[发明专利]一种Ca/Al层状双氢氧化物的碳酸基胶凝材料及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种Ca/Al层状双氢氧化物的碳酸基胶凝材料及其制备和应用。本发明添加一定细度石灰石粉为唯一前体，混合偏铝酸钠为激发剂形成复合胶凝材料，在解决固体废弃物高值化、资源化利用的同时，生产出具有较高强度的碳酸基胶凝材料，偏铝酸钠促使碳酸钙的重构形成的层状双电层结构显著提高了形成的胶凝材料的力学性能，形成的胶凝材料同时兼备水泥材料的使用要求与固体废弃物的资源化利用。

技术领域

本发明属于建筑材料技术领域，涉及一种早高强碳酸基胶凝材料及其制备方法和应用，具体涉及一种以石灰石粉为唯一前体，偏铝酸钠为激发剂的早高强碳酸基胶凝材料及其制备方法和应用。

背景技术

碳酸钙是自然界中广泛存在的一种不可缺少的矿物，储量丰富。它不仅是岩石和矿物的重要组成部分，也是动物骨骼或贝壳的主要成分。碳酸钙在全球碳循环中也扮演着关键角色。此外，碳酸钙经常被用作研究离子溶液结晶和成核的模型结构。在建筑领域，碳酸钙被广泛关注，如塑料、化工建材、粘合剂和密封材料。中国是碳酸钙生产和使用的超级大国，近5年碳酸钙年产量超过3000万吨；特别是2019年，产量达到3595万吨，占全球产量的28.8％。然而，碳酸钙的开采不可避免地会产生大量富含碳酸钙的粉末废料。因此，如何优质高效地处理这些块状固体废弃物一直是建设资源节约型和环境友好型社会的重大挑战；与此同时，水泥行业面临着减少能源消耗和减少温室气体排放的巨大压力，因此迫切需要积极寻找某些可持续、可靠的材料的替代品。碳酸钙的掺入对胶凝复合材料的力学性能没有明显的副作用，甚至对其早期强度、水化过程、耐久性和微观结构有积极的协同作用。因此，石灰石粉由于其价格低廉、环境压力低等显著优势，已经能够部分或完全取代波特兰水泥参与胶凝材料的形成，引起了研究者的关注。

碳酸钙一直被认为是惰性物质，在室温下活性不高。而碳酸钙经过高温煅烧和机械搅拌后可以提高其活性，从而在水泥复合材料中得到广泛应用。具体而言，通过微骨料填充、微晶稀释成核等物理效应和化学效应来影响胶凝复合材料的性能。同时，具有一定活性的石灰石粉依靠其独特的微晶成核作用，加速C₃A水化生成水化铝酸钙，从而改善混凝土的力学性能。另一方面，碳酸钙可以调节C-S-H凝胶中的Ca/Si与C₃S反应生成水合碳硅酸盐钙。有报道称，采用石灰石粉部分替代水泥不仅改善了混凝土的和易性，还提高了混凝土的强度和抗渗性。值得注意的是，为了不显著影响胶凝材料的可操作性，代用量的限制总是设定在10-50％左右。由于施工极其复杂，快速修复、早强支护等应用需求逐渐增加。与此同时，混凝土在复杂条件下不断发生大规模退化，这为寻找水泥替代品提供了动力。鉴于这一需求，学者们非常有兴趣进一步扩大这一限制，创造完全或几乎完全由废物制成的粘合剂，实现100％替代。近年来，以石灰石粉为唯一前驱体，在硅酸钠-碱溶液中制备碱活化水泥的研究取得了初步成果。由于石灰石粉的结构溶解在碱性介质中，强度的形成可能是由于石灰石粉的重结晶造成的。同时钙离子被二氧化碳碳酸化，使基体形成致密结构，有利于强度的发展。上述研究主要集中在碳硅酸盐体系上，但碳铝酸盐体系的发展也为以碳酸钙为主要前驱体的碱活性材料提供了新的视角。偏铝酸钠水溶液呈碱性，常用于水玻璃混合用于工程堵漏。此外，其与硫酸铝混合使用可作为一种良好的填充剂。然而，由于偏铝酸钠的快速溶解，低掺量的偏铝酸钠与石灰石粉的反应并不显著。与此同时，较少的偏铝酸钠溶解放热不足以促进其与石灰石粉的反应。因此，本发明所述的方法可为碳酸钙的高价值利用提供一种新的思路，策略简单，为碳酸钙基胶凝材料的研究提供重要参考。

发明内容

为了解决现有大宗废弃石灰石粉的资源化利用问题，减少水泥基材料的二氧化碳排放，本发明的目的是在于提供一种利用废石灰石合成层状双电层碳酸基胶凝材料基材料及其制备和应用，本发明添加石灰石粉为唯一前体，偏铝酸钠为激发剂的早高强碳酸基胶凝材料，在解决现有固体废弃物堆积的先决情况下，形成高强度的碳酸基胶凝材料。

为了实现上述技术目的，本发明采用如下技术方案：