CN114873979B - 一种低碳水泥混凝土及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种低碳水泥混凝土，组成按重量份数计如下：低钙水泥200～500份，水化活性胶凝材料20～200份，细骨料600～1000份，粗骨料800～1200份，水100～240份，调控外加剂4～12份，纤维4～16份；将低钙水泥、水化活性胶凝材料、细骨料、粗骨料、纤维放入搅拌机中混合均匀，加入水和调控外加剂搅拌得到混凝土拌合物；将拌合物浇筑至模具中，振动成型，成型混凝土制品的最大厚度不大于200mm；置于干燥环境中自然养护6～24h后拆模；拆模后置于碳化反应釜中，抽真空后通入20％～100％浓度的CO₂，控制反应釜内压力0～1.5MPa、温度20～100℃，碳化养护6～48h得到低碳水泥混凝土。

Description

一种低碳水泥混凝土及其制备方法

技术领域

本发明属于混凝土材料技术领域，具体涉及一种低碳水泥混凝土及其制备方法。

背景技术

全球气候变化是21世纪人类面临的重大挑战，其中最重要的是以二氧化碳为主的温室气体(还包括甲烷、一氧化氮、氯氟碳化物等)导致的全球气温变暖。低碳胶凝材料的开发以及碳捕集、封存与利用技术将发挥至关重要的作用。

在建材行业中，很容易想到利用水泥混凝土制品对CO₂进行吸附和固化。早期研究学者利用二氧化碳对普通水泥混凝土制品进行碳化养护，探究了不同二氧化碳养护制度下水泥混凝土制品的力学性能、耐久性能和固碳能力，但是由于普通水泥本身碳化反应程度低，混凝土制品又较为密实，固碳能力有限。部分研究人员利用低钙硅比的硅酸盐矿物制备新型碳化预制构件，如专利《一种复合增强碳化预制品的制备方法》(申请号：201910035926.7)，利用低钙硅比的硅酸钙矿物作为水泥主体，并通过复合活性氧化镁和碱金属硝酸盐溶液作为碳化增强相和催化相，通过加速碳化使得成型的坯体快速硬化，得到高性能的碳化预制品。另一专利《一种高性能碳化增强混凝土的制备方法》(申请号：201911212719.0)利用钢渣作为碳化材料，加入石英砂为骨料，制备高性能碳化增强混凝土。但是现有技术多只涉及胶凝材料粉末和化学试剂混合形成水泥制品，或者加入细骨料，制备水泥砂浆及无粗骨料的超高性能混凝土制品，且多为压制成型，试件厚度多为不超过100mm的薄板，利用低钙水泥制备水泥混凝土及其制品的少有研究和报道，且无规模化应用。这是由于低钙水泥未碳化前强度较低，因此多为压制成型，成型压力高，制品的尺寸和造型等工艺难以保证，若要采用浇筑成型工艺制备混凝土，需考虑脱模困难，脱模时间延长的问题，另外，水泥混凝土制品通常较为致密，CO₂不易进入基体内部，碳化程度和固碳能力有限。

因此，如何利用低钙水泥制备可浇筑成型的混凝土制品，并保证足够的早期脱模强度，碳化混凝土强度和固碳能力，是亟待解决的问题。

发明内容

本发明目的之一在于提供一种低碳水泥混凝土，通过调控外加剂组分对低碳水泥混凝土进行工作性能调节和孔结构调节，实现优异的浇筑成型性能和孔结构，利用水化活性胶凝材料在外加剂作用下的快速水化反应提供早期强度，实现尽早脱模，同时提供CO₂渗透的通道，实现碳化养护。

本发明的目的之二在于提供上述低碳水泥混凝土的制备方法，该制备方法利用低钙水泥的高碳化活性对混凝土进行快速碳化硬化，制得低碳水泥混凝土制品，制备过程中能够吸收大量的CO₂，实现固碳与增强的双重有益效益。

为实现上述目的，采用技术方案如下：

一种低碳水泥混凝土，其组成按重量份数计如下：

低钙水泥200～500份，水化活性胶凝材料20～200份，细骨料600～1000份，粗骨料800～1200份，水100～240份，调控外加剂4～12份，纤维4～16份。

