一种以碳化炉渣为骨料的塑性混凝土及其制备方法

本发明涉及混凝土，具体为一种以碳化炉渣为骨料的塑性混凝土及其制备方法。

背景技术：

1、随着我国“无废城市”建设的深入推进，固体废弃物的高效资源化利用已成为实现可持续发展目标的关键环节；生活垃圾焚烧发电作为垃圾减量化、无害化处理的主流技术，在有效缓解“垃圾围城”困境的同时，也产生了大量的副产物——生活垃圾焚烧炉渣（以下简称“炉渣”）；炉渣主要来自焚烧炉床排出的底渣，约占垃圾焚烧总量的20%~25%。

2、当前炉渣资源化利用的研究主要集中在建材利用（占比约51.5%）和道路工程（占比约22.7%）两大领域，其余研究涉及碱激发材料、预处理技术及环保应用等方面；炉渣的资源化利用途径主要包括：作为水泥生产的原料替代部分石灰石和粘土；作为细骨料或掺合料用于制备混凝土、砂浆；用于道路基层、底基层的填充材料；制备免烧砖、陶粒等建材产品；以及用于填埋场覆盖材料或土体改良剂等；其中，将炉渣作为骨料替代天然砂石制备混凝土，因其能大规模消纳固废、减少天然骨料开采、降低建材生产碳排放，被认为是最具前景的方向之一。

3、塑性混凝土是一种由水泥、膨润土、黏土、砂石和水等组成的柔性工程材料，其具有低水泥用量（通常150kg/m³~250kg/m³）、高骨料占比（砂率可达60%以上）、低弹性模量（一般低于2000mpa）和高变形能力的特点，广泛应用于防渗墙、结构回填、地基加固等工程；塑性混凝土因其低水泥用量、高骨料占比、低弹性模量等特点，为炉渣高掺量利用提供了理想载体。

4、然而，炉渣具有高孔隙率、高吸水率以及潜在的重金属浸出风险，这些本征特性严重制约了其在塑性混凝土中的直接应用；并且，未经处理的炉渣在塑性混凝土中的掺杂量有限。

技术实现思路

1、为了解决上述技术问题，本发明提供了一种以碳化炉渣为骨料的塑性混凝土，所述以碳化炉渣为骨料的塑性混凝土包括水泥、膨润土、黏土、水、细骨料；所述细骨料包括机制砂和碳化炉渣；所述细骨料中碳化炉渣的含量为20-50wt%；

2、其中，所述碳化炉渣的制备方法，包括以下步骤：

3、将原始炉渣烘干，喷水，静置养护，得到饱和面干状态预处理炉渣；将预处理炉渣在浓度为99.9%的二氧化碳气体氛围中进行碳化处理，碳化处理的压力为95-105kpa、相对湿度为65-75%rh、温度为23-27℃，得到碳化炉渣，记为cba。

