一种脱硫灰基人造骨料及其制备方法和应用

本发明属于固废资源化利用和绿色建材领域，具体涉及一种脱硫灰基人造骨料及其制备方法和应用。

背景技术：

1、随着全球气候变化的挑战，降低co2排放已成为国际共识。为应对这一挑战，碳捕获、利用和储存(ccus)技术应运而生，其中co2矿化利用技术通过固废吸收并固定co2，有效结合了碳减排与固废资源化利用。该技术主要应用于钢铁和建筑领域，通过将废混凝土、钢渣等固废进行co2矿化反应，减排的同时提升建筑材料性能。

2、在硅酸钙体系中，矿化反应生成c-s-h凝胶和caco3。硅酸钙体系的矿化分为直接、同步和内部矿化；直接矿化是基础方法，将原料制作为骨料或砖块，通过矿化反应增强材料强度；同步矿化和内部矿化方法能提高co2固定能力，但成本较高。硅酸钙体系中，使用反应辅助、压力调节和混凝土搅拌矿化法提升产品强度，调节晶体形态和微观结构，但会增加原料成本和工艺复杂度。

3、直接矿化法简单方便，适用于废混凝土处理，可提高强度和耐久性。然而，现阶段研究表明，传统的直接矿化法不适合于脱硫灰等氧化钙体系，利用直接矿化法制备出的人造建材骨料容易出现开裂问题，这种开裂显著降低了骨料的抗压强度，不利于其在混凝土中的应用。

技术实现思路

1、本发明要解决的问题是：提供一种脱硫灰基人造骨料及其制备方法和应用，以解决直接矿化法制备的人造骨料易开裂及抗压强度低的问题。

2、为解决其技术问题所采取的技术方案是，提供一种脱硫灰基人造骨料的制备方法，包括以下步骤：

3、(1)将脱硫灰、生石灰、硫酸钠及水混合，得原料混合物；

4、(2)向原料混合物中加入水并进行团球造粒，得骨料颗粒；

5、(3)将骨料颗粒进行空气养护；

6、(4)将步骤(3)中空气养护后的骨料颗粒进行干燥处理；

7、(5)将步骤(4)中干燥处理后的骨料颗粒进行矿化养护，即得。

8、本发明采用上述技术方案的有益效果为：本发明团球造粒的过程中，通过料筒的旋转作用，使得加水湿润后的原料粉末逐渐发生团聚并形成小核状颗粒，小核状颗粒的粒径随着旋转时间的增加而逐渐增大，颗粒边缘受到磨损逐渐形成球状，最后得到粒径相对均匀、球形度较好的骨料颗粒；再对骨料颗粒进行空气养护，充分利用骨料颗粒内部的水分及氧气，使其自然进行水化反应，骨料颗粒中的氧化钙等高溶解度的化合物与水混合后断裂成离子或分子，水分子中的部分氢键与其结合形成新的氢键及键能较强的化合物，使得空气养护后的骨料颗粒强度有一定增加，再对其干燥后进行矿化养护。干燥后的骨料颗粒水分散失，此时骨料颗粒中的孔隙较多、较大，未参与水化反应的化合物进一步暴露在外；此时，仅靠氢键支撑的骨料颗粒在力学性能上仍不能达到较高的抗压强度，在此基础上进行矿化养护，一方面可以对废弃烟气中的co2进行回收再利用，另一方面可使骨料颗粒中存在的部分未反应的氧化钙进一步生成的氢氧化钙并与烟气中的co2进一步发生反应生成碳酸钙，形成更致密的微观结构；本申请中添加的硫酸钠可与空气养护及矿化养护生成的一部分氢氧化钙反应生成硫酸钙，硫酸钙进一步填充了骨料颗粒中的微孔和毛细孔，增强了其密实度，此外，硫酸钙的结晶形态类似纤维，可增强其抗压强度。本发明中以脱硫灰、生石灰及硫酸钠为主要原料经过空气养护及矿化养护制备的脱硫灰基人造骨料不易开裂，抗压强度较大。

9、优选的，步骤(1)中脱硫灰、生石灰及硫酸钠的质量比为(79～100):(0～15):(1～6)；水的质量为脱硫灰、生石灰及硫酸钠总质量的1～20％。

10、更优选的，步骤(1)中脱硫灰、生石灰及硫酸钠的质量比为(90～98):(0～8):2；水的质量为脱硫灰、生石灰及硫酸钠总质量的15％。

11、优选的，步骤(1)中混合时间为30～60min。

12、优选的，步骤(2)中水的质量为脱硫灰、生石灰及硫酸钠总质量的20～25％。

13、优选的，步骤(3)中空气养护包括以下步骤：将骨料颗粒置于常压、19～21℃及50～70％rh的条件下养护3～28d。

14、更优选的，步骤(3)中空气养护包括以下步骤：将骨料颗粒置于常压、20℃及70％rh的条件下养护3～7d。

15、优选的，步骤(4)中干燥处理的温度为45～55℃，时间为0.5～4h。

16、更优选的，步骤(4)中干燥处理的温度为50℃，时间为4h。

17、优选的，步骤(5)中矿化养护包括以下步骤：将步骤(4)中干燥处理后的骨料颗粒置于常压、58～62℃及70～90％rh条件下，利用co2体积浓度为5～100％的烟气进行养护4～24h。

