二氧化碳矿化养护全固废加气混凝土研究_罗旷.pdf

年，第 期 41 收稿日期：基金项目：浙江省尖兵研发攻关计划项目（）；年中央引导地方科技发展专项资金“浙江省太阳能利用与节能技术重点实验室建设”科技项目（，）；中央高校基本科研业务费专项资金资助（）作者简介：罗 旷（），男，湖南衡阳人，硕士研究生，从事二氧化碳利用技术研究。通讯作者：王涛，男，教授，从事二氧化碳捕集和矿化利用技术研究，：。二氧化碳矿化养护全固废加气混凝土研究罗 旷，张 威，张 力，王 涛，陈瑶姬，李贺东，方梦祥（浙江大学 能源清洁利用国家重点实验室，浙江 杭州；浙江天地环保科技股份有限公司，浙江 杭州；浙江理工大学 建筑工程学院，浙江 杭州）摘 要：为实现二氧化碳在加气混凝土中的封存利用，以电石渣和矿渣两种工业固废为原料，研究了原料掺比、养护压力和养护时间对全固废加气混凝土 固定率和抗压强度的影响。结果表明，加气混凝土试件的固碳率随电石渣掺量的增加而升高，抗压强度随电石渣掺量的增加先上升后下降，当电石渣和矿渣的掺量分别为和时，抗压强度最优；提高养护压力或增加养护时间均可提高试件的固碳率，总养护时间为 时，前 内加气混凝土对 的吸收量达到总固碳量的，当养护压力为，养护时间为 时，试件 抗压强度达到 ；经 和 分析可知，主要与加气混凝土中的（）发生反应，产物为碳酸钙晶体，并以方解石和球霰石两种晶型存在。关键词：二氧化碳；加气混凝土；电石渣；矿渣；矿化养护中图分类号：；文献标识码：文章编号：（），（，；，；，）：，（），：；引 言作为一种轻质多孔的混凝土建材，加气混凝土在墙体、屋顶等非承重结构中的应用十分广泛，年全国总产能约为 亿。目前，工业上加气混凝土的养护方式基本采用高温高压的蒸汽养护，养护温度，养护压力，导致加气混凝土的能源效率较低。利用多种工业固节能环保DOI:10.16189/ki.nygc.2023.02.005 42 废替代加气混凝土中的砂、水泥、生石灰等原料，或者采用其他养护方式替代蒸压养护是降低加气混凝土生产能耗的有效手段。不同于传统的建材养护方式，矿化养护混凝土技术的原理是利用 与混凝土中的碱性组分发生反应，将 和硅酸钙等组分转换为碳酸钙和无定形硅胶，稳定封存在混凝土中。通过 矿化养护混凝土技术，不仅可以有效封存，实现多种工业固废的资源化利用，还能加速混凝土力学强度的形成，获得高附加值的建材制品，是目前 利用技术中具有较高工业化可行性的技术路线之一。与实心混凝土体系相比，加气混凝土具有丰富的孔隙结构，有利于 在孔隙内的扩散，在较低的 分压力下就能获得较高的 封存率，原料中钙、镁等碱金属组分的含量是影响其固碳性能的主要因素。等研究了矿渣、粉煤灰、赤泥等多种固废掺杂的加气混凝土，分别考察了原料配比、养护压力等因素对加气混凝土性能的影响，结果表明，与赤泥、粉煤灰相比，矿渣掺混的加气混凝土表现出更为优异的力学性能。孙一夫等研究了单一固废掺杂和二元固废掺杂对 矿化养护加气混凝土的影响，并通过内掺膨胀珍珠岩、聚丙烯纤维的方式削弱矿化养护过程中 对加气混凝土微观结构和力学性能的损害作用，结果表明，聚丙烯纤维可以显著提高加气混凝土在矿化养护后的抗压强度。上述研究初步探索了固废原料配比及 矿化养护制度对加气混凝土微观结构和宏观物理性能的影响，但原料中水泥用量较高（），不利于降低加气混凝土全生命周期中的碳排放。基于前人的研究基础，本文选取了两种常见的工业固废矿渣和电石渣作为制备加气混凝土的原料，利用矿渣自身较高的水化活性指数以及电石渣的高碱性，通过 矿化养护发挥其胶凝特性，加速加气混凝土早期强度的形成，为 在固废加气混凝土中的应用提供研究思路。实验材料及方法 实验材料本实验所用矿渣来自巩义某建材厂，和 活性指数分别为 和，符合 用于水泥、砂浆和混凝土中的粒化高炉矿渣粉，电石渣购自某化工厂，为电石法制乙炔的工业副产物。原料组分采用 射线荧光光谱仪测量，结果如表 所示；原料粒径采用马尔文激光粒度仪测量，粒度分布如表 所示。