成浆体，取0.5份铝粉置于浆体中均匀拌和20s后置于模具中在50℃下养护4h后脱模，将坯体置于50℃烘箱内干燥至含水率为20％，将烘完后的砌块置于碳化反应釜中碳化。其中，碳化条件为：碳化养护温度为25℃，相对湿度为50％，二氧化碳浓度为99.8％，气压为0.1MPa，碳化时间为8h。
实施例2所得加气混凝土中，干密度为573kg/m3，抗压强度为4.6MPa，气孔率为42.2％，导热系数0.087W/(m·k)，固碳率为27.9％。
实施例3
实施例3提供了一种CO2驱动固结的轻质混凝土材料的制备方法，包括以下步骤：
将80份γ-C2S、10份普通硅酸盐水泥、0.5份羧甲基纤维素、3份碳酸氢钠、5份氢氧化钙、5份石灰石粉混合均匀，将30份水拌和干料并均匀混合成浆体，取0.3份铝粉置于浆体中均匀拌和20s后置于模具中在50℃下养护4h后脱模，将坯体置于50℃烘箱内干燥至含水率为20％，将烘完后的砌块置于碳化反应釜中碳化。其中，碳化条件为：碳化养护温度为25℃，相对湿度为50％，二氧化碳浓度为99.8％，气压为0.1MPa，碳化时间为8h。
实施例3所得加气混凝土中，干密度为588kg/m3，抗压强度为4.7MPa，气孔率为41.9％，导热系数0.089W/(m·k)，固碳率为28.3％。
实施例4
与实施例1相比，区别仅在于：实施例4中碳酸氢钠的加入量为1份。
实施例4所得加气混凝土中，干密度为573kg/m3，抗压强度为3.2MPa，气孔率为42.2％，导热系数0.084W/(m·k)，固碳率为21.1％。
实施例5
与实施例1相比，区别仅在于：实施例5中碳酸氢钠的加入量为10份。
实施例5所得加气混凝土中，干密度为612kg/m3，抗压强度为5.3MPa，气孔率为43.1％，导热系数0.088W/(m·k)，固碳率为30.2％。
实施例6
与实施例1相比，区别仅在于：实施例6中碳酸氢钠的加入量为15份。
实施例6所得加气混凝土中，干密度为627kg/m3，抗压强度为5.8MPa，气孔率为45.2％，导热系数0.084W/(m·k)，固碳率为33.7％。
实施例7
实施例7提供了一种CO2驱动固结的泡沫混凝土材料的制备方法，包括以下步骤：
将80份γ-C2S、20份普通硅酸盐水泥、0.5份羧甲基纤维素、5份碳酸氢钠、5份石英砂尾矿均匀混合成干料，将32份水拌和干料并均匀混合成浆体，再将2份植物型泡沫发泡剂与水按1：50稀释后通过发泡机压缩形成均匀泡沫，与浆体拌和形成泡沫混凝土后浇筑到模型中形成坯体，将坯体置于55℃烘箱内干燥至含水率为10％，将烘完后的砌块置于碳化反应釜中碳化，其中，碳化条件为：碳化养护温度为25℃，相对湿度为50％，二氧化碳浓度为99.8％，气压为0.1MPa，碳化时间为8h。
实施例7所得泡沫混凝土中，干密度为598kg/m3，抗压强度为4.28MPa，气孔率为41.8％，导热系数0.0902W/(m·k)，固碳率为26.7％。
对比例1
与实施例1相比，区别仅在于：对比例1中未加入羧甲基纤维素。
对比例1基体塌陷，干密度为1460kg/m3，气孔率为9.8％，基体不规则，难以压强度。
对比例2
与实施例1相比，区别仅在于：对比例2中加入2份羧甲基纤维素。
对比例2浆体黏度过高，不利于浇筑，难以成型，且水化强度低，难以脱模。
对比例3
与实施例1相比，区别仅在于：对比例3中未加入碳酸氢钠。
对比例3的加气混凝土中，干密度为601kg/m3，抗压强度为2.9MPa，气孔率为41.8％，导热系数0.082W/(m·k)，固碳率为20.1％。
对比例4
与实施例1相比，区别仅在于：对比例4中加入碳酸氢钠20份。
对比例4的加气混凝土中，干密度为603kg/m3，抗压强度为4.3MPa，气孔率为41.1％，导热系数0.095W/(m·k)，固碳率21.7％。
对比例5
与实施例1相比，区别仅在于，对比例5中未加入生石灰。
对比例5的加气混凝土中，干密度为601kg/m3，抗压强度为3.7MPa，气孔率为41.4％，导热系数0.096W/(m·k)，固碳率21.7％。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
