的新型膠結(jié)材料及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種能夠吸收〇)2的新型膠結(jié)材料及其制備方法，即一種利用石灰石 和石英巖制備低鈣硅比、低溫?zé)商蓟牧系姆椒?，并作為特種建筑工程的材料，屬于土木 工程材料技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 全球氣候變化是人類迄今面臨的最重大環(huán)境問題，也是21世紀(jì)人類面臨的最復(fù) 雜挑戰(zhàn)之一，圍繞減緩氣候變暖的國際談判不僅關(guān)系到人類的生存環(huán)境，而且直接影響發(fā) 展中國家的現(xiàn)代化與可持續(xù)發(fā)展進(jìn)程。現(xiàn)在國家面臨能源約束趨緊、環(huán)境污染嚴(yán)重、生態(tài)系 統(tǒng)退化的嚴(yán)峻形勢，以不斷消耗能源和排放二氧化碳為代價(jià)的傳統(tǒng)發(fā)展模式已經(jīng)難以持 續(xù)，目前國際科學(xué)界認(rèn)為，解決氣候變化問題的根本措施之一是減少溫室氣體的人為排放。 而傳統(tǒng)的水泥工業(yè)作為占據(jù)總CO2排放5~10%的大戶更是需要進(jìn)行技術(shù)的改革和產(chǎn)品的 升級(jí)，減少水泥產(chǎn)業(yè)的碳排放從根本上來講有兩個(gè)途徑：（1)減少膠結(jié)材料的產(chǎn)量，也就是 通過不斷提高水泥的性能從而提高其耐久性（2)降低膠結(jié)材料生產(chǎn)的能耗，從這方面來講 改變傳統(tǒng)硅酸鹽水泥的生產(chǎn)制度難度比較大，還有一個(gè)思路就是研宄出新型的水泥膠結(jié)材 料。
[0003] 硅酸鹽礦物中硅酸三鈣（3Ca0 ?SiO2，即C3S)和a-硅酸二鈣（a-2Ca0 ?SiO2，即 a-C2S)都是具有早期水化能力的，他們能夠水化生成C-S-H凝膠并膠結(jié)其他物料產(chǎn)生一定 的機(jī)械強(qiáng)度，而鈣硅石（3Ca0 ? 2Si02，即C3S2)，硅灰石（CaO?SiO2，即CS)等卻沒有水化能 力（或者前期水化活性很低），這些礦物在水泥發(fā)展的早期沒有受到水泥研宄者們太多的 關(guān)注，然而后來的研宄發(fā)現(xiàn)它們具有吸收CO2的能力，但對(duì)于這類硅酸鹽礦物碳化的研宄也 僅僅局限于研宄其碳化的速率、程度和產(chǎn)物，而對(duì)碳化后強(qiáng)度發(fā)展情況的研宄很少。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的是為了改進(jìn)現(xiàn)有技術(shù)的不足而提供一種能夠吸收CO2的新型膠結(jié)材 料，這種材料具有低鈣硅比、低燒成溫度以及養(yǎng)護(hù)過程不消耗水（水在養(yǎng)護(hù)過程中只是介 質(zhì)的作用）和吸收CO2的特點(diǎn)，并且碳化后能夠提供一定的強(qiáng)度，從而發(fā)掘其作為結(jié)構(gòu)材料 的潛力；本發(fā)明的另一目的是提供上述材料的制備方法。
[0005] 本發(fā)明的技術(shù)方案為：傳統(tǒng)硅酸鹽水泥有較高的鈣硅比和燒成溫度，并且在燒成 的過程中會(huì)排放大量的CO2。本發(fā)明所需要的原料和硅酸鹽水泥的原料相同，但是鈣硅比較 低（這就意味著需要更少的石灰石），燒成溫度低（能耗低），養(yǎng)護(hù)過程中不會(huì)消耗水，能夠 吸收CO2，碳化產(chǎn)物提供一定的后期強(qiáng)度。主要思路是：首先制備出低鈣硅比的碳化膠結(jié)材 料，然后對(duì)該膠結(jié)材料進(jìn)行碳化以及碳化產(chǎn)物的表征。
[0006] 本發(fā)明的具體技術(shù)方案為：一種能夠吸收0)2的新型膠結(jié)材料，其特征在于其礦物 組成各組分及各組分占礦物組成總質(zhì)量的百分含量分別為：硅灰石（即CaO?SiO2) 18~ 40 %，鈣硅石（即 3Ca0 ? 2Si02) 58 ~80 %，鐵輝石（即（Ca,Mg,Fe,Al)SiO3) 1 ~4 %。
[0007] 優(yōu)選上述新型膠結(jié)材料的勃氏比表面積為450~500m2/Kg;在碳化條件：溫度 25±2°C，相對(duì)濕度：50±3%，CO2的體積濃度：90±4%，壓力為Iatm時(shí)其28d的表層碳化 產(chǎn)物為結(jié)晶狀態(tài)的方解石，7d的碳化樣品孔隙率為30~40%。
