一种增强层、一种增强型轻骨料及其制备方法和应用

1.本发明属于混凝土技术领域，具体涉及一种增强层、一种增强型轻骨料及其制备方法和应用。


背景技术：

2.现代土木工程的结构不断朝着超高、大跨度发展，传统混凝土由于自重大，已经不能满足超高、大跨度等的建设需求。配制传统混凝土的砂石骨料，其堆积密度大多为1500～1800kg/m3；轻骨料是指堆积密度不超过1200kg/m3的粗细骨料的总称。轻骨料由于内部孔隙率较高，可以显著降低骨料的自重，从而降低混凝土的重量。同时随着国家对装配式建筑的大力推广，大量使用传统混凝土无疑会增加运输成本，无法满足实际工程要求。轻骨料混凝土的使用不仅可使混凝土结构轻质化，推动高层和大跨度等大型工程的发展，同时可大大降低混凝土运输成本。
3.然而轻骨料内部孔隙率高的特点也导致其自身材料强度较低，高掺量使用时会显著降低混凝土的力学性能的缺陷，这极大地限制了轻骨料混凝土的应用。


技术实现要素：

4.有鉴于此，本发明提供了一种增强层、一种增强型轻骨料及其制备方法和应用，本发明提供的增强型轻骨料具有较高的力学强度，扩大了轻骨料的应用范围。
5.为了解决上述技术问题，本发明提供了一种增强层，所述增强层的制备原料包括以下原料：
6.6～28份碳矿化胶凝材料，2～8份水，0.2～2份碳矿化增强剂和0.3～1.2份减水剂；所述碳矿化胶凝材料中含有钙。
7.优选的，所述碳矿化胶凝材料包括硅酸钙，所述硅酸钙包括γ型硅酸二钙、硅酸一钙和二硅酸三钙中的一种或多种。
8.优选的，所述碳矿化增强剂包括壳聚糖、无定型硅质材料、聚乙二醇和聚乙烯醇中的一种或多种。
9.本发明提供了一种增强型轻骨料，包括轻骨料和轻骨料表面的增强层，所述增强层为上述技术方案所述增强层。
10.优选的，所述增强层的厚度为1.5～4mm。
11.优选的，所述轻骨料包括陶粒、陶砂、膨胀珍珠岩、浮石、火山渣和煤渣中的一种或多种；
12.所述轻骨料的堆积密度为100～1200kg/m3；
13.所述轻骨料和碳矿化胶凝材料的质量比为100:6～28。
14.本发明提供了上述技术方案所述增强型轻骨料的制备方法，包括以下步骤：
15.将碳矿化胶凝材料、碳矿化增强剂、减水剂和水混合，得到浆液；
16.将所述浆液包裹轻骨料后在二氧化碳气氛中进行碳矿化反应，得到所述增强型轻
骨料。
17.优选的，所述二氧化碳和碳矿化胶凝材料中钙的摩尔比为1～2:1；所述二氧化碳的压力为0.1～0.3mpa；
18.所述碳矿化反应的温度为5～90℃；所述碳矿化反应的时间为2～24h。
19.优选的，所述混合包括以下步骤：
20.将碳矿化增强剂、减水剂和水进行第一混合，得到第一混合溶液；
21.将所述第一混合溶液和碳矿化胶凝材料进行第二混合，得到所述浆液。
22.本发明提供了上述技术方案所述增强型轻骨料或上述技术方案所述制备方法制备得到的增强型轻骨料在超高层、大跨度或可移动建筑中的应用。
23.本发明提供了一种增强层，所述增强层的制备原料包括以下原料：碳矿化胶凝材料6～28份，水2～8份，碳矿化增强剂0.2～2份和减水剂0.3～1.2份；所述碳矿化胶凝材料中含有钙。在本发明中，碳矿化胶凝材料与二氧化碳反应生成碳酸钙，提高了增强层的力学强度。在本发明中，所述碳矿化增强剂可以在碳矿化反应中促进钙离子溶出，诱导更多碳酸钙生成，从而提高力学强度。
