CN114804785A - 一种高效固碳的水泥基材料自分层结构设计方法 - Google Patents
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Abstract
一种高效固碳的水泥基材料自分层结构设计方法，属于水泥基材料结构设计领域。本发明的目的是为了解决目前的水泥基材料无法兼顾抗压能力和多孔性两方面的问题，所述方法具体为：将普通硅酸盐水泥与水进行均匀搅拌，然后加入减水剂继续搅拌，加入轻质多孔材料，最后加入外加剂，搅拌结束后，将混合物浇筑至模具，硬化成型后脱模获得产品。本发明应用的多孔材料可以是具有丰富孔结构的轻质固体废弃物，形成的自分层结构可以高效吸附环境中的重金属离子、二氧化碳等物质。因此，本发明从原材料与产品吸附功能两个方面来看，都属于环境友好型发明方法。
Description
技术领域
本发明属于水泥基材料结构设计领域，具体涉及一种高效固碳的水泥基材料自分层结构设计方法。
背景技术
作为全球用量最大、用途最广的工程材料，水泥基材料因其多孔性可成为环境中重金属离子、二氧化碳等物质的吸附载体，对于改善环境可以发挥持久的有效作用。尽管水泥基材料自身具有多孔性，但是用作吸附载体其能力还比较有限，需要在其中夹杂孔结构更加丰富的多孔材料，来激发整个水泥基材料微观系统的孔结构连通性，使水泥基材料的吸附作用成为一种特征功能。此外，夹杂在水泥基材料内部的多孔材料，对环境中的二氧化碳吸附速率较低。将这些多孔材料的位置集中设计在水泥基材料表层，则会大大提升二氧化碳吸附效率，从而获得高效固碳功能，助力碳中和早日实现。传统的水泥基材料一般为整体均匀的组成结构，这种结构的受力比较均匀，如果其中包含多孔材料，其多孔结构因掺量越多而越丰富，力学性能就越差。如何在水泥基材料孔结构丰富的基础上保证力学性能不减弱，是同时发挥水泥基材料抗压能力与多孔性两方面优势的前提，也是应用其分担环境承载有害物质压力需要解决的关键问题。
发明内容
本发明的目的是为了解决目前的水泥基材料无法兼顾抗压能力和多孔性两方面的问题，提供一种高效固碳的水泥基材料自分层结构设计方法。该方法使多孔材料在水泥基材料内部(偏表层)自然形成一个结构层，避免多孔相对整体材料力学性能造成的不利影响，可同时发挥高效吸附能力与强抗压能力的性能优势。本发明所限定的材料配合比的范围，导致轻骨料能够自然上浮，形成分层结构。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案如下：
一种高效固碳的水泥基材料自分层结构设计方法，所述方法具体为：将普通硅酸盐水泥与水进行均匀搅拌，然后加入减水剂继续搅拌，加入轻质多孔材料，最后加入外加剂，搅拌结束后，将混合物浇筑至模具，硬化成型后脱模获得产品。
本发明相对于现有技术的有益效果为：
(1)易于应用：本发明提出的一种高效固碳的水泥基材料自分层结构设计方法，使多孔相在水泥基材料中自然形成结构层，成型工艺简单，有利于推广应用。
(2)性能优势：通过本发明获得的自分层结构，可同时发挥水泥基材料高效吸附能力与强抗压能力的性能优势，解决了多孔水泥基材料研究应用中本领域技术人员一直无法解决的“力学性能受多孔夹杂相不利影响”这一卡脖子问题。
(3)环境友好：本发明应用的多孔材料可以是具有丰富孔结构的轻质固体废弃物，形成的自分层结构可以高效吸附环境中的重金属离子、二氧化碳等物质。因此，本发明从原材料与产品吸附功能两个方面来看，都属于环境友好型发明方法。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明的技术方案作进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本发明技术方案进行修正或等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神范围，均应涵盖在本发明的保护范围之中。
