CN110818356A - 一种高性能碳化增强混凝土的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高性能碳化增强混凝土的制备方法，包括以下步骤：将钢渣、水硬性胶凝材料、碳化增强相、石英砂混合，加入水和减水剂进行拌合，将拌合后的浆体浇筑成型；将成型制品密封养护12‑24小时后拆模，进行干燥预处理；将干燥制品置于CO2氛围和0.1‑0.5MPa气压的碳化釜中碳化养护12‑24小时得到钢渣制品。本发明制备的高性能碳化增强混凝土具有优异工作性能，充分利用水硬性胶凝材料与钢渣的水化碳化协同作用，短时间内抗压强度即可达到100MPa，同时显著提高钢渣的利用率，能大量固化储存CO2，具有巨大的环境效益，有利于发展绿色建材，走可持续发展道路。

Description

一种高性能碳化增强混凝土的制备方法
技术领域
本发明属于材料技术领域，具体涉及一种高性能碳化增强混凝土的制备方法。
背景技术
目前，我国每年钢铁产量占全世界钢铁行业的1/5，作为炼钢过程中产生的废渣，钢渣排放量约为钢产量的15％，我国钢渣年排放量高达一亿吨,但钢渣利用率较低，综合利用率仅为20％。相比于欧洲65％的有效利用率，美国排放与利用基本平衡的利用现状，我国大量的钢渣被堆放搁置，占用耕地，同时造成严重的水污染和环境污染。因此提高钢渣的利用率迫在眉睫。
我国钢渣利用现状除了利用率低，同时存在利用程度较低，主要用于道路和工程回填料，部分用于混凝土矿物掺合料，利用途径有限，利用技术单一。且因为钢渣成分波动较大，游离氧化钙含量较高，体积稳定性差，应用到道路，工程回填之后易因体积膨胀导致开裂等现象严重影响工程安全性；应用到混凝土中也易产生裂缝等缺陷，影响混凝土性能。
钢渣中含有大量的碱性氧化物，除了具有一定的水化活性之外，具有优异的碳化活性，通过碳化技术可以赋予钢渣混凝土优异的力学强度。但是目前碳化成型手段较为单一，以压制成型为主，一定程度限制了钢渣制品的应用范围。少数工艺以钢渣取代部分水泥通过浇筑成型制备可碳化混凝土材料，但普遍水胶比偏高，严重制约了CO2气体向制品内部的扩散和碳化反应的进行，导致混凝土力学强度低。
发明内容
本发明目的在于提供一种实现钢渣资源化利用的同时获得高性能碳化增强混凝土的方法，利用水硬性胶凝材料的早期高水化活性提供脱模强度，利用钢渣高碳化活性，对混凝土进行碳化增强；改善传统的压制成型工艺的同时获得快速硬化的高强度，环保的复合碳化制品。
为达到上述目的，采用技术方案如下：
一种高性能碳化增强混凝土的制备方法，包括以下步骤：
1)将钢渣、水硬性胶凝材料、碳化增强相、石英砂混合，加入水和减水剂进行拌合，将拌合后的浆体浇筑成型；
2)将成型制品密封养护12-24小时后拆模，进行干燥预处理；
3)将干燥制品置于CO2氛围和0.1-0.5MPa气压的碳化釜中碳化养护12-24小时得到钢渣制品。
按上述方案，步骤1所得每立方米混凝土中各原料的含量分别为：水硬性胶凝材料：157.2-33.3kg，钢渣：898.5-1054.8kg，碳化增强相：67.4-22.2kg，石英砂：1060kg，水：175.2-176.7kg，减水剂：44.9-45.3kg。
按上述方案，所述钢渣为转炉钢渣；其中游离氧化钙含量≤5wt％，金属铁含量≤6wt％，所述钢渣的比表面积≥300m2/kg。钢渣中主要组分百分含量为：Al2O3：3％-7％；SiO2：14％-27％；CaO：31％-65％；Fe2O3：11％-17％。
按上述方案，所述减水剂为聚羧酸系高效减水剂与柠檬酸钠缓凝剂混合而成的复合型减水剂。
按上述方案，所述石英砂粒径分布为300-1100μm。
按上述方案，所述碳化增强相为聚乙二醇、聚乙烯醇、壳聚糖、无定形硅质材料中的至少一种。
按上述方案，所述水硬性胶凝材料为普通硅酸盐水泥、硫铝酸盐水泥中的至少一种。
按上述方案，步骤2中干燥处理的温度为40℃-50℃，相对湿度为20％-40％，干燥时间为6-12小时。
按上述方案，步骤3中碳化养护容器内的温度为5-50℃，相对湿度50-100％，二氧化碳浓度为10-100％。
本发明提出一种极低水胶比的高性能碳化增强混凝土，胶凝材料包含质量分数90-95％的钢渣和5％-10％的水硬性胶凝材料，利用水硬性胶凝材料的水化硬化机理提供早期结构强度，12小时-24小时密封养护脱模后对混凝土进行碳化增强，充分发挥钢渣的碳化活性，进一步提高混凝土的强度。制备的高性能碳化增强混凝土具有优异工作性能，充分利用水泥与钢渣的水化碳化协同作用，短时间内抗压强度即可达到100MPa，同时显著提高钢渣的利用率，能大量固化储存CO2，具有巨大的环境效益，有利于发展绿色建材，走可持续发展道路。
