一種製備高固碳量建築材料製品的方法與流程
2023-08-02 09:45:06
本發明屬於建築材料技術領域，涉及一種製備高固碳量建築材料製品的方法。
背景技術：
因碳排放引起的氣候問題越來越嚴重。建築材料領域的碳排放尤其受到大家的關注，據估算僅水泥工業的碳排放就佔全球排放總量的5％。利用綠色、低碳的技術生產建築材料，從而降低碳排，放緩解氣候問題勢在必行。政府間氣候變化專門委員會(IPCC)認為碳捕獲與封存(CCS)技術，是控制碳排放、緩解氣候變化問題的重要手段之一。CO2的封存手段主要包括：地質封存、海洋封存、礦物封存或工業利用。其中礦物封存是最穩定的一種手段。含氫氧化鈣、矽酸二鈣、矽酸三鈣等礦物成分的膠凝材料或者輔助膠凝材料，如水泥、水泥廠窯灰、鋼渣等在低水膠比條件下經過碳化養護，CO2以碳酸鹽的形式穩定固定在材料中，同時材料獲得一定的強度，並表現出優異的耐久性。利用上述材料及碳化養護方法生產建築材料，與蒸汽養護相比，能節約能源，提高生產效率，同時降低碳排放。然而，如何有效提升製品生產過程中的固碳量確需要從生產的攪拌過程加以考慮，並需解決碳化攪拌降低製品強度的問題。固碳量(材料吸收固定CO2的質量佔原材料質量的百分比)是衡量碳化養護材料的重要性能指標。碳化養護方式生產建築材料可以吸收固定一定量的CO2，且材料早期強度較高耐久性優異，但是固碳量有限。本發明使CO2在建築材料製品生產的攪拌階段和養護階段都介入，採用在CO2氣氛中攪拌(碳化攪拌)結合養護時的碳化養護方式，顯著提高建築材料固碳量和強度。解決了常規方式生產建築材料製品CO2排放大、單純碳化攪拌後製品強度低強度低、單純碳化養護固碳量低的一系列問題，是一種藉助建築材料製品生產過程提高CO2利用的好方法。
技術實現要素：
為解決上述問題，本發明提供了一種碳化攪拌結合碳化養護方式提高建築材料固碳量和強度的方法。本發明通過下述技術方案實現：一種製備高固碳量建築材料製品的方法,步驟如下(1)將含有矽酸二鈣、矽酸三鈣、氫氧化鈣的膠凝材料按水灰比為0.1-0.15的比例與水混合後，在二氧化碳氣氛中充分攪拌1-1.5分鐘，得到碳化攪拌後的拌合物；(2)將上步所得拌合物在8MPa壓力下成型，得毛坯；(3)將上步所得毛坯標準養護2小時，即得。所述步驟1和步驟2之間還包括步驟2`，所述步驟2`方法如下，將上步所得碳化攪拌後的拌合物按水灰比為0.15-0.2的比例二次補水，繼續在空氣中攪拌1分鐘，得到二次攪拌的拌合物；所述水灰比中灰的重量按步驟1中的膠凝材料計算。所述步驟3的方法還可為：將上步所得毛坯在二氧化碳氣氛中、養護壓力1bar、溫度不低於5℃條件下碳化養護2小時，即得。所述膠凝材料為水泥或鋼渣。所述二氧化碳氣氛為含CO2的工業廢氣或高純度CO2。步驟1中，發生碳化反應，同時伴隨著反應熱，導致拌合物團聚且乾燥。所述步驟2`中，補充水分後，在空氣中繼續攪拌，使步驟1過程中團聚且乾燥的拌合物再次分散，整個攪拌過程控制水膠比為0.15-0.2之間。所述步驟3中，碳化養護所用CO2氣體為高純度CO2或含CO2的工業廢氣，養護壓力為1bar，養護時長為2h，溫度為不低於5℃室溫。本發明中碳化攪拌階段材料中的氫氧化鈣、矽酸二鈣、矽酸三鈣與CO2反應生成了碳酸鈣等產物。