CN115403314B - 一种负碳结构材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及建筑结构材料，具体涉及一种负碳结构材料及其制备方法。本发明公开了一种负碳结构材料的制备方法为：先将碳酸酐酶溶液、酶活性剂、钙镁离子溶液、pH缓冲液按照比例混合后得到混合液，将混合液与填料、有机交联剂按比例搅拌混合后，倒入模具中，然后置于二氧化碳气氛环境下制备而成。该负碳结构材料具有一定的强度，在制备和服役使用的全龄期内都吸收二氧化碳，达到负碳的效果，有助于减少二氧化碳排放，且具有自我修复的功能。

Description

一种负碳结构材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及建筑结构材料，具体涉及一种负碳结构材料及其制备方法。
背景技术
我国是世界最大的建筑材料生产和消费国，而建筑材料工业是我国能源消耗和碳排放量最大的工业部门之一。现有建筑材料一般为水泥、石灰等，而水泥、石灰等建筑材料因其生产过程中以碳酸盐作为原料，碳酸盐的分解必然产生二氧化碳，导致建筑材料行业成为我国工业生产过程中二氧化碳排放量最大的排放源。如何减少二氧化碳排放量以及如何减少使用水泥、石灰等建筑材料已经成为本技术领域亟待解决的问题。建筑材料行业作为我国碳减排任务最重的行业之一，采取切实有力碳减排措施，全力推进碳减排工作，是提升建筑材料行业绿色低碳发展质量水平的必经之路。
发明内容
为解决上述问题，本发明的目的是提供一种负碳结构材料及其制备方法，在不使用水泥的前提下达到一定强度，通过碳酸酐酶催化，把二氧化碳作为结构材料的原材料之一，使结构材料在制备和服役使用的全龄期内都吸收二氧化碳，达到负碳的效果。
本发明的目的采用以下技术方案来实现：
第一方面，本发明提供了一种负碳结构材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)将碳酸酐酶溶液、钙镁离子溶液、pH缓冲液按比例添加混合，得到混合液A；
(2)将混合液A、填料、有机交联剂按比例添加、搅拌、混合,得到混合液B；
(3)将混合液B倒入模具中，置于二氧化碳气氛环境下制备，得到所述负碳结构材料。
优选地，所述步骤(1)中，碳酸酐酶溶液中碳酸酐酶浓度为50-100mg/L。
优选地，所述步骤(1)中，钙镁离子溶液中，钙离子的浓度为2-4mol/L，镁离子的浓度为0.5-1mol/L。
优选地，所述步骤(1)中，PH缓冲溶液为中性缓冲溶液，pH为6.8-7.5，溶液中主要含有碳酸氢根阴离子。
优选地，所述步骤(1)中，酶活性剂分子式为C158H234N40O42S2·C99H155N25O35S4。
优选地，所述步骤(1)中，碳酸酐酶溶液、酶活性剂、钙镁离子溶液、pH缓冲液按照体积比1：0.02-0.05：50-75：1混合。
优选地，所述步骤(2)中，填料为机制砂、河沙、矿渣、煤矸石、建筑固废中的至少一种，填料粒径范围在0.1-5mm。
优选地，所述步骤(2)中，有机交联剂为聚丙烯酸脂乳液、水性环氧树脂、固化增韧剂的混合液体、聚醋酸乙烯酯乳液中的至少一种。
优选地，所述步骤(2)中，混合液A、填料、有机交联剂按重量比1：15-25：0.01-0.02搅拌混合。
优选地，所述步骤(2)中，混合液A、填料与有机交联剂通过搅拌机混合，搅拌机转速控制在100-200转每分钟，搅拌时间为1-2分钟。
优选地，所述步骤(3)中，二氧化碳气氛浓度为20-300g/m3。
第二方面，本发明提供了一种负碳结构材料，其结构为碳酸酐酶和钙镁离子均匀分布在材料骨架上，材料骨架由有机交联剂与填料粘和形成。
本发明的有益效果为：
(1)二氧化碳在碳酸酐酶的作用下，被捕获形成碳酸氢根离子，碳酸氢根离子与钙镁离子反应，形成致密的具有强度的碳酸钙镁结晶体，填充材料空隙，使得负碳结构材料在不使用水泥的前提下还具有一定的强度。
(2)负碳结构材料在使用过程中，会继续与空气中的水和二氧化碳反应，继续捕获空气中的二氧化碳，在制备过程中不使用水泥，并且以二氧化碳作为原材料，在制备和服役使用的全龄期内都吸收二氧化碳，达到负碳的效果，有助于减少建筑材料行业二氧化碳排放量，具有较好的环境和社会效益。