按上述方案，所述低钙水泥主要包括以下组分：

按质量百分数计：C₃S₂5％～40％、γ-C₂S20％～50％、CS10％～50％；

所述低钙水泥80μm细度筛余≤10.0％，比表面积≥300m²/kg。

按上述方案，所述水化活性胶凝材料为普通硅酸盐水泥、铝酸盐水泥、铁铝酸盐水泥和硫铝酸盐水泥中的一种或几种。

按上述方案，所述粗骨料最大粒径不超过31.5mm。

按上述方案，所述调控外加剂的组成按按质量分数计为：

5～40％萘系减水剂或聚羧酸系减水剂，1～3％增稠剂，0.05～0.2％引气剂，0.03～0.2％消泡剂，5～20％二氧化碳吸收剂，50％～85％水；

所述二氧化碳吸收剂为碳酸丙烯酯、乙醇胺、甲基二乙醇胺、2-氨基-2甲基-1丙醇中的一种或任意混合。

按上述方案，所述纤维为钢纤维、玻璃纤维、碳纤维、有机纤维、玄武岩纤维中的一种或任意混合；纤维单丝直径不小于6μm，长度为10～30mm。

上述低碳水泥混凝土的制备方法，包含以下步骤：

1)将低钙水泥、水化活性胶凝材料、细骨料、粗骨料、纤维放入搅拌机中混合均匀，加入水和调控外加剂搅拌得到混凝土拌合物；

2)将拌合物浇筑至模具中，振动成型，成型混凝土制品的最大厚度不大于200mm；

3)置于干燥环境中自然养护6～24h后拆模；

4)拆模后置于碳化反应釜中，抽真空后通入20％～100％浓度的CO₂，控制反应釜内压力0～1.5MPa、温度20～100℃，碳化养护6～48h得到低碳水泥混凝土。

现对于现有技术，本发明的有益效果如下：

1、利用调控外加剂对低碳水泥混凝土进行工作性能调节，制备的低碳水泥混凝土和易性能良好，不粘重，不松散，不分层离析，易于浇筑成型。区别于普通混凝土外加剂中含有保坍、缓释、增效、缓凝等必要组分。

2、摒弃传统碳化制品压制成型的方式，采用浇筑成型工艺，利用水化活性胶凝材料在调控外加剂作用下的快速水化反应提供早期强度，利用纤维对混凝土进行韧性增强，实现尽早脱模，大大提高生产效率，缩短模具周转周期，节约成本。由于采用浇筑成型工艺，制品尺寸易于控制，形状易于设计，可满足更多部位和结构的使用要求，应用范围更为广阔。

3、调控外加剂组分中的引气剂和消泡剂对低碳水泥混凝土中的孔结构进行调控，一方面控制气孔大小，消除有害大气孔，保留细小微气孔，为二氧化碳进入混凝土内部提供一定的通道，有利于增加混凝土碳化深度和碳化程度，另一方面控制气孔数量，避免气孔过多，混凝土基体过于疏松，影响混凝土密实度，降低混凝土强度。

4、合理设计低碳水泥混凝土配比。区别于传统水泥混凝土基于颗粒最紧密堆积的设计理论，低碳水泥混凝土是CO₂外养护机理，在配合比设计时需要兼顾混凝土密实堆积和碳化反应过程。本发明通过合理控制胶凝材料和粗细骨料比例，以及外加剂中孔结构调节组分，实现基体结构的最优堆积密度，既能提供一定的骨架堆积强度，又能保证混凝土充分碳化。

5、利用低钙硅比的硅酸盐矿物(C₃S₂、γ-C₂S、CS)的高碳化活性，在一定压力、温度条件及二氧化碳吸收剂作用下与CO₂快速发生碳化反应，24h以内即可达到普通混凝土养护28d时的力学性能，大大缩短生产周期。

6、本发明使用的低钙水泥本身碳排放量就低，且低碳水泥混凝土制品在制备过程中固化储存CO₂量可达60～160kg/m³，两者协同作用使得混凝土降碳效果显著增加。

具体实施方式

以下实施例进一步阐释本发明的技术方案，但不作为对本发明保护范围的限制。需要说明的是，在不相冲突的前提下，以下描述的各实施例之间或各技术特征之间可以任意组合形成新的实施例。所采用的设备和原料等均可从市场购得或是本领域常用的。下述实施例中的方法，如无特别说明，均为本领域的常规方法。

