CN116283013A - 一种碳化改性含泥砂的制备方法与应用 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种碳化改性含泥砂的制备方法，包括以下步骤：(1)将水泥废浆与钙质固废微粉混合，得到碳化基础液；(2)在持续通入CO2的条件下，将碳化基础液均匀地喷淋于含泥砂的表面，干燥处理，得到碳化改性含泥砂。本发明还提供了一种含有碳化改性含泥砂的水泥砂浆。本发明针对聚羧酸减水剂分子结构中的聚乙二醇长侧链易在蒙脱土等黏土矿物中插层，导致减水剂无法充分发挥分散作用、适应性差的问题，提出对含泥砂进行碳化改性，利用生成的碳酸钙等封堵蒙脱土层间口，避免聚羧酸减水剂插层的技术方案。本发明在解决含泥砂与聚羧酸系减水剂适应性差问题的同时实现了CO2固化，利于建材行业的绿色低碳发展。

Description

一种碳化改性含泥砂的制备方法与应用
技术领域
本发明属于混凝土技术领域，具体涉及一种碳化改性含泥砂的制备方法，还涉及一种碳化改性含泥砂的应用。
背景技术
聚羧酸系减水剂(PCE)拥有典型的梳型结构，丙烯酸单元构成主链，聚醚从主链延伸出形成侧链。PCE通过静电吸附或与Ca2+络合吸附到水泥颗粒表面，然后侧链伸展到溶液中，产生空间位阻，在静电斥力和空间位阻共同作用下分散胶凝材料颗粒，进而拥有较高的减水率。此外，PCE的分子结构可依据需求进行灵活设计，拥有构性关系显著、分子结构可控聚合的特点，已成为现代混凝凝土中不可或缺的重要组分。
但是，随着天然砂资源的匮乏，大量含泥(黏土类矿物)的低质量砂开始进入市场。此类砂中的黏土类矿物，尤其是蒙脱土，会大幅削弱PCE的分散性能，进而导致含泥砂与PCE间的适应性差。蒙脱土由两个铝氧八面体片层夹杂一个硅氧四面体片层组成，拥用可扩展的层间结构，PCE的聚乙二醇长侧链极易在层间发生插层，进而导致无法发挥空间位阻作用，这是PCE与含泥砂间适应性差的一个极其重要的原因。如何提高PCE与含泥砂的适应性，使PCE能够充分发挥其分散作用是目前混凝土技术领域的一个重要研究方向。
发明专利CN201510170314.0公开了一种抗泥型聚羧酸减水剂的制备方法及其应用，制备方法包括：在5～35℃常温条件下，将异丁烯醇聚氧乙烯醚、马来酸酐-β-环糊精混合溶于水中，加入丙烯酸和对苯乙烯基甲酸酯混合液，加入过氧化氢，在氮气保护下加入巯基丙酸和抗坏血酸混合液、丙烯酸和对苯乙烯基甲酸酯混合液、连二亚硫酸钠，加入氢氧化钠水溶液调节pH为6～7，即得到抗泥型聚羧酸减水剂，该抗泥型聚羧酸减水剂为杯状结构。
发明专利CN202110028666.8公开了一种新型高抗泥高保坍聚羧酸减水剂及其制备方法，这种高抗泥高保坍聚羧酸减水剂是按照包括下述步骤的方法制备得到的：(1)制备抗泥交联剂。(2)聚合反应。该发明通过制备含有季铵盐结构的抗泥交联剂再进一步聚合得到一种具有微交联结构的高抗泥高保坍聚羧酸减水剂，这种带有季铵盐的微交联结构可以有效改善减水剂的分散性能，并且可以增大空间位阻，降低减水剂侧链在黏土结构中的插层作用，增强减水剂的抗泥性能，从而提高减水剂对于不同砂骨料的适应性。且合成的抗泥交联剂结构中的酯基在水泥浆体中会逐渐水解，一方面使减水剂链中的羧基增加，提升其保坍性能，另一方面释放出的小分子羟基季铵盐分子是较好的抗泥牺牲剂分子，可以进一步提高减水剂的抗泥效果，在较长时间内起到抗泥效果。
发明专利CN202010854758.7公开了一种抗泥型聚羧酸系减水剂及其制备方法，该抗泥型聚羧酸系减水剂具有含季铵盐官能团的多臂分子结构，可以降低黏土对减水剂分子的表面吸附作用，还可以抑制黏土的膨胀，使黏土插层的间距变小，从而降低黏土对聚羧酸减水剂的吸附能力，最终达到“抗泥”的效果。
从上述国内记载专利可以看出，针对含泥砂与PCE适应性差的问题，目前的解决措施主要是对PCE分子结构进行再设计，引入不同类型的官能团，以避免PCE聚乙二醇长侧的插层，但并不能从本质上解决含泥砂与常规聚羧酸减水剂适应性差、利用率低的问题。
基于此，提供一种含泥砂的改性方法，以有效解决PCE在蒙脱土中插层所导致的PCE与含泥砂适应性差的问题，在提高混凝土流动性能和力学性能的同时，兼具CO2固化功能，对含泥砂在建筑工程的大范围推广应用具有重要意义，也是亟需解决的技术问题。
