CN116835931A - 一种碳化轻骨料混凝土及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种碳化轻骨料混凝土，由以下质量份数原料组成：低钙水泥270～500份，粗骨料500～650份，细骨料410～600份，水140～180，碳化增强剂5～10份，减水剂5～10份；所述粗骨料为改性生物基骨料、粉煤灰陶粒、页岩陶粒、膨胀珍珠岩中的一种，粒径为5‑20mm；所述细骨料为天然河砂、机制砂、改性生物基骨料中的一种，细度模数为2.3～3.2，压碎值≤25％；本发明结合轻骨料具有的蓄水池功能，协同利用低钙水泥碳化活性特点，保证低钙水泥水化和碳化反应持续性；同时改性生物基骨料表面水泥基材料具有一定的碳化活性，进一步加强骨料与水泥石的连接，所得轻骨料混凝土具有良好的力学性能。
Description
技术领域
本发明属于建筑材料技术领域，具体涉及一种碳化轻骨料混凝土及其制备方法。
背景技术
轻骨料混凝土具有体积密度低、保温性能优异的特点，与普通混凝土有重要的区别，特别是在对抗震、隔音和隔热有特殊要求的建筑项目中，具有广泛的应用前景。
轻骨料混凝土使用的通用硅酸盐水泥作为一种高能耗、高CO2排放的材料，会对全球环境造成极大危害。另外，无论是天然轻骨料，还是人造轻骨料，生产都需要消耗资源，同时也会对环境产生不利影响。因此在当前严格的环境政策背景下，扩展低钙水泥应用途径越来越受到关注，寻找可替代的再生骨料已成为研究热点。
专利CN115340340A公开了一种生物基轻骨料混凝土及其制备方法，该方法通过合成的改性液对生物基骨料进行改性，所述的改性液中硫酸镁-氧化镁体系受环境pH值影响较大，化学过程不易控制，与水泥生成的钙矾石会对混凝土体积变化产生影响，进而会造成轻骨料混凝土耐久性和力学性能降低。
发明内容
本发明目的在于提供一种碳化轻骨料混凝土及其制备方法，结合轻骨料具有的蓄水池功能，协同利用低钙水泥碳化活性特点，保证低钙水泥水化和碳化反应持续性；本发明另一目的在于采用一种改性生物基骨料表面水泥基材料具有一定的碳化活性，进一步加强骨料与水泥石的连接，所得轻骨料混凝土具有良好的力学性能。
为达到上述目的，采用技术方案如下：
一种碳化轻骨料混凝土，由以下质量份数原料组成：低钙水泥270～500份，粗骨料500～650份，细骨料410～600份，水140～180，碳化增强剂5～10份，减水剂5～10份；
所述粗骨料为改性生物基骨料、粉煤灰陶粒、页岩陶粒、膨胀珍珠岩中的一种，粒径为5-20mm；
所述细骨料为天然河砂、机制砂、改性生物基骨料中的一种，细度模数为2.3～3.2，压碎值≤25％。
按上述方案，所述改性生物基骨料按以下方式制备而来：
将生物质原料在氢氧化钠溶液中浸泡，除去表面油性杂质；
取出后破碎、筛分并晾干，在60℃～80℃温度下热处理30min～40min；
加入界面改性浆料进行滚涂处理，并在滚涂过程中持续通入CO2。
按上述方案，所述生物质原料包括油棕壳、桃壳、棕榈树壳、椰子壳中的任意一种或混合。
按上述方案，所述界面改性浆料由混凝土废料、水、分散剂混合而成；水与混凝土废料干基的质量比(1～2)：1；所述分散剂为聚羧酸盐，掺量为界面改性浆料总质量的0.2％-0.4％；
所述混凝土废料为清洗混凝土搅拌机、压滤机或混凝土罐车产生的废水，或废弃混凝土分解产生的废弃浆液沉淀物，其干基成分中含有CaO 40-50wt％，SiO2 30～40wt％，其余为不可避免的杂质。
按上述方案，所述低钙水泥以C3S2、CS和C2S为主要矿物相，按质量百分比C3S2 15～60％，CS 10～55％，C2S 20～60％，且三种矿物相的质量占比之和≥87％，钙硅比为1.4～1.7，45μm负压筛余≤26％，比表面积≥350m2/kg。
按上述方案，所述减水剂为萘系减水剂，其减水率为15～25％。
