CN115745499A - 一种双重固碳的再生骨料混凝土空心砌块的制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种双重固碳的再生骨料混凝土空心砌块的制备方法，首次提出集低碳水泥、碳化处理再生骨料、CO2主动封存于一体的混凝土空心砌块，将从原材料和生产工艺两方面共同实现混凝土砌块的低碳化。首先，对废弃混凝土进行破碎处理形成再生骨料碎石，通过碳化处理进行首次固碳，并提升骨料性能以实现混凝土砌块的100％再生骨料替代率；其次，按照原材料配比为水泥：水：河砂：再生骨料＝1:1.64～2.57:4.85～8.40:3.26～5.65进行搅拌，浇筑成型。最后，置于碳化箱中进行碳化养护，摆脱对传统高能耗蒸汽养护的依赖，实现混凝土砌块第二步的固碳以及生产工艺的低碳化，并大幅提升混凝土砌块物理力学性能。
Description
技术领域
本发明属于土木工程领域，具体涉及一种双重固碳的再生骨料混凝土空心砌块的制备方法。
背景技术
随着我国城镇化进程的快速发展，大量老旧建筑物的拆除，产生了巨大的建筑固体废弃物。目前我国建筑固废增量每年达到25亿吨左右，占城市固体废物总量的40％以上。此外，天然骨料和沙石面临过渡开采的问题，所带来的社会和环境问题越发凸出。所以，这些固体废弃物较为有效的处理方式是：将拆除建筑的废弃混凝土经破碎处理后形成再生骨料，用来制备再生混凝土。在解决建筑固废堆积的同时，能够一定程度上缓解沙石等自然资源的短缺问题。然而，我国建筑固废的回收利用率偏低，约55％。在荷兰、比利时和丹麦等欧洲国家，建筑固废的利用率接近95％。因此，亟需提高我国建筑固体废弃物的利用率，以实现其可持续发展。
混凝土水泥水化产物主要相成分为水化硅酸钙、氢氧化钙、钙矾石、水化硫铝酸钙等，孔溶液为pH值高达13以上的高碱性溶液，易与CO2发生化学反应。采用高浓度CO2气体养护水泥基材料，使其与水泥熟料反应，生成稳定碳酸钙晶体，可实现CO2永久封存。相比于地质封存和深海封存，混凝土封存无CO2泄露风险，无需进行实时监测及风险评估。此外，主动封存CO2混凝土材料的力学与耐久性能皆有明显地提升，性能提升意味着用材更少、服役寿命更长，进而降低建筑业能源消耗与碳排放。
发明内容
本发明的目的是为了解决我国固废回收利用率低的问题，提供一种双重固碳的再生骨料混凝土空心砌块的制备方法，该再生骨料混凝土空心砌块所用水泥为高贝利特水泥，所用水为自来水，所用砂为河砂，所用骨料为来自建筑固体废弃物的再生骨料。在该砌块制备过程中，首先对再生骨料进行碳化处理，使得再生骨料性能得到增强，同时可实现第一步固碳；在砌块养护阶段，采用碳化养护增强混凝土砌块的性能，同时可实现第二步固碳。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种双重固碳的再生骨料混凝土空心砌块的制备方法，所述方法为：
步骤一：对废弃混凝土进行破碎处理，形成再生骨料碎石，选取粒径5～20mm的连续级配良好的再生骨料碎石作为粗骨料，用于制备再生骨料混凝土空心砌块；
步骤二：再生骨料预处理：将再生骨料放入100℃～105℃烘箱中，干燥1～2h，以除去再生骨料表面残余的水分，再将其放入水中浸润2～3h，使其含水量达到4.0％～6.5％；
步骤三：将预处理后的再生骨料置于碳化箱中碳化，使再生骨料的碳化程度达到95％以上，进行第一步固碳；
步骤四：确定再生骨料混凝土空心砌块的原材料以及原材料配比：该砌块的原材料配比为水：水泥：河砂：再生骨料＝1:1.82～2.85:3.26～5.65:4.85～8.40，取铝粉作为发泡剂，铝粉质量为上述原材料总质量的0.1％；
步骤五：支模，浇筑混凝土，制备规格为390mm*190mm*190mm的再生骨料混凝土空心砌块；
