混凝基础结构技术 8

第七章低碳材料的开发与应用《混凝土结构全寿命维护与减碳技术》7.1低碳胶凝材料生产技术7.2低碳骨料生产技术7.3混凝土的碳封存和储存技术7.4案例分析《混凝土结构全寿命维护与减碳技术》目录本章要点主要内容：本章主要介绍低碳胶凝材料与骨料的生产技术，涵盖低碳胶凝材料的减碳路径与生产工艺、低碳骨料的制备流程、CO2拌和技术与CO2养护技术。学习目标：理解低碳胶凝材料的减碳机理与生产工艺，掌握再生骨料与轻骨料的固废利用技术及强化方法，明确混凝土碳封存技术（CO2拌和与养护技术）的工艺流程及其影响因素。7.1低碳胶凝材料生产技术7.1.1普通硅酸盐水泥的减碳途径水泥生产需消耗大量煤炭、电力和石灰石，并伴随较高的能源消耗与碳排放。因此，普通硅酸盐水泥可从生产工艺、材料配比和碳捕集三个方面实现减碳。水泥窑工业生产过程7.1低碳胶凝材料生产技术7.1.2低熟料水泥（1）煅烧黏土—石灰石复合水泥：由硅酸盐水泥熟料、煅烧黏土、石灰石和石膏组成。（2）超硫酸盐水泥：以粒化高炉矿渣为主，辅以硫酸钙及少量熟料或石灰。（3）矿渣硫铝酸盐水泥：主要由粒化高炉矿渣、硬石膏和快凝快硬高贝利特硫铝酸盐水泥组成。煅烧黏土—石灰石复合水泥超硫酸盐水泥矿渣硫铝酸盐水泥7.1低碳胶凝材料生产技术7.1.3低钙水泥（1）高贝利特硅酸盐水泥：以C2S为主要熟料矿物。（2）硫铝酸盐水泥：以无水硫铝酸钙为主要熟料矿物。高贝利特硅酸盐水泥硫铝酸盐水泥7.1低碳胶凝材料生产技术7.1.4碱激发胶凝材料（1）高钙碱激发胶凝材料：

