CN114656214A - 一种全龄期负碳混凝土预制桩及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种全龄期负碳混凝土预制桩，由钢筋笼和负碳混凝土制成，负碳混凝土为胶凝材料、骨料、水和外加剂的混合物，且胶凝材料由如下质量分数计的原料制成：γ‑C2S：65‑74％，水泥：15‑25％，辅助胶凝材料：1‑20％，本发明还提供了一种全龄期负碳混凝土预制桩的制备方法，与现有技术相比，本发明具有如下优点：其一、通过使用γ‑C2S等低碳胶凝材料，做到混凝土预制桩在服役的全龄期内吸收的CO2多于预制桩在制备、运输和使用过程中的CO2总排放量；其二、通过材料和工艺上的改进，在不改变原有生产流程的情况下，所制得的负碳混凝土预制桩力学性能和耐久性能良好，具有极好的社会效益和环境效益。
Description
技术领域
本发明涉及预制桩技术领域，具体而言，涉及一种全龄期负碳混凝土预制桩及其制备方法。
背景技术
我国是世界上最大的预制桩生产国，2020年生产量已达到4.5亿米，累计使用混凝土方量达到0.7亿平方米，现有的水泥生产工艺，生产一吨水泥就要排放0.7-0.8吨CO2，意味着预制桩行业每年直接和间接排放的CO2数以亿计。大量CO2的排放为社会和自然带来了极大的负面影响，在国家大力倡导“双碳”政策的前提下，预制桩行业如何做到低碳甚至负碳至关重要。
混凝土在服役的过程中水泥会与空气中的CO2发生碳化反应生成碳酸盐类的产物，这些生成的方解石、文石或是球霰石使得原有的水泥石结构更为致密，提高了混凝土的力学性能和耐久性能，这本质上是混凝土“碳中和”的一种表现，但在自然环境中CO2含量很低，导致碳化反应极其缓慢。这就导致在工业应用上，存在混凝土生产过程中排放的CO2量大、但碳中和过程所能提供的CO2少的问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种全龄期负碳混凝土预制桩，通过使用γ-C2S等低碳胶凝材料，做到混凝土预制桩在服役的全龄期内吸收的CO2多于预制桩在制备、运输和使用过程中的CO2总排放量，达到负碳的效果。
为解决上述问题，本发明提供一种全龄期负碳混凝土预制桩，由钢筋笼和负碳混凝土制成，所述负碳混凝土为胶凝材料、骨料、水和外加剂的混合物，且所述胶凝材料由如下质量分数计的原料制成：γ-C2S：65-74％，水泥：15-25％，辅助胶凝材料：1-20％。
本发明采用γ-C2S作为胶凝材料的主要组成，主要原因是γ-C2S水化活性较弱，但具有优异的碳化活性，在高浓度CO2环境中1d的碳化深度可以达到40mm，接近于一般混凝土预制桩的壁厚，γ-C2S在自然环境中的碳化速度也远超一般材料，并能够长期吸碳，制备1吨γ-C2S的CO2排放量约为0.18-0.22吨，而1吨γ-C2S在服役期间总共可以吸收0.51吨CO2，其反应式如下：
γ-Ca2SiO2+2CO2→2CaCO3+SiO2
因此每使用1吨γ-C2S可以净吸收CO20.29-0.33吨，是真正意义上的负碳混凝土材料。主材γ-C2S经过碳化后生成CaCO3和SiO2，这些产物逐步填充至原有混凝土结构的孔隙中，减少了混凝土结构的总孔隙率，使碳化的混凝土结构致密，力学性能和耐久性能提升明显，有害元素难以进入到碳化致密混凝土层中去。
作为优选，所述骨料为碎石、砂、再生骨料和钢渣骨料中的至少一种。这些再生骨料和钢渣骨料中有着大量的f-CaO。f-CaO与γ-C2S相似，水化活性较弱，会造成成品混凝土材料的安定性差，但f-CaO的碳化活性良好，经过碳化后生成CaCO3，减少粗细骨料的孔隙率避免了混凝土由于安定性差而造成的开裂。
作为优选，所述外加剂包括减水剂、缓凝剂和碳化活性剂，所述碳化活性剂为壳聚糖、聚乙烯醇、碳酸钙和无定型硅质中的至少一种。这些碳化活性剂能够从源头上提高碳化混凝土材料的碳化活性，降低预制桩碳化养护环境所需要的CO2浓度、湿度等条件，加快预制桩的碳化周期，提高生产效率。
