本發(fā)明涉及一種機械化學(xué)碳酸化粘土。本發(fā)明進一步涉及其生產(chǎn)方法及其用途。本發(fā)明進一步涉及包含機械化學(xué)碳酸化粘土和選自由瀝青、水泥、地聚合物、聚合物及其組合組成的組的另外的材料的組合物。本發(fā)明進一步涉及混凝土及其制備方法。

背景技術(shù)：

1、混凝土是復(fù)合材料，其包含骨料(典型地巖石材料)的基質(zhì)和將基質(zhì)保持在一起的粘合劑(典型地波特蘭水泥或瀝青)。混凝土是最常使用的建筑材料之一并且據(jù)說是在地球上在水之后的第二次最廣泛使用的材料。

2、為了降低混凝土的成本和由全球水泥生產(chǎn)所生成的co2排放，大量研究工作已經(jīng)致力于確認(rèn)可以用作填料或替代性粘合劑以替代粘合劑組分而不會(有害地)影響混凝土的特性的廉價材料。此類次要膠凝材料是具有廣泛工業(yè)意義的領(lǐng)域。

3、廣泛采用的水泥填料的實例是石灰石。膠凝材料中填料的全面概述可以見于john,vanderley?m.,等人“fillers?in?cementitious?materials-experience,recentadvances?and?future?potential[膠凝材料中的填料-經(jīng)驗、最新進展和未來潛力].”cement?and?concrete?research[水泥與混凝土研究]114(2018):65-78中。

4、波特蘭水泥的生產(chǎn)構(gòu)成世界二氧化碳排放的約8％。根據(jù)vanderley等人，用于水泥工業(yè)中co2排放的傳統(tǒng)緩解策略不足以確保在水泥需求增加的情況下必要的緩解。目前，由于城市化日益加劇和舊基礎(chǔ)設(shè)施的更換的組合，水泥生產(chǎn)正在增加。因此，采用昂貴且有環(huán)境風(fēng)險的碳捕獲和儲存(ccs)已經(jīng)被水泥工業(yè)領(lǐng)導(dǎo)者認(rèn)為是不可避免的解決方案。

5、因此，仍然需要開發(fā)可負(fù)擔(dān)得起的填料技術(shù)，其可以將通過減少水泥生產(chǎn)實現(xiàn)的co2排放減少和通過碳捕獲技術(shù)實現(xiàn)的co2排放減少兩者組合并且其不會有害地影響混凝土的特性。

6、us2012/0055376?a1描述了通過用包含煅燒粘土和研磨的碳酸鹽材料的輔助膠凝材料部分地替代水泥來減少混凝土的co2排放。

7、本發(fā)明的目的是提供用于水泥、地聚合物或瀝青粘合劑的改進的填料。

8、本發(fā)明的另外的目的是提供用于水泥、地聚合物或瀝青粘合劑的改進的填料，這些填料的生產(chǎn)是廉價的。

9、本發(fā)明的另外的目的是提供用于水泥、地聚合物或瀝青粘合劑的改進的填料，這些填料使用co2捕獲技術(shù)生產(chǎn)。

10、本發(fā)明的另外的目的是提供用于水泥、地聚合物或瀝青粘合劑的改進的填料，這些填料改進所得混凝土的特性，諸如抗壓強度、強度活性指數(shù)和/或水需求。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、在第一方面，本發(fā)明提供了一種機械化學(xué)碳酸化粘土，其優(yōu)選地具有小于50m2/g的比表面積并且優(yōu)選地是通過粘土前體的碳酸化可獲得的，其中

2、·機械化學(xué)碳酸化粘土的co2含量與粘土前體的co2含量的比率是至少1.1:1、優(yōu)選地至少1.15:1、更優(yōu)選地至少1.2:1，其中co2含量被確定為通過tga采用溫度軌跡所測量的高于450℃的質(zhì)量損失，其中溫度以10℃/min的速率從室溫增加至800℃；和/或

3、·機械化學(xué)碳酸化粘土的總碳含量與粘土前體的總碳含量的比率是至少1.3:1、更優(yōu)選地至少1.35:1。

4、vizcayno?c等人："pozzolan?obtained?by?mechanochemical?and?thermaltreatments?of?kaolin[通過高嶺土的機械化學(xué)和熱處理所獲得的火山灰]”applied?clayscience[應(yīng)用粘土科學(xué)],愛思唯爾(elsevier),阿姆斯特丹,荷蘭,第49卷第4期,2010年8月1日第405-413頁描述了在空氣氣氛中研磨高嶺土以增加其火山灰活性。如所附實例例如對比實例c1(涉及煅燒的空氣碾磨粘土)和對比實例d1(非煅燒的空氣碾磨粘土)中所示出的，與煅燒和/或空氣碾磨粘土相比，本發(fā)明的碳酸化粘土在第7天和第28天具有出人意料地且強烈地改進的強度活性指數(shù)。

