一种基于直接空气捕集的吸碳自修复轻质混凝土及其制备方法

本发明属于自修复混凝土，涉及一种基于直接空气捕集的吸碳自修复轻质混凝土及其制备方法。

背景技术：

1、随着材料科学的不断发展，建筑工程对建筑材料在质量、能耗、消防等方面的性能提出了更高的要求，轻质混凝土作为一种解决方案引起了广泛关注。轻质混凝土的一种制备方法是向混凝土中引入发泡剂，在混凝土中产生稳定的气泡；另一种制备方法是向混凝土中填充轻质骨料，譬如浮石、火山渣等天然骨料和陶粒、膨胀珍珠岩等人工骨料。相较传统混凝土，轻质混凝土密度更小，质量更轻，可以降低建筑结构自重，提高结构整体性能。同时，由于其导热系数低，轻质混凝土的保温、隔热、防火性能优良。目前，轻质混凝土已广泛应用于建筑结构、桥梁工程、道路工程等领域。然而，由于轻质混凝土内部孔隙率较大，其防止外部溶液和气体渗入的能力较弱，耐久性能较差。特别是在寒冷气候、离子侵蚀、干湿循环等不良环境影响下，轻质混凝土极易产生裂缝，发生劣化，甚至发生破坏。

2、现阶段，修复混凝土裂缝的方法主要包括沿原有裂缝开槽，填充pmsc和环氧树脂砂浆等的填充法；向裂缝注入环氧树脂、氨基甲酸乙酯等浆体材料的灌浆法；利用微生物或生物酶诱导成矿生成caco3的微生物法。然而，这些传统修补方式均需要人工干预，修复还可能会因停工而延误工期，费时费力，且修复效果不够稳定。在这一情况下，自修复混凝土技术应用而生。该技术通过向混凝土中引入自修复剂，当混凝土产生裂缝时，自修复剂释放或与混凝土材料反应生成修复物质，自动填充裂缝；也可通过向混凝土中加入微生物，在裂缝处代谢并诱导生成caco3，对裂缝自主修复。然而，自修复混凝土技术仍面临极大的挑战，譬如，有些自修复剂使用寿命有限，失效后留在混凝土中将降低其强度；某些自修复技术采用的细菌在代谢时会产生有害气体，对环境产生不利影响。

3、混凝土产生的碳排量约占全球总碳排量的5％～8％，特别是水泥生产和材料运输都伴随着大量co2的排放。随着“双碳目标”的提出，混凝土材料也逐步向绿色环保的方向发展。主要的方式是通过改良混凝土材料配方来降低生产端的碳排，譬如使用工业废弃物替代水泥，减少水泥用量；或采用废弃混凝土或工业废渣作为再生骨料，降低对原生资源的需求。然而，使用这些环保材料制备的新型混凝土物理力学性能参差不齐，且属于零排技术，对“双碳目标”的贡献十分有限。目前，几乎没有关于混凝土基于直接空气捕集原理，对空气中浓度极低的co2进行吸附这一负排技术的研究或应用。另一方面，大气环境作为储量巨大的碳库，空气中的co2取之不尽。如能直接捕集和利用空气中的co2，并将其转化为co32-，作为混凝土常用的自修复材料caco3的原料，将在自修复混凝土技术领域发挥巨大潜力。

技术实现思路

1、本发明的目的就是为了提供一种基于直接空气捕集的吸碳自修复轻质混凝土及其制备方法，其采用轻质骨料制备混凝土，有利于降低混凝土材料自重，增强其防火隔热性能，通过混凝土材料对空气中浓度极低的co2进行吸附，同时将其转化为co32-，作为混凝土自修复材料的原料，突破混凝土吸碳负排技术和利用空气中co2自修复混凝土的技术瓶颈。

2、本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

3、本发明的技术方案之一提供了一种基于直接空气捕集的吸碳自修复轻质混凝土，包括以下重量份数的原料组分：400～500份胶凝材料、400～600份吸碳轻质骨料、20～25份外加剂、200～250份水。

4、进一步的，所述胶凝材料为普通硅酸盐水泥和膨润土的混合物。更进一步的，所述普通硅酸盐水泥和膨润土的质量比为16:1～20:1。膨润土是一种天然黏土矿物，主要矿物成分为蒙脱石。在碱性环境中，膨润土中的sio2和al2o3溶解，si-o和al-o键断裂形成游离的不饱和活性键，与水泥和生石灰水化产生的ca2+和oh-发生火山灰反应，生成csh、cah和aft等胶凝水化产物，填充在辅料之间，颗粒粘结作用增强，混凝土整体强度增大。另一方面，膨润土胶体将在钢筋表面附着，并聚集形成保护层抑制溶解氧的扩散，防止钢筋发生氧化，同时增加氯离子向混凝土渗透的时间，减缓由于氯离子增加而引起的钢筋表面钝化层破坏，从而防止钢筋发生锈蚀，增强其耐久性。