(3)同时，负碳结构材料固化制备速度快，无需像混凝土材料那样进行养护，在使用过程中若出现裂缝和损害，可以通过捕获空气中的二氧化碳，形成碳酸钙镁晶体，填补裂缝，对材料进行修复。
附图说明
利用附图对本发明作进一步说明，但附图中的实施例不构成对本发明的任何限制，对于本领域的普通技术人员，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据以下附图获得其它的附图。
图1为本发明所述实施例1-5负碳结构材料与GC1在制备完成不同天数后的抗压强度测试结果对比图；
图2为本发明所述实施例1-5负碳结构材料与GC1在制备完成不同天数后的抗折强度测试结果对比图；
图3为本发明所述实施例1-5负碳结构材料与GC1在不同龄期吸收CO2总量测试结果对比图。
具体实施方式
为了更清楚的说明本发明，对本发明的技术特征、目的和有益效果有更加清楚的理解，现对本发明的技术方案进行以下详细说明，但不能理解为对本发明的可实施范围的限定。
负碳结构材料所发生的反应为：①CO2+H2O→HCO3 -+H+(碳酸酐酶的作用)；②2HCO3 -+Ca2++Mg2+→CaMg(CO3)+2H+；二氧化碳在碳酸酐酶的作用下，被捕获形成碳酸氢根离子，碳酸氢根离子与钙镁离子反应，形成致密的具有一定强度的碳酸钙镁结晶体。
以下实施例中所用的原料、试剂或装置如无特殊说明，均可从常规商业途径得到，或者可以通过现有已知方法得到。
结合以下实施例对本发明作进一步说明。
实施例1
一种负碳结构材料，由填料、有机交联剂、酶活性剂、碳酸酐酶溶液、钙镁离子溶液、pH缓冲液、二氧化碳制成，其制备方法为：先将碳酸酐酶溶液、酶活性剂、钙镁离子溶液、pH缓冲液按照体积比为1：0.05：50：1的比例混合后，混合液与填料、有机交联剂按重量比为1：15：0.01搅拌混合后，倒入模具中，然后置于二氧化碳气氛环境下制备而成。所述的填料为机制砂、河沙、矿渣、煤矸石、建筑固废混合物，填料粒径范围在0.1-5mm。
优选的有机交联剂为聚丙烯酸脂乳液、水性环氧树脂和固化增韧剂的混合液体、聚醋酸乙烯酯乳液的混合液体。所述的钙镁离子溶液，钙离子的浓度为4mol/L,镁离子的浓度为1mol/L。所述的碳酸酐酶溶液中碳酸酐酶浓度为50mg/L。所述的缓冲溶液为中性缓冲溶液，pH为6.8。所述混合液与填料、有机交联剂通过搅拌机混合，搅拌机转速控制在100转每分钟，搅拌时间为2分钟。所述二氧化碳气氛浓度为20g/m3。中性缓冲溶液中主要含有碳酸氢根阴离子。所述酶活性剂分子式为C158H234N40O42S2·C99H155N25O35S4。
实施例2
一种负碳结构材料，其特征在于，由填料、有机交联剂、酶活性剂、碳酸酐酶溶液、钙镁离子溶液、pH缓冲液、二氧化碳制成，其制备方法为：先将碳酸酐酶溶液、酶活性剂、钙镁离子溶液、pH缓冲液按照体积比为1：0.04：75：1的比例混合后，混合液与填料、有机交联剂按重量比为1：25：0.02搅拌混合后，倒入模具中，然后置于二氧化碳气氛环境下制备而成。所述的填料为机制砂和河沙的混合物，填料粒径范围在0.1-5mm。
所述的有机交联剂为聚丙烯酸脂乳液、水性环氧树脂和固化增韧剂的混合液体。所述的钙镁离子溶液，钙离子的浓度为4mol/L,镁离子的浓度为1mol/L。所述的碳酸酐酶溶液中碳酸酐酶浓度为100mg/L。所述的缓冲溶液为中性缓冲溶液，pH为7.5。所述混合液与填料、有机交联剂通过搅拌机混合，搅拌机转速控制在200转每分钟，搅拌时间为1分钟。所述二氧化碳气氛浓度为300g/m3。中性缓冲溶液中主要含有碳酸氢根阴离子。所述酶活性剂分子式为C158H234N40O42S2·C99H155N25O35S4。
实施例3
一种负碳结构材料，其特征在于，由填料、有机交联剂、酶活性剂、碳酸酐酶溶液、钙镁离子溶液、pH缓冲液、二氧化碳制成，其制备方法为：先将碳酸酐酶溶液、酶活性剂、钙镁离子溶液、pH缓冲液按照体积比为1：0.02：65：1的比例混合后，混合液与填料、有机交联剂按重量比为1：20：0.015搅拌混合后，倒入模具中，然后置于二氧化碳气氛环境下制备而成。所述的填料为矿渣、煤矸石、建筑固废中的混合物，填料粒径范围在0.1-5mm。