本发明的一种高性能碳化增强混凝土具有以下优点：
1、改善传统碳化制品的成型方式，传统碳化制品采用压制成型的方式，成型工艺难度较高，限制了制品的尺寸扩展性。本发明采用浇筑成型，降低工艺难度，有利于大尺寸制品的制备。
2、强度发展快、强度等级高。本发明中采用碳化增强，碳化6小时，即可获得20MPa的强度提升。且随着碳化时间增强，强度继续增长，相比于传统水化工艺，强度发展快，强度等级高。
3、基于颗粒最紧密堆积的基体结构设计。本发明通过胶凝组分与细骨料的粒径优化设计，实现基体结构的高密度堆积，得到低水泥用量，高早期强度的制品，充分发挥了水泥水化的胶结作用。
4、水胶比低，有利于CO2气体进入混凝土内部，促进碳化反应进行。
5、有效地储存固化CO2。钢渣中含有较多碱性氧化物，具有优异的碳化活性，能与CO2反应生成CaCO3，固化二氧化碳。
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。
本发明所述的高性能碳化增强混凝土，每立方米混凝土中各原料的含量分别为：水硬性胶凝材料：157.2-33.3kg，钢渣：898.5-1054.8kg，碳化增强相：67.4-22.2kg，石英砂：1060kg，水：175.2-176.7kg，减水剂：44.9-45.3kg。
为满足施工要求，上述减水剂为聚羧酸高效减水剂和柠檬酸钠缓凝剂混合而成的复合型减水剂。
为更好地提高本发明所述混凝土的性能，上述钢渣选用粒度分布D50为6-9μm，上述水泥选用强度标号为52.5的普通硅酸盐水泥。本发明采用在每立方米砂浆中掺入粒径300-1100μm的石英砂。
制备工艺：本发明的制备工艺主要分为三个步骤，如下：
1)将钢渣、水硬性胶凝材料、碳化增强相、石英砂混合，加入水和减水剂进行拌合，将拌合后的浆体浇筑成型；
2)将成型制品密封养护12-24小时后拆模，进行干燥预处理；
3)将干燥制品置于CO2氛围和0.1-0.3MPa气压的碳化釜中碳化养护12-24小时得到钢渣制品。
实施例1
按如下工艺制得本发明的高性能碳化增强混凝土：
Figure BDA0002298584340000031
按照干燥时间：28小时
碳化时间：12小时；
碳化压强：0.3MPa；
砂体积分数：40％。
准备原材料，四个不同掺量的配比分别为：水硬性胶凝材料157.2、78.6、33.3、0g，钢渣898.5、1010.8、1054.8、1137.6g，碳化增强相67.4、33.7、22.2、0g，石英砂均为1060g，干拌均匀后，再加入175.2、175.2、176.7、177.5g水和44.9、44.9、45.3、45.5g减水剂混合而成的拌合剂，搅拌均匀，浇筑到模具中进行成型；然后密封养护24小时，待脱模后放置干燥箱中干燥28小时；在20℃，相对湿度85％，二氧化碳浓度95％，气压0.4MPa(高于外界大气压0.3MPa)的碳化养护室养护12小时，得到复合增强碳化制品。经测试，不同钢渣掺量的制品的性能参数如下表所示。
钢渣掺量 80％ 90％ 95％ 100％
碳化前抗压强度/MPa 26.65 15.35 8.30 8.10
碳化后抗压强度/MPa 101.87 97.68 78.28 70.83
实施例2
按如下工艺制得本发明的高性能碳化增强混凝土：
按照钢渣掺量：90％；
干燥时间：27小时；
碳化时间：12小时；
碳化压强：0.3MPa。
准备原材料，按照上表中各成分含量制备砂浆试样，搅拌均匀，浇筑到模具中进行成型；然后密封养护24小时，待脱模后放置干燥箱中干燥27小时；；在20℃，相对湿度80％，二氧化碳浓度99.8％，气压0.4MPa(高于外界大气压0.3MPa)的碳化养护室养护12小时，得到复合增强碳化制品。经测试，不同骨料体积分数的钢渣制品的性能参数如下表所示。
骨料体积分数 0％ 20％ 30％ 40％
碳化前抗压强度/MPa 8.1 10.4 12.30 15.35
碳化后抗压强度/MPa —— 79.53 90.15 97.68
实施例3
按如下工艺制得本发明的高性能碳化增强混凝土：
Figure BDA0002298584340000051
按照钢渣掺量：80％；
干燥时间：11小时；
碳化时间：12小时；
碳化压强：0.1、0.2、0.3、0.4MPa。
