CN115893880B

CN115893880B - 一种低碳胶凝材料及其制备方法和应用

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Publication number: CN115893880B
Application number: CN202211458789.6A
Authority: CN
Inventors: 蒋亚清; 殷康蜓; 闫子岳; 王莉萌
Original assignee: Hohai University HHU
Current assignee: Hohai University HHU
Priority date: 2022-11-21
Filing date: 2022-11-21
Publication date: 2023-08-29
Anticipated expiration: 2042-11-21
Also published as: CN115893880A

Abstract

本发明涉及建筑材料技术领域，尤其是一种低碳胶凝材料及其制备方法和应用，其制备方法为：将5～10份加气混凝土再生料、65～75份转晶钢渣和15～25份碳化钢渣共同磨细至比表面积400m²/kg±10m²/kg。本发明制得的低碳胶凝材料的28d胶砂强度等级达到32.5级、90d胶砂强度等级达到42.5级，可代替20％～30％的通用硅酸盐水泥使用，也可直接用于砌筑砂浆、粉刷砂浆、自流平砂浆、植生混凝土和轻荷载透水性路面混凝土等。

Description

一种低碳胶凝材料及其制备方法和应用

技术领域

本发明涉及建筑材料技术领域，具体领域为一种低碳胶凝材料及其制备方法和应用。

背景技术

目前建筑行业的硅酸盐水泥碳排放量大，易造成环境污染，因此为践行绿色发展理念，实现土木工程行业转型升级以及高质量发展意义重大。

固体废弃物产量与堆存量惊人，利用率有限。以难处置的固体废渣作为硅酸盐材料具备潜在的优势，如：原料来源丰富，在我国钢铁生产过程中的副产物如钢渣和矿渣产量每年排放量分别接近一亿吨；价格低廉；材料中的铝、硅等相活化后用途广泛。

CN202210637482.6公开了一种资源化利用工业固体废弃物的低碳胶凝材料及其制备方法，采用固体废弃物钢渣、矿渣以及复合激发剂球磨的方法得到低碳胶凝材料，低碳经济，强度优异。但是，该方案使用较多种类的碱性活化剂，对环境不利。

CN202210562596.9公开了一种利用工业固体废弃物钢渣制备的低碳胶凝材料，将工业固体废弃物钢渣等原料与激发剂混合粉磨后制得低碳胶凝材料，具有良好的力学性能，减少了水泥生产过程中的排放的CO₂，节省资源，但是工艺流程较复杂。

CN202210841330.8公开了一种低碳低排放固废基胶凝材料及其制备方法，将掺杂剂(钨酸铵、凹凸棒土、硅酸铝锂、重烷基苯磺酸钠)处理钢渣后与矿渣、脱硫石膏等混合粉磨得到低碳胶凝材料，制备工艺简单，性能优良，但是掺杂剂选择范围可能受限。

上述专利主要围绕碱性激发、碳化胶结的方式实现低碳胶凝材料的制备，但没有充分考虑到碱激发胶凝材料收缩大和碳化胶结材料中CO₂捕集难度大的问题。

发明内容

针对现有技术中的上述问题，本发明提供了一种低碳胶凝材料及其制备方法和应用。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种低碳胶凝材料，原料以重量份计包括5～10份加气混凝土再生料，65～75份转晶钢渣，15～25份碳化钢渣；其制备方法为：将加气混凝土再生料、转晶钢渣和碳化钢渣按配比配制后共同磨细至比表面积400m²/kg±10m²/kg。

其中，所述加气混凝土再生料由加气混凝土废料经破碎研磨成10～20mm的颗粒制得。所述碳化钢渣为钢渣粉和废石灰石粉经碳化(通常碳化压力为0.3-1.0MPa)制备得到，本发明所采用碳化钢渣均为目前市场上成熟的商品化碳化钢渣制品。

其中，转晶钢渣由70～75份钢渣粉、15～20份粉煤灰、10～15份干法脱硫灰渣按以下步骤制备：

(1)将钢渣粉、粉煤灰、干法脱硫灰渣充分混合后，通过预加水成球工艺成型为含水率12％～15％、粒径10～20mm的颗粒；

(2)将成球颗粒在蒸压釜中进行水热处理，具体工艺为：向反应釜内通入蒸汽至釜内蒸汽压力0.8～1.2MPa、温度170～188℃，并恒温恒压水热反应3～5小时后，减压降温至100℃以下出釜；

优选地，所述蒸汽压力为1.0MPa；所述蒸汽温度为180℃；所述恒温恒压水热反应时间优选4h。

(3)将上述水热处理的成球颗粒于180～200℃烘干；

优选地，所述烘干温度优选200℃。

(4)将烘干的成球颗粒在600～800℃恒温处理0.5～2小时；

优选地，所述煅烧温度优选800℃；所述恒温处理时间优选2h。

(5)将经高温处理后的成球颗粒在空气中急冷。

本发明制得的低碳胶凝材料可作为外掺或替代水泥组分用于建筑材料中。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)本发明制备方法提高了钢渣资源化利用：通过合适的工业技术，利用现有的原材料生产低碳胶凝材料，提高了以钢渣为原材料的低碳胶凝材料的开发与应用。

