包含机械化学羧化矿物填料和水泥和/或沥青粘合剂的组合物的制作方法

本发明涉及包含机械化学羧化矿物填料和粘合剂的组合物，其中，所述粘合剂为水泥和/或沥青。本发明还涉及制备所述组合物的方法。本发明还涉及由这些组合物制备混凝土的方法以及可通过所述制备混凝土的方法获得的混凝土。本发明还涉及机械化学羧化矿物填料的用途，例如用作沥青或水泥中的填料。

背景技术：

1、混凝土是一种复合材料，其包含骨料基体(通常为岩石材料)和粘合剂(通常为波特兰水泥或沥青)，粘合剂可将基体保持在一起。混凝土是使用频率最高的建筑材料之一，据说是地球上第二广泛使用的材料(仅次于水)。

2、为了降低混凝土的成本和全球水泥生产产生的co2排放，许多研究工作致力于识别可用作填料的廉价材料，以替代粘合剂组分而不(有害地)影响混凝土性能。

3、广泛使用的水泥填料的一个实例是石灰石。可在vanderley m.john等的文章“fillers in cementitious materials-experience,recent advances and futurepotential(胶凝材料中的填料-经验、最新进展和未来潜力)”，cement and concreteresearch 114(2018)：65-78中找到胶凝材料中的填料的全面综述。

4、波特兰水泥的生产贡献了约10％的世界二氧化碳排放量。根据vanderley等，在水泥需求增加的情况下，传统的水泥行业二氧化碳减排策略不足以确保必要的减排。因此，采用昂贵且对环境有风险的碳捕获与储存(ccs，carbon capture and storage)已被水泥行业领导者视为不可避免的解决方案。

5、因此，仍然需要开发可负担的如下填料技术：该技术可以结合通过减少水泥生产实现的co2减排和通过碳捕获技术实现的co2减排，并且不会不利地影响混凝土的性能。

6、本发明的一个目的是提供一种用于水泥或沥青粘合剂的改进填料。

7、本发明的另一个目的是提供一种用于水泥或沥青粘合剂的改进填料，所述填料生产成本低廉。

8、本发明的另一个目的是提供一种用于水泥或沥青粘合剂的改进填料，所述填料使用co2储存技术生产。

9、本发明的另一个目的是提供一种用于水泥或沥青粘合剂的改进填料，所述填料可改进所得混凝土的性能(例如抗压强度)。

技术实现思路

1、本发明人出乎意料地发现，这些目标中的一个或多个可以通过使用机械化学羧化矿物填料作为水泥和/或沥青的填料来实现，所述机械化学羧化矿物填料可通过包括如下步骤的方法获得：

2、a)提供包含硅酸盐矿物的固体原料；

3、b)提供包含co2的氧化气体；

4、c)将所述固体原料和所述氧化气体引入机械搅拌单元；

5、d)在所述机械搅拌单元中，在大于1atm的氧化气体压力下，在所述氧化气体的存在下和可选地在催化剂的存在下，对所述固体原料的材料进行机械搅拌操作，得到机械化学羧化矿物填料；

6、其中，

7、所述固体原料为bet表面积大于0.01m2/g且d50为0.1至5000μm的颗粒材料；以及

8、所述机械化学羧化矿物填料的co2含量大于1wt％(以机械化学羧化矿物填料的总重量计)，其中，所述co2含量被确定为通过tga-ms采用温度轨迹测量的高于120℃处的质量损失，其中，温度以10℃/min的速率从室温升至800℃、然后以15℃/min的速率降至室温。

9、如将在所附实施例中所示，发现当此种机械化学羧化矿物填料用作粘合剂(例如水泥)中的填料时，所得混凝土的抗压强度出乎意料地增加到超过使用纯水泥时获得的值。此外，强度发展的固化时间(set time)减少。此外，可以使用高得多的量的此种机械化学羧化矿物填料作为粘合剂(例如水泥)中的填料，同时仍能产生可接受的混凝土性能。

10、此外，所述机械化学羧化矿物填料的生产依赖于廉价的co2转化技术平台，使得提供了一种填料，所述填料可以以经济可行的方式生产，并且结合了通过减少水泥生产实现的co2减排和通过碳捕获技术实现的co2减排。

11、此外，发现使用所述机械化学飞灰填料生产的混凝土的耐久性显著提高。不希望受任何理论的束缚，本发明人认为这是由于混凝土的微观尺寸和亚微观尺寸的水化作用增强、氯化物渗透性降低和/或孔隙率降低。最后，与未经处理的原料相比，氧含量的增加可能会导致在极性溶剂中的分散性更好，以及与具有环氧基和羧基官能团的材料的相容性更好。

12、机械化学羧化方法的一般描述可以参见wo2019/012474。

13、因此，在第一方面，本发明提供了一种组合物，所述组合物包含机械化学羧化矿物填料和粘合剂；其中，所述粘合剂选自水泥、沥青及它们的组合；所述机械化学羧化矿物填料可通过包括如下步骤的方法获得：

14、a)提供包含硅酸盐矿物的固体原料，其中，所述固体原料为bet表面积大于0.01m2/g且d50为0.1至5000μm的颗粒材料；

15、b)提供包含co2的氧化气体；

16、c)将所述固体原料和所述氧化气体引入机械搅拌单元；以及

17、d)在所述机械搅拌单元中，在大于1atm的氧化气体压力下，在所述氧化气体的存在下和可选地在催化剂的存在下，对所述固体原料的材料进行机械搅拌操作，得到机械化学羧化矿物填料；

18、其中，

19、所述机械化学羧化矿物填料的co2含量大于1wt％(以机械化学羧化矿物填料的总重量计)，其中，所述co2含量被确定为通过tga-ms采用温度轨迹测量的高于120℃处的质量损失，其中，温度以10℃/min的速率从室温升至800℃、然后以15℃/min的速率降至室温。

20、在另一方面，本发明提供了一种制备本文所述的组合物的方法，所述方法包括如下步骤：

21、(i)提供本文所述的机械化学羧化矿物填料；

22、(ii)提供本文所述的粘合剂，所述粘合剂选自水泥、沥青及它们的组合；以及

23、(iii)将步骤(i)的机械化学羧化矿物填料与步骤(ii)的粘合剂合并。

24、在另一方面，本发明提供了一种制备混凝土的方法，所述方法包括如下步骤：

25、(i)提供本文所述的组合物；

26、(ii)提供建筑骨料；以及

27、(iii)使步骤(i)的组合物与步骤(ii)的建筑骨料接触、优选混合。

28、在另一方面，本发明提供了可通过本文所述的制备混凝土的方法获得的混凝土。

29、在另一方面，本发明提供了本文所述的机械化学羧化矿物填料的用途：

30、·作为本文所述的粘合剂中的填料；

31、·作为混凝土中的本文所述的粘合剂的部分替代品；

32、·提高混凝土的抗压强度；

33、·提高混凝土的耐久性；或

34、·通过降低氯化物渗透性和/或孔隙率来提高混凝土的耐久性。