(1)常温下通过与工业窑炉尾气中的CO2反应，降低能耗与碳排放；
(2)原料组成含大量工业固废，环保附加值高；
(3)通过微量有机物的添加，能提高试块在碳化之前的稳定性并提高基体碳化后的力学性能；
(4)通过内部碳源与外部碳源的协同作用，提升加气混凝土的碳化程度，解决碳化制品尺寸扩展性低的难题；
(5)与现有的高压蒸汽混凝土相比，本发明的碳化加气混凝土无需高压蒸汽这一环节，取而代之的是碳化工艺，在成本和操作流程方面改善较大；
(6)CO2驱动固结的轻质混凝土材料具有高强、低重、均匀孔隙分布的特性。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种CO2驱动固结的轻质混凝土，其特征在于，按重量份计，原料包括：胶凝组分90~100份、惰性填料1~10份、性能增强剂0.1~1份、发泡剂0.1~10份、水30~200份；其中，所述胶凝组分包括水化胶凝相和碳化胶凝相，且所述碳化胶凝相占所述胶凝组分质量百分比的70%以上；所述水化胶凝相为水泥，所述碳化胶凝相为γ型硅酸二钙、二硅酸三钙、硅酸一钙中的至少一种；所述性能增强剂为聚乙烯醇、羧甲基纤维素、聚丙烯酰胺中的一种或多种；所述性能增强剂的加入量为胶凝组分的0.5%~1%；所述CO2驱动固结的轻质混凝土的原料还包括：碳酸氢钠，且所述碳酸氢钠的加入量为胶凝组分的5%~15%。
2.根据权利要求1所述CO2驱动固结的轻质混凝土，其特征在于，所述胶凝组分包括普通硅酸盐水泥和碳化胶凝材料，所述碳化胶凝材料占所述胶凝组分质量百分比的75%~90%，所述碳化胶凝材料包括：γ型硅酸二钙、二硅酸三钙、硅酸一钙、钢渣中的一种或几种。
3.根据权利要求1所述CO2驱动固结的轻质混凝土，其特征在于，所述发泡剂为铝粉，且所述铝粉的加入量为所述胶凝组分的0.1%~0.5%；
或，所述发泡剂为泡沫型发泡剂，且所述泡沫型发泡剂的加入量为所述胶凝组分的1%~5%。
4.根据权利要求1所述CO2驱动固结的轻质混凝土，其特征在于，所述CO2驱动固结的轻质混凝土的原料还包括：碱性组分，且所述碱性组分为氧化钙、氢氧化钙、含氧化钙或氢氧化钙的工业废渣中的至少一种；所述碱性组分的加入量为胶凝组分的2%~10%。
5.一种如权利要求1~4中任一项所述CO2驱动固结的轻质混凝土的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
将所述原料混合制备成轻质多孔坯体；
将所述轻质多孔坯体经碳化养护得到CO2驱动固结的轻质混凝土。
6.根据权利要求5所述CO2驱动固结的轻质混凝土的制备方法，其特征在于，所述发泡剂为铝粉，且将原料混合制备成轻质多孔坯体的步骤具体为：
将胶凝组分、惰性填料、碳酸氢钠、碱性组分和性能增强剂混合均匀，制得复合干混料；
将所述复合干混料与水搅拌为均匀浆体后，加入铝粉再次搅拌使其充分分散，搅拌完成后将浆体浇筑入模具中，然后进行静置发气养护，随后脱模并干燥至含水率为10%~20%；其中，所述复合干混料与水的质量比为1：（0.25~0.35）；静置养护的温度为40~60℃，静置养护的时间为4~8h；干燥的温度为40~60℃。
7.根据权利要求5所述CO2驱动固结的轻质混凝土的制备方法，其特征在于，所述发泡剂为泡沫型发泡剂，且将原料混合制备成轻质多孔坯体的步骤具体为：
将胶凝组分、惰性填料、碳酸氢钠、碱性组分和性能增强剂混合均匀，制得复合干混料；
将所述复合干混料与水搅拌为均匀浆体，随后加入由泡沫型发泡剂兑水稀释成的泡沫，拌合均匀后将浆体浇筑入模具中形成坯体，然后干燥至含水率为10%~20%；其中，将复合干混料与水搅拌为均匀浆体的过程中，所述复合干混料与水的质量比为1：（0.25~0.35）；所述干燥的温度为40~60℃。
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