所述的有机交联剂为聚丙烯酸脂乳液和聚醋酸乙烯酯乳液的混合物。所述的钙镁离子溶液，钙离子的浓度为3mol/L,镁离子的浓度为0.6mol/L。所述的碳酸酐酶溶液中碳酸酐酶浓度为60mg/L。所述的缓冲溶液为中性缓冲溶液，pH为7。所述混合液与填料、有机交联剂通过搅拌机混合，搅拌机转速控制在150转每分钟，搅拌时间为1.5分钟。所述二氧化碳气氛浓度为100g/m3。中性缓冲溶液中主要含有碳酸氢根阴离子。所述酶活性剂分子式为C158H234N40O42S2·C99H155N25O35S4。
实施例4
一种负碳结构材料，其特征在于，由填料、有机交联剂、酶活性剂、碳酸酐酶溶液、钙镁离子溶液、pH缓冲液、二氧化碳制成，其制备方法为：先将碳酸酐酶溶液、酶活性剂、钙镁离子溶液、pH缓冲液按照体积比为1：0.03：70：1的比例混合后，混合液与填料、有机交联剂按重量比为1：19：0.01搅拌混合后，倒入模具中，然后置于二氧化碳气氛环境下制备而成。所述的填料为矿渣、煤矸石的混合物，填料粒径范围在0.1-5mm。
所述的有机交联剂为水性环氧树脂和固化增韧剂的混合液体。所述的钙镁离子溶液，钙离子的浓度为2.5mol/L,镁离子的浓度为0.6mol/L。所述的碳酸酐酶溶液中碳酸酐酶浓度为70mg/L。所述的缓冲溶液为中性缓冲溶液，pH为7.2。所述混合液与填料、有机交联剂通过搅拌机混合，搅拌机转速控制在100-200转每分钟，搅拌时间为1分钟20秒。所述二氧化碳气氛浓度为200g/m3。中性缓冲溶液中主要含有碳酸氢根阴离子。所述酶活性剂分子式为C158H234N40O42S2·C99H155N25O35S4。
实施例5
一种负碳结构材料，由填料、有机交联剂、酶活性剂、碳酸酐酶溶液、钙镁离子溶液、pH缓冲液、二氧化碳制成，其制备方法为：先将碳酸酐酶溶液、酶活性剂、钙镁离子溶液、pH缓冲液按照体积比为1：0.05：66：1的比例混合后，混合液与填料、有机交联剂按重量比为1：18：0.013搅拌混合后，倒入模具中，然后置于二氧化碳气氛环境下制备而成。所述的填料为机制砂、河沙、矿渣、煤矸石、建筑固废中的至少一种，填料粒径范围在0.1-5mm。
所述的有机交联剂为聚丙烯酸脂乳液。所述的钙镁离子溶液，钙离子的浓度为3.2mol/L,镁离子的浓度为0.7mol/L。所述的碳酸酐酶溶液中碳酸酐酶浓度为80mg/L。所述的缓冲溶液为中性缓冲溶液，pH为7.1。所述混合液与填料、有机交联剂通过搅拌机混合，搅拌机转速控制在120转每分钟，搅拌时间为2分钟。所述二氧化碳气氛浓度为210g/m3。中性缓冲溶液中主要含有碳酸氢根阴离子。所述酶活性剂分子式为C158H234N40O42S2·C99H155N25O35S4。
为了更清楚地说明本发明，将实施例1-5按照水泥胶砂强度检验方法(iso法)测试抗压和抗折强度，并与常规的A5.0蒸压加气混凝土砌块材料(GC1)进行强度比较。
检测结果如表1所示：
表1不同配比负碳结构材料的抗压强度和抗折强度测试结果
Figure BDA0003842243410000051
如表1所示，是不同配比负碳结构材料的抗压强度和抗折强度测试结果，从表中可以看出实施例1的抗压强度为6.2MPa，抗折强度为0.12MPa；实施例2的抗压强度为10.1MPa，抗折强度为0.15MPa；实施例3的抗压强度为13.7MPa，抗折强度为0.27MPa；实施例4的抗压强度为11.5MPa，抗折强度为0.11MPa；实施例5的抗压强度为10.8MPa，抗折强度为0.21MPa；GC1的抗压强度为5.0MPa，抗折强度为0.13MPa。
如图1所示，是本发明实施例1-5的负碳结构材料与GC1在不同天数条件下的抗压强度测试结果对比图，实施例1的负碳结构材料制备完成1天，抗压强度为4MPa；制备完成7天，抗压强度为4.5MPa；制备完成28天，抗压强度为6.2MPa；实施例2的负碳结构材料在制备完成1天，抗压强度为4.3MPa；制备完成7天，抗压强度为6.4MPa；制备完成28天，抗压强度为10.1MPa；实施例3的负碳结构材料制备完成1天，抗压强度为4.7MPa；制备完成7天，抗压强度为7.4MPa；制备完成28天，抗压强度为13.7MPa；实施例4的负碳结构材料制备完成1天，抗压强度为5MPa；制备完成7天，抗压强度为6.7MPa；制备完成28天，抗压强度为11.5MPa；实施例5的负碳结构材料制备完成1天，抗压强度为4.4MPa；制备完成7天，抗压强度为5.4MPa；制备完成28天，抗压强度为10.8MPa；GC1制备完成1天，抗压强度为3.3MPa；制备完成7天，抗压强度为4.9MPa；制备完成28天，抗压强度为6MPa。