发明内容
本发明的目的之一在于提供一种碳化改性含泥砂的制备方法，能够有效避免聚羧酸减水剂在蒙脱土等黏土矿物中插层，导致聚羧酸减水剂与含泥砂适应性差的问题。
本发明的目的之二在于提供一种流动性更好、力学性能更优、以含泥砂为主要原料，采用聚羧酸类减水剂制备而成的砂浆。
本发明实现目的之一采用的技术方案是：提供碳化改性含泥砂的制备方法，包括以下步骤：
S1、将水泥废浆与钙质固废微粉混合，得到碳化基础液；
S2、在持续通入CO2的条件下，将所述碳化基础液均匀地喷淋于含泥砂的表面，将产物干燥处理，即得到碳化改性含泥砂。
本发明针对含泥砂与聚羧酸类减水剂适应性差的问题，提供了一种全新的解决方案，该方案从含泥砂原料入手，采用碳化改性的方式，利用碳化生成的碳酸钙等封堵含泥砂中蒙脱土等黏土类物质的层间口，有效的避免聚羧酸减水剂插层，在解决含泥砂与PCE适应性差问题的同时，还实现了CO2固化。
在上述制备方法中，先将水泥废浆与钙质固废微粉混合配置碳化基础液，采用喷淋的方式在含泥砂表面均匀覆盖碳化基础液，提供大量的Ca(OH)2，配合持续通入CO2的操作，可以快速生成碳酸钙等产物。碳酸钙等产物在含泥砂的蒙脱土矿物上覆盖，并深入层间口，对层间口起到封堵作用。上述碳化改性含泥砂在后续砂浆制备工艺中，能够有效避免聚羧酸减水剂的聚乙二醇长侧链在层间口插层，确保聚羧酸减水剂有效的发挥空间位阻作用，提高其分散性能，与聚羧酸减水剂具有更好的适应性。
进一步的，所述水泥废浆取自商品混凝土站水泥浆回收系统的沉淀池，其固含量为15～20％。
进一步的，所述钙质固废微粉选自电石渣、赤泥、钢渣中的一种或多种的组合，其粒径为5～15μm。优选地，所述钙质固废微粉为电石渣与赤泥的混合物。经研究发现，当钙质固废微粉采用电石渣与赤泥的混合物时，具有更好的碳化改性效果，也能够进一步提高含泥砂与聚羧酸减水剂之间的适应性，同时与CO2有着更高的反应效率。优选地，电石渣与赤泥的质量比为9：(1～2)。
进一步的，所述碳化基础液中，水泥废浆与钙质固废微粉的质量比为：(88～94)：(6～12)。
优选地，水泥废浆与钙质固废微粉混合的转速为280±10r/min，混合的时间为5min。
在本发明中，通过采取上述技术方案，利用商品混凝土站废弃水泥浆与钙质固废微粉制备出高含Ca(OH)2的碱性碳化基础液，为碳化反应提供了条件，同时实现了商品混凝土站废弃水泥浆和钙质固废微粉的资源化利用。
进一步的，所述步骤S2中，CO2的浓度大于95％。
进一步的，在本发明中，通过调节CO2的流速能够实现对于碳化反应程度的控制。在一些较好的实施方式中，CO2的流速为8～12kg/h。以10kg/h流速条件为例，按照通入CO2的时间为20h、碳化效率为20％、碳化基础液与含泥砂质量比为14:86来计算，对应的碳化基础液的量为1000kg，则对应的可处理的含泥砂的质量约为6143kg。
进一步的，所述含泥砂的含泥量为5～15％，细度模数为1.8～2.5。在建筑工程上，含泥量为5～15％的砂通常被认为是劣质砂，无法大规模应用于使用PCE配置的混凝土中，利用率往往较低。本发明采用碳化基础液喷淋改性含泥砂的方式，对含泥砂中蒙脱土等黏土类物质的层间口进行封堵，避免了聚羧酸减水剂插层，解决了含泥砂与PCE适应性差问题，提高了劣质含泥砂在工程上利用价值。
进一步的，所述步骤S2中，碳化基础液与含泥砂的质量比为(12～16)：(84～86)。
进一步的，所述喷淋采用喷淋系统进行。在本发明中，采用喷淋的方式将碳化基础液喷覆于含泥砂石的表面，相比于浸泡或湿磨等处理方式，减少了后续的过滤步骤，简化了工艺；此外，如采用湿磨的处理方式会降低砂的级配，粒径较小的砂粒容易在过滤中流失，本发明采用喷淋的方式能够降低改性过程对砂级配的影响。
进一步的，所述喷淋的持续时间为12～18h，喷淋采用喷淋系统进行。进一步的，CO2的通入时间为18～24h。优选地，CO2的通入时间较喷淋的持续时间多2～6h。在本发明中，CO2的通入时间较喷淋时间更长，利于碳化反应的充分进行，以生成更多的碳酸钙，更好的封堵蒙脱土层间口。
进一步的，所述干燥处理采用自然风干。
