CN112266264B - 基于碱激发与加速碳化协同作用的加气混凝土及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了属于建筑材料领域，公开了一种基于碱激发与加速碳化协同作用的加气混凝土，其原料按重量百分比计，包括78.8%～88.8%的钢渣，5.9%～16.8%的矿渣，1.0%～4.0%的赤泥，0.3%～0.6%的激发剂，0.3%～0.8%的外加剂，0.7%～1.5%的稳泡剂以及1.0%～4.0%的发气剂，同时还公开了一种如上所述的加气混凝土的制备方法，针对现有基于碱与化学碳化协同作用制备墙体材料技术中存在的材料自重过大、碱掺量偏高、碳化效率偏低等不足，本发明在基于碱激发与加速碳化协同作用的前提下，提供了一种基于碱激发与加速碳化协同作用的加气混凝土及制备方法。
Description
技术领域
本发明属于建筑材料领域，具体涉及一种基于碱激发与加速碳化协同作用的加气混凝土及制备方法。
背景技术
碱激发胶凝材料（Alkali-activated materials或Geopolymers）是指通过碱激发硅铝质原料产生胶凝活性的一种新型无机胶凝材料。由于以工业固废为主要原料，且制备过程中无须经历高温煅烧过程，因此碱激发胶凝材料具有较传统硅酸盐水泥更为显著的低碳特性，加之其强度发展快、早期强度高、耐化学腐蚀性好等特性，因此一经诞生便吸引了水泥科研工作者的广泛关注。然而，为实现碱激发反应的快速进行以及优异的早龄期性能，在材料制备过程中往往须掺入足量的碱（>>5%）。这虽然保证了材料优异的胶凝性能，但同时也会导致了材料易表面泛碱、耐久性能降低等性能缺陷。这严重制约了该类材料在推广和应用。
另一方面，硅酸盐胶凝材料中的Ca(OH)2、C-S-H凝胶等水化产物易发生碳化反应，相应的碳化反应产物（碳酸钙等）对于基体结构的密实程度具有一定的提高作用。这使得利用加速碳化技术制备硅酸盐建筑制品成为可能。由于既可制得具备一定性能的建筑材料，又可吸收固化一定量的CO2气体，因此利用加速碳化技术制备新型建筑材料逐渐成为了近些年来的一个研究热点（CN 110282925A，CN 109608150A，CN 109608151A，CN109574610A等）。然而，由于碳化反应对于原料中可碳化钙源的要求较高，现有研究中往往以电石渣、水泥熟料等为原料，甚至在制备过程中不得不掺入部分石灰以促进碳化反应的进行。这极大地限制了加速碳化技术在硅酸盐制品领域的应用。
专利文献CN101381217A公开了一种基于碱与CO2共同作用的建材制品及其制备方法。该专利基于碱激发反应产物易发生化学碳化反应以及碳化反应可提高基体密实程度的特点，以矿渣、粉煤灰为原料，以水玻璃为激发剂，在不掺加石灰或水泥的前提下，利用“碱激发”与“CO2加速碳化”的协同作用成功制备出了近零排放的新型硅酸盐墙体材料。虽然基于“碱激发”与“CO2加速碳化”的协同作用，材料制备过程中的碱掺量得到了一定程度的降低，但其依然在5%以上。这使得所制备材料中的碱激发剂成本依然偏高，且在材料服役过程中仍然存在着因过量碱溶出而导致材料耐久性能降低的风险。此外，虽然该技术可用于标准砖、多孔砖、空心砖等多种墙体材料形式，但由于材料成型过程中多采用浇筑或压制成型技术，因此该技术并未涉及加气混凝土、泡沫混凝土等轻质多孔墙体材料。这使得该类材料的应用领域大为受限。加之受材料致密程度的影响，所制备的标准砖等墙体材料在制备过程中的碳化效率也偏低，这也使得该技术的“低碳”效果大打折扣。
综上所述，随着我国装配式建筑的快速发展，加气混凝土等轻质墙体材料已成为建筑工程中重要的墙体材料种类。因此，在保证材料性能的前提下，进一步降低材料中的碱激发剂掺量、提高加速碳化过程中原料的碳化效率，并使得该技术适用于加气混凝土等轻质墙体材料的生产与制备，是实现该技术进一步推广和应用的关键，具有显著的社会和经济效益。
发明内容