具体实施方式中提供了一种低碳水泥混凝土，其组成按重量份数计如下：

低钙水泥200～500份，水化活性胶凝材料20～200份，细骨料600～1000份，粗骨料800～1200份，水100～240份，调控外加剂4～12份，纤维4～16份。

具体地，所述低钙水泥主要包括以下组分：

按质量百分数计：C₃S₂5％～40％、γ-C₂S20％～50％、CS10％～50％；

所述低钙水泥80μm细度筛余≤10.0％，比表面积≥300m²/kg。

所述水化活性胶凝材料为普通硅酸盐水泥、铝酸盐水泥、铁铝酸盐水泥和硫铝酸盐水泥中的一种或几种。

所述粗骨料最大粒径不超过31.5mm。

所述调控外加剂的组成按按质量分数计为：

5～40％萘系减水剂或聚羧酸系减水剂，1～3％增稠剂，0.05～0.2％引气剂，0.03～0.2％消泡剂，5～20％二氧化碳吸收剂，50％～85％水；

所述二氧化碳吸收剂为碳酸丙烯酯、乙醇胺、甲基二乙醇胺、2-氨基-2甲基-1丙醇中的一种或任意混合。

所述纤维为钢纤维、玻璃纤维、碳纤维、有机纤维、玄武岩纤维中的一种或任意混合；纤维单丝直径不小于6μm，长度为10～30mm。

具体实施方式中还提供了上述低碳水泥混凝土的制备方法，包含以下步骤：

1)将低钙水泥、水化活性胶凝材料、细骨料、粗骨料、纤维放入搅拌机中混合均匀，加入水和调控外加剂搅拌得到混凝土拌合物；

2)将拌合物浇筑至模具中，振动成型，成型混凝土制品的最大厚度不大于200mm；

3)置于干燥环境中自然养护6～24h后拆模；

4)拆模后置于碳化反应釜中，抽真空后通入20％～100％浓度的CO₂，控制反应釜内压力0～1.5MPa、温度20～100℃，碳化养护6～48h得到低碳水泥混凝土。

实施例1

一种低碳水泥混凝土，包括以下重量份的各组分：

低钙水泥480份，水化活性胶凝材料70份，细骨料742份，粗骨料958份，水195份，调控外加剂10.5份，纤维13.8份。

低钙水泥主要包括以下组分，按质量分数计为：32.2％C₃S₂、41.4％γ-C₂S、21.4％CS，所述低钙水泥80μm细度筛余9.3％，比表面积320m²/kg。

水化活性胶凝材料为铝酸盐水泥。

粗骨料最大粒径19.5mm。

调控外加剂由以下组分混合而成，按质量分数计为：34％萘系减水剂，1％增稠剂，0.15％引气剂，0.05％消泡剂，15％二氧化碳吸收剂，49.8％水，二氧化碳吸收剂为乙醇胺。

纤维为钢纤维，纤维单丝直径12μm，长度为15mm。

上述低碳水泥混凝土预制品的制备方法，包括以下步骤：

1)将低钙水泥、水化活性胶凝材料、细骨料、粗骨料、纤维放入搅拌机中混合均匀，加入水和调控外加剂拌和形成具有一定流动性的混凝土拌合物；

2)将拌合物浇筑至制品模具中，振动成型，其中制品的最大厚度为120mm；

3)将成型好的混凝土至于干燥环境中自然养护24h后拆模；

4)拆模后混凝土制品置于碳化反应釜中，先进行抽真空预处理，再通入100％浓度CO₂，控制反应釜内压力1.0MPa、温度80℃碳化养护24h得到低碳水泥混凝土制品。