4、本发明采用固态加速碳化工艺对炉渣进行预处理，通过喷水、静置养护，制备得到符合饱和面干状态的预处理炉渣（饱和面干状态‌是指骨料内部孔隙含水达到饱和，但颗粒表面干燥无自由水的特定状态），这种预处理方式在维持孔隙内部连续液相，为co2溶解提供必要的反应介质的同时，避免表面存在自由水膜，对气相扩散通道形成堵塞，使高浓度co2能够顺利经气相孔道进入颗粒内部，有利于后续碳化过程中co2向物料内部的有效扩散，使反应更充分，提高碳化效率；在碳化过程中采用浓度99.9%的二氧化碳气体进行处理，需要说明的是，低浓度co2并非无法与炉渣发生碳化反应，但在本发明限定的25±2℃、70±5%rh、100±5 kpa表压条件与较短碳化处理周期内，低浓度co2对应的co2分压和单位时间co2传质通量较低，难以在相同处理时间内达到和99.9%高纯co2相当的碳化程度，本发明采用99.9%高纯co2，在相同总压下显著提高了co2分压，使co2在颗粒外部气相与炉渣内部孔隙之间的浓度梯度大幅提升，形成更强的扩散驱动力，推动大量co2分子更快、更深入地渗透至材料内部；同时提升了co2向孔隙液相的传质与溶解速率，增加单位时间内进入反应体系的无机碳供给量，使溶出的ca²+更快达到caco3成核和沉淀所需的过饱和状态，从而加快caco3成核速度、提升成核密度，生成更多细小方解石填充孔隙，因此，本发明并非简单地更换为更高浓度的co2，而是通过高纯co2在较低总压力下获得较高co2分压，无需将反应器工作压力显著提高即可实现快速固态碳化，兼顾了较低设备运行压力与较高碳化速率；由于本发明经喷水和静置养护后的炉渣处于饱和面干状态，其内部孔隙中存在连续液相，而颗粒表面不存在阻碍气体扩散的自由水膜，因此高分压co2能够经气相孔道进入炉渣内部并持续向孔隙液相中溶解；碳化过程中，进入炉渣孔隙的co2会不断被cao、ca(oh)2、含钙硅酸盐及含镁活性组分消耗，高纯co2能够维持颗粒外部较高且稳定的co2浓度边界条件，有利于炉渣由表及里的持续碳化，高纯co2在快速碳化的同时，还可快速消解游离cao、mgo，提升炉渣的体积安定性，经碳化预处理后的炉渣骨料在后续配制塑性混凝土时，能够避免因游离cao、mgo延迟水化膨胀引发的混凝土开裂和体积失稳问题，保障塑性混凝土的长期体积稳定性和耐久性，同时提升塑性混凝土的早期强度；此外，采用高纯co2还能够减少n2、o2等惰性气体以及sox、nox等酸性气体对co2分压和碳化反应的干扰，使co2浓度、压力和环境湿度可作为相对独立的工艺参数实现稳定控制，提高不同批次炉渣碳化处理效果的一致性和可重复性；碳化处理过程中控制环境温度为25±2℃，相对湿度为70±5% rh，该温度条件下co2在水中具有较高溶解度，有利于碳化反应的进行；此湿度范围旨在确保颗粒表面形成适宜水膜以促进离子迁移，同时避免过湿堵塞气体扩散通道；压力维持100±5kpa（表压），该压力在设备允许范围内为co2向物料内部的扩散与溶解提供了必要的驱动力，有助于二氧化碳更深入地渗透到炉渣内部，使碳化反应更彻底；饱和面干状态与99.9%高纯co2浓度、25±2℃、70±5% rh、100±5 kpa表压之间相互配合、协同作用，饱和面干状态提供了液相介质充足、气相通道畅通的微观结构基础，高纯co2提供了高浓度梯度与高传质通量，温湿度条件维持了反应所需的液相环境，适度表压提供了扩散驱动力，四者协同实现炉渣由表及里的快速、充分碳化；故，本发明的碳化方法能够显著加速碳化反应速率，使炉渣在更短时间内完成碳化改性，提高处理效率；

5、进一步地，通过碳化处理可以降低炉渣的粒径、增加比表面积，粒径的显著细化和分布的集中化有利于改善颗粒堆积密实度，比表面积的增加为后续火山灰反应提供更多活性位点，并且碳化炉渣表面形成连续、致密的碳酸钙层，通过“孔隙填充-表面包裹”的微观结构演变，不仅显著改善了其作为骨料的物理本征缺陷，还为后续与水泥浆体的界面结合提供了理想的成核位点与化学亲和表面；将碳化处理后的碳化炉渣作为细骨料，代替机制砂用于塑性混凝土中，碳化炉渣表面的致密碳酸钙层强化了界面过渡区结合，形成了物理填充、化学增强与界面强化协同作用机制，从而有效改善塑性混凝土的力学性能和抗渗性能，提高炉渣的掺杂量；此外，对炉渣进行碳化处理，通过“物理封堵-化学沉淀-矿物相变”多元机制共同作用，有效降低重金属的浸出。

6、优选地，所述细骨料中碳化炉渣的含量为30-40wt%。

7、优选地，所述水泥用量200-225kg/m³，膨润土用量50-70kg/m³，黏土用量95-125kg/m³，水用量390-440kg/m3，细骨料用量1300-1500kg/m3。

8、优选地，所述碳化炉渣的粒径范围为1-20µm。

9、优选地，所述原始炉渣通过将生活垃圾焚烧炉渣进行筛分、分选金属、水洗处理后得到；

10、以上过程中，先对生活垃圾焚烧炉渣进行筛分、分选金属、水洗等处理，有效去除了部分杂质，为后续碳化反应提供了充足的物质基础，有利于生成更多的碳酸钙等胶凝物质，从而提高在砂浆等材料中的掺量。