作为优选，所述辅助胶凝材料为矿粉、粉煤灰、活性硅粉中的至少一种。
本发明的另一个目的在于提供一种全龄期负碳混凝土预制桩的制备方法，所述制备方法具体包括如下步骤：
S1、胶凝材料混合：将γ-C2S、水泥和辅助胶凝材料混合直到各成分分散均匀，放入料仓一；
S2、负碳混凝土制备：将骨料放入料仓一中，待各成分混合均匀后加入外加剂和水，再次混合均匀后得到负碳混凝土；
S3、合模：将编制好的钢筋笼放入预制桩的模具后，使用料斗或者泵机将负碳混凝土打入模具，合模后张拉钢筋笼；
S4、离心养护：将S3中得到的模具在离心机中依次经过低速、中速、中高速和高速离心，把模具中心的余浆倒出后对模具进行碳化养护；
S5、脱模：碳化养护完成后进行模具脱模得全龄期负碳混凝土预制桩。
作为优选，所述碳化养护的碳化环境如下：CO2的浓度为50-90％，碳化时间为8-24h，压力为0.5-1MPa，温度为60-85℃。
预制桩经过布料、离心等工艺后开始碳化蒸养，预制桩在高浓度CO2环境中养护一段时间完成初步碳化后，绝大多数γ-C2S和f-CaO都已被碳化，少数的γ-C2S和f-CaO在后续的服役过程中也会吸收自然环境中的CO2，完成混凝土预制桩的负碳。
作为优选，所述步骤S3中，所述钢筋笼经过碱化处理。混凝土预制桩在碳化的过程中，混凝土材料不断致密的过程中也伴随着中性化，完全碳化混凝土的pH从12降至8，会破坏钢材与混凝土之间的钝化膜，从而造成混凝土内部钢材的腐蚀破坏，为保护负碳混凝土预制桩中的钢筋笼，需要对钢筋笼进行碱化处理。
作为优选，所述碱化处理采用电化学方法，钢筋笼为阴极。
作为优选，所述碱化处理为在钢筋笼表面涂覆碱化涂层，所述碱化涂层的涂料组合物包括碱性材料、乙醇、EDTA和高吸水性树脂。
作为优选，所述碱性材料为氢氧化钠、氢氧化钙、氢氧化钾和氢氧化镁中的至少一种。
与现有技术相比，本发明具有如下优点：其一、通过使用γ-C2S等低碳胶凝材料，做到混凝土预制桩在服役的全龄期内吸收的CO2多于预制桩在制备、运输和使用过程中的CO2总排放量；其二、通过材料和工艺上的改进，在不改变原有生产流程的情况下，所制得的负碳混凝土预制桩力学性能和耐久性能良好，具有极好的社会效益和环境效益。
附图说明
图1为实施例1和实施例3制得的圆形全龄期负碳混凝土预制桩结构示意图；
图2为实施例2和实施例4制得的异形全龄期负碳混凝土预制桩结构示意图。
附图标记说明：
1-负碳混凝土。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。
实施例1
如图1所示，一种全龄期负碳混凝土预制桩，为圆形管桩，由钢筋笼和负碳混凝土制成，负碳混凝土为胶凝材料、碎石、砂、水和外加剂的混合物，且胶凝材料由如下质量分数计的原料制成：γ-C2S：70％，水泥：15％，粉煤灰：15％；制备方法如下：
S1、胶凝材料混合：将γ-C2S、水泥和粉煤灰混合直到各成分分散均匀，放入料仓一；
S2、负碳混凝土制备：将碎石和砂放入料仓一中，待各成分混合均匀后加入外加剂和水，再次混合均匀后得到负碳混凝土1，其中，外加剂包括减水剂、缓凝剂和碳化活性剂，碳化活性剂为壳聚糖；
S3、合模：采用电化学法对钢筋笼进行碱化处理后，将编制好的钢筋笼放入预制桩的模具，使用料斗或者泵机将负碳混凝土1打入模具，合模后张拉钢筋笼；
S4、离心养护：将S3中得到的模具在离心机中依次经过低速、中速、中高速和高速离心，把模具中心的余浆倒出后对模具进行碳化养护，碳化养护的碳化环境为：CO2的浓度为50％，碳化时间为24h，压力为0.5MPa，温度为85℃；
S5、脱模：碳化养护完成后进行模具脱模得全龄期负碳混凝土预制桩；
