CN114907068B - 一种高强高吸附性泡沫混凝土及其制备方法与应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高强高吸附性泡沫混凝土及其制备方法与应用，包括以下重量份原料：水泥70‑100份、工业固废0‑30份、发泡剂0.1‑1份、水50‑60份以及碳酸钙晶型控制剂0‑2份，碳酸钙晶体控制剂为有机添加剂或无机添加剂。本发明通过物理发泡工艺，将水泥、工业固废与水混合搅拌均匀后形成水泥基浆料，然后与发泡剂产生的泡沫混合制备泡沫混凝土，能够与二氧化碳产生化学反应，达到吸附二氧化碳的效果。

Description

一种高强高吸附性泡沫混凝土及其制备方法与应用
技术领域
本发明属于混凝土材料技术领域，具体涉及到一种高强高吸附性泡沫混凝土及其制备方法与应用。
背景技术
由于温室气体排放导致全球气候变暖，并由此带来的异常自然现象已经威胁到人类的生存，如何有效地降低温室气体的排放，已成为全世界面临的共同难题。2020年，我国水泥行业CO2排放量预计为13.76亿吨，占我国碳排放总量的13.5％。如何有效的减少水泥行业二氧化碳排放，是未来建材领域的一大难题。水泥行业60％的碳排放来自石灰石分解产生。由石灰石分解成的氧化钙，在使用、服役过程中会吸收二氧化碳，慢慢碳化，二氧化碳吸收量最高可达到50％。若将此过程提前到水泥使用阶段，即采用二氧化碳养护混凝土，让水泥在使用阶段吸收二氧化碳，抵消生产阶段排放的二氧化碳，不但可以将二氧化碳气体回收、利用和固定，还能提高混凝土的早期强度、改善混凝土的抗冻融性、抗腐蚀性等耐久性，是一种很有前景的技术。
泡沫混凝土集防火、质轻多孔和保温隔热等功能于一体，其制备过程资源消耗少、服役过程节约建筑能耗和无毒害物排放，目前已发展成为应用量最大的特种混凝土。但由于泡沫混凝土存在凝结时间较长、脱模时间长、早期强度较低等问题，严重制约了泡沫混凝土的推广应用。
发明内容
本发明的目的是提供一种高强高吸附性泡沫混凝土及其制备方法与应用，采用物理发泡工艺，将水泥、工业固废与水混合搅拌均匀后形成水泥基浆料，然后与发泡剂产生的泡沫混合制备泡沫混凝土，能够与二氧化碳产生化学反应，达到吸附二氧化碳的效果。
为达上述目的，本发明提供了一种高强高吸附性泡沫混凝土，包括以下重量份原料：水泥70-100份、工业固废0-30份、发泡剂0.1-1份、水50-60份以及碳酸钙晶型控制剂0-2份，碳酸钙晶体控制剂为有机添加剂或无机添加剂，高强高吸附性泡沫混凝土的水胶比为0.4-0.7。
采用上述方案的有益效果是：采用物理发泡工艺，将水泥、工业固废与水混合搅拌均匀后形成水泥基浆料，然后与发泡剂产生的泡沫混合制备泡沫混凝土，能够与二氧化碳产生化学反应，达到吸附二氧化碳的效果。在水泥基浆料凝结硬化过程中，碳酸钙晶型控制剂能够调整水泥基材料中新生成的碳酸钙的晶体结构和大小，从而确保有更多的氢氧化钙、C-S-H凝胶等能够与二氧化碳反应的物质，提高固碳量。而且在泡沫混凝土在对二氧化碳的持续吸附过程中，泡沫混凝土的质量持续增加，且随着固碳过程中碳酸钙晶型的不断产生，泡沫混凝土的孔结构会逐渐致密，强度会持续增长，形成高强轻质泡沫混凝土。
进一步地，水泥为硅酸盐水泥、白水泥和低热水泥中的至少一种。
进一步地，工业固废为电石渣和/或钢渣。
进一步地，有机添加剂为非离子型表面活性剂、蛋白质、氨基酸或多糖中的一种或几种。
进一步地，无机添加剂为二价阳离子、二价阴离子或硅酸钠。
进一步地，高强高吸附性泡沫混凝土中气孔占总体积的15-90％。
