本發(fā)明涉及低碳水泥基材料，具體涉及一種酸-鎂鹽協(xié)同改性鋼渣制備高固碳摻合料的方法及其應(yīng)用。

背景技術(shù)：

1、公開該背景技術(shù)部分的信息僅僅旨在增加對(duì)本發(fā)明的總體背景的理解，而不必然被視為承認(rèn)或以任何形式暗示該信息構(gòu)成已經(jīng)成為本領(lǐng)域一般技術(shù)人員所公知的現(xiàn)有技術(shù)。

2、鋼渣是鋼鐵冶煉過程中產(chǎn)生的固體廢物，其產(chǎn)量巨大，且較高的重金屬含量會(huì)浸出污染周圍水土環(huán)境。鋼渣中含有大量的氧化鈣，例如轉(zhuǎn)爐鋼渣的cao含量約為40%，如果將鋼渣中的cao完全碳化成碳酸鈣，每噸鋼渣大約能封存314kg的co2。此外，通過碳化處理后還能大幅減少鋼渣中的游離氧化鈣（ f-cao）含量，減少體積安定性不良的風(fēng)險(xiǎn)。

3、然而，隨著碳化的進(jìn)行，鋼渣表層形成的碳化物會(huì)逐漸將鋼渣中的孔隙堵塞，進(jìn)而造成外部的二氧化碳?xì)怏w難以進(jìn)入到鋼渣中與其內(nèi)部的 f-cao反應(yīng)，導(dǎo)致碳化反應(yīng)的程度不足，不僅影響固碳量，而且鋼渣中殘留的 f-cao還容易帶來體積安定性不良的問題，造成摻加了鋼渣的混凝土/水泥基材料在服役過程中發(fā)生開裂，承載能力下降。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、針對(duì)上述的問題，本發(fā)明提供一種酸-鎂鹽協(xié)同改性鋼渣制備高固碳摻合料的方法及其應(yīng)用，其不僅能夠有效提升鋼渣的固碳量，而且還能夠提升摻加了這種鋼渣的混凝土/水泥基材料的力學(xué)性能。具體地，本發(fā)明的技術(shù)方案如下所示。

2、首先，本發(fā)明公開一種酸-鎂鹽協(xié)同改性鋼渣制備高固碳摻合料的方法，包括如下步驟：

3、（1）將鋼渣粉和水溶性的鎂鹽加入到水中，再加入直鏈多羥基有機(jī)弱酸和聚羧酸減水劑攪拌均勻，得到預(yù)處理鋼渣懸浮液，備用。

4、（2）在所述預(yù)處理鋼渣懸浮液中通入二氧化碳?xì)怏w，并在攪拌條件下進(jìn)行碳化反應(yīng)，完成后得到碳化鋼渣懸浮液。將其進(jìn)行固液分離后對(duì)得到的固體產(chǎn)物進(jìn)行干燥，即得所述高固碳摻合料。

5、進(jìn)一步地，步驟（1）中，所鋼渣粉與水的質(zhì)量比例為1：8~13。

6、進(jìn)一步地，步驟（1）中，所述鋼渣粉包括：轉(zhuǎn)爐鋼渣粉、電爐鋼渣粉、平爐鋼渣粉等中的至少一種?？蛇x地，所述鋼渣的比表面積為350~550m2/kg。所述鋼渣中的鈣、鎂元素與二氧化碳反應(yīng)形成穩(wěn)定的碳酸鹽礦物，起到固化二氧化碳的作用，同時(shí)還有利于減小鋼渣摻合料體積安定性不良帶來的風(fēng)險(xiǎn)。

7、進(jìn)一步地，步驟（1）中，所述水溶性的鎂鹽添加量為鋼渣粉質(zhì)量的1~5%?？蛇x地，所述鎂鹽包括：氯化鎂、硝酸鎂、硫酸鎂中的至少一種。在本發(fā)明中，利用所述鎂鹽使碳化過程中形成的無定形碳酸鈣轉(zhuǎn)變?yōu)閬喎€(wěn)態(tài)的呈長(zhǎng)須狀的文石，為二氧化碳向鋼渣內(nèi)部擴(kuò)散提供通道，顯著提升碳酸化反應(yīng)速率和碳化反應(yīng)程度。