针对现有基于碱与化学碳化协同作用制备墙体材料技术中存在的材料自重过大、碱掺量偏高、碳化效率偏低等不足，本发明在基于碱激发与加速碳化协同作用的前提下，提供了一种基于碱激发与加速碳化协同作用的加气混凝土及制备方法；为达到上述目的所采取的技术方案是：
基于碱激发与加速碳化协同作用的加气混凝土，其原料按重量百分比计，包括78.8%～88.8%的钢渣，5.9%～16.8%的矿渣，1.0%～4.0%的赤泥，0.3%～0.6%的激发剂，0.3%～0.8%的外加剂，0.7%～1.5%的稳泡剂以及1.0%～4.0%的发气剂。
优选的，其中，所述的钢渣为经烘干、破碎、粉磨后的转炉钢渣粉，细度为80μm筛余小于2.0%。
优选的，其中，所述的矿渣为市售S95级矿渣粉。
优选的，其中，所述的赤泥为经烘干、粉磨后的拜耳法赤泥，细度为80μm筛余小于2.0%。
优选的，其中，所述的激发剂为市售工业级液体硅酸钠或者水玻璃，模数2.2～2.5。
优选的，其中，所述的外加剂为氯化钠、氯化钾、氯化铵中的一种或几种的混合物。
优选的，其中，所述的稳泡剂为工业级固体阴离子表面活性剂。
优选的，其中，所述的发气剂为工业级双氧水，浓度27.5%。
一种如上所述的加气混凝土的制备方法，包括以下步骤：
步骤A：将钢渣和赤泥烘干、破碎后，与外加剂按比例混合后粉磨至80μm筛余小于2.0%；然后再与矿渣、稳泡剂混合均匀，制得复合粉体；
步骤B：向步骤A中制得的复合粉体中喷入占粉体重量5%的水，搅拌均匀后置于常温、温度≥90%的环境中静置24h；
步骤C：将激发剂与水按照H2O/Na2O比225:1～500:1的比例混合均匀，制得激发剂溶液；
步骤D：按照液固质量比0.45～0.50的比例将步骤B中制得的粉体加入步骤C中制得的激发剂溶液中，搅拌均匀，制得碱激发浆体；
步骤E：将发气剂加入步骤D中制得的碱激发浆体中，并在1000 r/min的转速条件下快速搅拌10s，制得加气混凝土料浆；
步骤F：将步骤E中制得的加气混凝土料浆快速倒入模具中进行浇筑，然后转移至常温、湿度≥90%的静养室中进行发气、静置养护24h；
步骤G：静置养护结束后进行脱模、切割得到所要求规格尺寸的加气混凝土坯体；然后将该坯体转移至温度60±5℃、湿度50%±5%、CO2浓度10%～20%的碳化釜中碳化18-24h；
步骤H：将步骤G处理后的加气混凝土出釜检验、打包入库、自然养护5天即得成品。
本发明所具有的有益效果为：本发明提供的加气混凝土材料以钢渣这一难利用冶金工业固废以及工业排放二氧化碳尾气为主要原料；与现有的碱激发轻质墙体材料以及碳化墙体材料相比，本发明提供的加气混凝土材料具有强度性能优异、碱掺量低（≤0.6%）、CO2吸收率高、成本低廉的优点，因此具有广阔的市场应用前景。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行进一步详细的说明，但本发明的实施方式不限于此。
实施例1
一种基于碱激发与加速碳化协同作用的加气混凝土，按重量百分比计，其原料配比为：钢渣78.8%、矿渣16.7%、赤泥3.0%、激发剂0.6%、外加剂（氯化钠）0.5%、稳泡剂1.0%、发气剂为3.0%。其中激发剂为出厂模数2.20的工业级液体硅酸钠。
上述碱激发加气混凝土的制备方法包括以下步骤：
（1）将钢渣和赤泥烘干、破碎后，与外加剂按比例混合均匀后粉磨至80μm筛余小于2.0%；
（2）将钢渣粉与矿渣、稳泡剂混合均匀，制得复合粉体；
（3）向（2）中制得的复合粉体中喷入占粉体重量5%的水，搅拌均匀后置于常温、温度≥90%的环境中静置24h；
（4）将激发剂与拌合水按照H2O/Na2O比225:1的比例混合均匀，制得激发剂溶液；
（5）按照液固质量比0.45的比例将（3）中制得的粉体加入（4）中制得的激发剂溶液中，搅拌均匀，制得碱激发浆体；
（6）将发气剂加入（5）中制得的碱激发浆体中，并在1000 r/min的转速条件下快速搅拌10s，制得加气混凝土料浆；
