一种调控含硫铝酸钙矿物水泥的水化进程及碳化的方法与流程

本发明涉及双碳利用，特别是涉及一种调控含硫铝酸钙矿物水泥的水化进程及碳化的方法。

背景技术：

1、硫铝酸盐水泥基材料主要包括普通硫铝酸盐水泥、高贝利特硫铝酸盐水泥，以及含有硫铝酸钙矿物的复合硫铝酸盐水泥。这三种硫铝酸盐水泥基材料都含有硫铝酸钙(c4a3$，ye'elimite)和硅酸二钙(c2s，贝利特)，硫铝酸钙矿物的水化速度很快，水化放热比较集中，属于一种早期水化活性比较高的矿物，但是后期强度稍有倒缩。因此，硫铝酸盐水泥基材料具有早期强度高、凝结速度快、碱度低、微膨胀、耐侵蚀和抗冻性等特点。硫铝酸钙矿物与水反应生成水化硫铝酸钙，视外加石膏数量的多少，可生成不同数量的高硫型水化硫铝酸钙(aft)和低硫型水化硫铝酸钙(afm)，因而产生不同的膨胀量。

2、众所周知，石灰石在硅酸盐中属于惰性混合材，而在硫铝酸盐中它能发生化学反应，形成水化碳铝酸钙(3cao·al2o3·3caco3·32h2o)的水化产物，从而成为具有一定活性的混合材。如果石灰石是由碳化形成的碳酸钙晶体，那么由此复合产生的水化活性则更高。

3、中国专利公开号为cn115872650a公开了一种碳化改性钢渣粉体的制备方法、碳化改性钢渣粉体和水泥基胶凝材料活性掺合料，其将钢渣粉体和乙二胺四乙酸加入去离子水中，以得到悬浮液；向悬浮液中通入二氧化碳气体，对钢渣粉体进行改性反应；从反应后的钢渣悬浮液中分离出固体，往所得固体中加入乙醇终止水化反应，之后干燥得到碳化改性钢渣粉体。该发明通过使用少量的化学改性剂提升了碳化效率，从而在较短时间内制备出碳化改性钢渣粉体，消除了钢渣中的游离氧化钙，且起到永久固碳的作用，可以用作安定性良好、抗压强度良好的水泥基胶凝材料活性掺合料。该发明是在高液固比的悬浮液中对钢渣微粉进行碳化，针对钢渣这种水化活性比较差的原料进行湿法悬浮碳化可以实现碳化效率，但是对含有硫铝酸钙的水泥基材料则不能使用湿法悬浮碳化。

4、中国专利公开号为cn115872638a公开了一种利用碳化的高贝利特硫铝酸盐水泥制备高性能水泥基材料的方法，其将高贝利特硫铝酸盐水泥与水混合，并在搅拌过程中通入精确剂量的二氧化碳，然后向搅拌完成的水泥浆体中添加硅酸盐水泥和水并搅拌均匀后获得碳化后的水泥基材料。该发明通过二氧化碳促进高贝利特硫铝酸盐水泥反应并混掺进硅酸盐水泥内，可强化水泥的水化产物水化硅酸钙凝胶(c-s-h)，同时产生链长更长的水化硅铝酸钙凝胶(c-a-s-h)，可达到提高水泥基材料性能及封存二氧化碳的效果。该发明首先将高贝利特硫铝酸盐水泥与水混合后高速搅拌，然后在通入二氧化碳气体，但其没有考虑硫铝酸钙(c4a3$)矿物遇水快速水化的问题，特别是在0.2-2的高水灰比的情况下，优先水化，然后再碳化，不利于将硫铝酸钙的活性发挥保留到后续的水化进程中。

5、现有技术中对硫铝酸盐水泥基材料的使用中都注重使用硫铝酸钙水化带来的早期强度。此外硫铝酸盐水泥基材料烧成温度比普通硅酸水泥熟料低150-300℃，且使用更少的石灰石质原料，因此，其属于一种低能耗、低排放的低碳水泥。如果能将此类低碳水泥进行适量的碳化制备成一种新型的scm材料，并保证碳化前后其所含的硫铝酸钙矿物含量和性能基本不变，可使在scm材料作为混合材掺入到硅酸盐水泥中水化时，其所含的硫铝酸钙矿物才发生快速水化并能提高早期强度，scm材料中的无定形二氧化硅、微纳米级的碳酸钙也能同时与含铝矿物相发生水化反应。