8、進(jìn)一步地，步驟（1）中，所述直鏈多羥基有機(jī)弱酸添加量為鋼渣粉質(zhì)量的3~7%。可選地，直鏈多羥基有機(jī)弱酸包括：檸檬酸、葡萄糖酸、酒石酸等中的至少一種。本發(fā)明采用直鏈多羥基有機(jī)弱酸不僅改變了鋼渣的孔隙結(jié)構(gòu)，使鋼渣顆粒表面疏松多孔，利于二氧化碳進(jìn)入鋼渣顆粒內(nèi)部，增加碳化反應(yīng)程度，而且利用所述直鏈多羥基有機(jī)弱酸的直鏈多羥基官能團(tuán)促進(jìn)碳化過程中納米級(jí)碳酸鈣顆粒的生成。

9、進(jìn)一步地，步驟（1）中，所述聚羧酸減水劑為鋼渣粉質(zhì)量的0.3~0.6%。

10、進(jìn)一步地，步驟（1）中，所述攪拌的時(shí)間為15~30min。

11、進(jìn)一步地，步驟（2）中，所述通入二氧化碳的氣體流速為80~120ml/min。優(yōu)選地，所述二氧化碳由工業(yè)尾氣提供。

12、進(jìn)一步地，步驟（2）中，所述碳化反應(yīng)的時(shí)間為50~60min，反應(yīng)的溫度為50~65℃。

13、進(jìn)一步地，步驟（2）中，所述干燥的溫度為100~130℃，烘干時(shí)間為4~6h。

14、其次，本發(fā)明公開所述酸-鎂鹽協(xié)同改性鋼渣制備高固碳摻合料在水泥基材料、混凝土材料等中的應(yīng)用?？蛇x地，所述高固碳摻合料為水泥組分質(zhì)量的10~20%。

15、相較于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明的技術(shù)方案至少具有以下方面的有益效果：

16、正如前文所述，隨著碳化的進(jìn)行，鋼渣表層形成的碳化物會(huì)逐漸將鋼渣中的孔隙堵塞，導(dǎo)致碳化反應(yīng)的程度不足。為此，本發(fā)明在進(jìn)行碳化處理前先將鋼渣置于含有鎂鹽和直鏈多羥基有機(jī)弱酸的水中進(jìn)行預(yù)處理。在此過程中，一方面，所述直鏈多羥基有機(jī)弱酸進(jìn)入鋼渣中后改變孔隙結(jié)構(gòu)，使鋼渣顆粒表面疏松多孔，利于后續(xù)碳化過程中二氧化碳進(jìn)入鋼渣顆粒內(nèi)部，增加碳化反應(yīng)程度。另一方面，所述直鏈多羥基有機(jī)弱酸中的直鏈多羥基官能團(tuán)可有效降低碳酸鈣結(jié)晶過程中的活化能，加速晶核的形成，提高碳化效率。同時(shí)，這類官能團(tuán)通過穩(wěn)定新生晶核的結(jié)構(gòu)，顯著抑制晶核間的團(tuán)聚傾向，最終導(dǎo)向納米級(jí)碳酸鈣顆粒的生成，而這些納米碳酸鈣在水泥水化過程中能夠作為c-s-h的成核位點(diǎn)促進(jìn)水泥水化，提升水泥的早期強(qiáng)度。所述鎂鹽提供的鎂離子在碳化過程中形成的碳酸鎂摻雜在碳化形成的無碳酸鈣中，使碳酸鈣的結(jié)構(gòu)更加疏松，從而可為二氧化碳向鋼渣內(nèi)部擴(kuò)散提供通道，使鋼渣內(nèi)部的礦物持續(xù)溶解釋放更多的鈣離子進(jìn)行碳化反應(yīng)，從而顯著提升了碳酸化反應(yīng)速率和碳化反應(yīng)程度，確保碳化反應(yīng)的后期反應(yīng)速率，從而封存更多的二氧化碳。再一方面，所述聚羧酸減水劑吸附在鋼渣表面使鋼渣顆粒通過靜電排斥更加均勻地分散在懸浮液中，從而在進(jìn)行碳化時(shí)能夠更加充分地與二氧化碳接觸，提高碳化效率。同時(shí)，所述聚羧酸減水劑還利用其長(zhǎng)鏈阻止碳化過程中形成的文石型碳酸鈣向方解石轉(zhuǎn)變，而文石型碳酸鈣的結(jié)構(gòu)更加疏松，從而可以抑制碳化過程中鋼渣表面形成致密的方解石碳酸鈣層，有利于二氧化碳進(jìn)入鋼渣內(nèi)部，提升碳化效率。另外，這些文石型碳酸鈣在水泥材料的水化過程中自發(fā)轉(zhuǎn)變?yōu)榉浇馐Y(jié)構(gòu)后還能夠使水泥結(jié)構(gòu)更加致密，實(shí)現(xiàn)材料強(qiáng)度的后期自增強(qiáng)。