（7）将（6）中制得的加气混凝土料浆快速倒入模具中进行浇筑，然后转移至常温、湿度≥90%的静养室中进行发气、静置养护24h；
（8）静置养护结束后进行脱模、切割得到所要求规格尺寸的加气混凝土坯体；
（9）将（8）中得到的坯体转移至温度60±5℃、湿度50%±5%、CO2浓度10%的碳化釜中碳化16h；
（10）将经（9）处理后的加气混凝土出釜检验、打包入库、自然养护5天即得加气混凝土成品。
分别称量经（9）处理前后坯体的干质量，按照公式“W=(碳化后质量—碳化前质量)/(钢渣质量+矿渣质量)”计算碳化反应过程中粉体的CO2吸收率；参照GB/T 11968-2006《蒸压加气混凝土砌块》等相关标准，对上述所得加气混凝土的性能进行测试。上述结果为：CO2吸收率15.1%；干密度290 kg/m3，抗压强度1.6MPa，干燥收缩值为0.49 mm/m，抗冻性质量损失为3.5%，导热系数为0.08 W/(m•k)。
实施例2：
一种基于碱激发与加速碳化协同作用的加气混凝土，按重量百分比计，其原料配比为：钢渣83.7%、矿渣11.8%、赤泥3.0%、激发剂0.5%、外加剂（氯化钾）0.5%、稳泡剂1.0%、发气剂为2.5%。其中激发剂为出厂模数2.38的工业级液体硅酸钠。
上述碱激发加气混凝土的制备方法包括以下步骤：
（1）将钢渣和赤泥烘干、破碎后，与外加剂按比例混合均匀后粉磨至80 μm筛余小于2.0%；
（2）将钢渣粉与矿渣、稳泡剂混合均匀，制得复合粉体；
（3）向（2）中制得的复合粉体中喷入占粉体重量5%的水，搅拌均匀后置于常温、温度≥90%的环境中静置24h；
（4）将激发剂与拌合水按照H2O/Na2O比317:1的比例混合均匀，制得激发剂溶液；
（5）按照液固质量比0.47的比例将（3）中制得的粉体加入（4）中制得的激发剂溶液中，搅拌均匀，制得碱激发浆体；
（6）将发气剂加入（5）中制得的碱激发浆体中，并在1000 r/min的转速条件下快速搅拌10s，制得加气混凝土料浆；
（7）将（6）中制得的加气混凝土料浆快速倒入模具中进行浇筑，然后转移至常温、湿度≥90%的静养室中进行发气、静置养护24h；
（8）静置养护结束后进行脱模、切割得到所要求规格尺寸的加气混凝土坯体；
（9）将（8）中得到的坯体转移至温度60±5℃、湿度50%±5%、CO2浓度15%的碳化釜中碳化20h；
（10）将经（9）处理后的加气混凝土出釜检验、打包入库、自然养护5天即得加气混凝土成品。
分别称量经（9）处理前后坯体的干质量，按照公式“W=(碳化后质量—碳化前质量)/(钢渣质量+矿渣质量)”计算碳化反应过程中粉体的CO2吸收率；参照GB/T 11968-2006《蒸压加气混凝土砌块》等相关标准，对上述所得加气混凝土的性能进行测试。上述结果为：CO2吸收率17.4%；干密度400 kg/m3，抗压强度2.7MPa，干燥收缩值为0.45 mm/m，抗冻性质量损失为3.4%，导热系数为0.10 W/(m•k)。
实施例3：
一种基于碱激发与加速碳化协同作用的加气混凝土，按重量百分比计，其原料配比为：钢渣88.7%、矿渣6.9%、赤泥3.0%、激发剂0.3%、外加剂（氯化铵）0.5%、稳泡剂1.0%、发气剂为2.0%。其中激发剂为出厂模数2.50的工业级液体硅酸钠。
上述碱激发加气混凝土的制备方法包括以下步骤：
（1）将钢渣和赤泥烘干、破碎后，与外加剂按比例混合均匀后粉磨至80 μm筛余小于2.0%；
（2）将钢渣粉与矿渣、稳泡剂混合均匀，制得复合粉体；
（3）向（2）中制得的复合粉体中喷入占粉体重量5%的水，搅拌均匀后置于常温、温度≥90%的环境中静置24h；
（4）将激发剂与拌合水按照H2O/Na2O比500:1的比例混合均匀，制得激发剂溶液；
（5）按照液固质量比0.50的比例将（3）中制得的粉体加入（4）中制得的激发剂溶液中，搅拌均匀，制得碱激发浆体；