本发明实现目的之二采用的技术方案是：提供一种水泥砂浆，所述水泥砂浆的原料包括本发明目的之一所述的制备方法制得的碳化改性含泥砂。
优选地，所述水泥砂浆按重量份数计，包括以下组分：水泥420～480份、砂1300～1400份、水125～145份，以及聚羧酸减水剂4.5～5.5份。其中，所述砂为本发明目的之一所述的制备方法制得的碳化改性含泥砂。
进一步的，所述聚羧酸减水剂的固含量为8～12％。
进一步的，所述水泥砂浆的制备方法如下：将水泥、水、聚羧酸减水剂依次加入搅拌机中，以135～145r/min的转速低速搅拌1～2min，得到水泥浆；而后向水泥浆中加入所述砂，以135～145r/min的转速低速搅拌1～2min，以270～290r/min的转速高速搅拌2～4min，得到水泥砂浆。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
(1)本发明提供的碳化改性含泥砂的制备方法，通过对含泥砂进行碳化处理，采用“喷淋碳化基础液+CO2持续通入”的方式，利用生成的碳酸钙等产物在蒙脱土矿物表面覆盖，并起到封堵层间口的作用，避免了PCE聚乙二醇长侧链在蒙脱土等黏土矿物层间的插层，提高了PCE与含泥砂间的适应性，在目前天然砂骨料资源匮乏的条件下，能够推动低质量砂的应用，提高混凝土制备水平。
(2)本发明提供的碳化改性含泥砂的制备方法，充分利用了商品混凝土站废弃水泥浆和钙质固废微粉，一方面解决了黏土矿物难以发生碳化的难题，另一方面实现了废弃水泥浆和钙质固废的资源化利用，利于建材行业的绿色低碳发展。
(3)本发明提供的水泥砂浆，采用了经碳化改性的含泥砂，能够提高含泥砂与聚羧酸系减水剂间的适应性，进而改善砂浆工作性，提高砂浆的力学性能。在混凝土建筑工程领域，具有更好的推广及应用前景。
附图说明
图1为本发明实施例提供的水泥砂浆的制备方法的流程示意图。
具体实施方式
下面将结合实施例对本发明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作出创造性劳动的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。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
下面结合具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。
本发明实施例1-7的主要原料用量及参数如下表1所示：
表1
Figure BDA0004117137610000061
Figure BDA0004117137610000071
上表中，砂来自中间商砼商品混凝土有限公司，细度模数2.2，含泥量12％；钢渣来自武汉华神智能科技有限公司，比表面积为475m2/kg，中值粒径为7.2μm；赤泥来自河南省新乡市，比表面积为650m2/kg，中值粒径为5.8μm；电石渣来自河北省石家庄市，CaO含量为92％，中值粒径为7.5μm；水泥来自华新水泥股份有限公司；聚羧酸系减水剂来自西卡(中国)有限公司，其固含量为10％。
实施例1
步骤1：将88份固含量为15％的水泥废浆与12份钙质固废微粉混合搅拌，制备碳化基础液。钙质固废微粉全部为钢渣。
步骤2：将16份碳化基础液体，在12h内均匀喷淋于84份砂的表面，同时通入浓度为95％的CO2，CO2流速为10kg/h，通CO2时间为20h。经自然风干后得到1#碳化改性砂。
步骤3：按重量份数计，将450份水泥、135份水、5.4份聚羧酸减水剂依次加入搅拌机中，以140r/min的转速低速搅拌2min，得到水泥浆；而后向水泥浆中加入1350份1#碳化改性砂，以140r/min的转速低速搅拌1min，以280r/min的转速高速搅拌2min，得到水泥砂浆。
实施例2
步骤1：将88份固含量为15％的水泥废浆与12份钙质固废微粉混合搅拌，制备碳化基础液。钙质固废微粉全部为电石渣。
步骤2：将16份碳化基础液体，在12h内均匀喷淋于84份砂的表面，同时通入浓度为95％的CO2，CO2流速为10kg/h，通CO2时间为20h。经自然风干后得到2#碳化改性砂。