所得低碳水泥混凝土制品经测试，碳化前抗压强度25.4MPa，碳化后抗压强度60.8MPa，固碳量为140kg/m³。

实施例2

一种低碳水泥混凝土，包括以下重量份的各组分：

低钙水泥315份，水化活性胶凝材料135份，细骨料820份，粗骨料960份，水170份，调控外加剂7.2份，纤维6.3份。

低钙水泥主要包括以下组分，按质量分数计为：36.5％C₃S₂、21.7％γ-C₂S、35.3％CS，所述低钙水泥80μm细度筛余8.8％，比表面积340m²/kg。

水化活性胶凝材料为普通硅酸盐水泥。

粗骨料最大粒径26.5mm。

调控外加剂由以下组分混合而成，按质量分数计为：35％萘系减水剂，2％增稠剂，0.15％引气剂，0.05％消泡剂，9％二氧化碳吸收剂，53.8％水，二氧化碳吸收剂为乙醇胺。

纤维为碳纤维，纤维单丝直径15μm，长度为12mm。

上述低碳水泥混凝土预制品的制备方法，包括以下步骤：

1)将低钙水泥、水化活性胶凝材料、细骨料、粗骨料、纤维放入搅拌机中混合均匀，加入水和调控外加剂拌和形成具有一定流动性的混凝土拌合物；

2)将拌合物浇筑至制品模具中，振动成型，其中制品的最大厚度为150mm；

3)将成型好的混凝土至于干燥环境中自然养护24h后拆模；

4)拆模后混凝土制品置于碳化反应釜中，先进行抽真空预处理，再通入80％浓度CO₂，控制反应釜内压力0.5MPa、温度60℃碳化养护20h得到低碳水泥混凝土制品。

所得低碳水泥混凝土制品经测试，碳化前抗压强度18.8MPa，碳化后抗压强度53.2MPa，固碳量为105kg/m³。

实施例3

一种低碳水泥混凝土，包括以下重量份的各组分：

低钙水泥230份，水化活性胶凝材料150份，细骨料800份，粗骨料1040份，水155份，调控外加剂4.4份，纤维5.7份。

低钙水泥主要包括以下组分，按质量分数计为：10.3％C₃S₂、44.5％γ-C₂S、34.7％CS，所述低钙水泥80μm细度筛余7.5％，比表面积355m²/kg。

水化活性胶凝材料为硫铝酸盐水泥。

粗骨料最大粒径31.5mm。

调控外加剂由以下组分混合而成，按质量分数计为：10.5％聚羧酸减水剂，2.5％增稠剂，0.05％引气剂，0.1％消泡剂，5％二氧化碳吸收剂，81.9％水，二氧化碳吸收剂为碳酸丙烯酯。

纤维为玄武岩纤维，纤维单丝直径8μm，长度为16mm。

上述低碳水泥混凝土预制品的制备方法，包括以下步骤：

1)将低钙水泥、水化活性胶凝材料、细骨料、粗骨料、纤维放入搅拌机中混合均匀，加入水和调控外加剂拌和形成具有一定流动性的混凝土拌合物；

2)将拌合物浇筑至制品模具中，振动成型，其中制品的最大厚度为200mm；

3)将成型好的混凝土至于干燥环境中自然养护24h后拆模；

4)拆模后混凝土制品置于碳化反应釜中，先进行抽真空预处理，再通入50％浓度CO₂，控制反应釜内压力0.5MPa、温度60℃碳化养护12h得到低碳水泥混凝土制品。

所得低碳水泥混凝土制品经测试，碳化前抗压强度22.3MPa，碳化后抗压强度42.5MPa，固碳量为110kg/m³。

实施例4

一种低碳水泥混凝土，包括以下重量份的各组分：

低钙水泥300份，水化活性胶凝材料40份，细骨料920份，粗骨料950份，水145份，调控外加剂6.8份，纤维10.4份。

低钙水泥主要包括以下组分，按质量分数计为18.9％C₃S₂、33.5％γ-C₂S、37.2％CS，所述低钙水泥80μm细度筛余8.5％，比表面积335m²/kg。

水化活性胶凝材料为普通硅酸盐水泥。

粗骨料最大粒径31.5mm。

调控外加剂由以下组分混合而成，按质量分数计为：10.5％聚羧酸减水剂，2％增稠剂， 0.05％引气剂，0.15％消泡剂，8％二氧化碳吸收剂，78.8％水，二氧化碳吸收剂为甲基二乙醇胺。