技術(shù)特征：

1.一種酸-鎂鹽協(xié)同改性鋼渣制備高固碳摻合料的方法，其特征在于，包括如下步驟：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的酸-鎂鹽協(xié)同改性鋼渣制備高固碳摻合料的方法，其特征在于，步驟（1）中，所鋼渣粉與水的質(zhì)量比例為1：8~13；

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的酸-鎂鹽協(xié)同改性鋼渣制備高固碳摻合料的方法，其特征在于，步驟（1）中，所述水溶性的鎂鹽添加量為鋼渣粉質(zhì)量的1~5%。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的酸-鎂鹽協(xié)同改性鋼渣制備高固碳摻合料的方法，其特征在于，步驟（1）中，所述鎂鹽包括：氯化鎂、硝酸鎂、硫酸鎂中的至少一種。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的酸-鎂鹽協(xié)同改性鋼渣制備高固碳摻合料的方法，其特征在于，步驟（1）中，所述有機(jī)弱酸添加量為鋼渣粉質(zhì)量的3~7%；

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的酸-鎂鹽協(xié)同改性鋼渣制備高固碳摻合料的方法，其特征在于，步驟（1）中，所述聚羧酸減水劑為鋼渣粉質(zhì)量的0.3~0.6%。

7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的酸-鎂鹽協(xié)同改性鋼渣制備高固碳摻合料的方法，其特征在于，步驟（2）中，所述通入二氧化碳的氣體流速為80~120ml/min；優(yōu)選地，所述二氧化碳由工業(yè)尾氣提供。

8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的酸-鎂鹽協(xié)同改性鋼渣制備高固碳摻合料的方法，其特征在于，步驟（2）中，所述碳化反應(yīng)的時(shí)間為50~60min，反應(yīng)的溫度為50~65℃。

9.根據(jù)權(quán)利要求1-8任一項(xiàng)所述的酸-鎂鹽協(xié)同改性鋼渣制備高固碳摻合料的方法，其特征在于，步驟（2）中，所述干燥的溫度為100~130℃，烘干時(shí)間為4~6h。

10.權(quán)利要求1-9任一項(xiàng)所述的方法制備的高固碳摻合料在水泥基材料和/或混凝土材料中的應(yīng)用；可選地，所述高固碳摻合料為水泥組分質(zhì)量的10~20%。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明涉及低碳水泥基材料技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種酸?鎂鹽協(xié)同改性鋼渣制備高固碳摻合料的方法及其應(yīng)用。所述方法包括如下步驟：（1）將鋼渣粉和水溶性的鎂鹽加入到水中，再加入有機(jī)弱酸在攪拌條件下進(jìn)行反應(yīng)，得到預(yù)處理鋼渣懸浮液。（2）在所述預(yù)處理鋼渣懸浮液中通入二氧化碳?xì)怏w，并在攪拌條件下進(jìn)行碳化反應(yīng)，完成后得到碳化鋼渣懸浮液。將其進(jìn)行固液分離后對(duì)得到的固體產(chǎn)物進(jìn)行干燥，即得所述高固碳摻合料。本發(fā)明的方法不僅能夠有效提升鋼渣的固碳量，而且還能夠提升摻加了這種鋼渣的混凝土/水泥基材料的力學(xué)性能。

技術(shù)研發(fā)人員：張麗娜,魯繼昶,張響,余其俊,盧曉磊,張同生,宮晨琛,程新
受保護(hù)的技術(shù)使用者：濟(jì)南大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/5/8