Ca(OH)2+CO2→CaCO3C2S+(2-x)CO2+yH2O→CxSHy+(2-x)CaCO3C3S+(3-x)CO2+yH2O→CxSHy+(3-x)CaCO3本發明的主要特點是碳化攪拌與碳化養護工藝相結合，提高建築材料的固碳量和強度。本發明的有益效果：降低CO2排放，提高建築材料生產效率，產品性能優異。附圖說明圖1為具體實施例碳化攪拌與常規攪拌兩種工藝方法生產建築製品的TG-DTG圖譜；圖2為具體實施例碳化攪拌與常規攪拌兩種工藝方法生產建築材料XRD圖譜。具體實施方式一種製備高固碳量建築材料製品的方法,步驟如下(1)將含有矽酸二鈣、矽酸三鈣、氫氧化鈣的膠凝材料按水灰比為0.1-0.15的比例與水混合後，在二氧化碳氣氛中充分攪拌1-1.5分鐘，得到碳化攪拌後的拌合物；(2)將上步所得拌合物在8MPa壓力下成型，得毛坯；(3)將上步所得毛坯標準養護2小時，即得。所述步驟1和步驟2之間還包括步驟2`，所述步驟2`方法如下，將上步所得碳化攪拌後的拌合物按水灰比為0.15-0.2的比例二次補水，繼續在空氣中攪拌1分鐘，得到二次攪拌的拌合物；所述水灰比中灰的重量是與步驟一中的膠凝材料計算。所述步驟3的方法還可為：將上步所得毛坯在二氧化碳氣氛中、養護壓力1bar、溫度不低於5℃條件下碳化養護2小時，即得。所述膠凝材料為水泥或鋼渣。所述二氧化碳氣氛為含CO2的工業廢氣或高純度CO2。基於上述操作，選取多種情況對比試驗。實施例1選取PO·42.5水泥，按水灰比為0.15加入水，在密閉容器中二氧化碳氣氛中充分攪拌1-1.5分鐘，用8MPa的壓力壓製成型為40mm×40mm×20mm的毛坯，將所得毛坯標準養護2小時，即得。所述二氧化碳氣氛為含CO2的工業廢氣或高純度CO2。對照例1另外相同條件下採用常規攪拌方式生產的產品無固碳作用。選取PO·42.5水泥，按水灰比為0.15加入水，充分攪拌1-1.5分鐘，用8MPa的壓力壓製成型為40mm×40mm×20mm的毛坯，將所得毛坯標準養護2小時，即得。圖1為碳化攪拌樣品與常規攪拌樣品2h齡期的TG-DTG圖譜。可以看出，碳化攪拌過程使得碳酸鈣分解釋放出CO2氣體引起的失重量，由3.8％增大到8.3％。常規攪拌方式生產的產品中也有3.8％的CO2失重，是由原材料中的碳酸鹽分解產生。因此，8.3％與3.8％的差值4.5％為碳化攪拌方式生產的產品中的固碳量。圖2為兩種不攪拌方式生產工藝生產產品的XRD圖譜。可以看出碳化攪拌工藝生產的產品未見氫氧化鈣峰，且碳酸鈣峰值較強。說明經過碳化攪拌出現了主要產物之一為碳酸鈣。實施例2選取PO·42.5水泥，按水灰比為0.15加入水，採用四種方式生產，分別為：(1)碳化攪拌後碳化養護、(2)碳化攪拌後標準養護、(3)常規攪拌後碳化養護、(4)常規攪拌後標準養護。成型所用壓力為8MPa，產品尺寸為40mm×40mm×20mm，養護齡期均為2h。具體操作如下：(1)選取PO·42.5水泥，按水灰比為0.15加入水，在密閉容器中二氧化碳氣氛中充分攪拌1-1.5分鐘，用8MPa的壓力壓製成型為40mm×40mm×20mm的毛坯，將上步所得毛坯在二氧化碳氣氛中、養護壓力1bar、溫度不低於5℃條件下碳化養護2小時，即得。(2)選取PO·42.5水泥，按水灰比為0.15加入水，在密閉容器中二氧化碳氣氛中充分攪拌1-1.5分鐘，用8MPa的壓力壓製成型為40mm×40mm×20mm的毛坯，將所得毛坯標準養護2小時，即得。