按上述方案，所述碳化增强剂为聚氨基葡萄糖、聚乙二醇中的一种；所述聚氨基葡萄糖分子量为15万～40万，聚乙二醇分子量为300～600。
上述碳化轻骨料混凝土制备方法，包括以下步骤：
1)将粗骨料浸水2h后沥干，保持粗骨料表面饱和面干；
2)与细骨料按比例搅拌30s，预混均匀；随后加入低钙水泥搅拌60s至拌合均匀；最后加入水和外加剂，搅拌60～120s，得轻质混凝土拌合物；
3)倒入模具中浇筑成型，置于CO2养护环境中碳化养护，得到碳化轻骨料混凝土制品。
按上述方案，所述碳化养护制度为：CO2浓度18～100vol％，养护温度30～70℃，养护压强0.1～1.0MPa，养护时间6～24h。
按上述方案，所述CO2养护环境采用水泥窑烟气。
本发明首次提出利用轻骨料和低钙水泥的性能特点，结合碳化养护工艺制备碳化轻骨料混凝土，有效兼顾所得轻骨混凝土的综合使用性能。在低钙水泥碳化矿化反应过程中，CO2通过水作为介质渗透到混凝土内部，与低钙水泥中的碳化活性物质发生反应，产生碳盐酸和水。轻骨料因其多孔的结构特点，一方面吸收和储存自由水，另外在CO2环境下“储存”部分CO2，在混凝土内部充当蓄水池和碳源，持续不断的为低钙水泥的水化和碳化反应提供自由水和CO2；同时轻骨料存在微量的渗透通道，在混凝土内部可作为水和CO2扩散的通道；从轻骨料微量通道中缓慢释放的自由水进一步促进混凝土自养护；从轻骨料微量通道中扩散的CO2气体保证混凝土内部碳化反应更加高效进行。轻骨料具有的多孔结构特点促使轻骨料混凝土内部持续不断发生水化、碳化反应，为轻骨料混凝土性能提高提供了源源不断的内生动力。
生物基骨料是一种天然的农业废弃物，具有质量轻、硬度高特点。本发明利用改性生物基骨料与低钙水泥碳化活性矿物组分同步进行碳化矿化。另外本发明外加剂选用萘系减水剂，碳化增强剂选用聚氨基葡萄糖、聚乙二醇，上述物质有利于提高水泥矿物组分对CO2的吸收能力，增强碳化程度；在协同碳化过程中，一方面改性生物基骨料表面附着未碳化的矿物组分，矿物组分在碳化养护过程中二次碳化，生成的碳化产物附着于骨料表面，强化骨料坚固性。另外一方面，混凝土内部碳化生成的纳米至亚微米CaCO3颗粒有较高的表面积，作为诱导晶核，剥离水泥颗粒表面的水化产物，抑制水泥颗粒保护层的形成，加速低钙水泥水化进程，缩短低钙水泥凝结时间；低钙水泥碳化产物、水化产物，包括钙矾石、碳酸钙、硅凝胶一方面共同填充在结构内部孔隙中，提高混凝土结构致密性，减少混凝土收缩变形；另外与附着在骨料表面的碳化产物、水化产物相互“啮合”，各产物间的咬合力促进晶体结构相互交织形成一个整体，促使轻骨料与水泥石界面过渡区更加致密，有利于提高混凝土综合性能。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
1)本发明绿色高效，对混凝土可持续发展有重要意义。本发明将生物基骨料改性后作为轻骨料，生物基骨料是一种天然的农业废弃物，堆积会对环境造成的危害。本发明具有固废利用、节省建筑成本的益处，降低行业碳足迹，促进混凝土可持续发展；采用低钙水泥取代传统硅铝酸盐水泥制备轻骨料混凝土，改善水泥行业生产中高碳排放和高能耗现状；同时利用水泥窑烟气等工业废气中CO2养护轻骨料混凝土，进一步减少CO2对外排放。
2)利用低钙水泥具有碳化活性特点，采用双重碳化机制，使改性生物基骨料涂层上矿物组分与低钙水泥碳化活性组分协同碳化，双重固化吸收CO2；一方面碳化矿化加速低钙水泥凝结硬化；另外碳化反应促使改性生物基骨料的碳化产物与低钙水泥等碳化产物相互“啮合”，增大固相面积，进一步复合增强骨料与浆体粘结性，提高轻质混凝土界面过渡区密实程度，轻质混凝土性能增益显著；掺入碳化增加剂，不仅加大对CO2的固化吸收，同时也加强碳化产物间的咬合作用力。