(2)本发明制得的低碳胶凝材料具有水硬性特点：通过加气混凝土再生料、转晶钢渣和碳化钢渣按配比配制后共同磨细得到的低碳胶凝材料具有水硬性，该材料的水化产物与水泥中的产物基本相近，可实现替代水泥熟料的重要替代组分，能赋予胶砂良好的凝结特性和力学性能。

(3)本发明制得的低碳胶凝材料价格低廉：本发明中使用的加气混凝土再生料由废弃加气混凝土中回收再利用制得，无需煅烧，减少了水泥生产种的能源消耗。加气混凝土再生料与转晶钢渣和碳化钢渣混合磨细制备的低碳胶凝材料成本较水泥制品低，环境效益和经济效益良好。

(4)本发明制得的低碳胶凝材料的28d胶砂强度等级达到32.5级、90d胶砂强度等级达到42.5级，可代替20％～30％的通用硅酸盐水泥使用，也可直接用于砌筑砂浆、粉刷砂浆、自流平砂浆、植生混凝土和轻荷载透水性路面混凝土等。

具体实施方式

下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

一种低碳胶凝材料，原料以重量份计包括5～10份加气混凝土再生料，65～75份转晶钢渣，15～25份碳化钢渣。其制备方法包括：将加气混凝土再生料、转晶钢渣和碳化钢渣按配比配制后共同磨细至比表面积400m²/kg±10m²/kg，制得低碳胶凝材料。

其中，所述加气混凝土再生料由加气混凝土废料经破碎研磨成10～20mm的颗粒制得。

(1)将钢渣粉、粉煤灰和干法脱硫灰渣充分混合后，通过预加水成球工艺成型为含水率12％～15％、粒径10～20mm的颗粒；

(2)将成球颗粒在蒸压釜中进行水热处理，工艺制度为：向反应釜内通入蒸汽至釜内蒸汽压力0.8～1.2MPa、温度170～188℃，并恒温恒压水热反应3～5小时后，减压降温至100℃以下出釜；

(3)将上述水热处理的成球颗粒于180～200℃烘干；

(4)将烘干的成球颗粒在600～800℃恒温处理0.5～2小时；

(5)将经高温处理后的成球颗粒在空气中急冷。

实施例1

将5份加气混凝土再生料，转晶钢渣70份，碳化钢渣25份，按配比配制后共同磨细至比表面积400m²/kg±10m²/kg，即得胶凝材料。

实施例2

将5份加气混凝土再生料，转晶钢渣75份，碳化钢渣20份，按配比配制后共同磨细至比表面积400m²/kg±10m²/kg，即得胶凝材料。

实施例3

将10份加气混凝土再生料，转晶钢渣75份，碳化钢渣15份，按配比配制后共同磨细至比表面积400m²/kg±10m²/kg，即得胶凝材料。

实施例4

将10份加气混凝土再生料，转晶钢渣70份，碳化钢渣20份，按配比配制后共同磨细至比表面积400m²/kg±10m²/kg，即得胶凝材料。

实施例1-4中所述的转晶钢渣由75份钢渣粉、20份粉煤灰和5份干法脱硫灰渣充分混合后，通过预加水成球工艺成型为含水率15％、粒径10～20mm的颗粒；将成球颗粒置于蒸压釜中经蒸汽压力1MPa、蒸汽温度180℃，恒温恒压水热反应4小时后烘干制得。其中，水热处理后的成球颗粒烘干温度为200℃，随后成球颗粒的煅烧温度为800℃，恒温处理2h，在空气中急冷制得转晶钢渣。

根据《GB/T1346-2001水泥标准稠度用水量、凝结时间、安定性检测方法》，测定实施例制备的胶凝材料标准稠度用水量、凝结时间和安定性结果。将实施例中的胶凝材料100份、标准砂300份和水50份混合制成砂浆，将制备好的砂浆分别装入40mm×40mm×160mm模具振动成型。试件在20℃，湿度≥90％条件下养护1d，脱模。在20℃，湿度≥90％的条件下继续养护至3d、28d、90d龄期，按照GB/T17671-1999《水泥胶砂抗压强度检验方法(ISO法)》进行抗压强度测试。

上述按照本发明方法制备的低碳胶凝材料同海螺牌P.O42.5普通硅酸盐水泥作对比，结果如表1所示：

表1实施例和普通硅酸盐水泥性能参数对比

从表1可以看出，本发明低碳胶凝材料制成的胶砂28d强度等级达到32.5级、90d胶砂强度等级达到42.5级，该低碳胶凝材料作为普通硅酸盐水泥的替代材料具备应用潜力。