(3)選取PO·42.5水泥，按水灰比為0.15加入水，採用常規攪拌方式攪拌1-1.5分鐘，用8MPa的壓力壓製成型為40mm×40mm×20mm的毛坯，將上步所得毛坯在二氧化碳氣氛中、養護壓力1bar、溫度不低於5℃條件下碳化養護2小時，即得。(4)選取PO·42.5水泥，按水灰比為0.15加入水，採用常規攪拌方式攪拌1-1.5分鐘，用8MPa的壓力壓製成型為40mm×40mm×20mm的毛坯，將所得毛坯標準養護2小時，即得。上述四種方式生產產品2h齡期的固碳量及強度值如下表所示。從表中可以看出，碳化攪拌結合碳化養護工藝方式生產建築材料製品，不僅提高了製品早齡期強度，還提高了產品的固碳量。與常規攪拌後碳化養護方式生產的產品相比，碳化攪拌結合碳化養護工藝方式固碳量提高了70％。。實施例3選取P·O42.5水泥，分別採用(1)分次補水碳化攪拌和(2)一次碳化攪拌兩種攪拌方式攪拌，用8MPa的壓力壓製成型為40mm×40mm×20mm的試件，碳化養護2h。具體操作如下：(1)選取PO·42.5水泥，按水灰比為0.1加入水，在密閉容器中二氧化碳氣氛中充分攪拌1-1.5分鐘得到碳化攪拌後的拌合物；將上步所得碳化攪拌後的拌合物按水灰比為0.15-0.2的比例二次補水，繼續在空氣中攪拌1分鐘，得到二次攪拌的拌合物；所述水灰比中灰的重量是與步驟一中的膠凝材料計算。用8MPa的壓力壓製成型為40mm×40mm×20mm的毛坯，將上步所得毛坯在二氧化碳氣氛中、養護壓力1bar、溫度不低於5℃條件下碳化養護2小時，即得。(2)選取PO·42.5水泥，按水灰比為0.1加入水，在密閉容器中二氧化碳氣氛中充分攪拌1-1.5分鐘，用8MPa的壓力壓製成型為40mm×40mm×20mm的毛坯，將上步所得毛坯在二氧化碳氣氛中、養護壓力1bar、溫度不低於5℃條件下碳化養護2小時，即得。上述兩種不同攪拌方式生產產品的固碳量及強度如下表所示。從表中可以看出，碳化攪拌後補水再次進行常規攪拌方式生產的產品比一次碳化攪拌的產品強度提高了130％。說明碳化攪拌後再次補水後常規攪拌，並繼續碳化養護這種生產工藝可使得產品不僅固碳量大，而且強度也得到提高。。實施例4選取武漢某企業生產的磨細鋼渣，按水灰比為0.1加入水，在密閉容器中二氧化碳氣氛中充分攪拌1-1.5分鐘，用8MPa的壓力壓製成型為40mm×40mm×20mm的毛坯，將所得毛坯標準養護2小時，即得。所述二氧化碳氣氛為含CO2的工業廢氣或高純度CO2。另外相同條件下採用常規攪拌方式生產的產品無固碳作用(具體操作參見實施例1)。下表為兩種攪拌方式的固碳量。可以看出經過碳化攪拌，常規攪拌方式下無固碳作用產品，固碳量提高為7.52％。。實施例5選取武漢某企業生產的磨細鋼渣，按水灰比為0.15加入水，採用四種方式生產，分別為：碳化攪拌後碳化養護、碳化攪拌後標準養護、常規攪拌後碳化養護、常規攪拌後標準養護。成型所用壓力為8MPa，產品尺寸為40mm×40mm×20mm，養護齡期均為2h。具體操作參照實施例2。上述四種方式生產產品2h齡期的固碳量及強度值如下表所示。從表中可以看出，採用碳化攪拌結合碳化養護工藝方式，利用鋼渣生產的建築材料製品，不僅提高了製品早齡期強度，還提高了產品的固碳量。。