一种诱导水泥基材料快速碳化的氨基甲酸盐涂层溶液制备方法

本发明属于混凝土表面防护领域，具体涉及一种可诱导水泥材料表面快速形成致密保护层溶液的制备方法。

背景技术：

1、混凝土广泛应用于桥梁、水利水电工程和土木建筑等现代土木工程领域。在冻融、干湿交替以及碳化等环境下，混凝土构件表面水化产物被侵蚀，表现为开裂、结垢或者粉碎，这些材料的劣化反应对整个结构有潜在威胁。混凝土防护涂层技术可直接用于新旧建筑表面，在提升混凝土使用寿命的同时，也降低混凝土后期的维护成本，是提升混凝土耐久性的常用措施之一。

2、根据混凝土表面孔隙封闭处理方式的不同，混凝土防护涂料一般分为表面成膜型、疏水浸渍型和孔隙封闭型。孔隙封闭型涂料可以渗入混凝土内部，原位反应后生成固结体堵塞毛细孔，提高混凝土表层的硬度和抗渗性。

3、鉴于碳酸钙的良好的稳定性，许多研究人员将其应用于混凝土表面处理。目前，在混凝土表面产生碳酸钙的方法主要有两种：碳酸二甲酯溶液和细菌诱导的碳酸盐矿化。碳酸二甲酯水解可产生碳酸盐和甲醇，应用需考虑水解速率和甲醇对水泥水化的影响；细菌诱导碳酸盐矿化方法的成本高、对环境的适应性低、矿化效率低，适用于实验室规模的探索。

4、在一定温湿度下，水泥水化产物可以与空气中的co2反应生成碳酸钙。该反应可实现环境中co2气体固定，同时形成的碳酸钙的化学性质较为稳定，因此，有研究者通过在水泥材料水化反应早期阶段通入co2，迫使材料表面快速碳化，优化孔隙尺寸和分布，从而提升混凝土的强度和耐久性。这种快速养护材料的方式被称为碳化养护。

5、碳化养护技术包含三个步骤：预处理、碳化养护和碳化后养护。预处理过程主要为浇筑成型和脱模，旨在控制混凝土制品中的自由水量，在实现碳化反应的基础上提供一定的孔隙，保证co2在试件内部的扩散。碳化养护一般是向封闭的碳化反应箱中通入高浓度的co2气体，并维持一定的压力，该过程可持续数小时或数天。后养护是对经历碳化反应后的混凝土制品进行后续补水，使未水化水泥颗粒继续水化，带来后续强度的持续增长。

6、目前来看，碳化养护技术对设备要求较高，在反应过程中需控制co2浓度、co2压力、温度、湿度等条件，成本高、能耗大；同时，设备尺寸限制了试块尺寸和应用范围。因此，亟需开发一种可压缩co2气体、以实现快速碳化的材料，从而对混凝土制品表面进行防护，提升耐久性，延长使用寿命。

技术实现思路

1、为了实现混凝土制品表面快速碳化，提升其耐久性，本发明提供了一种基于湿法碳化养护的碳化保护层溶液制备方法。采用氨基酸盐溶液作为吸收剂首先对co2进行固定，随后，将负载co2的吸收剂均匀涂覆在目标试块表面，诱导原位生成氨基酸盐-碳酸钙杂化层，优化孔隙以影响气体、水分、离子等进出。

2、本发明的一种诱导水泥基材料快速碳化的氨基甲酸盐涂层溶液制备方法，它是按照以下步骤进行的：

3、(1)氨基酸盐溶液的配制

4、室温下称取氨基酸物质，加水搅拌至完全溶解，得到浓度为0.1～1.0mol/l的氨基酸溶液；按照氨基酸中羧基与强碱的氢氧根摩尔比1:1的比例，向氨基酸溶液中加入强碱，搅拌至完全溶解，静置冷却，得到氨基酸盐溶液；

5、(2)氨基酸盐溶液的co2吸收

6、量取氨基酸盐溶液，向其中通入co2气体，测定氨基酸盐溶液ph值直到ph值稳定，停止通气，得到氨基酸盐co2吸收液即氨基甲酸盐溶液；

7、(3)将饱和的氨基甲酸盐溶液涂覆在试样表面，待涂层自然风干即在试样表面形成氨基酸盐-碳酸钙复合层。

8、进一步地，所述的氨基酸物质为氨基酸、氨基酸衍生物及类氨基酸结构化合物中的一种或几种。

9、进一步地，所述的氨基酸为甘氨酸、丙氨酸、谷氨酸、脯氨酸、丝氨酸、赖氨酸、精氨酸、组氨酸、半胱氨酸、谷氨酰胺、天冬酰胺、焦谷氨酸、羟基脯氨酸、肌氨酸、牛磺酸、α-氨基丁酸、γ-氨基丁酸中的一种或几种。