从试验结果可知，每生产一立方这种配比的混凝土，净吸收CO245kg。而制得的全龄期负碳混凝土预制桩的拆模强度为87MPa，碳化深度为41mm，钢筋经过碱化后周围pH为11.6，桩体总体结构致密，总孔隙率2.3％，几乎无大孔或者有害孔，混凝土碳化程度89％，且在后续服役阶段还能够继续吸收CO2。
实施例2
如图2所示，一种全龄期负碳混凝土预制桩，为异形桩，由钢筋笼和负碳混凝土制成，负碳混凝土为胶凝材料、碎石、砂、再生骨料、水和外加剂的混合物，且胶凝材料由如下质量分数计的原料制成：γ-C2S：70％，水泥：15％，粉煤灰：15％；制备方法如下：
S1、胶凝材料混合：将γ-C2S、水泥和粉煤灰混合直到各成分分散均匀，放入料仓一；
S2、负碳混凝土制备：将碎石、砂和再生骨料放入料仓一中，待各成分混合均匀后加入外加剂和水，再次混合均匀后得到负碳混凝土1，其中，外加剂包括减水剂、缓凝剂和碳化活性剂，碳化活性剂为壳聚糖；
S3、合模：采用涂层涂覆法对钢筋笼进行碱化处理后，将编制好的钢筋笼放入预制桩的模具，使用料斗或者泵机将负碳混凝土1打入模具，合模后张拉钢筋笼；
S4、离心养护：将S3中得到的模具在离心机中依次经过低速、中速、中高速和高速离心，把模具中心的余浆倒出后对模具进行碳化养护，碳化养护的碳化环境为：CO2的浓度为60％，碳化时间为8h，压力为0.5MPa，温度为85℃；
S5、脱模：碳化养护完成后进行模具脱模得全龄期负碳混凝土预制桩；
从试验结果可知，每生产一立方这种配比的混凝土，净吸收CO297kg，制得的全龄期负碳混凝土预制桩的拆模强度为66MPa，碳化深度为40mm，钢筋经过碱化后周围pH为11.0，桩体总体结构致密，总孔隙率2.7％，几乎无大孔或者有害孔，混凝土碳化程度55％，在后续服役阶段还能够继续吸收CO2。
实施例3
如图1所示，一种全龄期负碳混凝土预制桩，为圆形管桩，由钢筋笼和负碳混凝土制成，负碳混凝土为胶凝材料、碎石、砂、再生骨料、水和外加剂的混合物，且胶凝材料由如下质量分数计的原料制成：γ-C2S：74％，水泥：15％，活性硅粉：11％；制备方法如下：
S1、胶凝材料混合：将γ-C2S、水泥和活性硅粉混合直到各成分分散均匀，放入料仓一；
S2、负碳混凝土制备：将碎石、砂和再生骨料放入料仓一中，待各成分混合均匀后加入外加剂和水，再次混合均匀后得到负碳混凝土1，其中，外加剂包括减水剂、缓凝剂和碳化活性剂，碳化活性剂为聚乙烯醇和碳化钙；
S3、合模：采用涂层涂覆法对钢筋笼进行碱化处理后，将编制好的钢筋笼放入预制桩的模具，使用料斗或者泵机将负碳混凝土1打入模具，合模后张拉钢筋笼；
S4、离心养护：将S3中得到的模具在离心机中依次经过低速、中速、中高速和高速离心，把模具中心的余浆倒出后对模具进行碳化养护，碳化养护的碳化环境为：CO2的浓度为80％，碳化时间为16h，压力为0.5MPa，温度为60℃；
S5、脱模：碳化养护完成后进行模具脱模得全龄期负碳混凝土预制桩；
从试验结果可知，一立方这种配比的混凝土，净吸收CO2110kg，制得的全龄期负碳混凝土预制桩的拆模强度为68MPa，碳化深度为39mm，钢筋经过碱化后周围pH为12.8，桩体总体结构致密，总孔隙率3.6％，几乎无大孔或者有害孔，混凝土碳化程度58％，在后续服役阶段还能够继续吸收CO2。
实施例4
如图2所示，一种全龄期负碳混凝土预制桩，为异形桩，由钢筋笼和负碳混凝土制成，负碳混凝土为胶凝材料、碎石、砂、再生骨料、水和外加剂的混合物，且胶凝材料由如下质量分数计的原料制成：γ-C2S：74％，水泥：15％，活性硅粉：11％；制备方法如下：
S1、胶凝材料混合：将γ-C2S、水泥和活性硅粉混合直到各成分分散均匀，放入料仓一；
S2、负碳混凝土制备：将碎石、砂和再生骨料放入料仓一中，待各成分混合均匀后加入外加剂和水，再次混合均匀后得到负碳混凝土1，其中，外加剂包括减水剂、缓凝剂和碳化活性剂，碳化活性剂为壳聚糖；
