赵钰琦
山西应用科技学院 山西太原 030062
摘要：水泥作为基础的材料之一，在水利、交通、建筑等众多领域具有广泛的应用基础。在生产水泥的过程中需要消耗大量的能源，并且会排放出大量的CO2，温室气体对人类的威胁越来越大，急需节能减排。将水泥与生石灰复配矿化固定CO2可以实现水泥高效利用不仅解决了CO2的节能减排问题，还可以制备出高强度水泥混凝土制品，为建筑行业的绿色发展提供强有力支撑，实现水泥行业的可持续发展。将水泥与生石灰复配碳化40min制备试块3天、7天强度分别为不碳化时的1.5、1.45倍，极大的提高了试块的性能。
关键字：水泥；碳酸化；强度
Carbonation for the preparation of high-strength building materials without burning
Abstract: Cement, one of the basic materials, has a wide range of applications in many fields such as water conservancy, transportation, and construction. In the process of producing cement, a large amount of energy is consumed, and a large amount of CO2 is emitted. The threat of greenhouse gases to human beings is increasing, and energy conservation and emission reduction are urgently needed. The combination of cement and quicklime mineralization and fixation of CO2 can achieve efficient use of cement not only solve the problem of energy saving and emission reduction of CO2, but also can prepare high-strength cement concrete products, provide strong support for the green development of the construction industry, and realize the cement industry sustainable development. The strength of the test block was greatly improved by the 1.5 and 1.45 times times that the strength of the test block was not carbonized for 3 days and 7 days.
Keywords: Cement; Carbonation; Strength
序言
水泥为目前常用的建筑材料，随着人类经济的快速发展，世界能源消耗和需求越来越大，传统化石能源大量使用，引发了CO2的大量排放[1]，这是一个非常值得关注的环境问题，由于CO2大量排放自然界直接导致气候变化，严重影响人类生存，所以CO2减排问题迫在眉睫。目前常见的CO2减排方法主要包括碳捕集、封存和转化利用，其中CO2的矿化因其具有成本低、规模大、易于工业化，且矿化产物稳定、安全、无毒害、无二次污染，易于资源化再利用等特点[2]，被认为是CO2封存的有效手段，引起学者们的密切关注。
水泥混凝土由于其强度高，耐久性和经济效益好等因素被广泛应用。在水泥行业中CO2减排以及废弃物的再利用方面需要不断开发新的技术[4]，比如大量处置废弃物技术、水泥生产低碳化技术、开发绿色生态水泥、制备高性能高寿命混凝土等。用水泥基材料（即生水泥，硬化水泥浆，砂浆，混凝土和这些水泥基产品的废弃物）来固定CO2[5]，在固定CO2后会生成热力学稳定的碳酸盐，可以增加了水泥基制品的强度，具有良好的产业化应用前景[6],将325水泥与生石灰复配碳酸化可以有效提高试块强度，同时有效缩短水化时间值得研究。
1 实验部分
1.1实验原料
本实验中实验原料采用市售32.5普通硅酸盐水泥，经过测试，D50=10.61 μm；生石灰市售生石灰，D50=20.34 μm。原料化学成分见表1。
表1原料成分分析（质量分数）
Table 1 Composition of raw materials（mass fraction）
由表1可以看出，生石灰中的钙（镁）含量高达85%以上，水泥粉煤灰的钙（镁）含量相对较低，约为15.1%。
1.2实验装置及实验过程
实验装置如图1所示，由CO2气瓶、流量计、三口烧瓶、磁力搅拌水浴锅和pH在线记录仪组成。实验过程中：提前开启水浴锅的电加热开关，将水浴锅的水温加热至设定值，再向三口烧瓶中分别加入一定量的水泥、生石灰及其复配料和水，开启磁力搅拌水浴锅中的磁力搅拌开关，搅拌，使之均匀混合，水解反应，同时在线记录浆液的pH，待pH稳定后，开启CO2气瓶的通气阀和稳压阀，通过流量计调节气体流量为1.8L·min-1，CO2进入三口烧瓶中，进行碳酸化反应。实验装置具有加热搅拌和通入CO2气体碳酸化反应功能，实验装置的反应器为三口烧瓶。