进一步地，高强高吸附性泡沫混凝土比表面积为20m2/g以上。
进一步地，本发明还提供了一种高强高吸附性泡沫混凝土的制备方法，包括以下步骤：
(1)将发泡剂与水按体积比1：20～40混合后打发制成泡沫密度为40-120g/L的泡沫；
(2)将原料与水搅拌均匀，与泡沫混合，制成泡沫混凝土浆体，浇入模具中养护后脱模制得；其中所述养护时间为8-24h，养护环境为二氧化碳气氛。
进一步地，本发明还提供了一种高强高吸附性泡沫混凝土在吸附有害气体中的应用。
采用上述方案的有益效果是：采用本发明的泡沫混凝土对工业生产过程产生的二氧化碳或工业窑炉产生的高浓度二氧化碳废气进行吸附固碳，同时作为一种多孔材料，对甲醛等有害物质具有较好的吸附效果。
综上所述，本发明具有以下优点：
(1)本发明所制备的泡沫混凝土强度较常规混凝土材料增加20％以上。
(2)本发明所制备的泡沫混凝土脱模时间更短。
(3)本发明选用电石渣、钢渣等活性较低的工业固体废弃物，可以取得较好的早期强度和固碳效果，在大掺量利用固废方面效果突出。
(4)采用碳酸钙晶型控制剂进行调控后，泡沫混凝土具有更高的比表面积，更好的吸附性能。
具体实施方式
本发明提供了一种高强高吸附性泡沫混凝土的制备方法，包括以下步骤：
(1)称取原料
主要原料包括水泥、工业固废、发泡剂、水和碳酸钙晶体控制剂；其中水泥为70～100份，工业固废为电石渣或者钢渣中的一种或者两种混合物，总量为0-30份，碳酸钙晶型控制剂0-2份，发泡剂0-1份；水胶比0.4-0.7，发泡剂为蛋白复合型发泡剂；
(2)发泡剂与水按体积比1：20～40混合经机械发泡制成泡沫，泡沫密度40-120g/L，备用；
(3)按照配料比例称取水泥、工业固废、碳酸钙晶体控制剂以及水，然后将原料与水搅拌混合均匀；
(4)水泥浆体与泡沫混合搅拌制成泡沫混凝土浆体，浇入模具中；
(5)将带模具的泡沫混凝土浆料放入二氧化碳气氛养护室中养护8-24h后脱模得到产品。
本发明采用物理发泡工艺，将水泥、工业固废与水混合搅拌均匀后形成水泥基浆料，然后与发泡剂产生的泡沫混合制备水泥基多孔材料，形成泡沫混凝土，因水泥基浆料中石灰、电石渣或钢渣中含钙值较高，基体水化后会产生氢氧化钙、C-S-H凝胶，能够与二氧化碳产生化学反应，达到吸附二氧化碳的效果。在水泥基浆料凝结硬化过程中，碳酸钙晶型控制剂能够控制碳酸钙晶体结构和生长速度，从而确保有更多的氢氧化钙、C-S-H凝胶等能够与二氧化碳反应的物质，使得硬化后的水泥基多孔材料能够有较高的固碳量。而且在泡沫混凝土在对二氧化碳的持续吸附过程中，泡沫混凝土的质量持续增加，且随着固碳过程中碳酸钙晶型的不断产生，泡沫混凝土的孔结构会逐渐致密，强度会持续增长。
本发明中的水泥为普通硅酸盐、白水泥和低热水泥中的一种或多种。控制碳酸钙晶体的方法主要通过添加剂对结晶过程进行调控，如有机添加剂包括：表面活性剂、蛋白质、氨基酸、多糖和嵌段共聚物等，无机添加剂包括：二价阳离子(Mg2+、Mn2+、Cu2+、Sr2+、Ba2+等)、阴离子(SO4 2-、PO4 2-等)和硅酸钠等。无机添加剂在水泥基体系里可以加入，有机添加剂的加入可以到发泡用的发泡剂里加入。所制得的泡沫混凝土气孔占体积比例在15％～90％之间。
制得的泡沫混凝土可对工业生产过程产生的二氧化碳或工业窑炉产生的高浓度二氧化碳废气进行吸附固碳，二氧化碳进入多孔材料的空隙中，能够充分与其中的氢氧化钙、C-S-H凝胶产生反应，实现二氧化碳的吸附、固化，固碳后的多孔材料比表面积大，有利于作为甲醛等有害气体的吸附材料。
本发明的发泡剂为科泰动物蛋白发泡剂。