24.本发明提供了一种增强型轻骨料，包括轻骨料和轻骨料表面的增强层，所述增强层为上述技术方案中的增强层。在本发明中，所述增强层具有较高的力学强度，提高了轻骨料的强度，扩大了轻骨料的应用范围。
25.本发明提供了上述技术方案所述增强型轻骨料的制备方法，包括以下步骤：将碳矿化胶凝材料、碳矿化增强剂、减水剂和水混合，得到浆液；将所述浆液包裹轻骨料后在二氧化碳气氛中进行碳矿化反应，得到所述增强型轻骨料。在本发明中，所述碳矿化胶凝材料具有低水化活性和高碳化活性，碳矿化胶凝材料经过碳矿化反应后在轻骨料表面生成碳酸钙，有效提高了轻骨料的力学强度。
具体实施方式
26.本发明提供了一种增强层，所述增强层的制备原料包括以下原料：
27.6～28份碳矿化胶凝材料，2～8份水，0.2～2份碳矿化增强剂和0.3～1.2份减水剂；所述碳矿化胶凝材料中含有钙。
28.在本发明中，如果没有特殊说明所需原料为常规市售产品即可。
29.在本发明中，所述增强层的制备原料包括6～28份碳矿化胶凝材料，优选为9～25份，更优选为18～23份。在本发明中，所述碳矿化胶凝材料优选为硅酸钙，所述硅酸钙优选包括γ型硅酸二钙(γ-c2s)、硅酸一钙(cs)和二硅酸三钙(c3s2)中的一种或多种，更优选为γ型硅酸二钙或二硅酸三钙，更进一步优选为γ型硅酸二钙。在本发明中，当所述碳矿化胶凝材料为两种以上上述具体物质时，本发明对具体物质的配比无特殊限定，采用任意配比即可。在本发明中，所述碳矿化胶凝材料的平均粒度优选为《150μm，更优选为《100μm。在本发明中，所述碳矿化胶凝材料的密度优选为2800～3000kg/m3，更优选为2900～2950kg/m3。
30.以碳矿化胶凝材料的质量份数为基准，在本发明中，所述增强层的制备原料包括2～8份水，优选为3～6份，更优选为4～5份。
31.以碳矿化胶凝材料的质量份数为基准，在本发明中，所述增强层的制备原料包括0.2～2份碳矿化增强剂，优选为0.5～2份，更优选为1～1.5份。在本发明中，所述碳矿化增
强剂优选包括壳聚糖、无定型硅质材料、聚乙二醇和聚乙烯醇中的一种或多种，更优选为壳聚糖或聚乙烯醇。在本发明中，当所述碳矿化增强剂为两种以上上述具体物质时，本发明对具体物质的配比无特殊限定，采用任意配比即可。
32.以碳矿化胶凝材料的质量份数为基准，在本发明中，所述增强层的制备原料包括0.3～1.2份减水剂，优选为0.35～1份，更优选为0.72～0.9份。在本发明中，所述减水剂优选为聚羧酸系减水剂。在本发明中，所述聚羧酸系减水剂的减水率优选为20～30％，更优选为23～28％。
33.本发明提供了一种增强型轻骨料，包括轻骨料和轻骨料表面的增强层，所述增强层为上述技术方案所述增强层。
34.在本发明中，所述增强型轻骨料包括轻骨料，所述轻骨料的堆积密度优选为100～1200kg/m3，更优选为428～782kg/m3。在本发明中，所述轻骨料的筒压强度优选为4～7mpa，更优选为5～6mpa。在本发明中，所述轻骨料的粒径优选为10～30mm，更优选为15～20mm。在本发明中，所述轻骨料优选包括陶粒、陶砂、膨胀珍珠岩、浮石、火山渣和煤渣中的一种或多种；更优选为陶粒、火山渣或煤渣，更进一步优选为陶粒。在本发明中，所述陶粒优选为粉煤灰陶粒。在本发明中，当所述轻骨料为两种以上上述具体物质时，本发明对具体物质的配比无特殊限定，采用任意配比即可。
35.在本发明中，所述轻骨料和碳矿化胶凝材料的质量比优选为100:6～28，更优选为100:9～25，更进一步优选为100:18～20。