3)轻骨料为低钙水泥碳化内养护提供了内生动力，保证了轻骨料混凝土性能的持续提升。轻骨料多孔的结构特点，使其在混凝土内部充当蓄水池和CO2源，通过微量通道，自由水、CO2不断地往水泥浆中迁移，使内部的水化和碳化反应持续进行，综合提高轻骨料混凝土的性能。
具体实施方式
以下实施例进一步阐释本发明的技术方案，但不作为对本发明保护范围的限制。
具体实施方式提供了一种改性生物基骨料的制备方法，包括如下步骤：
(1)将生物质原料用氢氧化钠溶液浸泡，除去表面油性杂质；
(2)取出后晾干，倒入破碎机中破碎，然后利用筛网进行筛分；
(3)将筛分后的生物质原料进行热处理以改善其表面结构；
(4)将热处理产物倒入旋转滚筒容器中，同时加入界面改性浆料进行滚涂处理，并在滚涂过程中持续通入CO2，所得改性生物基骨料表面有0.4～0.6mm厚涂层，且表面物质中有纳米至亚微米级别的CaCO3颗粒以及未水化的水泥矿物组分；堆积密度≤980kg/m3，筒压强度≥1.5MPa，1h吸水率≤18％。
具体地，所述生物质原料为油棕壳、棕榈树壳、椰子壳、桃壳中的任意一种或混合；年生为5-10年，表观密度1330～1400kg/m3。
具体地，所述氢氧化钠溶液浓度为0.01％～0.07％，pH值为10～13，浸泡时间12h～24h。
具体地，通过筛分后的粒径分别为5-20mm和0-5mm。
具体地，热处理温度设置为60℃～80℃，时间30min～40min。
具体地，所述界面改性浆料由混凝土废料、水、分散剂混合而成；水与混凝土废料干基的质量比(1～2)：1；所述分散剂为聚羧酸盐，掺量为界面改性浆料总质量的0.2％-0.4％；
所述混凝土废料为清洗混凝土搅拌机、压滤机或混凝土罐车产生的废水，或废弃混凝土分解产生的废弃浆液沉淀物，其干基成分中含有CaO 40-50wt％，SiO2 30～40wt％，其余为不可避免的杂质。
具体地，滚涂工艺中界面改性浆料与热处理产物质量比为1:(5～8)；滚涂工艺的速率为100rpm-200rpm，滚涂时间1h～1.5h；通入CO2气体的流速为2～4L/min，浓度为80～100vol％。
具体实施方式还提供了一种碳化轻骨料混凝土，由以下质量份数原料组成：低钙水泥270～500份，粗骨料500～650份，细骨料410～600份，水140～180，碳化增强剂5～10份，减水剂5～10份；
所述粗骨料为改性生物基骨料、粉煤灰陶粒、页岩陶粒、膨胀珍珠岩中的一种，粒径为5-20mm；所述细骨料为天然河砂、机制砂、改性生物基骨料中的一种，细度模数为2.3～3.2，压碎值≤25％。
具体地，所述低钙水泥以C3S2、CS和C2S为主要矿物相，按质量百分比C3S2 15～60％，CS 10～55％，C2S 20～60％，且三种矿物相的质量占比之和≥87％，钙硅比为1.4～1.7，45μm负压筛余≤26％，比表面积≥350m2/kg。
具体地，所述减水剂为萘系减水剂，其减水率为15～25％。
具体地，所述碳化增强剂为聚氨基葡萄糖、聚乙二醇中的一种；所述聚氨基葡萄糖分子量为15万～40万，聚乙二醇分子量为300～600；掺量为胶凝材料总质量的0.5％～1％。
具体实施方式还提供了上述碳化轻骨料混凝土制备方法，包括以下步骤：
1)将粗骨料浸水2h后沥干，保持粗骨料表面饱和面干；
2)与细骨料按比例搅拌30s，预混均匀；随后加入低钙水泥搅拌60s至拌合均匀；最后加入水和外加剂，搅拌60～120s，得轻质混凝土拌合物；
3)倒入模具中浇筑成型，放入CO2养护环境中碳化养护，得到碳化轻骨料混凝土制品。
具体地，所述碳化养护制度为：CO2浓度18～100vol％，养护温度30～70℃，养护压强0.1～1.0MPa，养护时间6～24h。所述碳化养护步骤采用的CO2可采用水泥窑烟气等工业废气。
外加剂为萘系减水剂；减水率为20％。
实施例1
一种碳化轻骨料混凝土，其制备方法包括如下步骤：