[0008] 本發(fā)明還提供了制備上述的新型膠結(jié)材料的方法，其具體步驟如下：
[0009] (1)濕法旋混制備生料
[0010] 分別將石灰石和石英砂烘干后再磨細(xì)，然后將石灰石和石英砂按質(zhì)量百分比 50~70%和30~50%置于混料液并加入混料球，在行星磨上進(jìn)行旋混后將濕料置于真空 干燥箱內(nèi)進(jìn)行干燥處理，制備出生料；
[0011] ⑵材料煅燒
[0012] 將步驟（1)制得的生料進(jìn)行壓片處理，置于電阻爐中進(jìn)行煅燒，以5~20°C/min 的升溫速率升至800~1000°C，保溫時(shí)間為10~60min;再以10~30°C/min的升溫速率 升至1200~1350°C，保溫時(shí)間為2~8h;
[0013] (3)材料冷卻
[0014] 將步驟⑵制備得到的熟料以60~100°C/min的速度在空氣中冷卻，得到能夠吸 收CO2的新型膠結(jié)材料。
[0015] 優(yōu)選步驟（1)中制備出生料的化學(xué)成分組分及各組分占化學(xué)成分總質(zhì)量的百分 含量分別為：CaO:51 ~53% ;Si02:43 ~45% ;A1 203:0. 7 ~0? 8%;Fe203:1 ~2%;MgO: 0? 3 ~0? 4% ;雜質(zhì)：0? 2 ~4%。
[0016] 優(yōu)選步驟（1)石灰石和石英砂磨細(xì)后比表面積均控制為300~350m2/Kg。
[0017] 優(yōu)選步驟⑴中石灰石和石英巖的烘干溫度均為90~110°C。
[0018] 優(yōu)選步驟（1)將濕料置于真空干燥箱進(jìn)行干燥處理的溫度為100~120°C。
[0019] 優(yōu)選步驟（1)濕法混料時(shí)料球質(zhì)量比為I: (1~1. 8)，混料液一般采用無水酒精 或水；混料液的體積占混料罐的體積的1 : (2~3);混料球用瑪瑙球。
[0020] 膠結(jié)材料中礦物含量用XRD全譜擬合得到，計(jì)算使用基于Rietveld方法的GSAS EXGUI軟件包實(shí)現(xiàn)。
[0021] 本發(fā)明還提供了燒成后膠結(jié)材料碳化產(chǎn)物的表征結(jié)果，具體過程如下：
[0022] 將步驟（3)中制備的低鈣硅比碳化膠結(jié)材料在振動(dòng)磨中粉磨10~30s，水灰比為 0. 3~0. 5,在震實(shí)臺(tái)上震動(dòng)120s后制成20mmX20mmX20mm進(jìn)行碳化，碳化的條件為：溫度 25±2°C，相對(duì)濕度：50±3%，CO2的體積濃度：90±4%，壓力為Iatm
[0023] 有益效果：
[0024] (1)原料簡便，成本較低。本方法中鈣源選擇的是石灰石，和傳統(tǒng)硅酸鹽水泥膠結(jié) 材料一樣，因此來源豐富。硅源選擇的是石英巖，在中國儲(chǔ)量較大，比較容易獲取。
[0025] (2)膠結(jié)材料鈣硅比低，因此和硅酸鹽水泥相比需要更少的石灰石作為原料，減少 了資源消耗，而且在燒成的過程中也會(huì)排放較少的CO2，降低溫室氣體〇)2的排放。
[0026] (3)膠結(jié)材料燒成溫度低，降低了能源的消耗，進(jìn)而也減少了燃燒煤過程中排放的 〇) 2和SO2等氣體，降低了溫室氣體CO2的排放和酸性氣體SO2對(duì)大氣污染。
[0027] (4)膠結(jié)材料在養(yǎng)護(hù)過程中可以吸收CO2，從膠結(jié)材料碳排放生命周期的方面來講 減少了膠結(jié)材料生產(chǎn)過程自身的碳排放，從膠結(jié)材料種類來講可以吸收大氣中的CO2。
[0028] (5)膠結(jié)材料在養(yǎng)護(hù)過程中不需要消耗水，水在該膠結(jié)材料中的作用是介質(zhì)，沒有 被消耗。
【附圖說明】
[0029] 圖1是實(shí)例1燒成的膠結(jié)材料全譜擬合結(jié)果的XRD圖，其中A表示XRD精修的誤 差線，B表示物相CS的峰出現(xiàn)的位置，C表示鐵輝石的峰出現(xiàn)的位置，D表示物相C3S2的峰 出現(xiàn)的位置，E表示材料的XRD圖譜，1表示C3S2, 2表示CS，3表示鐵輝石；Rwp表示殘差值；
[0030] 圖2是實(shí)例1燒成的膠結(jié)材料碳化不同齡期表層產(chǎn)物的孔徑分布圖，其中表示 膠結(jié)材料碳化Id的孔徑分布，魯表示膠結(jié)材料碳化3d的孔徑分布，▲表示膠結(jié)材料碳化7d 的孔徑分布；