纤维为玄武岩纤维，纤维单丝直径8μm，长度为16mm。

上述低碳水泥混凝土预制品的制备方法，包括以下步骤：

1)将低钙水泥、水化活性胶凝材料、细骨料、粗骨料、纤维放入搅拌机中混合均匀，加入水和调控外加剂拌和形成具有一定流动性的混凝土拌合物；

2)将拌合物浇筑至制品模具中，振动成型，其中制品的最大厚度为200mm；

3)将成型好的混凝土至于干燥环境中自然养护24h后拆模；

4)拆模后混凝土制品置于碳化反应釜中，先进行抽真空预处理，再通入100％浓度CO₂，控制反应釜内压力0.4MPa、温度80℃碳化养护24h得到低碳水泥混凝土制品。

所得低碳水泥混凝土制品经测试，碳化前抗压强度15.8MPa，碳化后抗压强度46.7MPa，固碳量为95kg/m³。

对比例1

一种低碳水泥混凝土，包括以下重量份的各组分：

低钙水泥360份，细骨料900份，粗骨料970份，水180份，外加剂3.8份，纤维5.2 份。

低钙水泥按质量分数计为：25％C₃S₂、60％γ-C₂S、5％CS，所述低钙水泥80μm细度筛余 12.5％，比表面积310m²/kg。

外加剂为普通聚羧酸减水剂，固含量为10％。

粗骨料最大粒径37.5mm。

上述低碳水泥混凝土预制品的制备方法，与实施例4相同，在此不再赘述。

所得低碳水泥混凝土制品经测试，碳化前抗压强度3.4MPa，碳化后抗压强度21.9MPa，固碳量为72kg/m³。

上述优选实施例方式不能以此来限定本发明保护的范围，本领域的技术人员在本发明的基础上所做的任何非实质性的变化及替换均属于本发明所要求保护的范围。

Claims (5)

1.一种低碳水泥混凝土，其特征在于组成按重量份数计如下：

低钙水泥200～500份，水化活性胶凝材料20～200份，细骨料600～1000份，粗骨料800～1200份，水100～240份，调控外加剂4～12份，纤维4～16份；

所述调控外加剂的组成按质量分数计为：

5～40％萘系减水剂或聚羧酸系减水剂，1～3％增稠剂，0.05～0.2％引气剂，0.03～0.2％消泡剂，5～20％二氧化碳吸收剂，50％～85％水；

所述二氧化碳吸收剂为碳酸丙烯酯、乙醇胺、甲基二乙醇胺、2-氨基-2甲基-1丙醇中的一种或任意混合；

所述纤维为钢纤维、玻璃纤维、碳纤维、有机纤维、玄武岩纤维中的一种或任意混合；纤维单丝直径不小于6μm，长度为10～30mm。

2.如权利要求1所述低碳水泥混凝土，其特征在于所述低钙水泥主要包括以下组分：

按质量百分数计：C₃S₂5％～40％、γ-C₂S20％～50％、CS10％～50％；

所述低钙水泥80μm细度筛余≤10.0％，比表面积≥300m²/kg。

3.如权利要求1所述低碳水泥混凝土，其特征在于所述水化活性胶凝材料为普通硅酸盐水泥、铝酸盐水泥、铁铝酸盐水泥和硫铝酸盐水泥中的一种或几种。

4.如权利要求1所述低碳水泥混凝土，其特征在于所述粗骨料最大粒径不超过31.5mm。

5.权利要求1所述低碳水泥混凝土的制备方法，包含以下步骤：

1)将低钙水泥、水化活性胶凝材料、细骨料、粗骨料、纤维放入搅拌机中混合均匀，加入水和调控外加剂搅拌得到混凝土拌合物；

2)将拌合物浇筑至模具中，振动成型，成型混凝土制品的最大厚度不大于200mm；

3)置于干燥环境中自然养护6～24h后拆模；

4)拆模后置于碳化反应釜中，抽真空后通入20％～100％浓度的CO₂，控制反应釜内压力0～1.5MPa、温度20～100℃，碳化养护6～48h得到低碳水泥混凝土。