步骤六：对新浇筑砌块进行预养护：砌块成型后，将带模具的再生骨料混凝土空心砌块置于温度为25℃、相对湿度为60％的通风环境中4～24h进行失水处理；
步骤七：脱模后，将再生骨料混凝土空心砌块置于封闭式碳化箱中进行碳化养护，进行第二步固碳，养护完成后，即得到双重固碳的再生骨料混凝土空心砌块。
本发明步骤三对再生骨料碳化处理阶段实现第一步固碳，步骤七对成型后的再生骨料混凝土砌块进行CO2养护实现第二步固碳，最终，混凝土砌块的固碳量可达24.1％～27.3％(基于胶凝材料用量)。
进一步地，步骤三中，设定碳化箱温度为25℃、相对湿度为60％、CO2浓度为95％，对再生骨料进行6～10天碳化处理。
进一步地，步骤四中，所用高贝利特水泥为低碳水泥，化学组成及质量分数为：63.5％CaO、22.0％SiO2、6.4％Al2O3、4.2％Fe2O3、3.1％SO3以及0.8％R2O(R为Na或K)；其矿物组成及质量分数为：33％C3S、51％C2S、4％C3A以及12％C4AF。
进一步地，步骤四中，制备再生骨料混凝土空心砌块所用的水为自来水；所用砂为河砂；再生骨料取自强度等级≥C30的废弃混凝土，经碳化处理后，其取代率为100％。
进一步地，步骤五中，砌块的空心率为30％～50％。
进一步地，步骤七中，设定碳化箱温度为25℃、相对湿度为60％、CO2浓度为95％，对再生骨料混凝土空心砌块进行25～30天碳化养护。
相比于现有技术，本发明具有以下优点：
1.本发明利用废弃混凝土作为骨料，通过碳化处理再生骨料进行固碳，并提高再生骨料自身的性能，实现了100％再生骨料取代率。
2.本发明的再生骨料混凝土空心砌块经过双重固碳后，CO2封存量大幅提升，可达24.1％～27.3％(基于胶凝材料用量)，同时，双重固碳可显著提升再生骨料混凝土空心砌块的物理力学性能(抗压强度将提升15.6％～30.3％)，其微观结构也将明显改善。胶凝材料包括水泥，还可以包括硅灰、粉煤灰等。
3.本发明集CO2主动封存、低碳水泥、碳化处理再生骨料于一体的混凝土空心砌块，将从原材料和生产工艺两方面共同实现混凝土砌块的低碳化生产。其一，本发明中混凝土空心砌块所用水泥为高贝利特水泥，该水泥为能耗较低的低碳水泥。所用骨料为再生混凝土骨料，源自建筑固体废弃物。其二，通过对再生骨料的碳化处理，提升再生骨料性能，从而实现砌块中再生骨料100％的取代率。其三，通过碳化养护再生混凝土砌块，将摆脱预制构件厂对传统高能耗蒸汽养护的依赖，并大幅提升混凝土砌块的物理力学性能。
附图说明
图1为该再生骨料混凝土空心砌块制备流程图；
图2为再生骨料混凝土空心砌块经两步固碳后的CO2封存量示意图(注：该封存量基于胶凝材料用量，且各水胶比砌块第一步固碳量均为1.1％)；
图3为第一步固碳后再生骨料的强度提升示意图(注：再生骨料压碎值的越小，强度越高)；
图4为第二步固碳后再生骨料混凝土空心砌块的强度提升示意图(注：水胶比为0.55)；
图5为水养护28天后混凝土浆体的SEM图；
图6为碳化养护28天后混凝土浆体的SEM图。
具体实施方式
下面结合附图和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。
混凝土空心砌块已成为当前最主要的墙体材料，具有巨大的固碳潜力。本发明通过碳化处理再生骨料，实现首次固碳，并提升再生骨料的性能，从而提高混凝土砌块中再生骨料的取代率。通过碳化养护浇筑成型混凝土砌块，实现第二次固碳，摆脱对传统高能耗蒸汽养护的依赖，并提升混凝土砌块的力学和耐久性能。总之，本发明将大幅提升再生骨料的利用率、混凝土砌块固碳能力及其物理力学性能。
实施例1：