5、进一步的，所述吸碳轻质骨料为杂化离子交换树脂。

6、更进一步的，所述杂化离子交换树脂通过以下方法制备得到：

7、(a)称取离子交换树脂浸渍在cucl2溶液中，过滤得到负载cu2+的离子交换树脂；

8、(b)将负载cu2+的离子交换树脂浸渍到naoh溶液中，过滤得到杂化离子交换树脂。

9、更优选的，步骤(a)中，cucl2溶液的浓度为10g/l～20g/l，溶液体积为离子交换树脂的20～30倍，浸渍时间为72h～84h。

10、更优选的，步骤(b)中，所述naoh溶液的质量分数为1％-5％，naoh溶液体积为离子交换树脂的15～20倍，浸渍时长为36h～48h。

11、更优选的，所述离子交换树脂为大孔弱碱性苯乙烯系阴离子交换树脂。

12、本发明的杂化离子交换树脂密度为1100kg/m3～1200kg/m3，质量较轻，作混凝土骨料可降低混凝土密度，减少结构自重，增强混凝土防火隔热性能。其工作示意图如图1，基于路易斯酸碱反应，cu2+通过共价键与三个n原子连接，由于cu2+仍有两个正电荷未被中和，可作为整个材料系统的离子交换点位。负载oh-作为平衡离子，由于酸碱中和反应的原理，将对空气中低浓度co2的进行不可逆定向吸附；当接触空气中的co2时，由于酸碱中和以及静电引力的协同作用，弱酸性的co2将被反应成为hco3-后结合在配位点上；完成吸附后，当存在cl-时，由于弱碱性阴离子交换树脂配合cl-的优先级高于hco3-，cl-将被结合在配位点上，取代已经配合的hco3-。不稳定的hco3-进入强碱性溶液相中，反应生成co32-，与ca2+反应生成caco3。当混凝土出现裂纹时，caco3可作为修复材料可修补裂纹，从而实现混凝土的自修复过程。

13、进一步的，所述外加剂为氯化钙和生石灰的混合物，优选的，两者的质量比为9:1～12:1。氯化钙可提供杂化离子交换树脂解吸附所需要的cl-，同时也可作为钙源为生成caco3修复材料提供ca2+。并且，氯化钙作为一种早强剂，可促进水泥的水化反应，与水化产物中的3cao·al2o3反应生成水泥石结构，从而提高混凝土的早期强度。生石灰作为外加剂，可与水泥共同维持材料ph在12～13之间。强碱性环境可使促使膨润土释放活性离子发生火山灰反应，提高混凝土强度，也可使杂化离子交换树脂解吸附释放的不稳定hco3-转化为co32-，与ca2+反应生成caco3修复材料。同时，生石灰也可作为钙源为生成caco3修复材料提供ca2+。

14、本发明的技术方案之二提供了一种基于直接空气捕集的吸碳自修复轻质混凝土的制备方法：包括以下步骤：

15、称取胶凝材料、吸碳轻质骨料、外加剂和水；将各组分按配比依次加入混凝土搅拌机中，可以设置转速为285r/min，搅拌3min，直至均匀；搅拌完成后，将混凝土拌合物填充在钢板模具中，采用振捣法确保其混凝土拌合物密实；用塑料膜密封以保持试件表面湿度，置于室温环境中静置(优选为1天)；拆模，置于标准养护室(养护条件优选为温度20±2℃，相对湿度大于95％)中养护(时间优选为28天)，即得吸碳自修复轻质混凝土。

16、与现有技术相比，本发明具有以下优点：

17、(1)采用轻质骨料制备混凝土，将降低混凝土密度，有助于减少结构自重恒载；同时减小混凝土的导热系数，有助于增强其防火隔热性能。

18、(2)通过混凝土对空气中浓度极低的co2进行吸附，这一负排技术将大幅推进混凝土向绿色环保建材方向的发展，消除温室气体，有助于从根源处缓解当前的气候变化问题。

19、(3)直接利用空气中取之不尽的co2作为混凝土自修复材料caco3的原料，实现碳减排目标的同时，将大幅降低混凝土自修复材料的成本，有助于增强自修复混凝土的适用性。