具体实施方式一：本实施方式记载的是一种高效固碳的水泥基材料自分层结构设计方法，所述方法具体为：将普通硅酸盐水泥与水进行均匀搅拌，然后加入减水剂继续搅拌，加入轻质多孔材料，最后加入外加剂，搅拌结束后，将混合物浇筑至模具，硬化成型后脱模获得产品。
具体实施方式二：具体实施方式一所述的一种高效固碳的水泥基材料自分层结构设计方法，所述多孔材料为三维粒状生物炭、二维片状生物炭或粉末状生物炭中的一种或几种混合。
具体实施方式三：具体实施方式二所述的一种高效固碳的水泥基材料自分层结构设计方法，所述三维粒状生物炭的粒径为2～4mm，二维片状生物炭的粒径为2～4mm，粉末状生物炭的粒径为100～500μm。
具体实施方式四：具体实施方式二所述的一种高效固碳的水泥基材料自分层结构设计方法，选用三维粒状生物炭对应的水灰比为0.26～0.35，选用二维片状生物炭对应的水灰比为0.3～0.38，选用粉末状生物炭对应的水灰比为0.35～0.45。
具体实施方式五：具体实施方式二所述的一种高效固碳的水泥基材料自分层结构设计方法，选用三维粒状生物炭对应的减水剂用量为9.09×10-1～1.21×10-1g/mm3；选用二维片状生物炭对应的减水剂用量为2.22×10-1～5.25×10-1g/mm3；选用粉末状生物炭对应的减水剂用量为6.26×10-1～9.29×10-1g/mm3。9.09×10-1～1.21×10-1g/mm3指三维粒状生物炭与减水剂的用量比例为9.09×10-1～1.21×10-1g：1mm3。
具体实施方式六：具体实施方式一所述的一种高效固碳的水泥基材料自分层结构设计方法，所述多孔材料的掺量为6×10-5～2×10-4g/mm3，指每1mm3高效固碳水泥基材料中多孔材料的掺量为6×10-5～2×10-4g。
具体实施方式七：具体实施方式一所述的一种高效固碳的水泥基材料自分层结构设计方法，所述外加剂的用量为纳米二氧化硅1.5×10-6～5.2×10-6g/mm3，或锐钛矿相纳米二氧化钛8.5×10-7～1.2×10-6g/mm3，或α相纳米三氧化二铝7.2×10-7～9.5×10-7g/mm3。
具体实施方式八：具体实施方式一所述的一种高效固碳的水泥基材料自分层结构设计方法，所述模具尺寸的厚度为30～50mm，上下底面的面积>6000mm2。
具体实施方式九：具体实施方式一所述的一种高效固碳的水泥基材料自分层结构设计方法，所述方法具体为：将普通硅酸盐水泥与水进行均匀搅拌5分钟，然后加入减水剂继续搅拌5～20分钟，加入轻质多孔材料搅拌2～5分钟，最后加入外加剂搅拌2～5分钟。搅拌结束后，将混合物浇筑至模具，28～48小时硬化成型后脱模获得产品。
实施例1：
一种高效固碳的水泥基材料自分层结构设计方法，所述方法具体为：将普通硅酸盐水泥与水进行均匀搅拌5分钟，然后加入减水剂继续搅拌5～20分钟，加入轻质多孔材料搅拌2～5分钟，最后加入外加剂搅拌2～5分钟。搅拌结束后，将混合物浇筑至模具，28～48小时硬化成型后脱模获得产品。
所述多孔材料为三维粒状生物炭；所述三维粒状生物炭的粒径为2～3mm；选用三维粒状生物炭对应的水灰比为0.26～0.35；选用三维粒状生物炭，所述减水剂的用量为9.09×10-1～1.21×10-1g/mm3；所述多孔材料的掺量为6×10-5～2×10-4g/mm3，指每1mm3高效固碳水泥基材料中多孔材料的掺量为6×10-5～2×10-4g；所述外加剂的用量为纳米二氧化硅1.5×10-6～5.2×10-6g/mm3；所述模具尺寸的厚度为30～50mm，上下底面的面积>6000mm2。
碳捕获能力同比提升了170％～180％，抗压强度同比提升了65％～75％。
实施例2：
一种高效固碳的水泥基材料自分层结构设计方法，所述方法具体为：将普通硅酸盐水泥与水进行均匀搅拌5分钟，然后加入减水剂继续搅拌5～20分钟，加入轻质多孔材料搅拌2～5分钟，最后加入外加剂搅拌2～5分钟。搅拌结束后，将混合物浇筑至模具，28～48小时硬化成型后脱模获得产品。