36.在本发明中，所述增强层的厚度优选为1.5～4mm，更优选为1.8～3mm，更进一步优选为2.1～2.5mm。
37.本发明提供的上述技术方案所述增强型轻骨料的制备方法，包括以下步骤：
38.将碳矿化胶凝材料、碳矿化增强剂、减水剂和水混合，得到浆液；
39.将所述浆液包裹轻骨料后在二氧化碳气氛中进行碳矿化反应，得到所述增强型轻骨料。
40.本发明将碳矿化胶凝材料、碳矿化增强剂、减水剂和水混合，得到浆液。在本发明中，所述混合优选包括以下步骤：
41.将碳矿化增强剂、减水剂和水进行第一混合，得到第一混合溶液；
42.将所述第一混合溶液和碳矿化胶凝材料进行第二混合，得到所述浆液。
43.本发明将碳矿化增强剂、减水剂和水进行第一混合，得到第一混合溶液。本发明对所述第一混合的方式无特殊限定，只要能够混合均匀即可。本发明先将碳矿化增强剂、减水剂和水进行第一混合，能够保证碳矿化增强剂和减水剂均匀分散于水中，使碳矿化增强剂和减水剂充分发挥效果。
44.得到第一混合溶液后，本发明将所述第一混合溶液和碳矿化胶凝材料进行第二混合，得到所述浆液。在本发明中，所述第二混合优选在搅拌的条件下进行，所述搅拌优选包括第一搅拌和第二搅拌。在本发明中，所述第一搅拌的转速优选为50～80r/min，更优选为60～70r/min；所述第一搅拌的时间优选为4～8min，更优选为5～7min。在本发明中，所述第二搅拌的转速优选为100～140r/min，更优选为110～130r/min；所述第二搅拌的时间优选为4～8min，更优选为5～7min。本发明经过第一搅拌和第二搅拌能够利于浆液更好的包裹于轻骨料表面。
45.得到浆液后，本发明将所述浆液包裹轻骨料后在二氧化碳气氛中进行碳矿化反应，得到所述增强型轻骨料。本发明对所述包裹的方式无特殊要求，只要能够将浆液包裹于轻骨料表面即可。在本发明的实施例中，所述包裹的方式优选为将轻骨料和浆液混合，使浆液吸附于轻骨料表面。在本发明中，包裹轻骨料的浆液的厚度优选为3～5mm，更优选为3.5～4mm。
46.在本发明中，所述碳矿化反应前优选还包括：将包裹有浆液的轻骨料进行控水处理。在本发明中，控水处理后的产品的含水量优选为10～30％，更优选为15～20％。在本发明中，所述控水处理的温度优选为55～65℃，更优选为58～60℃。本发明对所述控水处理的时间无特殊限定，只要能够达到所需的含水率即可。本发明经过控水处理利于碳矿化反应的进行，利于提高增强层的力学强度。
47.在本发明中，所述二氧化碳和碳矿化胶凝材料中钙的摩尔比优选为1～2:1，更优选为1.3～1.8:1。在本发明中，所述二氧化碳优选为工业尾气，所述工业尾气优选包括热电厂尾气、钢铁厂尾气或工业窑炉尾气，更优选为热电厂尾气。在本发明中，所述二氧化碳的压力优选为0.1～0.3mpa，更优选为0.15～0.2mpa；所述二氧化碳的浓度优选为90～99.99％，更优选为95～99.9％。在本发明中，所述碳矿化反应的温度优选为5～90℃，更优选为10～60℃，更进一步优选为20～30℃；所述碳矿化反应的时间优选为2～24h，更优选为4～8h。在本发明中，所述碳矿化反应的环境相对湿度优选为30～100％，更优选为50～80％。本发明对碳矿化反应的装置无特殊要求，采用本领域常规的装置即可。在本发明的实施例中，所述碳矿化反应优选在碳化釜中进行。