以下结合实施例对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
实施例1
一种高强高吸附性泡沫混凝土混凝土，设计干容重为400kg/m3，由下列重量份的组分原料组成：普通硅酸盐水泥100份、水60份和发泡剂0.5份。
实施例2
一种高强高吸附性泡沫混凝土混凝土，设计干容重为600kg/m3，由下列重量份的组分原料组成：普通硅酸盐水泥70份、电石渣30份、水50份和发泡剂0.3份。
实施例3
一种高强高吸附性泡沫混凝土混凝土，设计干容重为600kg/m3，包括以下重量份组分：普通硅酸盐水泥70份、电石渣30份、碳酸钙晶型控制剂(辛基酚聚氧乙烯醚)0.005份、水50份、发泡剂0.3份。
实施例4
一种高强高吸附性泡沫混凝土混凝土，设计干容重为600kg/m3，包括以下重量份组分：普通硅酸盐水泥70份、电石渣30份、碳酸钙晶型控制剂(氯化镁)1份、水50份、发泡剂0.3份。
实施例5
一种高强高吸附性泡沫混凝土混凝土，设计干容重为800kg/m3，包括以下重量份组分：普通硅酸盐水泥70份、钢渣30份、碳酸钙晶型控制剂(辛基酚聚氧乙烯醚)0.005份、水50份、发泡剂0.3份。
实施例6
一种高强高吸附性泡沫混凝土混凝土，设计干容重为800kg/m3，包括以下重量份组分：普通硅酸盐水泥70份、钢渣30份、碳酸钙晶型控制剂(氯化镁)1份、水50份、发泡剂0.3份。
实施例1-6提供的组分经本发明提供的方法制备成泡沫混凝土浆料后，注入成型模具中，移入二氧化碳气氛养护室中进行养护。
对比例1
一种普通泡沫混凝土，与实施例1的原料组成相同，不同之处在于改变养护室的气氛，采用标准养护室。
对比例2
一种普通泡沫混凝土，与实施例2的原料相同，不同之处在于改变养护室的气氛，采用标准养护室。
对比例3
一种普通泡沫混凝土，设计干容重为800kg/m3，由下列重量份的组分原料组成：普通硅酸盐水泥70份、钢渣30份、水50份和发泡剂0.1份。与对比例1-2采用同样的养护室进行养护。
对比例4
一种普通泡沫混凝土，与实施例3的组分相同，不同之处在于改变养护室的气氛，采用标准养护室。
对比例5
一种普通泡沫混凝土，与实施例6的组分相同，不同之处在于改变养护室的气氛，采用标准养护室。
试验例
将实施例1-6以及对比例1-5提供的原料制备成泡沫混凝土浆料后，注入成型模具中。然后将实施例1-6移入二氧化碳气氛养护室中进行养护，1天后(2d龄期)拆模测试数据。将对比例1-5在成型2天后拆模，然后在标准养护室放置26天(28d龄期)测试数据。其中养护室的温度为20±2℃，相对湿度为90％以上。
其组分汇总如表1所示，结果如表2所示。
表1实施例以及对比例的组分表
容重kg/m3 水 发泡剂 工业固废 水泥 碳酸钙晶型控制剂
对比例1 400 60份 0.5份 / 100份 /
对比例2 600 50份 0.3份 电石渣30份 70份 /
对比例3 800 50份 0.1份 钢渣30份 70份 /
对比例4 600 50份 0.3份 电石渣30份 70份 辛基酚聚氧乙烯醚0.005份
对比例5 800 50份 0.3份 钢渣30份 70份 氯化镁1份
实施例1 400 60份 0.5份 / 100份 /
实施例2 400 60份 0.5份 / 100份 氯化镁1份
实施例3 600 50份 0.3份 电石渣30份 70份 辛基酚聚氧乙烯醚0.005份
实施例4 600 50份 0.3份 电石渣30份 70份 氯化镁1份