根据混凝土砌块的有关规范，再生骨料混凝土空心砌块尺寸为390mm*190mm*190mm。再生骨料混凝土空心砌块的空心率为40％。再生骨料取代率为100％。再生骨料混凝土空心砌块的配比为水：水泥：河砂：再生骨料＝1:2.85:5.65:8.40；以铝粉作为发泡剂，按照水、水泥、河砂、再生骨料四者总质量的0.1％取铝粉；水泥为高贝利特水泥，粗骨料为粒径5～20mm的连续级配再生骨料碎石。其中，水泥熟料氧化物的组分：CaO(63.5％)、SiO2(22.0％)、Al2O3(6.4％)、Fe2O3(4.2％)、SO3、(3.1％)以及R2O(0.8％)(R为Na或K)。
在该实施例实施的过程中，按照图1所示的制作流程制备该双重固碳的再生骨料混凝土空心砌块(通过碳化养护制备)，同时制备水养护的再生骨料混凝土空心砌块作为对照。同时，该实施例还对两种不同养护方式的再生骨料混凝土空心砌块进行了热重分析、抗压强度测试以及SEM测试。具体步骤如下：
(1)对废弃的C40混凝土梁进行破碎处理，得到再生骨料碎石。选取粒径5～20mm的连续级配再生骨料碎石作为原材料。
(2)称取粒径5～20mm连续级配的再生骨料12～15Kg，将其放入105℃烘箱中干燥2小时，再将其放入水中浸润2～3小时，使其含水量在5％左右。
(3)设定二氧化碳养护箱的温度为25℃、相对湿度为60％、CO2浓度为95％。将再生骨料放到碳化箱中养护6～10天，使再生骨料的碳化程度达到95％以上。碳化程度测试时，取2～3Kg再生骨料，分离出其表面的水泥浆体，研磨成粉末状。将水泥粉末均匀地铺成约2mm厚的平面，并在其表面喷洒酚酞酒精溶液，未被碳化的水泥粉末呈紫色，已经碳化的水泥粉末则不变色。根据碳化水泥粉末的面积占比，表征再生骨料的碳化程度。取已经碳化的水泥浆体粉末1～2g进行热重实验，以计算第一步固碳过程中的CO2封存量。另取经碳化处理后的再生骨料1～2Kg进行再生骨料压碎的压碎值指标测定。
(4)称取碳化处理后的再生骨料8.40Kg，河砂5.65Kg，水泥2.85Kg，水1.00Kg，铝粉17.9g。将上述原材料放入混凝土搅拌机中拌合1～2min。拌合完成后，支模、浇筑混凝土，制备尺寸为390mm*190mm*190mm的再生骨料混凝土空心砌块13个(其中3个用于测试砌块碳化养护至3天、7天和28天的碳化程度，其余10个用于测试水养护和碳化养护砌块的抗压强度)。
(5)预养护：砌块成型后，将带模具的再生骨料混凝土空心砌块置于温度为25℃、相对湿度为60％的通风环境中4～24小时进行失水处理。
(6)取5个再生骨料混凝土空心砌块进行水养护。设定碳化箱的温度为25℃、相对湿度为60％、二氧化碳浓度为95％、气压为0.1MPa，另取8个再生骨料混凝土空心砌块置于碳化箱中养护至28天(其中5个砌块用于测试抗压强度，剩余3个砌块分别用于测试3天、7天和28天碳化养护后的碳化程度。碳化程度测试时，将砌块沿中心线切割成两部分，向其断面喷洒酚酞酒精溶液。未被碳化的区域呈紫色，已经碳化的区域则不变色。根据碳化区域面积在整个断面面积中的占比表征再生骨料的碳化程度。本发明所涉及的砌块经28天碳化养护后，碳化程度可达98％左右)。
(7)取水养护和碳化养护砌块各5个，用于抗压强度测试；分别取水养护和碳化养护的再生骨料混凝土空心砌块的浆体样品3～4g，研磨成粉末，取其中1～2g进行热重实验，并计算碳化养护过程中再生骨料混凝土空心砌块的CO2封存量；再取水养护和碳化养护的再生骨料混凝土空心砌块的薄片状浆体2～3g，采用FEIQuanta650型环境扫描电子显微镜观察浆体的微观样貌。
图2表示再生骨料混凝土空心砌块经两步固碳后的CO2封存量。如图2所示，经两步碳化后，水胶比0.35的再生骨料混凝土空心砌块的CO2封存量可达27.3％(基于胶凝材料用量)；图3表示第一步固碳后再生骨料的强度提升。由图3可以发现，未经碳化处理的再生骨料的压碎值为17.1％，而经碳化处理的再生骨料的压碎值为15.8％，下降了7.6％。因此，碳化处理增强了再生骨料的力学性能。图4表示第二步固碳后再生骨料混凝土空心砌块的强度。可以发现，水养护砌块的28天强度为17.74MPa，经过两步固碳后砌块的强度可达20.51MPa，两步固碳可使再生骨料混凝土空心砌块的强度提升15.6％；图5和图6分别为水养护和碳化养护28天后混凝土浆体的SEM图。可以发现，碳化养护后产生的碳酸钙晶体填充了混凝土内部孔隙，混凝土结构更加致密，其微观性将得到大幅度改善。