18、更优选的，步骤(5)中矿化养护包括以下步骤：将步骤(4)中干燥处理后的骨料颗粒置于常压、60℃及80％rh条件下，利用co2体积浓度为10～20％的烟气进行养护4～12h。

19、本发明还提供上述制备方法制备的脱硫灰基人造骨料。

20、本发明还提供上述脱硫灰基人造骨料在制备矿井填充用混凝土中的应用。

21、本发明具有以下有益效果：

22、(1)本发明的脱硫灰基人造骨料的制备方法简单且利用该方法制备的脱硫灰基人造骨料可显著降低现有骨料对外加胶凝材料、co2浓度、额外压力设备和养护时间的依赖，为脱硫灰基人造骨料的资源化利用提供一种可行的技术路径。

23、(2)本发明制备的脱硫灰基人造骨料抗压强度≥2.0mpa、吸水率≤20.0％且不易开裂，适用于道路施工混凝土材料和矿井填充混凝土材料中，适用范围广，应用潜力巨大。

24、(3)本发明制备的脱硫灰基人造骨料成本低、养护时间短、骨料性能优异且对环境友好性强，克服了脱硫灰基人造骨料易开裂的问题，同时还实现了co2的固定封存和脱硫灰的资源化利用。

技术特征：

1.一种脱硫灰基人造骨料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.如权利要求1所述的脱硫灰基人造骨料的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中脱硫灰、生石灰及硫酸钠的质量比为(79～100):(0～15):(1～6)；所述水的质量为脱硫灰、生石灰及硫酸钠总质量的1～20％。

3.如权利要求2所述的脱硫灰基人造骨料的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中脱硫灰、生石灰及硫酸钠的质量比为(90～98):(0～8):2；所述水的质量为脱硫灰、生石灰及硫酸钠总质量的15％。

4.如权利要求1所述的脱硫灰基人造骨料的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中混合时间为30～60min。

5.如权利要求1所述的脱硫灰基人造骨料的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中水的质量为脱硫灰、生石灰及硫酸钠总质量的20～25％。

6.如权利要求1所述的脱硫灰基人造骨料的制备方法，其特征在于，所述步骤(3)中空气养护包括以下步骤：将骨料颗粒置于常压、19～21℃及50～70％rh的条件下养护3～28d。

7.如权利要求1所述的脱硫灰基人造骨料的制备方法，其特征在于，所述步骤(4)中干燥处理的温度为45～55℃，时间为0.5～4h。

8.如权利要求1所述的脱硫灰基人造骨料的制备方法，其特征在于，所述步骤(5)中矿化养护包括以下步骤：将步骤(4)中干燥处理后的骨料颗粒置于常压、58～62℃及70～90％rh条件下，利用co2体积浓度为5～100％的烟气进行养护4～24h。

9.采用权利要求1～8任一项所述的制备方法制备的脱硫灰基人造骨料。

10.权利要求9所述的脱硫灰基人造骨料在制备矿井填充用混凝土中的应用。

技术总结本发明提供一种脱硫灰基人造骨料及其制备方法和应用，属于固废资源化利用和绿色建材领域。脱硫灰基人造骨料的制备方法包括以下步骤：(1)将脱硫灰、生石灰、硫酸钠及水混合，得原料混合物；(2)向原料混合物中加入水并进行团球造粒，得骨料颗粒；(3)将骨料颗粒进行空气养护；(4)将步骤(3)中空气养护后的骨料颗粒进行干燥处理；(5)将步骤(4)中干燥处理后的骨料颗粒进行矿化养护，即得。本发明还包括脱硫灰基人造骨料及其在制备矿井填充用混凝土中的应用。本发明制备的脱硫灰基人造骨料抗压强度大、吸水率低且不易开裂，适用范围广，同时还实现了CO<subgt;2</subgt;的固定封存和脱硫灰的资源化利用。技术研发人员：王超,邢超,吕俊霖,席向峰,赵胜龙,周昶安,宋磊,马奎,冯浩,岳海荣,梁斌受保护的技术使用者：四川大学技术研发日：技术公布日：2024/5/27