48.本发明的制备方法通过二氧化碳与碳矿化胶凝材料进行碳矿化反应，在轻骨料表面生成碳酸钙增强层，在提高轻骨料强度的同时大量利用工业尾气，具有绿色环保的特点。
49.为了进一步说明本发明，下面结合实施例对本发明提供的技术方案进行详细地描述，但不能将它们理解为对本发明保护范围的限定。
50.实施例1
51.将1份壳聚糖、0.35份聚羧酸系减水剂和3份水进行混合，得到混合溶液；
52.将9份密度为2900kg/m3，平均粒径为38μm的γ-c2s和混合溶液在60r/min的转速下搅拌6min后在120r/min的转速下搅拌8min，得到浆液；
53.将100份筒压强度为6.3mpa、堆积密度为782kg/m3、粒径为5～10mm的粉煤灰陶粒和浆液混合，使粉煤灰陶粒表面包裹4mm的浆液后与60℃进行控水处理，使包裹浆液的轻骨料的含水率为15％；将控水处理后的轻骨料在碳化釜内进行碳矿化反应8h，得到增强型轻骨料；所述碳矿化反应的温度为25℃，碳矿化反应环境相对湿度为60％；所述碳矿化反应中二氧化碳的浓度为99.9％，压力为0.2mpa。
54.实施例2
55.将1.5份壳聚糖、0.72份聚羧酸系减水剂和4.5份水进行混合，得到混合溶液；
56.将18份密度为2900kg/m3，平均粒径为38μm的γ-c2s和混合溶液在60r/min的转速下搅拌6min后在120r/min的转速下搅拌8min，得到浆液；
57.将100份筒压强度为5.6mpa、堆积密度为615kg/m3、粒径为10～15mm的粉煤灰陶粒和浆液混合，使粉煤灰陶粒表面包裹4mm的浆液后与60℃进行控水处理，使包裹浆液的轻骨料的含水率为15％；将控水处理后的轻骨料在碳化釜内进行碳矿化反应8h，得到增强型轻
骨料；所述碳矿化反应的温度为25℃，碳矿化反应环境相对湿度为60％；所述碳矿化反应中二氧化碳的浓度为99.9％，压力为0.2mpa。
58.实施例3
59.将2份壳聚糖、1份聚羧酸系减水剂和6份水进行混合，得到混合溶液；
60.将25份密度为2900kg/m3，平均粒径为38μm的γ-c2s和混合溶液在60r/min的转速下搅拌6min后在120r/min的转速下搅拌8min，得到浆液；
61.将100份筒压强度为4.5mpa、堆积密度为428kg/m3、粒径为15～20mm的粉煤灰陶粒和浆液混合，使粉煤灰陶粒表面包裹4mm的浆液后与60℃进行控水处理，使包裹浆液的轻骨料的含水率为15％；将控水处理后的轻骨料在碳化釜内进行碳矿化反应8h，得到增强型轻骨料；所述碳矿化反应的温度为25℃，碳矿化反应环境相对湿度为60％；所述碳矿化反应中二氧化碳的浓度为99％，压力为0.2mpa。
62.按照《轻集料及其试验方法gb/t 17431.2-2010》检测实施例1～3制备得到的增强型轻骨料的堆积密度和筒压强度，其结果列于表1中。
63.表1实施例1～3制备得到的增强型轻骨料的堆积密度和筒压强度
64.实施例堆积密度(kg/m3)筒压强度(mpa)增强层厚度(mm)实施例18527.22.1实施例27086.42.3实施例35365.72.3
65.由表1可知，本发明提供的增强型轻骨料具有较低的堆积密度且具有较高的筒压强度。
66.尽管上述实施例对本发明做出了详尽的描述，但它仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部实施例，人们还可以根据本实施例在不经创造性前提下获得其他实施例，这些实施例都属于本发明保护范围。