步骤3：按重量份数计，将450份水泥、135份水、5.4份聚羧酸减水剂依次加入搅拌机中，以140r/min的转速低速搅拌2min，得到水泥浆；而后向水泥浆中加入1350份2#碳化改性砂，以140r/min的转速低速搅拌1min，以280r/min的转速高速搅拌2min，得到水泥砂浆。
实施例3
步骤1：将88份固含量为15％的水泥废浆与12份钙质固废微粉混合搅拌，制备碳化基础液。钙质固废微粉中电石渣和赤泥的质量比为9:1。
步骤2：将16份碳化基础液体，在12h内均匀喷淋于84份砂的表面，同时通入浓度为95％的CO2，CO2流速为10kg/h，通CO2时间为20h。经自然风干后得到3#碳化改性砂。
步骤3：按重量份数计，将450份水泥、135份水、5.4份聚羧酸减水剂依次加入搅拌机中，以145r/min的转速低速搅拌2min，得到水泥浆；而后向水泥浆中加入1350份3#碳化改性砂，以145r/min的转速低速搅拌1min，以290r/min的转速高速搅拌2min，得到水泥砂浆。
实施例4
步骤1：将88份固含量为15％的水泥废浆与12份钙质固废微粉混合搅拌，制备碳化基础液。钙质固废微粉中电石渣和赤泥的质量比为9:1。
步骤2：将16份碳化基础液体，在12h内均匀喷淋于84份砂的表面，同时通入浓度为95％的CO2，CO2流速为12kg/h，通CO2时间为24h。经自然风干后得到4#碳化改性砂。
步骤3：按重量份数计，将450份水泥、135份水、5.4份聚羧酸减水剂依次加入搅拌机中，以145r/min的转速低速搅拌2min，得到水泥浆；而后向水泥浆中加入1350份4#碳化改性砂，以145r/min的转速低速搅拌1min，以290r/min的转速高速搅拌2min，得到水泥砂浆。
实施例5
步骤1：将90份固含量为18％的水泥废浆与10份钙质固废微粉混合搅拌，制备碳化基础液。钙质固废微粉中电石渣和赤泥的质量比为9:2。
步骤2：将12份碳化基础液体，在14h内均匀喷淋于88份砂的表面，同时通入浓度为98％的CO2，CO2流速为8kg/h，通CO2时间为18h。经自然风干后得到5#碳化改性砂。
步骤3：按重量份数计，将450份水泥、135份水、5.4份聚羧酸减水剂依次加入搅拌机中，以140r/min的转速低速搅拌2min，得到水泥浆；而后向水泥浆中加入1350份5#碳化改性砂，以140r/min的转速低速搅拌1min，以280r/min的转速高速搅拌2min，得到水泥砂浆。
实施例6
步骤1：将92份固含量为20％的水泥废浆与8份钙质固废微粉混合搅拌，制备碳化基础液。钙质固废微粉中电石渣和赤泥的质量比为9:2。
步骤2：将14份碳化基础液体，在18h内均匀喷淋于86份砂的表面，同时通入浓度为98％的CO2，CO2流速为10kg/h，通CO2时间为20h。经自然风干后得到6#碳化改性砂。
步骤3：按重量份数计，将450份水泥、135份水、5.4份聚羧酸减水剂依次加入搅拌机中，以140r/min的转速低速搅拌2min，得到水泥浆；而后向水泥浆中加入1350份6#碳化改性砂，以140r/min的转速低速搅拌1min，以280r/min的转速高速搅拌2min，得到水泥砂浆。
实施例7
步骤1：将94份固含量为20％的水泥废浆与6份钙质固废微粉混合搅拌，制备碳化基础液。钙质固废微粉中电石渣和赤泥的质量比为9:2。
步骤2：将16份碳化基础液体，在18h内均匀喷淋于84份砂的表面，同时通入浓度为98％的CO2，CO2流速为12kg/h，通CO2时间为24h。经自然风干后得到7#碳化改性砂。
步骤3：按重量份数计，将450份水泥、135份水、5.4份聚羧酸减水剂依次加入搅拌机中，以140r/min的转速低速搅拌2min，得到水泥浆；而后向水泥浆中加入1350份7#碳化改性砂，以140r/min的转速低速搅拌1min，以280r/min的转速高速搅拌2min，得到水泥砂浆。
对比例
将450份水泥、135份水、5.4份聚羧酸减水剂依次加入搅拌机中，以140r/min的转速低速搅拌2min，得到水泥浆；而后向水泥浆中加入未经改性的砂，以140r/min的转速低速搅拌1min，以280r/min的转速高速搅拌2min，得到水泥砂浆。
性能测试