应用例1

配制水灰比0.3，孔隙率20％和强度等级C20的透水混凝土，实施例1的低碳胶凝材料作为水泥的替代组分，以固体份计为水泥总重的5％、10％、20％和30％。羟丙基甲基纤维素醚(HPMC)添加量为万分之一，浓度为1％；减水剂为聚羧酸减水剂。

表2不同试验组别的配比

表3不同试验组别的流动度和28d抗压强度结果

由表3可以发现，随低碳胶凝材料替代水泥的掺量逐渐增加，浆体的流动度有明显降低的趋势，因此影响了透水混凝土的工作性能。当低碳胶凝材料替代水泥5％时，透水混凝土的抗压强度与基准透水混凝土相近；当低碳胶凝材料替代水泥时，透水混凝土的抗压强度等级均达到C20。由以上试验数据发现，本发明制备的低碳胶凝材料可代替20％～30％的通用硅酸盐水泥使用，同时达到良好的力学性能。

应用例2

为分析不同掺量的低碳胶凝材料对干粉砂浆流动度、保水率和强度的影响，利用实施例1制得的胶凝材料配置一种水灰比0.68，灰砂比1:3的干粉砂浆，低碳胶凝材料的掺量以固体份计为替代水泥质量的0％、10％、20％、30％和40％。改性剂包括纤维素醚和乳胶粉，分别占水泥质量的0.2％和2％。

表4不同试验组别的流动度、保水率和力学性能结果

由表4可以发现，低碳胶凝材料替代水泥的掺量逐渐增加，浆体的流动度增加。当低碳胶凝材料替代掺量大于30％时，干粉砂浆的保水率略显升高，来自于微细颗粒的低碳胶凝材料能参与水化反应，生成的水化产物可明显增加水泥石的密实度；低碳胶凝材料制得的干粉砂浆力学性能与基准组几乎相同。以上结果表明，使用本发明制备的低碳胶凝材料可降低干粉砂浆生产成本。对于低碳胶凝材料在干粉砂浆中的应用具有一定的意义。

应用例3

配制水灰比0.8，强度等级M5的砌筑砂浆，实施例1的低碳胶凝材料作为水泥的替代组分，以固体份计为水泥总重的50％、75％和100％。

表5砌筑砂浆配比

表6砌筑砂浆性能参数结果

由表6可以发现，本发明通过在砌筑砂浆中加入低碳胶凝材料，浆体的稠度和保水率有明显提高的趋势。在不影响混凝土力学性能和工作性能的情况下，减少了水泥的使用量，减少水泥生产过程中的碳排放量，具有优异的环保性和经济性。由以上试验数据发现，本发明制备的低碳胶凝材料可代替通用硅酸盐水泥使用或直接用于砌筑砂浆，具备广泛应用前景。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims

1.一种低碳胶凝材料的制备方法，其特征在于：原料以重量份计包括5～10份加气混凝土再生料，65～75份转晶钢渣，15～25份碳化钢渣；其制备方法为：将加气混凝土再生料、转晶钢渣和碳化钢渣按配比配制后共同磨细至比表面积400m²/kg±10m²/kg；

所述转晶钢渣的原料包括70～75份钢渣粉、15～20份粉煤灰、10～15份干法脱硫灰渣；其制备方法为：

(2)将成球颗粒在蒸压釜中进行水热处理；

(3)将上述水热处理的成球颗粒于180～200℃烘干；

(4)将烘干的成球颗粒在600～800℃恒温处理0.5～2小时；

(5)将经高温处理后的成球颗粒在空气中急冷。

2.根据权利要求1所述的低碳胶凝材料的制备方法，其特征在于：所述转晶钢渣制备方法的步骤(2)的水热处理具体为，向反应釜内通入蒸汽至釜内蒸汽压力0.8～1.2MPa、温度170～188℃，并恒温恒压水热反应3～5小时后，减压降温至100℃以下出釜。

3.根据权利要求2所述的低碳胶凝材料的制备方法，其特征在于：所述水热处理过程中，所述蒸汽压力为1.0MPa，所述蒸汽温度为180℃，所述恒温恒压水热反应时间为4h。

4.根据权利要求1所述的低碳胶凝材料的制备方法，其特征在于：所述转晶钢渣制备方法的步骤(3)中，烘干温度为200℃。

5.根据权利要求2所述的低碳胶凝材料的制备方法，其特征在于：所述转晶钢渣制备方法的步骤(4)中，烘干的成球颗粒在800℃恒温处理2小时。

6.根据权利要求1所述的低碳胶凝材料的制备方法，其特征在于：所述加气混凝土再生料由加气混凝土废料经破碎研磨成10～20mm的颗粒制得。

7.权利要求1-6任一所述制备方法制得的低碳胶凝材料。

8.权利要求7所述低碳胶凝材料在建筑材料中的应用。