S3、合模：采用电化学法对钢筋笼进行碱化处理后，将编制好的钢筋笼放入预制桩的模具，使用料斗或者泵机将负碳混凝土1打入模具，合模后张拉钢筋笼；
S4、离心养护：将S3中得到的模具在离心机中依次经过低速、中速、中高速和高速离心，把模具中心的余浆倒出后对模具进行碳化养护，碳化养护的碳化环境为：CO2的浓度为90％，碳化时间为16h，压力为0.5MPa，温度为85℃；
S5、脱模：碳化养护完成后进行模具脱模得全龄期负碳混凝土预制桩；
从试验结果可知，每生产一立方这种配比的混凝土，净吸收CO2115kg。制得的全龄期负碳混凝土预制桩的拆模强度为65MPa，碳化深度为42mm，钢筋经过碱化后周围pH为12.1，桩体总体结构致密，总孔隙率2.9％，几乎无大孔或者有害孔，混凝土碳化程度59％，在后续服役阶段还能够继续吸收CO2。
从上述试验结果可知，本发明通过使用γ-C2S等低碳胶凝材料，做到混凝土预制桩在服役的全龄期内吸收的CO2多于预制桩在制备、运输和使用过程中的CO2总排放量；同时，通过材料和工艺上的改进，在不改变原有生产流程的情况下，所制得的负碳混凝土预制桩力学性能和耐久性能良好，具有极好的社会效益和环境效益。
虽然本公开披露如上，但本公开的保护范围并非仅限于此。本领域技术人员，在不脱离本公开的精神和范围的前提下，可进行各种变更与修改，这些变更与修改均将落入本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种全龄期负碳混凝土预制桩，其特征在于，由钢筋笼和负碳混凝土制成，所述负碳混凝土为胶凝材料、骨料、水和外加剂的混合物，且所述胶凝材料由如下质量分数计的原料制成：γ-C2S：65-74％，水泥：15-25％，辅助胶凝材料：1-20％。
2.如权利要求1所述的全龄期负碳混凝土预制桩，其特征在于，所述骨料为碎石、砂、再生骨料和钢渣骨料中的至少一种。
3.如权利要求1所述的全龄期负碳混凝土预制桩，其特征在于，所述外加剂包括减水剂、缓凝剂和碳化活性剂，所述碳化活性剂为壳聚糖、聚乙烯醇、碳酸钙和无定型硅质中的至少一种。
4.如权利要求1所述的全龄期负碳混凝土预制桩，其特征在于：所述辅助胶凝材料为矿粉、粉煤灰、活性硅粉中的至少一种。
5.一种如权利要求1所述的全龄期负碳混凝土预制桩的制备方法，其特征在于，所述制备方法具体包括如下步骤：
S1、胶凝材料混合：将γ-C2S、水泥和辅助胶凝材料混合直到各成分分散均匀，放入料仓一；
S2、负碳混凝土制备：将骨料放入料仓一中，待各成分混合均匀后加入外加剂和水，再次混合均匀后得到负碳混凝土；
S3、合模：将编制好的钢筋笼放入预制桩的模具后，使用料斗或者泵机将负碳混凝土打入模具，合模后张拉钢筋笼；
S4、离心养护：将S3中得到的模具在离心机中依次经过低速、中速、中高速和高速离心，把模具中心的余浆倒出后对模具进行碳化养护；
S5、脱模：碳化养护完成后进行模具脱模得全龄期负碳混凝土预制桩。
6.如权利要求5所述的全龄期负碳混凝土预制桩的制备方法，其特征在于，所述步骤S4中，所述碳化养护的碳化环境如下：CO2的浓度为50-90％，碳化时间为8-24h，压力为0.5-1MPa，温度为60-85℃。
7.如权利要求5所述的全龄期负碳混凝土预制桩的制备方法，其特征在于，所述步骤S3中，所述钢筋笼经过碱化处理。
8.如权利要求7所述的全龄期负碳混凝土预制桩的制备方法，其特征在于，所述碱化处理采用电化学法，钢筋笼为阴极。
9.如权利要求7所述的全龄期负碳混凝土预制桩的制备方法，其特征在于，所述碱化处理为在钢筋笼表面涂覆碱化涂层，所述碱化涂层的涂料组合物包括碱性材料、乙醇、EDTA和高吸水性树脂。
10.如权利要求9所述的全龄期负碳混凝土预制桩的制备方法，其特征在于，所述碱性材料为氢氧化钠、氢氧化钙、氢氧化钾和氢氧化镁中的至少一种。
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