（6）将发气剂加入（5）中制得的碱激发浆体中，并在1000 r/min的转速条件下快速搅拌10s，制得加气混凝土料浆；
（7）将（6）中制得的加气混凝土料浆快速倒入模具中进行浇筑，然后转移至常温、湿度≥90%的静养室中进行发气、静置养护24h；
（8）静置养护结束后进行脱模、切割得到所要求规格尺寸的加气混凝土坯体；
（9）将（8）中得到的坯体转移至温度60±5℃、湿度50%±5%、CO2浓度20%的碳化釜中碳化24h；
（10）将经（9）处理后的加气混凝土出釜检验、打包入库、自然养护5天即得加气混凝土成品。
分别称量经（9）处理前后坯体的干质量，按照公式“W=(碳化后质量—碳化前质量)/(钢渣质量+矿渣质量)”计算碳化反应过程中粉体的CO2吸收率；参照GB/T 11968-2006《蒸压加气混凝土砌块》等相关标准，对上述所得加气混凝土的性能进行测试。上述结果为：CO2吸收率18.9%；干密度497 kg/m3，抗压强度3.7MPa，干燥收缩值为0.45 mm/m，抗冻性质量损失为2.8%，导热系数为0.13 W/(m•k)。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，但这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (8)
1.基于碱激发与加速碳化协同作用的加气混凝土，其特征在于，其原料按重量百分比计，包括78.8%～88.8%的钢渣，5.9%～16.8%的矿渣，1.0%～4.0%的赤泥，0.3%～0.6%的激发剂，0.3%～0.8%的外加剂，0.7%～1.5%的稳泡剂以及1.0%～4.0%的发气剂；
其制备方法包括以下步骤：
步骤A：将钢渣和赤泥烘干、破碎后，与外加剂按比例混合后粉磨至80μm筛余小于2.0%；然后再与矿渣、稳泡剂混合均匀，制得复合粉体；
步骤B：向步骤A中制得的复合粉体中喷入占粉体重量5%的水，搅拌均匀后置于常温、温度≥90%的环境中静置24h；
步骤C：将激发剂与水按照H2O/Na2O比225:1～500:1的比例混合均匀，制得激发剂溶液；
步骤D：按照液固质量比0.45～0.50的比例将步骤B中制得的粉体加入步骤C中制得的激发剂溶液中，搅拌均匀，制得碱激发浆体；
步骤E：将发气剂加入步骤D中制得的碱激发浆体中，并在1000 r/min的转速条件下快速搅拌10s，制得加气混凝土料浆；
步骤F：将步骤E中制得的加气混凝土料浆快速倒入模具中进行浇筑，然后转移至常温、湿度≥90%的静养室中进行发气、静置养护24h；
步骤G：静置养护结束后进行脱模、切割得到所要求规格尺寸的加气混凝土坯体；然后将该坯体转移至温度60±5℃、湿度50%±5%、CO2浓度10%～20%的碳化釜中碳化18-24h；
步骤H：将步骤G处理后的加气混凝土出釜检验、打包入库、自然养护5天即得成品。
2.根据权利要求1所述的加气混凝土，其特征在于，其中，所述的钢渣为经烘干、破碎、粉磨后的转炉钢渣粉，细度为80μm筛余小于2.0%。
3.根据权利要求2所述的加气混凝土，其特征在于，其中，所述的矿渣为市售S95级矿渣粉。
4.根据权利要求3所述的加气混凝土，其特征在于，其中，所述的赤泥为经烘干、粉磨后的拜耳法赤泥，细度为80μm筛余小于2.0%。
5.根据权利要求1至4任一项所述的加气混凝土，其特征在于，其中，所述的激发剂为市售工业级液体硅酸钠或者水玻璃，模数2.2～2.5。
6.根据权利要求5所述的加气混凝土，其特征在于，其中，所述的外加剂为氯化钠、氯化钾、氯化铵中的一种或几种的混合物。
7.根据权利要求5所述的加气混凝土，其特征在于，其中，所述的稳泡剂为工业级固体阴离子表面活性剂。
8.根据权利要求5所述的加气混凝土，其特征在于，其中，所述的发气剂为工业级双氧水，浓度27.5%。
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