[发明专利]一种高性能碱激发胶凝材料及其制备方法

说明书

本发明公开了一种高性能碱激发胶凝材料及其制备方法，该胶凝材料是将碳酸化钢渣与包含碱金属硅酸化合物的碱激发剂混合反应得到，相比于传统钢渣碱激发胶凝材料，本发明技术方案采用胶凝活性更低、利用价值更差的碳酸化钢渣作为原料，通过特殊的碱激发剂激发，在无需额外添加胶凝活性组分的条件下获得力学性能和稳定性更好的凝胶材料，实现了低活性碳酸化钢渣的高效利用，具有较高的经济价值。

技术领域

本发明涉及一种胶凝材料，具体涉及一种利用碳酸化钢渣制备的高性能碱激发胶凝材料，还涉及其制备方法，属于资源循环利用领域。

背景技术

钢渣是钢铁生产过程的副产物，据统计，2020年我国钢铁生产过程共产生钢渣约1.5亿吨。钢渣虽然具有与水泥相似的化学组成，但由于游离氧化钙含量过高，容易导致混凝土制品体积膨胀开裂等问题，影响产品的稳定性和结构的安全性。现阶段我国钢渣的综合利用率较低，亟待开发安全高效的钢渣资源化利用方法。

钢渣中高含量的钙镁组分为其矿化CO₂提供了有利条件，国内外关于钢渣固碳开展了一系列研究，先后开发了热态钢渣直接固碳、冷态钢渣直接固碳、冷态钢渣间接固碳等工艺。固碳钢渣主要组分为碳酸钙，游离氧化钙含量大幅降低。但导致其体积进一步增大。

碱激发胶凝材料因其具有力学性能优良、耐腐蚀、耐高温等优点，加之制备过程碳排放低，近年来备受关注。钢渣碳酸化处理过程中，具有水化活性的硅酸三钙、硅酸二钙等与CO₂反应，导致碳酸化钢渣水化活性降低，从而导致碳酸化钢渣部分取代水泥制备混凝土材料会导致材料长期性能不理想，如何开发一种以碳酸化钢渣为原料的胶凝材料成为当下的研究热点，该方法的突破不仅可以保障高品质建筑材料的生产，还有助于提高钢渣资源化利用水平，对经济社会发展具有重要推动作用。

发明内容

针对现有技术中存在碳酸化钢渣水化活性低，难以在胶凝材料中使用的技术问题，本发明的第一个目的在于提出一种高性能碱激发胶凝材料，该胶凝材料采用单一的碳酸化钢渣作为原料，通过采用特殊的碱激发剂实现其胶凝活性的激发，获得固结速率快，固结强度高的胶凝材料。该胶凝材料大量采用固废材料，辅助添加剂种类少，在达到“以废治废”的目的下还不易造成二次污染，且该胶凝材料不易开裂、抗压性高，具有优异的力学性能和稳定性。

本发明的第二个目的在于提供一种碳酸化钢渣高性能碱激发胶凝材料的制备方法，该方法工艺简单，便于操作，所需设备投资小，成本低廉，所得产品可满足建筑材料和工业原料的要求，具有较高的经济价值。

为了实现上述技术目的，本发明提供了一种利用碳酸化钢渣制备高性能碱激发胶凝材料的方法，将碳酸化钢渣与包含碱金属硅酸化合物的碱激发剂混合反应，即得。

现有技术中的碳酸化钢渣是由钢渣吸附CO₂所形成，由于二氧化碳大幅消耗钢渣中的硅酸三钙、硅酸二钙等活性组分，从而导致其活性降低，难以激发形成胶凝材料。本发明关键是在于通过采用特殊的包含碱金属硅酸化合物的碱激发剂来实现碳酸化钢渣的激发并获得高性能胶凝材料。碳酸化钢渣中的碳酸钙成分在适当的碱性条件下可部分水解溶出，但强碱性会抑制钙镁等的溶出，本发明技术方案：一方面，利用含碱金属硅酸化合物的碱激发剂构建适宜的碱性环境，促使碳酸化钢渣中钙、镁等组分的溶出，另外一方面，通过含碱金属硅酸化合物的碱激发剂引入高活性硅酸离子SiO_x(OH)_4-x^-x成分，诱导溶出的钙离子等与SiO_x(OH)_4-x^-x等离子结合生成C-S-H、N-C-S-H、N-S-H等凝胶，同时钙离子参与水化反应能够促进碳酸钙的水解反应平衡移动，有利于水化反应的持续进行，第三方面，利用碱性激发剂激发过程中碳酸钙是不断发生水解和重结晶反应，这就导致原本分散不均匀的碳酸盐在重结晶的作用下针对性的填充在C-S-H、N-C-S-H、N-S-H等凝胶的空隙中，形成致密的微观结构，从而获得较高的固结强度。