具体操作过程如下：
称取100g样品，加入三口烧瓶中，以1240 r·min-1的速度搅拌10 min，待pH稳定后，分别不通CO2、通CO2时间为10min、20min、30min、40min、50min、60min。通气速率为1.8L·min-1，制备不同碳化时间碳化浆体，然后将剩余300g加入到碳化浆体中，并将剩余120g水加入浆体制备浆体，搅拌混合均匀后放入提前准备好的磨具中进行60℃水浴养护，分别养护3天、7天并测试试块强度得到碳酸化反应产物，用于后续分析测试，所使用实验装置图如下。
图1 碳酸化实验装置
1.3原料及产物表征分析方法
1）采用Bruker D2 pHASER型X射线衍射仪（X-raydiffraction，XRD）测定水化和碳酸化反应前后固体产物的矿物组成。
2）采用PerkinElmer Pyris 1热重分析仪（thermogravimetric analyzer, TGA），在氮气气氛，10℃·min-1的升温速率下，测定碳酸化反应前后的原料及产物的热失重特性。
2 实验结果与讨论
2.1水泥、生石灰复配物碳酸化制备试块强度变化
实验分别称取水泥300g、生石灰100g（生石灰与水泥的质量比为1：3），水灰比为0.55，取水泥100g加入100g水，水浴温度为60℃，一个标准大气压下、搅拌速度为1240r·min-1的条件下，水化反应10 min后，分别不通CO2，通入CO2气体10min、20min、30min、40min、50min、60min。通气速率为1.8L·min-1，制备不同碳化时间碳化浆体，然后将剩余300g（220水泥、80g生石灰）加入到碳化浆体中，并将剩余120g水加入浆体制备浆体，搅拌混合均匀后放入提前准备好的磨具中进行60℃水浴养护，分别养护3天、7天并测试试块强度，测试结果如下。
图2 水泥/生石灰复配碳酸化强度3天密度变化图3水泥/生石灰复配碳酸化强度7天密度变化
结合图2、图3碳化不同时间，结果表明随着碳化时间的变化试块的强度先上升后下降，3天试块强度与7天试块强度均为碳化40min最大，3天碳化40min试块强度为43.5Mpa、7天抗压强度为48Mpa分别为不碳化试块强度的1.5、1.45倍，通过分析只有条件碳化时间不同其他实验条件均相同，因此分析是碳化对试块强度产生了影响，为了探索其中的原因我们做了XRD分析。
2.2水泥、生石灰复配物碳酸化制备试块XRD分析
用XRD分别测试复配原料、复配原料不碳化制备试块（水化反应后物料）、复配原料碳化40min矿物组成，得到样品的谱图如图4所示。从图4可以看出，水泥与生石灰复配浆体在碳化前检测出强的C2S和C3S衍射峰，在碳化后检测出明显的CaCO3明显的衍射峰，。由上述分析结果可知，随着碳化时间的延长，生成了一定量的碳酸钙，正是由于生成了一定量的碳酸钙使得碳化强度增加。
图4水泥/生石灰复配样品碳化40min热重分析
通过实验结果表明碳化40min后热重分析600℃—850℃为CaCO3失重峰，失重约为13%，根据化学反应式CaCO3→CaO+CO2可计算CaCO3含量为29.5%，总制备试块中CaCO3含量为7.4%时试块强度最大。
结论
（1）将水泥与生石灰复配制备浆体通过碳酸化反应生成一定量的CaCO3可以有效提高试块的强度，得到结果碳化40min试块强度最大分别为不碳化试块的1.5倍、1.45倍。
（2）通过计算，当试块中CaCO3含量为7.4%时，试块的强度最大。
参考文献:
[1] 杨德玉. 中国大型煤炭企业资源开发方略[M]. 企业管理出版社, 2006.
[2] Herzog H J. What future for carbon capture and sequestration [J]. Environmental Science & Technology, 2001, 35(7):148A.
[3] 崔素萍, 刘宇. 水泥碳减排潜力及评价方法研究[J]. 中国水泥, 2016(1):71-74.
[4] 日本水泥产业三十年[J]. 水泥技术, 2017(3):19-26.
[5] B.Lagerblad,Carbon dioxide uptake during concrete life cycle - State of the artSwedish Cement and Concrete Research Institute, CBI, Stockholm, 2005, ISBN 91-976070-0-2.
[6] 唐明述. 节能减排工作应重视提高基建工程寿命[J]. 中国水泥, 2007(9):24-28.
论文作者:赵钰琦
论文发表刊物:《防护工程》2018年第12期
论文发表时间:2018/10/22
标签：生石灰论文; 水泥论文; 强度论文; 碳酸论文; 烧瓶论文; 水化论文; 水浴论文; 《防护工程》2018年第12期论文;