[发明专利]可碳酸盐化的硅酸钙组合物及其方法

说明书

优先权及相关专利申请

本申请要求2014年8月4日提交的美国临时申请序列号62/032,862的权益，其全部内容以其整体通过引用并入本文。

技术领域

本发明大体涉及硅酸钙组合物。更具体地，本发明涉及新型的可碳酸盐化的硅酸钙组合物和相、以及其制造方法和用途。这些硅酸钙组合物和相适合用作通过碳酸盐化过程硬化的非水凝性水泥。它们可以应用于基础设施、建筑、路面、和景观工业中的各种混凝土成分。

背景技术

混凝土是世界上消耗最多的人造材料。典型的混凝土是通过混合波特兰水泥、水、和诸如砂和碎石的集料制成。波特兰水泥是通过在回转窑中在1450℃的烧结温度下燃烧磨碎的石灰石和粘土或类似组成的材料的混合物而制成的合成材料。波特兰水泥制造不仅是一个能源密集型过程，而且释放大量的温室气体(CO₂)。水泥工业占全球人为二氧化碳排放量的约5％。超过60％的二氧化碳来自石灰石的化学分解或煅烧。

为了减少水泥工业的二氧化碳总排放量，人们一直在努力。根据国际能源署的建议，到2050年，水泥工业需要将其CO₂排放量从2007年的2.0Gt减少到1.55Gt。这是一项艰巨的任务，因为在同一时期，水泥产量预计将从2.6Gt增长到4.4Gt。

为了应对这一艰巨的挑战，需要一种革命性的水泥生产方法，其显著降低水泥厂的能源需求和CO₂排放。理想地，新方法优选地提供长期和安全地固存CO₂的能力，同时在设备和生产要求方面具有适应性和灵活性，允许传统水泥的制造商容易地转换到新平台。

发明内容

本发明的硅酸钙组合物为水泥生产的革命性方法提供了基础，其显着降低了能源需求和CO₂排放。所公开的可碳酸盐化的硅酸钙组合物由广泛可得的低成本原料、通过适于大规模生产的工艺制成。本发明的方法对设备及生产的要求灵活，容易地适用于传统水泥的制造设施。独特的方法还提供长期安全固存CO₂的卓越能力。

这些硅酸钙组合物能够以减少的设备需求、改进的能量消耗和更合乎需要的碳足迹用于各种混凝土应用中，诸如建筑、路面和景观、以及基础设施。

在一个方面，本发明大体涉及硅酸钙组合物和其化学组成。该组合物包括各种硅酸钙。在组合物中元素Ca与元素Si的摩尔比为约0.8至约1.2。该组合物还可以包括占总氧化物质量的约30％以下的Al、Fe、Mg的金属氧化物。硅酸钙组合物包含选自CS(硅灰石或假硅灰石)、C3S2(硅钙石)、C2S(斜硅钙石(belite)、或斜硅钙石(larnite)、或白硅钙石(bredigite))中的一个以上离散的硅酸钙相以及占全部相的约30％以上的硅酸钙系无定形相的掺合物。无定形相可以另外并入Al、Fe和Mg离子以及原材料中存在的其他杂质或痕量离子。这些硅酸钙相中的每种都适合于用CO₂碳酸盐化。

硅酸钙组合物还可以包含少量残留的CaO(石灰)和SiO₂(硅土)。

硅酸钙组合物还可以包含少量的C3S(硅酸三钙石，Ca₃SiO₅)。

存在于硅酸钙组合物中的C2S相可以以Ca₇Mg(SiO₄)₄(白硅钙石)存在，或者以α-Ca₂SiO₄、β-Ca₂SiO₄、或γ-Ca₂SiO₄多晶型物的任一种或其组合存在。

硅酸钙组合物还可以包含一定量的惰性相(即，在典型的碳酸盐化条件下不可碳酸盐化)，诸如通式为(Ca,Na,K)₂[(Mg,Fe²⁺,Fe³⁺,Al,Si)₃O₇]的黄长石型矿物(黄长石或钙铝黄长石或镁黄长石)和通式为Ca₂(Al,Fe³⁺)₂O₅的铁氧体型矿物(铁氧体或钙铁石或C4AF)。

硅酸钙组合物适合于在约30℃至约90℃的温度下用CO₂碳酸盐化，以约10％以上的质量增加形成CaCO₃。