如图2所示，是本发明实施例1-5的负碳结构材料与GC1在不同天数条件下的抗折强度测试结果对比图，实施例1的负碳结构材料制备完成1天，抗折强度为0.02MPa；制备完成7天，抗折强度为0.06MPa；制备完成28天，抗折强度为0.12MPa；实施例2的负碳结构材料制备完成1天，抗折强度为0.04MPa；制备完成7天，抗折强度为0.08MPa；制备完成28天，抗折强度为0.15MPa；实施例3的负碳结构材料制备完成1天，抗折强度为0.09MPa；制备完成7天，抗折强度为0.20MPa；制备完成28天，抗折强度为0.27MPa；实施例4的负碳结构材料制备完成1天，抗折强度为0.03MPa；制备完成7天，抗折强度为0.07MPa；制备完成28天，抗折强度为0.11MPa；实施例5的负碳结构材料制备完成1天，抗折强度为0.12MPa；制备完成7天，抗折强度为0.16MPa；制备完成28天，抗折强度为0.21MPa；GC1制备完成1天，抗折强度为0.06MPa；制备完成7天，抗折强度为0.09MPa；制备完成28天，抗折强度为0.13MPa。
如图3所示，是本发明实施例1-5负碳结构材料与GC1在不同龄期(32天)吸收CO2总量测试结果对比图，实施例1-5负碳结构材料与常规的5.0蒸压加气混凝土砌块材料(GC1)对比，实施例1-5负碳结构材料在恒定压强下的干燥CO2气氛中不同龄期吸收CO2总量均高于蒸压加气混凝土砌块材料(GC1)。
最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细地说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。

Claims (6)

1.一种负碳结构材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将碳酸酐酶溶液、酶活性剂、钙镁离子溶液、pH缓冲液按比例添加混合，得到混合液A，所述酶活性剂分子式为C158H234N40O42S2·C99H155N25O35S4，所述碳酸酐酶溶液、酶活性剂、钙镁离子溶液、pH缓冲液按照体积比1：0.02-0.05：50-75：1混合；
(2)将混合液A、填料、有机交联剂按比例搅拌、混合，得到混合液B，所述填料为机制砂、河沙、矿渣、煤矸石、建筑固废中的至少一种，填料粒径范围在0.1-5mm，所述有机交联剂为聚丙烯酸脂乳液、水性环氧树脂、聚醋酸乙烯酯乳液中的至少一种，所述混合液A、填料、有机交联剂按重量比1：15-25：0.01-0.02搅拌混合；
(3)将混合液B倒入模具中，置于二氧化碳气氛环境下制备，得到所述负碳结构材料。
2.根据权利要求1所述的一种负碳结构材料的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中，碳酸酐酶溶液中碳酸酐酶浓度为50-100mg/L；钙镁离子溶液中，钙离子的浓度为2-4mol/L，镁离子的浓度为0.5-1mol/L。
3.根据权利要求1所述的一种负碳结构材料的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中，pH缓冲溶液为中性缓冲溶液，pH值为6.8-7.5，主要含有碳酸氢根阴离子。
4.根据权利要求1所述的一种负碳结构材料的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中，混合液A、填料与有机交联剂通过搅拌机混合，搅拌机转速控制在100-200转每分钟，搅拌时间为1-2分钟。
5.根据权利要求1所述的一种负碳结构材料的制备方法，其特征在于，所述步骤(3)中，二氧化碳气氛浓度为20-300g/m3。
6.一种通过权利要求1所述的制备方法制备得到的负碳结构材料。
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