10、进一步地，所述的强碱为naoh或koh。

11、进一步地，所述的通入co2气体中co2气体的通入速率为0.1～1.0l/min。

12、进一步地，所述的试样表面还包括再生粗骨料、再生细骨料或再生细粉表面。

13、进一步地，所述的涂覆在试样表面采用喷涂、刷涂或浸渍方式进行。

14、进一步地，所述的涂覆在试样表面采用喷涂或刷涂对大面积、平整的试样表面进行一层或多层涂覆。

15、进一步地，所述的涂覆在试样表面采用3～5秒浸渍对于再生骨料或再生粉末试样表面进行一层或多层涂覆，在多层涂覆时，每层之间的时间间隔需要大于1小时。

16、进一步地，氨基甲酸盐涂层溶液需在2～4℃下密封保存，或将溶液40～45℃热风干燥或真空冷冻干燥至固体，进行保存。

17、氨基酸盐对co2的吸收主要是氨基酸中的-nh2(或-nh-)对co2的固定，整个体系中的反应由以下几个步骤：

18、(1)氨基酸盐与co2生成两性离子

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20、同时，少量的co2也会与溶液中的oh-反应

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22、(2)生成的两性离子与溶液中的氨基酸盐反应生成氨基甲酸盐

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24、溶液中的h2o和oh-也可以与两性离子反应生成氨基甲酸盐

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27、采用酸标准溶液滴定的方法对氨基酸盐的co2吸收量进行测定，并通过酚酞-甲基橙双指示剂进一步确定溶液中hco3-、co32-和oh-的量。

28、涂层快速诱导的混凝土表面快速碳化反应机理与碳化养护相似，主要是co2与ca2+之间的反应，一般包括以下内容：

29、(1)不稳定的氨基甲酸盐在溶液中发生水解

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31、(2)碳酸根的生成

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34、(3)碳酸钙的形成

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36、溶液涂覆后，水泥材料表面形成的是氨基酸盐-碳酸钙复合物、脱钙硅胶，并与未被碳化的水化产物和可能存在的水泥熟料形成一个混合的微观体系。

37、本发明的有益技术效果体现在以下几个方面：

38、(1)工艺简单，设备要求低

39、本发明将co2预先吸收进入氨基酸盐溶液，相较于气体极大地压缩了体积，便于盛装和运输。为进一步缩小体积和延长保质期，还可将氨基酸盐co2吸收液干燥处理。区别于传统碳养护需要一定密闭空间，本发明仅需按照需求溶解和涂刷，节省co2气体侵入和溶解的时间，接触即反应，在水泥基材料表面快速形成碳化薄层。

40、(2)应用范围较大

41、由于本发明氨基甲酸盐涂层溶液是借助水泥表面钙离子原位形成碳化保护层，因此，富钙的材料均可通过表面涂刷诱导碳化，不受材料形状、尺寸、龄期等的影响。

42、(3)碳化程度和范围可控

43、本发明可通过控制氨基酸盐吸收剂种类和浓度，涂覆方式和次数等方法，针对性调控材料表面碳化深度和范围。例如对于大面积平整表面，可选择涂刷或喷涂；对于再生骨料或再生细粉，可选择浸渍的方法进行碳化。同时，由于氨基酸盐分子量小、溶液粘度低，可通过较小孔隙向材料内部渗透。

44、(4)吸水性和亲疏水性调控

45、本发明可使用多种氨基酸进行配制，经证实可调整试块表面的吸水性；此外，也可通过亲水/疏水氨基酸的引入，改变表面的亲疏水性。

46、(5)绿色可再生

47、本发明采用氨基酸盐作为吸收剂，绿色可降解，预吸收的co2气体可来自工业尾气等混合气，减碳固碳，变废为宝。此外，反应快速，干燥即停，有水分环境下可继续吸收环境中的co2，有望实现吸收-固定-再吸收的循环。