1)称取各原料：低钙水泥350份，粗骨料600份，机制砂500份，水160，碳化增强剂5～10份，减水剂5～10份；其中低钙水泥主要由以下质量分数物质组成：C3S2 27％，C2S33％，CS 30％，钙硅比为1.51，其45μm负压筛余15.2％，比表面积373m2/kg；碳化增强剂为聚氨基葡萄糖，分子量为20万；粗骨料为页岩陶粒；
2)将陶粒浸水2h后沥干，保持粗骨料表面饱和面干；
3)将机制砂、浸水陶粒搅拌30s，预混均匀；随后加入低钙水泥搅拌60s，搅拌均匀；加入水和萘系减水剂、聚氨基葡萄糖，搅拌60～120s，得轻骨料混凝土拌合物；
4)将混凝土拌合物倒入模具中成型，振动捣实；
5)将所得成型坯体放入CO2养护环境中，进行碳化养护，得低钙轻质混凝土成品，其中采用的CO2养护条件为：浓度80％，温度50℃，碳化压强0.3MPa，碳化时间12h。
实施例2
一种碳化轻骨料混凝土的制备方法，按照实施例1中方法进行，不同之处在于所用低钙水泥不同，其中C3S2 31％，C2S 57％，CS 12％，钙硅比为1.67，其45μm负压筛余10.2％，比表面积442m2/kg。
实施例3
一种碳化轻骨料混凝土的制备方法，按照实施例1中方法进行，不同之处在于所用粗骨料为改性生物基骨料。
实施例4
一种碳化轻骨料混凝土的制备方法，按照实施例3中方法进行，不同之处在于，原料中碳化增强剂为聚乙二醇，型号PEG-400，分子量400。
实施例5
一种碳化轻骨料混凝土的制备方法，按照实施例1中方法进行，不同之处在于碳化制度，其中CO2浓度60％，碳化温度40℃，碳化压强0.5MPa，碳化时间24h。
对比例1
一种碳化轻骨料混凝土的制备方法，按照实施例1中方法进行，不同之处在于，原料中低钙水泥替换成PO42.5水泥，成分为C2S 21％，C3S 65％，C3A 1.3％，钙硅比为2.8，其45μm负压筛余16.2％，比表面积366m2/kg。
对比例2
一种碳化轻骨料混凝土的制备方法，按照实施例1中方法进行，不同之处在于，轻骨料混凝土成型之后在标准护室养护28d，温度18～22℃，相对湿度95％以上。
对比例3
一种碳化轻骨料混凝土的制备方法，按照实施例1中方法进行，不同之处在于，轻质混凝土原料中无任何碳化增强剂。
对比例4
一种碳化轻骨料混凝土的制备方法，按照实施例1中方法进行，不同之处在于所用页岩陶粒无浸水工艺。
将实施例1～5和对比例1～4制备碳化轻骨料混凝土参照GB/T50081-2019《混凝土物理力学性能试验方法标准》和JGJ/T12-2019《轻骨料混凝土应用技术标准》分别进行性能测试，结果见表1。
表1
由表1可以看出：
结合对比例1与实施例1-5并结合表1可以看出，对比例1的28d抗压强度明显小于实施例1-5，对比例1的28d收缩值大于实施例1-5，因为普通硅酸盐具有高水化活性，低碳化活性，碳化养护不能增强碳化产物的啮合作用力，界面过渡区得不到改善，轻骨料混凝土性能一般。
结合对比例2与实施例1-5并结合表1可以看出，对比例2的28d抗压强度小于实施例1-5，28d收缩值大于实施例1-5，说明碳化养护可以激发低钙水泥的高碳化活性，使低钙水泥和骨料啮合作用加强，提升轻骨料混凝土性能。
结合对比例3与实施例1-5并结合表1可以看出，对比例3的28d抗压强度小于实施例1-5，说明碳化增强剂促进低钙水泥的碳化反应，进一步提高轻骨料混凝土碳化矿化程度，混凝土性能得到提升。
结合对比例4与实施例1-5并结合表1可以看出，对比例4的28d抗压强度小于实施例1-5，28d收缩值大于实施例1-5，说明对陶粒提前浸水处理可以提高轻骨料混凝土强度。陶粒在混凝土内部提供自由水，持续促进了水化碳化反应。
对比实施例3与实施例1并结合表1可以看出，实施例3的28d抗压强度接近于实施例1，说明改性生物基骨料作为骨料填充物，性能媲美陶粒制备的轻骨料混凝土。