6、综上所述，现有技术存在的问题如下：

7、(1)硫铝酸盐水泥水化过程比较剧烈，遇水则立即反应，现有技术无法解决硫铝酸盐水泥早期水化过快的问题，不能将一部分硫铝酸钙保留到中后期发挥其快速水化的作用。

8、(2)在半干法和湿法碳化过程中，硫铝酸盐水泥基材料中的硫酸钙矿物遇水则优先发生水化反应并放热，剥夺了二氧化碳与硅酸二钙等矿物碳化需要的水介质，导致在碳化前就将可以提供早强的硫铝酸钙白白的浪费掉。

9、(3)现有技术不能在半干法和湿法状态下选择性只碳化硫铝酸盐水泥基材料中的硅酸二钙等矿物，而抑制硫铝酸钙遇水快速水化问题，特备是在利用硫铝酸盐水泥基材料碳化制备高活性混合材时。

10、(4)醇类都溶于水且挥发，且醇类在挥发过程中可以形成有效的迁移通道，都可以重复使用，且浓度可调，有利于工业化生产。

技术实现思路

1、本发明为解决现有技术存在的问题，提供了一种调控含硫铝酸钙矿物水泥的水化进程及碳化的方法，该方法在半干法或者湿法下选择性的实现了对硫铝酸盐水泥基材料中硫铝酸钙遇水快速水化进行抑制，同时在后续碳化过程中选择性的只对硅酸二钙等矿物进行碳化反应，抑制硫铝酸钙参与碳化反应，为碳化制备的高活性低碳scm材料在水化过程早期提供具有快速水化并提高早强的硫铝酸钙，以提高高活性低碳scm材料的早期强度性能；并且可以使用工业窑炉尾气中的二氧化碳作为碳化气体，具有较好的社会效益和经济效益。

2、本发明是这样实现的，一种调控含硫铝酸钙矿物水泥的水化进程及碳化的方法，包括以下步骤：

3、步骤一、称取70～90％质量份的硫铝酸盐基水泥、10～30％质量份的抑制剂和占硫铝酸盐基水泥和抑制剂总质量的0.01％～0.1％的表面活性剂；

4、步骤二、将步骤一称取的硫铝酸盐基水泥、抑制剂和表面活性剂放入搅拌机，搅拌1-3min后获得均匀的混合物；

5、步骤三、将步骤二获得的混合物均匀放在托盘中，然后将托盘放入温度为50±1℃，相对湿度为70±5％，co2浓度为20-100％的碳化箱中，碳化5-15min，得到碳化后的混合物；

6、步骤四、将步骤三得到的碳化后的混合物烘干、粉磨后，获得高活性低碳scm材料。

7、在上述技术方案中，优选的，所述硫铝酸盐基水泥为含有硫铝酸钙(c4a3$)矿物的普通硫铝酸盐水泥、高贝利特硫铝酸盐水泥和硫铝酸盐与硅酸盐复合水泥中的任一种。

8、在上述技术方案中，优选的，所述抑制剂是由甲醇、乙醇和丙醇中的任意一种或者两种组合，并与水混合所制备的浓度为30-80％的醇类溶液。

9、在上述技术方案中，优选的，所述表面活性剂为聚羧酸系或者萘系表面活性剂。

10、在上述技术方案中，优选的，所述高活性低碳scm材料中硫铝酸钙(c4a3$)矿物含量与碳化前保持基本不变，测得高活性低碳scm材料的3d活性指数为74.4-85.6％，28d活性指数为90.2-106.5％。

11、本发明具有的优点和积极效果是：

12、1、本发明解决了半干法和湿法条件下抑制硫铝酸盐基水泥材料中硫铝酸钙(c4a3$)遇水快速水化和碳化过程中被碳化的难题，将硫铝酸钙矿物的快速水化并可提高强度性能的功能发挥时间进行精确调控，将硫铝酸钙完全保留在碳化后的高活性低碳scm材料中，当该高活性低碳scm材料与硅酸盐水泥一起进行水化时，硫铝酸钙可以快速水化并提供早期强度，解决了现有scm材料早期强度低的难题。

13、2、本发明利用醇类溶液和表面活性剂在半干法或湿法条件下有效抑制了硫铝酸盐基水泥材料中硫铝酸钙被水化和被碳化，利用醇类溶液的易挥发性为碳化留下迁移通道，有利于硅酸二钙的深度碳化，利用醇类分子和表面活性剂对硫铝酸钙矿物相进行选择性的包裹，使其无法接触水分，从而不能进行水化和碳化反应，且同时不影响硅酸二钙等矿物相的水化和碳化反应。

14、3、本发明避免了硫铝酸钙矿物在碳化过程中被炭化和水化，从而将其保留到硅酸盐水泥体系中水化并提高早期强度；提供了一种适于硅酸盐水泥体系的低碳、早强的高活性scm材料，为我国水泥工业的双碳减排提供了技术支撑。