11、优选地，所述原始炉渣的粒径范围为1-200µm。

12、优选地，所述静置养护的温度为18-22℃。

13、优选地，所述静置养护的时间为24-48h。

14、优选地，所述喷水量根据实际具体原始炉渣吸水率和烘干后原始炉渣质量确定，计算方法为：喷水量=原始炉渣吸水率×烘干后原始炉渣质量。

15、优选地，所述碳化处理时间为7-8天；采用更高浓度的二氧化碳和更优的温湿度条件，能够确保炉渣获得更充分且稳定的改性效果。

16、本发明还公开了一种制备所述的以碳化炉渣为骨料的塑性混凝土的方法，包括以下步骤：

17、步骤一、按比例称取水泥、膨润土、黏土、水、机制砂和碳化炉渣原料；

18、步骤二、将膨润土和黏土加入水中搅拌形成浆液，放置，加入碳化炉渣，搅拌，然后加入水泥、机制砂，搅拌，得到塑性混凝土。

19、与现有技术相比，本发明的有益效果为：

20、1、本发明提供了一种以碳化炉渣为骨料的塑性混凝土，碳化处理作为一种绿色高效的改性技术，通过对原始炉渣进行预处理和高浓度二氧化碳处理，在加快碳化速率的同时，改善炉渣的理化性质与环境安全性，将碳化处理后的碳化炉渣作为细骨料，代替机制砂用于塑性混凝土中，有效改善了塑性混凝土的综合性能，这是因为：（1）宏观性能层面：在普通水泥砂浆体系中碳化炉渣主要作为细集料替代标准砂，受限于体系内无粗骨料、界面效应不显著，其碳化产物的成核效应和填充效应能维持或略微提升砂浆强度，且提升幅度有限；而在塑性混凝土中，由于存在粗骨料和更复杂的界面体系，碳化炉渣可实现高掺量下的高强度、高抗渗和良好变形能力的协同提升，碳化后，炉渣的吸水率和碱度显著降低，使其在塑性混凝土中的适用性大幅提高，使碳化炉渣的细骨料替代率最高可提升至40%；在高掺量下，强度可得到提升，同时显著增强了材料的塑性变形能力；抗渗性能方面，含有碳化炉渣的塑性混凝土的渗透系数当细骨料替代率为50%时，渗透系数可低至6.33×10-9cm/s，进入极低渗透性材料范畴；（2）微观机理层面：在普通水泥砂浆体系中，由于不含粗骨料，界面过渡区（itz）的影响相对不显著，在塑性混凝土中，碳化炉渣表面的致密碳酸钙层强化了界面过渡区结合，形成了物理填充、化学增强与界面强化协同作用机制；碳化未破坏基体均匀性，反而通过碳酸钙的物理填充与化学键合，强化了骨料-浆体界面，该致密碳酸钙层既阻断了渗流通道，又提供了水化产物的成核位点，该强化机制使抗压与抗渗性能显著同步提升，有效降低了界面应力集中，提升了结构整体稳定性；碳化处理有效消除了itz原生缺陷，增强了界面结合，为宏观力学性能与抗渗性能的协同提升提供了微观结构支撑。

21、2、本发明通过对炉渣进行碳化处理，在改善塑性混凝土的性能的同时，实现了碳化炉渣的高掺量，最优细骨料替代率为40%，而原始炉渣的最优细骨料替代率为20%，因此，本发明可实现用碳化炉渣最大化地代替细骨料中的机制砂，实现炉渣的资源化利用；本发明之所以能实现碳化炉渣的高掺量是由于：

22、首先，通过碳化处理，炉渣体积加权平均径从28.38µm降至7.16µm，颗粒更细小，细小颗粒能更好地填充水泥浆体中的孔隙，减少孔隙率，提高密实度，从而在高掺量下仍能保证混凝土的强度和工作性能，为实现高掺量提供了微观基础；

23、其次，碳化后碳化炉渣吸水率大幅降低56.3%，堆积密度提升9.4%，表明其孔隙结构得到优化，密实度提高，优化的孔隙结构能减少水分和空气的渗透，提高混凝土的抗渗性和耐久性，同时也有利于在高掺量下保持混凝土的整体性能；

24、同时，碳化处理不仅生成大量碳酸钙，还促使钙矾石向afm相转化，增加c-s-h凝胶含量，这些物相变化能改善混凝土的微观结构，提高强度和耐久性，为实现高掺量提供了保障；

25、此外，碳化炉渣与水泥浆体之间的界面过渡区界限模糊，结构高度连续，即使在高掺量条件下仍能保持良好的界面结合；碳酸钙的物理填充与化学键合作用共同强化了骨料-浆体界面，所形成的致密碳酸钙层既阻断了渗流通道，又为水化产物提供了成核位点；这一强化机制显著提升了抗压与抗渗性能，有效降低了界面应力集中，提高了结构的整体稳定性；碳化处理有效消除了itz的原生缺陷，增强了界面结合，使宏观力学性能与抗渗性能协同提升，从而允许更高的掺量；

26、综上，本发明碳化实现高掺量在于碳化炉渣的“物理填充-化学增强-界面强化”协同作用机理，碳化炉渣的引入消耗了氢氧化钙，生成了更多稳定的碳酸钙，生成的碳酸钙作为稳定矿物填充于体系中，并促进了钙矾石向afm相的转化；碳化炉渣表面被致密的碳酸钙层包裹，与水泥浆体界面过渡区结合紧密，消除了原生微裂隙，形成了连续密实的微观结构；这种结构优化是宏观性能提升的根本原因。

27、3、本发明通过对炉渣进行碳化处理，通过“物理封堵-化学沉淀-矿物相变”多元机制共同作用，有效降低重金属的浸出，保证了塑性混凝土的安全性与环保性。