[0031] 圖3是實(shí)例2中膠結(jié)材料碳化不同齡期表層產(chǎn)物的XRD圖，其中1是碳酸鈣，即結(jié) 晶狀態(tài)的方解石，2是單水方解石，3是硅灰石CS，4是鈣硅石C3S2, 5是石英，6是方石英；
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種能夠吸收CO2的新型膠結(jié)材料，其特征在于其礦物組成各組分及各組分占礦物 組成總質(zhì)量的百分含量分別為：娃灰石18~40%，1?娃石58~80%，鐵輝石1~4%。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的新型膠結(jié)材料，其特征在于材料的勃氏比表面積為450~ 500m2/Kg;在碳化條件：溫度25±2°C，相對(duì)濕度：50±3%，CO2的體積濃度：90±4%，壓力 為Iatm時(shí)，其28d的表層碳化產(chǎn)物為結(jié)晶狀態(tài)的方解石，7d的碳化樣品孔隙率為30~ 40%〇
3. -種制備如權(quán)利要求1所述的新型膠結(jié)材料的方法，其具體步驟如下： (1) 濕法旋混制備生料 分別將石灰石和石英砂烘干后再磨細(xì)，然后將石灰石和石英砂按質(zhì)量百分比50~ 70%和30~50%置于混料液并加入混料球，在行星磨上進(jìn)行旋混后將濕料置于真空干燥 箱內(nèi)進(jìn)行干燥處理，制備出生料； (2) 材料煅燒 將步驟（1)制得的生料進(jìn)行壓片處理，置于電阻爐中進(jìn)行煅燒，以5~20°C /min的升 溫速率升至800~1000°C，保溫時(shí)間為10~60min ;再以10~30°C /min的升溫速率升至 1200~1350°C，保溫時(shí)間為2~8h ; (3) 材料冷卻 將步驟⑵制備得到的熟料以60~100°C /min的速度在空氣中冷卻，得到能夠吸收 CO2的新型膠結(jié)材料。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于步驟（1)中制備出生料的化學(xué)成分組分 及各組分占化學(xué)成分總質(zhì)量的百分含量分別為：CaO :51~53% ;Si02:43~45% ;A1 203: 0? 7 ~0? 8% ;Fe203:l ~2% ;MgO :0? 3 ~0? 4% ;雜質(zhì)：0? 2 ~4%。
5. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于選步驟（1)石灰石和石英砂磨細(xì)后比表面 積均控制為300~350m2/Kg。
6. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于選步驟（1)中石灰石和石英巖的烘干溫度 均為90~110°C。
7. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于步驟（1)將濕料置于真空干燥箱進(jìn)行干燥 處理的溫度為100~120°C。
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種能夠吸收CO2的新型膠結(jié)材料及其制備方法；其特征在于其礦物組成各組分及各組分占礦物組成總質(zhì)量的百分含量分別為：硅灰石18～40％，鈣硅石58～80％，鐵輝石1～4％；這種材料具有低鈣硅比、低燒成溫度、養(yǎng)護(hù)過程不消耗水和吸收CO2的特點(diǎn)。其制備方法是以石英巖為硅源，石灰石作為鈣源，混合均勻后，經(jīng)過干燥、壓片、煅燒和粉磨后得到低鈣硅比碳化材料。本發(fā)明具有原料易得、煅燒設(shè)備簡單及工藝簡捷的優(yōu)點(diǎn)，利用該技術(shù)可以緩解傳統(tǒng)硅酸鹽水泥高能耗、高排放對(duì)環(huán)境的壓力，并且還能夠極大的起到節(jié)約水資源的作用。
【IPC分類】C04B12-00
【公開號(hào)】CN104876462
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510246798
【發(fā)明人】沈曉冬, 錢彬彬, 黎學(xué)潤
【申請(qǐng)人】南京工業(yè)大學(xué)
【公開日】2015年9月2日
【申請(qǐng)日】2015年5月14日