按照GB/T 2419-2005《水泥胶砂流动度测定方法》对实施例1-7及对比例制得的水泥砂浆进行砂浆流动度测试(通过水泥砂浆的扩展度评价碳化改性后含泥砂与PCE的适应性)。同时，将上述水泥砂浆置于20±2℃，湿度大于95％的条件下养护，按照GB/T 17671-2021《水泥胶砂强度检验方法(ISO法》，测试其28d抗压强度值，相关测试结果如下表2所示：
表2
流动度/mm 28d抗压强度/MPa
实施例1 158 49.6
实施例2 167 49.9
实施例3 175 50.8
实施例4 180 51.3
实施例5 183 51.5
实施例6 188 53.7
实施例7 194 54.5
对比例 145 48.2
由上表可知，
与对比例的未改性砂相比，实施例1-4采用经碳化改性的含泥沙制备的水泥砂浆，改性后的含泥沙与聚羧酸系减水剂间的适应性有较大提升，具体表现为在相同条件下，砂浆的流动度增大。
同时，根据实施例1-4的测试结果对比可知，当电石渣和赤泥共掺时，所制备的碳化改性砂与聚羧酸系减水剂间的适应性最好；当钢渣单掺时，所制备的碳化改性砂与聚羧酸系减水剂间的适应性稍差。
进一步的，根据实施例5-7的测试结果对比可知，提高CO2流速并延长通CO2时间，能够进一步提高含泥砂与聚羧酸系减水剂间的适应性。这主要是因为碳化反应程度更大，生成的碳酸钙量增多，对蒙脱土层间口的封堵作用更为显著。进一步的，由于砂浆流动度的增加，利于水泥水化反应的进行，砂浆的28d抗压强度同步有所增加。
综上可知，本发明通过碳化改性含泥砂，有效解决了聚羧酸系减水剂PCE与含泥砂间适应性差的问题，同时实现了CO2固化，利于建材行业的绿色低碳发展。
以上仅为本发明较佳的实施例，并非因此限制本发明的实施方式及保护范围，对于本领域技术人员而言，应当能够意识到凡运用本发明说明书内容所作出的等同替换和显而易见的变化所得到的方案，均应当包含在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种碳化改性含泥砂的制备方法，包括以下步骤：
S1、将水泥废浆与钙质固废微粉混合，得到碳化基础液；
S2、在持续通入CO2的条件下，将所述碳化基础液均匀地喷淋于含泥砂的表面，将产物干燥处理，即得到碳化改性含泥砂。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述水泥废浆取自商品混凝土站水泥浆回收系统的沉淀池，其固含量为15～20％。
3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述钙质固废微粉选自电石渣、赤泥、钢渣中的一种或多种的组合，其粒径为5～15μm。
4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述碳化基础液中，水泥废浆与钙质固废微粉的质量比为：(88～94)：(6～12)。
5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述CO2的浓度大于95％，CO2的流速为8～12kg/h。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述含泥砂的含泥量为5～15wt.％，细度模数为1.8～2.5。
7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤S2中，碳化基础液与含泥砂的质量比为(12～16)：(84～88)。
8.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述喷淋的持续时间为12～18h，所述CO2的通入时间为18～24h。
9.一种水泥砂浆，其特征在于，按重量份数计，包括以下组分：水泥420～480份、砂1300～1400份、水125～145份，以及聚羧酸减水剂4.5～5.5份；
所述砂为根据权利要求1-8中任一项所述的制备方法制得的碳化改性含泥砂。
10.根据权利要求9所述的水泥砂浆，其特征在于，所述聚羧酸减水剂的固含量为8～12％。
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