准备原材料，按照上表中各成分含量制备砂浆试样，搅拌均匀，浇筑到模具中进行成型；然后密封养护24小时，待脱模后放置干燥箱中干燥11小时；在20℃，相对湿度60％，二氧化碳浓度99.8％，分别在气压为0.1、0.2、0.3、0.4MPa的碳化养护室养护12小时，得到复合增强碳化制品。经测试，不同碳化压强下的钢渣制品的性能参数如下表所示。
碳化压强/MPa 0.1 0.2 0.3 0.4
碳化后抗压强度/MPa 35 44.74 47.9 48.68
实施例4
按如下工艺制得本发明的高性能碳化增强混凝土：
Figure BDA0002298584340000052
按照钢渣掺量：80％；
干燥时间：4、8、12、16、20、24、84小时；
碳化时间：12小时；
碳化压强：0.3MPa。
准备原材料，按照上表中各成分含量制备砂浆试样，搅拌均匀，浇筑到模具中进行成型；然后密封养护24小时，待脱模后分别放置干燥箱中干燥4、8、12、16、20、24、84小时；在25℃，相对湿度70％，二氧化碳浓度99.8％，气压0.4MPa(高于外界大气压0.3MPa)碳化养护室养护12小时，得到复合增强碳化制品。经测试，不同预干燥时间的钢渣制品的性能参数如下表所示。
预干燥时间/h 4 8 12 16 20 24 84
碳化前抗压强度/MPa 8 11.43 14.87 16.4 18.93 22.37 23.45
碳化后抗压强度/MPa 30.2 40.35 54.05 65.95 69.83 79.02 63.13
实施例5
按如下工艺制得本发明的高性能碳化增强混凝土：
Figure BDA0002298584340000061
按照钢渣掺量：80％；
干燥失水率：63％-67％；
碳化时间：12小时；
碳化压强：0.3MPa；
砂体积分数：40％。
准备原材料，按照上表中各成分含量制备砂浆试样，搅拌均匀，浇筑到模具中进行成型；然后密封养护24小时，待脱模后分别放置干燥箱中干燥至失水率在63％～67％；在25℃，相对湿度75％，二氧化碳浓度99.8％，气压0.4MPa(高于外界大气压0.3MPa)碳化养护室养护12小时，得到复合增强碳化制品。经测试，不同碳化增强相掺量的钢渣制品的性能参数如下表所示。
碳化增强相掺量 0％ 15％ 30％ 40％
碳化前抗压强度/MPa 38.6 27 18.1 15
碳化后抗压强度/MPa 80.13 78.38 85.9 96.75

Claims (9)

1.一种高性能碳化增强混凝土的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
1)将钢渣、水硬性胶凝材料、碳化增强相、石英砂混合，加入水和减水剂进行拌合，将拌合后的浆体浇筑成型；
2)将成型制品密封养护12-24小时后拆模，进行干燥预处理；
3)将干燥制品置于CO2氛围和0.1-0.5MPa气压的碳化釜中碳化养护12-24小时得到钢渣制品。
2.如权利要求1所述高性能碳化增强混凝土的制备方法，其特征在于步骤1所得每立方米混凝土中各原料的含量分别为：水硬性胶凝材料：157.2-33.3kg，钢渣：898.5-1054.8kg，碳化增强相：67.4-22.2kg，石英砂：1060kg，水：175.2-176.7kg，减水剂：44.9-45.3kg。
3.如权利要求1所述高性能碳化增强混凝土的制备方法，其特征在于所述钢渣为转炉钢渣；其中游离氧化钙含量≤5wt％，金属铁含量≤6wt％，所述钢渣的比表面积≥300m2/kg。
4.如权利要求1所述高性能碳化增强混凝土的制备方法，其特征在于所述减水剂为聚羧酸系高效减水剂与柠檬酸钠缓凝剂混合而成的复合型减水剂。
5.如权利要求1所述高性能碳化增强混凝土的制备方法，其特征在于所述石英砂粒径分布为300-1100μm。
6.如权利要求1所述高性能碳化增强混凝土的制备方法，其特征在于所述碳化增强相为聚乙二醇、聚乙烯醇、壳聚糖、无定形硅质材料中的至少一种。
7.如权利要求1所述高性能碳化增强混凝土的制备方法，其特征在于所述水硬性胶凝材料为普通硅酸盐水泥和硫铝酸盐水泥中的至少一种。
8.如权利要求1所述高性能碳化增强混凝土的制备方法，其特征在于步骤2中干燥处理的温度为40℃-50℃，相对湿度为20％-40％，干燥时间为6-12小时。
9.如权利要求1所述高性能碳化增强混凝土的制备方法，其特征在于步骤3中碳化养护容器内的温度为5-50℃，相对湿度50-100％，二氧化碳浓度为10-100％。
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