实施例2：
本实施例与实施例1不同的是，再生骨料混凝土空心砌块的配比为水：水泥：河砂：再生骨料＝1:2.22:4.14:6.24，碳化养护28天后再生骨料混凝土空心砌块的CO2封存量为23.0％(基于胶凝材料用量)，经过两步碳化后的再生骨料混凝土空心砌块的CO2封存量为24.1％(基于胶凝材料用量)。同时，与水养护砌块相比，双重固碳再生骨料混凝土空心砌块的强度可提升25.4％。
实施例3：
本实施例与实施例1不同的是，再生骨料混凝土空心砌块的配比为水：水泥：河砂：再生骨料＝1:1.82:3.26:4.85，碳化养护28天后再生骨料混凝土空心砌块的CO2封存量为26.0％(基于胶凝材料用量)，经过两步碳化后的再生骨料混凝土空心砌块的CO2封存量为27.1％(基于胶凝材料用量)。同时，与水养护砌块相比，双重固碳再生骨料混凝土空心砌块的强度可提升30.3％。
Claims (6)
1.一种双重固碳的再生骨料混凝土空心砌块的制备方法，其特征在于：所述方法为：
步骤一：对废弃混凝土进行破碎处理，形成再生骨料碎石，选取粒径5～20mm的连续级配良好的再生骨料碎石作为粗骨料，用于制备再生骨料混凝土空心砌块；
步骤二：再生骨料预处理：将再生骨料放入100℃～105℃烘箱中，干燥1～2h，再将其放入水中浸润2～3h，使其含水量达到4.0％～6.5％；
步骤三：将预处理后的再生骨料置于碳化箱中碳化，使再生骨料的碳化程度达到95％以上，进行第一步固碳；
步骤四：确定再生骨料混凝土空心砌块的原材料以及原材料配比：该砌块的原材料配比为水：水泥：河砂：再生骨料＝1:1.82～2.85:3.26～5.65:4.85～8.40，取铝粉作为发泡剂，铝粉质量为上述原材料总质量的0.1％；
步骤五：支模，浇筑混凝土，制备再生骨料混凝土空心砌块；
步骤六：对新浇筑砌块进行预养护：砌块成型后，将带模具的再生骨料混凝土空心砌块置于温度为25℃、相对湿度为60％的通风环境中4～24h进行失水处理；
步骤七：脱模后，将再生骨料混凝土空心砌块置于封闭式碳化箱中进行碳化养护，进行第二步固碳，养护完成后，即得到双重固碳的再生骨料混凝土空心砌块。
2.根据权利要求1所述的一种双重固碳的再生骨料混凝土空心砌块的制备方法，其特征在于：步骤三中，设定碳化箱温度为25℃、相对湿度为60％、CO2浓度为95％，对再生骨料进行6～10天碳化处理。
3.根据权利要求1所述的一种双重固碳的再生骨料混凝土空心砌块的制备方法，其特征在于：步骤四中，所用高贝利特水泥为低碳水泥，化学组成及质量分数为：63.5％CaO、22.0％SiO2、6.4％Al2O3、4.2％Fe2O3、3.1％SO3以及0.8％R2O(R为Na或K)；其矿物组成及质量分数为：33％C3S、51％C2S、4％C3A以及12％C4AF。
4.根据权利要求1所述的一种双重固碳的再生骨料混凝土空心砌块的制备方法，其特征在于：步骤四中，制备再生骨料混凝土空心砌块所用的水为自来水；所用砂为河砂；再生骨料取自强度等级≥C30的废弃混凝土，经碳化处理后，其取代率可达100％。
5.根据权利要求1所述的一种双重固碳的再生骨料混凝土空心砌块的制备方法，其特征在于：步骤五中，砌块的空心率为30％～50％。
6.根据权利要求1所述的一种双重固碳的再生骨料混凝土空心砌块的制备方法，其特征在于：步骤七中，设定碳化箱温度为25℃、相对湿度为60％、CO2浓度为95％，对再生骨料混凝土空心砌块进行25～30天碳化养护。
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