发气剂选用水剂型铝粉膏，发气率，符合 加气混凝土用铝粉膏；矿化养护用 气体购自杭州今工物资，纯度；外加剂为实验室自制稳泡剂。表 原料主要化学成分单位：样品名称矿渣电石渣表 原料粒径分布单位：原料名称粒径 粒径 粒径 矿渣电石渣 试样制备图 为加气混凝土试件的制备流程，包括以下步骤：）根据实验配比，称量各原料质量和制备用水量；）将称量好的铝粉膏和稳泡剂溶于定额的水中，搅拌成分散的悬浊液；）逐步投料，设置搅拌机的转速为 ，等到搅拌机转速稳定后，将干料分为 次逐步投入制备水中，待料浆稳定流动后，再将发泡剂和稳泡剂加入料浆中，继续搅拌 ；）将制备好的料浆快速浇注到规格为 的钢制模具中，然后转移至预养护箱中静停发泡，发气温度 ，相对湿度；取出加气混凝土试件，切割脱模，然后放置到鼓风干燥箱中进行预养护，调节剩余水灰比至。图 加气混凝土制备流程 原料配比本文选取矿渣和电石渣作为制备加气混凝土的原料。矿渣因其较高的水化活性，被认为是一种性能较优的水泥掺合料，可大幅降低水泥基材料中节能环保 年，第 期 43 水泥的用量。电石渣是电石湿法制乙炔工艺的副产物，氧化钙含量高于，碱度高，可起到碱激发剂的作用。原料详细配比如表 所示。表 原料配比试件编号矿渣 电石渣 制备水灰比 二氧化碳矿化养护试验通过预养护调整好加气混凝土试件的剩余水灰比后，将其放入高压反应器中进行 矿化养护。图 为二氧化碳矿化养护试验平台，包括气瓶，高压反应装置，温湿度控制系统和监测系统，其中反应釜的容积为 。试验步骤如下：）检查反应釜的气密性；）打开釜门，将试件放入反应釜中，关闭釜门，通过油泵加压密封；）打开进气阀，通入二氧化碳气体，待釜内压力达到设定值后，停止进气，维持釜内压力至设定时间；）打开排气阀，待釜内压力降至常压时，再打开釜门，取出试件。图 二氧化碳矿化养护试验平台 性能测试和理化性质表征参照蒸压加气混凝土砌块的国家标准进行性能测试。抗压强度测试采用面压法，测试设备为 压力试验机，加载速率为 。试件规格为 的标准立方体，每次试验以 个试件为一组，取平均值为测试结果。加气混凝土 固定率的计算采用称量法进行计算，即计算试件矿化养护前后的质量差及失水量之和与试件中所有干料质量的比值，如式（）所示：（）（）式中：为表观固碳率；为矿化前试件的质量；为矿化后试件的质量；为矿化后试件的失水量；为制备水灰比。加气混 凝 土 理 论 固 碳 率 按 照 公式进行计算固碳量（），如式（）所示：（）（）采用 射线荧光光谱仪（）分析原料组分。采用 射线衍射仪（）分析测试样品中的物相。采用场发射扫描电子显微镜（）分析材料的界面状况和微观形貌。结果与分析 不同固废掺比的影响本节初步设置 矿化养护压力为 ，养护时间为 ，通过调整矿渣和电石渣的掺比，研究电石渣掺比对加气混凝土试件固碳性能和力学性能的影响。图 为电石渣掺比对试件固碳率的影响。可知，当电石渣掺量为、时，理论固碳率分别为、，实际固碳率分别为 、，两者差距较大，这是因为原料中的钙质组分并不会完全和 发生反应，在试件内的扩散深度和在孔隙水中的溶解度决定了反应的进行程度。实际固碳率与理论固碳率的比值分别为、，当电石渣掺比从提高到、和 时，理论固碳率分别提升了、和，但实际固碳率分别提升了、和，相差较大，特别是电石渣掺量为 时，实际固碳率的增长率几乎是理论固碳率增长率的 倍，这可能是因为在矿化养护前，电石渣中的（）会与矿渣中的 发生反应，当电石渣掺量过高时，会有大量（）未参与矿化前的碱激发反应，而是在矿化养护时与 发生反应，固碳率大幅提高。节能环保 44 图 电石渣掺量对固碳率的影响 图 表示了电石渣掺比对加气混凝土试件 和 抗压强度的影响。由图可知，试件 抗压强度和 抗压强度均随电石渣掺比的增加先上升后下降，当电石渣掺比为 时，试件矿化养护后 的抗压强度为 ，抗压强度为 ，分别比自然养护提高 和。这是因为 与（）反应生成的能有效填充孔隙，提高结构的密实度；同时，反应过程中释放的大量热量有利于促进水化反应的进行，激发矿渣的水化活性，提高加气混凝土的早期强度。