实施例5 800 50份 0.3份 钢渣30份 70份 辛基酚聚氧乙烯醚0.005份
实施例6 800 50份 0.3份 钢渣30份 70份 氯化镁1份
表2实施例以及对比例所得材料的性能数据
抗压强度/MPa 比表面积(m2/g) 水胶比 气孔体积分数
对比例1 1.0(28d) 18.1 0.6 88.26
对比例2 2.5(28d) 14.9 0.5 79.37
对比例3 4.2(28d) 14.4 0.5 73.70
对比例4 2.4(28d) 15.3 0.5 79.50
对比例5 4.2(28d) 14.4 0.5 73.80
实施例1 1.5(2d) 25.0 0.6 83.66
实施例2 1.6(2d) 26.3 0.6 83.52
实施例3 3.0(2d) 26.5 0.5 77.70
实施例4 3.2(2d) 24.2 0.5 77.58
实施例5 6.5(2d) 21.3 0.5 71.22
实施例6 7.0(2d) 20.2 0.5 71.05
上述数据表明，掺入钢渣或电石渣的泡沫混凝土在二氧化碳气氛中养护后，泡沫混凝土强度比同容重普通泡沫混凝土高20％以上，因为泡沫混凝土在对二氧化碳的持续吸附过程中，泡沫混凝土的质量持续增加，且随着固碳过程中碳酸钙晶型的不断产生，泡沫混凝土的孔结构会逐渐致密，使得强度持续增长，获得高强度的泡沫混凝土。固碳后的多孔材料比表面积大，有利于作为甲醛等有害气体的吸附材料。
综上所述，本发明中的水泥基多孔材料的泡沫混凝土可以对工业废气中的二氧化碳进行吸附，达到很好的固碳效果；而且随着碳化的持续进行，泡沫混凝土的强度也会逐渐提高。当然也可以在泡沫混凝土养护过程中直接采用二氧化碳气氛进行养护8-24小时拆模，该条件下进行养护的泡沫混凝土早期强度发展较快，早期强度明显高于同一干密度等级的普通泡沫混凝土，也可以缩短脱模时间。
虽然对本发明的具体实施方式进行了详细地描述，但不应理解为对本专利的保护范围的限定。在权利要求书所描述的范围内，本领域技术人员不经创造性劳动即可作出的各种修改和变形仍属本专利的保护范围。

Claims (7)

1.一种高强高吸附性泡沫混凝土，其特征在于，包括以下重量份原料：水泥70-100份、工业固废30份、发泡剂0.1-1份、水50-60份以及碳酸钙晶型控制剂0.005-2份，所述工业固废为电石渣和/或钢渣，所述碳酸钙晶型控制剂为辛基酚聚氧乙烯醚，所述高强高吸附性泡沫混凝土的水胶比为0.4-0.7；
所述高强高吸附性泡沫混凝土通过以下方法制备得到：
（1）将发泡剂打发制成泡沫密度为40-120 g/L的泡沫；
（2）将原料与水搅拌均匀，与泡沫混合，制成泡沫混凝土浆体，浇入模具中养护后脱模制得；其中养护时间为8-24h，养护环境为二氧化碳气氛。
2.如权利要求1所述的高强高吸附性泡沫混凝土，其特征在于，所述水泥为硅酸盐水泥。
3.如权利要求1所述的高强高吸附性泡沫混凝土，其特征在于，所述水泥为白水泥和低热水泥中的至少一种。
4.如权利要求1所述的高强高吸附性泡沫混凝土，其特征在于，所述发泡剂为蛋白复合型发泡剂。
5.如权利要求1所述的高强高吸附性泡沫混凝土，其特征在于，所述高强高吸附性泡沫混凝土中气孔占总体积的15-90%。
6.如权利要求1所述的高强高吸附性泡沫混凝土，其特征在于，所述高强高吸附性泡沫混凝土比表面积为20m2/g以上。
7.如权利要求1-6任一项所述的高强高吸附性泡沫混凝土在吸附有害气体中的应用。
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