上述结果表明：实施例1～5制备的碳化轻骨料混凝土抗压强度高，收缩率低；依据低钙水泥具有低水化活性、碳化活性的特点，通过循环利用工业生产中的固体废弃物，结合简便易控的碳化养护工艺，可有效兼顾所得轻骨料混凝土良好的力学性能和长期性能，具有重要的经济和环境效益。
上述实施例仅是为了清楚地说明所做的实例，而并非对实施方式的限制。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其他不同形式的变化或者变动，这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举，因此所引申的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种碳化轻骨料混凝土，其特征在于由以下质量份数原料组成：低钙水泥270～500份，粗骨料500～650份，细骨料410～600份，水140～180，碳化增强剂5～10份，减水剂5～10份；
所述粗骨料为改性生物基骨料、粉煤灰陶粒、页岩陶粒、膨胀珍珠岩中的一种，粒径为5-20mm；
所述细骨料为天然河砂、机制砂、改性生物基骨料中的一种，细度模数为2.3～3.2，压碎值≤25％。
2.如权利要求1所述碳化轻骨料混凝土，其特征在于所述改性生物基骨料按以下方式制备而来：
将生物质原料在氢氧化钠溶液中浸泡，除去表面油性杂质；
取出后破碎、筛分并晾干，在60℃～80℃温度下热处理30min～40min；
加入界面改性浆料进行滚涂处理，并在滚涂过程中持续通入CO2。
3.如权利要求2所述碳化轻骨料混凝土，其特征在于所述生物质原料包括油棕壳、桃壳、棕榈树壳、椰子壳中的任意一种或混合。
4.如权利要求2所述碳化轻骨料混凝土，其特征在于所述界面改性浆料由混凝土废料、水、分散剂混合而成；水与混凝土废料干基的质量比(1～2)：1；所述分散剂为聚羧酸盐，掺量为界面改性浆料总质量的0.2％-0.4％；
所述混凝土废料为清洗混凝土搅拌机、压滤机或混凝土罐车产生的废水，或废弃混凝土分解产生的废弃浆液沉淀物，其干基成分中含有CaO 40-50wt％，SiO2 30～40wt％，其余为不可避免的杂质。
5.如权利要求1所述碳化轻骨料混凝土，其特征在于所述低钙水泥以C3S2、CS和C2S为主要矿物相，按质量百分比C3S2 15～60％，CS 10～55％，C2S 20～60％，且三种矿物相的质量占比之和≥87％，钙硅比为1.4～1.7，45μm负压筛余≤26％，比表面积≥350m2/kg。
6.如权利要求1所述碳化轻骨料混凝土，其特征在于所述减水剂为萘系减水剂，其减水率为15～25％。
7.如权利要求1所述碳化轻骨料混凝土，其特征在于所述碳化增强剂为聚氨基葡萄糖、聚乙二醇中的一种；所述聚氨基葡萄糖分子量为15万～40万，聚乙二醇分子量为300～600。
8.权利要求1所述碳化轻骨料混凝土的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
1)将粗骨料浸水2h后沥干，保持粗骨料表面饱和面干；
2)与细骨料按比例搅拌30s，预混均匀；随后加入低钙水泥搅拌60s至拌合均匀；最后加入水和外加剂，搅拌60～120s，得轻质混凝土拌合物；
3)倒入模具中浇筑成型，置于CO2养护环境中碳化养护，得到碳化轻骨料混凝土制品。
9.如权利要求8所述碳化轻骨料混凝土的制备方法，其特征在于所述碳化养护制度为：CO2浓度18～100vol％，养护温度30～70℃，养护压强0.1～1.0MPa，养护时间6～24h。
10.如权利要求8所述碳化轻骨料混凝土的制备方法，其特征在于所述CO2养护环境采用水泥窑烟气。
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