图 电石渣掺量对 和 抗压强度的影响综合考虑加气混凝土的固碳性能和力学性能，将电石渣掺比、矿渣掺比 作为基础配比。后续关于矿化养护压力、矿化养护时间以及理化性质的分析均基于该配方。矿化养护压力的影响矿化养护压力直接影响 在混凝土中的扩散。图 为 矿化养护压力对加气混凝土试件固碳率的影响。矿化养护压力主要通过提高 在混凝土中的扩散以及在孔隙水中的溶解度来提高固碳率，当养护压力从 提高到 时，固碳率从 提高到，增加了。图 养护压力对固碳率的影响图 为 矿化养护压力对加气混凝土 和 抗压强度的影响。试件的抗压强度随养护压力的提高先上升后下降，当养护压力从 提高到 时，抗压强度提高了，抗压强度提高了，说明矿化反应程度的提高有利于试件后续强度的发展，这可能是因为矿化养护的放热效应和对孔隙水中 浓度的调节作用促进了矿渣与电石渣之间的碱激发效应，强化了水化作用。图 养护压力对抗压强度的影响 矿化养护时间的影响图 为 矿化养护时间对加气混凝土固节能环保 年，第 期 45 碳率的影响，养护压力为 。由图 可知，矿化养护过程中加气混凝土试件对 的吸收固定主要发生在养护的前，以前 的反应最为剧烈。当总养护时间为 时，养护开始后的 内，试件对 的吸收量占总吸收量的，内的 吸收量占总固碳量的。这是因为加气混凝土的孔隙丰富，孔隙率超过，极易在混凝土中扩散，早期影响反应速率的主要因素是反应物浓度。较高的养护压力提高了 在孔隙水中的溶解度，和等离子的浓度增加，电石渣等钙质原料提供了大量的，较高的反应物浓度促使化学反应平衡向正反应方向移动，反应速率大幅提高。当养护时间超过 ，反应速率明显下降，这是因为反应过程中形成的 会提高孔隙的密实度，并覆盖在反应物表面，阻止了 的扩散和进一步反应。图 养护时间对固碳率的影响图 为矿化养护时间对加气混凝土 、抗压强度的影响，加气混凝土 抗压强度随养护时间的增加不断提高，抗压强度随养护时间的增加先上升后下降，当养护时间为 时，抗压强度最高，为 。由前文对养护时间和固碳率的研究可知，在总养护时间为 的情况下，矿化养护前 的 吸收量占总吸收量的，在此期间形成的 晶体可填充加气混凝土的微孔，提高孔隙结构的致密性，同时，反应自身的放热效应也可加速混凝土内部的水化作用，使加气混凝土具有较高的早期强度和后续水化能力。图 养护时间对抗压强度的影响 理化性质表征分析 分析为表征加气混凝土矿化养护前后产物晶相的变化，对不同养护制度下的试件进行了 表征。图 表示了矿化养护压力对加气混凝土物相的影响。经矿化养护后，试件中（）的峰减少，峰的强度减弱，的峰增多，峰的强度增加，这说明电石渣中的（）是与 发生反应的主要物质，反应产物为，并以方解石和球霰石的形态存在，其中，由峰的强度和数量可知，方解石在产物中占主导地位。图 矿化养护压力对物相的影响 分析图 表示了 矿化养护压力对产物微观形貌的影响，养护时间为。未矿化的对照样中存在大量的针状（），主要来自原料中的电石渣。矿化养护后，产物主要为，但不同养护压力下，碳酸钙的形态有所不同。当养护压力为 时，碳酸钙的形貌为较为细长的叶片节能环保 46 状，当养护压力为 时，碳酸钙呈现为方形或椭圆形，当养护压力达到 时，椭圆状和叶片状的 并存，且晶体粒度明显增加，同时伴随有细微的裂缝，这可能是高压养护工况下，矿化反应过于剧烈造成的。图 矿化养护压力对微观形貌的影响图 表示了矿化养护时间对产物微观形貌的影响。可知，随着养护时间的增加，矿化反应的产物 分布更加密集，晶体粒度增大。由加气混凝土固碳率与养护时间的关系可知，在混凝土内部的反应取决于 自身的扩散和在孔隙水中的溶解。在反应开始的 内，试件表面与 直接接触，表层被迅速矿化，可观察到纳米附着在壁面上，而试件内部则存在大量絮状的 凝胶和针状的（），说明在反应初期，矿化反应主要发生在孔壁表面。当养护时间达到 和 时，可发现加气混凝土的表面和断面均分布有大量的，说明随着养护时间的增加，逐渐扩散到加气混凝土