以粒化高炉矿渣等高钙工业固废为前驱体，经碱性激发剂激活后，主要形成C-A-S-H凝胶。（2）低钙碱激发胶凝材料：

以粉煤灰等低钙硅铝质原料为主，经碱性激发后形成N-A-S-H凝胶三维网络。碱激发混凝土的制备流程7.2低碳骨料生产技术7.2.1建筑固废制备再生骨料再生骨料的生产流程与生产设备生产流程目的相关设备储存规范原料分区存放，防止混杂污染防尘网、排水设备预处理初步分离大块杂质，提升后续分选效率混凝土切割设备、液压分解设备、高压脉冲电流分解设备、挤压型破碎机传送连续均匀输送物料皮带输送机、振动给料机分选分离金属、轻物质及惰性材料惯性分选设备、磁力分选设备、风力分选设备、水力分选设备破碎减小颗粒尺寸，增加其形状的均匀度冲击型破碎机、剪切型破碎机筛分分离渣土等杂质，分级破碎后骨料固定筛、振动筛、滚筒筛、棒条筛降尘抑制粉尘扩散，满足环保标准洗涤式除尘设备、过滤式除尘设备、静电除尘设备、机械力除尘设备骨料整形与强化改善再生骨料粒形与力学性能卧式回转研磨设备、立轴式冲击破碎机7.2低碳骨料生产技术7.2.1建筑固废制备再生骨料2.再生骨料的特点和强化技术物理强化主要通过冲击整形、回转研磨和加热研磨等方式，改善颗粒形状与级配，降低孔隙率，提高骨料密实度与强度。化学强化利用酸溶液、硅酸钠或聚合物等处理表面，通过填充孔隙、增强界面黏结改善性能。酸溶液硅酸钠溶液聚合物溶液7.2低碳骨料生产技术7.2.2工业固废制备人造轻骨料1.冷黏结人造轻骨料的原料主要由工业固废、黏结剂和添加剂组成，三者的合理配比与工艺设计是实现固废资源化和骨料性能可控的关键。工业固废（磷石膏）黏结剂（矿渣）添加剂（聚丙烯纤维）7.2低碳骨料生产技术7.2.2工业固废制备人造轻骨料2.冷黏结人造轻骨料的造粒工艺主要分为成型加工法、搅拌成粒法和挤出—滚圆法。成型加工法搅拌成粒法挤出-滚圆法7.2低碳骨料生产技术7.2.2工业固废制备人造轻骨料3.冷黏结人造轻骨料的养护工艺主要分为烧结养护、冷结养护、蒸汽养护、水浴养护和碳化养护。水浴养护蒸汽养护碳化养护7.2低碳骨料生产技术7.2.3再生骨料的碳化强化技术1.再生骨料的碳化机理主要通过矿物相转变和产物沉积实现孔隙填充与结构致密化。Ca(OH)2+CO2→CaCO3↓+H2O2SiO2·3CaO·3H₂O+3CO2→2SiO2+3CaCO3↓+3H2O4CaO·Al2O3·13H2O+4CO2→2Al(OH)3+4CaCO3↓+10H2OCaCO3+H2O+2CO2→Ca(HCO₃)2Ca(OH)2碳化C-S-H脱钙铝酸盐碳化过量CO27.2低碳骨料生产技术7.2.3再生骨料的碳化强化技术2.再生骨料的碳化方法干法碳化：将再生骨料置于较高浓度的CO2气体环境中，使CO2通过扩散进入骨料孔隙并发生碳化反应。湿法碳化：以水为反应介质，将CO2溶解后形成碳酸根和碳酸氢根，并通过毛细作用进入骨料孔隙，与活性物质反应。干法碳化湿法碳化CO2CO2CO32-HCO3-7.3混凝土的碳封存和储存技术7.3.1CO2拌和技术的工艺流程工艺一：将CO2注入密封水箱，使其溶解于水中形成碳酸水，再与骨料、外加剂等组分一同加入搅拌机；工艺一CO₂水泥骨料水碳酸水7.3混凝土的碳封存和储存技术7.3.1CO2拌和技术的工艺流程工艺二：在密封搅拌机内注入CO2，先完成水泥基胶凝材料与水的混合；工艺二CO₂水泥骨料水碳酸浆体7.3混凝土的碳封存和储存技术7.3.1CO2拌和技术的工艺流程工艺三：通过改造搅拌机，将CO2注入系统直接集成于搅拌设备，使水泥、骨料及其他组分同步混合。工艺三CO₂水泥骨料水碳化混凝土7.3混凝土的碳封存和储存技术7.3.2CO2拌和技术的反应机理水泥熟料矿物体系的碳化能力CO2拌和过程中，熟料矿物的典型化学反应如下式所示：C3S碳化C2S碳化C3A碳化7.3混凝土的碳封存和储存技术7.3.2CO2拌和技术的反应机理CO2拌和过程中，水化产物的典型化学反应如下式所示：C-S-H碳化①C-S-H碳化②Ca(OH)2碳化7.3混凝土的碳封存和储存技术7.3.3CO2养护技术的工艺流程CO2养护是将预制成型后的混凝土置于高压CO2环境中，使CO2与胶凝材料中的活性钙、镁组分反应，生成稳定碳酸盐并填充孔隙。水化活性材料、骨料及水化惰性材料经加水混合并预制成型后，通过CO2矿化养护可在数小时内形成较致密的胶凝结构。CO2养护混凝土的工艺流程7.3混凝土的碳封存和储存技术7.3.4CO2养护技术的影响因素（1）胶凝材料的组成：主要包括普通硅酸盐水泥、高炉矿渣、废弃水泥、硅酸钙、β-C2S、γ-C2S、活性MgO及粉煤灰、钢渣等多种材料。（2）CO₂浓度与压力：提高CO2浓度和压力可加快早期碳化反应，促进CO2进入材料内部并提高碳化程度；但浓度或压力过高时，容易快速生成较大CaCO3晶体，在颗粒表面形成厚覆盖层，反而阻碍进一步碳化。水泥颗粒在CO2养护前及养护过程中的状态示意图7.3混凝土的碳封存和储存技术7.3.4CO2养护技术的影响因素（3）养护制度：CO2养护通常包括预养护、CO2养护和后期水养护三个阶段。预养护的关键是控制混凝土剩余含水量，含水量过高会阻碍CO2扩散，失水过快又可能引起塑性裂缝。剩余水灰比对混凝土试件CO2养护程度的影响

剩余水灰比对混凝土试件CO2养护抗压强度的影响7.3混凝土的碳封存和储存技术7.3.4CO2养护技术的影响因素不同养护历程下CO2碳养护混凝土的强度发展过程CO2养护阶段通过加压CO2与混凝土中的活性矿物反应，生成CaCO3和硅胶，填充内部孔隙并提高结构密实度。预养护和碳化反应会消耗混凝土中的自由水，CO2养护可明显提高早期强度，但养护时间过长会导致C-S-H脱钙，不利于最终强度发展。7.3混凝土的碳封存和储存技术7.3.5CO2封储工艺对混凝土性能的影响适量CO2：促进CaCO3生成，提供成核位点并填充孔隙，提高浆体密实度和早期强度。过量CO2：形成CaCO3覆盖层，阻碍后续水化；引起C-S-H脱钙、碳化收缩及微裂缝，降低后期性能。适度碳化未碳化过度碳化7.4案例分析（1）BluePlanet公司作为一家专注于碳捕集与循环建材开发的创新企业，其核心技术为间接碳酸化技术。7.4案例分析该技术首先从拆除的混凝土废料中提取Ca²⁺，再与溶解的工业CO2在流化床反应器中反应，使CaCO3在种子颗粒表面沉积并形成再生骨料。提钙后的材料可作为水泥添加剂，多余的