所述多孔材料为二维片状生物炭。二维片状生物炭的粒径为2～4mm。选用二维片状生物炭对应的水灰比为0.3～0.38。选用二维片状生物炭对应的减水剂用量为2.22×10-1～5.25×10-1g/mm3；所述多孔材料的掺量为6×10-5～2×10-4g/mm3。所述外加剂的用量为锐钛矿相纳米二氧化钛8.5×10-7～1.2×10-6g/mm3。所述模具尺寸的厚度为30～50mm，上下底面的面积>6000mm2。
碳捕获能力同比提升了165％～175％，抗压强度同比提升了75％～80％。
实施例3：
一种高效固碳的水泥基材料自分层结构设计方法，所述方法具体为：将普通硅酸盐水泥与水进行均匀搅拌5分钟，然后加入减水剂继续搅拌5～20分钟，加入轻质多孔材料搅拌2～5分钟，最后加入外加剂搅拌2～5分钟。搅拌结束后，将混合物浇筑至模具，28～48小时硬化成型后脱模获得产品。
所述多孔材料为粉末状生物炭。所述粉末状生物炭的粒径为100～500μm。选用粉末状生物炭对应的水灰比为0.35～0.45。选用粉末状生物炭对应的减水剂用量为6.26×10-1～9.29×10-1g/mm3。所述多孔材料的掺量为6×10-5～2×10-4g/mm3。所述外加剂的用量为α相纳米三氧化二铝7.2×10-7～9.5×10-7g/mm3；所述模具尺寸的厚度为30～50mm，上下底面的面积>6000mm2。
碳捕获能力同比提升了160％～170％，抗压强度同比提升了60％～65％。
Claims (9)
1.一种高效固碳的水泥基材料自分层结构设计方法，其特征在于：所述方法具体为：将普通硅酸盐水泥与水进行均匀搅拌，然后加入减水剂继续搅拌，加入轻质多孔材料，最后加入外加剂，搅拌结束后，将混合物浇筑至模具，硬化成型后脱模获得产品。
2.根据权利要求1所述的一种高效固碳的水泥基材料自分层结构设计方法，其特征在于：所述多孔材料为三维粒状生物炭、二维片状生物炭或粉末状生物炭中的一种或几种混合。
3.根据权利要求2所述的一种高效固碳的水泥基材料自分层结构设计方法，其特征在于：所述三维粒状生物炭的粒径为2～4mm，二维片状生物炭的粒径为2～4mm，粉末状生物炭的粒径为100～500μm。
4.根据权利要求2所述的一种高效固碳的水泥基材料自分层结构设计方法，其特征在于：选用三维粒状生物炭对应的水灰比为0.26～0.35，选用二维片状生物炭对应的水灰比为0.3～0.38，选用粉末状生物炭对应的水灰比为0.35～0.45。
5.根据权利要求2所述的一种高效固碳的水泥基材料自分层结构设计方法，其特征在于：选用三维粒状生物炭对应的减水剂用量为9.09×10-1～1.21×10-1g/mm3；选用二维片状生物炭对应的减水剂用量为2.22×10-1～5.25×10-1g/mm3；选用粉末状生物炭对应的减水剂用量为6.26×10-1～9.29×10-1g/mm3。
6.根据权利要求1所述的一种高效固碳的水泥基材料自分层结构设计方法，其特征在于：所述多孔材料的掺量为6×10-5～2×10-4g/mm3。
7.根据权利要求1所述的一种高效固碳的水泥基材料自分层结构设计方法，其特征在于：所述外加剂的用量为纳米二氧化硅1.5×10-6～5.2×10-6g/mm3，或锐钛矿相纳米二氧化钛8.5×10-7～1.2×10-6g/mm3，或α相纳米三氧化二铝7.2×10-7～9.5×10-7g/mm3。
8.根据权利要求1所述的一种高效固碳的水泥基材料自分层结构设计方法，其特征在于：所述模具尺寸的厚度为30～50mm，上下底面的面积>6000mm2。
9.根据权利要求1所述的一种高效固碳的水泥基材料自分层结构设计方法，其特征在于：所述方法具体为：将普通硅酸盐水泥与水进行均匀搅拌5分钟，然后加入减水剂继续搅拌5～20分钟，加入轻质多孔材料搅拌2～5分钟，最后加入外加剂搅拌2～5分钟。搅拌结束后，将混合物浇筑至模具，28～48小时硬化成型后脱模获得产品。
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