5、在另一方面，本發(fā)明提供了一種用于生產(chǎn)機械化學(xué)碳酸化粘土的方法，所述方法包括以下步驟：

6、a)提供包含粘土前體或由其組成的原料；

7、b)提供包含co2、優(yōu)選地包含至少0.5體積％co2的氣體；

8、c)將所述原料和所述氣體引入機械攪拌單元中；以及

9、d)在所述機械攪拌單元中在所述氣體的存在下使所述原料的材料經(jīng)受機械攪拌操作。

10、原料優(yōu)選地是固體，使得本發(fā)明提供了一種用于生產(chǎn)機械化學(xué)碳酸化粘土的方法，所述方法包括以下步驟：

11、a)提供包含粘土前體或由其組成的固體原料；

12、b)提供包含co2、優(yōu)選地包含至少0.5體積％co2的氣體；

13、c)將所述固體原料和所述氣體引入機械攪拌單元中；以及

14、d)在所述機械攪拌單元中在所述氣體的存在下使所述固體原料的材料經(jīng)受機械攪拌操作以獲得機械化學(xué)碳酸化粘土。

15、該方法可以應(yīng)用于各種類型的粘土前體，有利地產(chǎn)生獨特的機械化學(xué)碳酸化粘土。

16、在另一方面，本發(fā)明提供了一種通過本文所描述的用于生產(chǎn)機械化學(xué)碳酸化粘土的方法可獲得的機械化學(xué)碳酸化粘土。

17、如將在所附實例中示出的，發(fā)現(xiàn)當(dāng)本文所描述的此類機械化學(xué)碳酸化粘土被用作水泥中的填料時，所得混凝土的抗壓強度出人意料地增加超過對于非碳酸化粘土所獲得的值并且特別地遠遠超過純波特蘭水泥的值。特別地，與當(dāng)非機械化學(xué)碳酸化粘土被用作填料時相比，用于強度發(fā)展的固化時間得到強烈改進(縮短)。此外，更高得多的量的該機械化學(xué)碳酸化粘土可以被用作填料，同時還產(chǎn)生可接受的或甚至改進的混凝土特性。

18、此外發(fā)現(xiàn)，使用所述機械化學(xué)碳酸化粘土生產(chǎn)的混凝土的耐久性大幅地增加。不希望受任何理論的束縛，本發(fā)明的諸位發(fā)明人相信這是由于增強的微尺度和亞微尺度的水合作用、降低的氯化物滲透性、降低的混凝土孔隙率和/或游離石灰的鈍化。此外，與未處理的前體或原料相比，增加的氧含量可以導(dǎo)致在極性溶劑中更好的分散，以及與具有環(huán)氧或羧基官能團的材料的更好的相容性。

19、此外，如所附實例中所示出的，與純水泥相比以及與填充有非碳酸化粘土的水泥相比，水需求降低。鑒于與非碳酸化粘土相比機械化學(xué)碳酸化粘土的粒度減小，這是特別出人意料的。減小的粒度通常與增加的水需求相關(guān)聯(lián)。如與未處理的原料或純水泥相比的，降低的水需求可以有助于改進的特性，諸如可加工性、抗壓強度、滲透性、水密性、耐久性、耐候性、干燥收縮和開裂的可能性。出于這些原因，限制和控制混凝土中水的量對于可施工性和使用壽命兩者都是重要的。因此，本發(fā)明允許對水需求具有更好的控制。不希望受任何理論的束縛，認(rèn)為當(dāng)通過xrd分析時，本發(fā)明的機械化學(xué)方法可以導(dǎo)致無定形含量的增加，其中可以存在于原料中的至少一些晶疇經(jīng)由內(nèi)部結(jié)構(gòu)呈微結(jié)晶度的形式維持，該微結(jié)晶度的形式持續(xù)存在于更普遍的無序結(jié)構(gòu)中。因此，該無序宏觀結(jié)構(gòu)促進更高的反應(yīng)性并且改進水泥水合作用。

20、此外，機械化學(xué)碳酸化粘土的生產(chǎn)依賴于能夠?qū)οo2流(諸如直接對燃燒設(shè)備的點源排放物)操作的廉價的co2捕獲技術(shù)平臺，使得提供了可以以經(jīng)濟上可行的方式生產(chǎn)并且將通過減少水泥生產(chǎn)實現(xiàn)的co2排放減少和通過co2封存實現(xiàn)的co2排放減少兩者組合的填料。因此，本發(fā)明的機械化學(xué)碳酸化粘土，特別是本發(fā)明的機械化學(xué)碳酸化粘土，構(gòu)成用于許多應(yīng)用的優(yōu)異填料，將不同的機械特性與成本高效的co2捕獲技術(shù)組合。

21、在另一方面，本發(fā)明提供了一種組合物，其包含如本文所描述的機械化學(xué)碳酸化粘土和選自由瀝青、地聚合物、水泥、聚合物及其組合組成的組的另外的材料。

22、在另一方面，本發(fā)明提供了一種用于制備如本文所描述的組合物的方法，所述方法包括以下步驟：

23、(i)提供如本文所描述的機械化學(xué)碳酸化粘土；

24、(ii)提供選自由瀝青、地聚合物、水泥、聚合物及其組合組成的組的另外的材料；以及

25、(iii)將步驟(i)的機械化學(xué)碳酸化粘土與步驟(ii)的材料組合。

26、在另一方面，本發(fā)明提供了一種用于制備混凝土或砂漿的方法，所述方法包括以下步驟：

27、(i)提供如本文所描述的機械化學(xué)碳酸化粘土和選自由瀝青、水泥、地聚合物及其組合組成的組的另外的材料，任選地以如本文所描述的組合物的形式，其中該另外的材料選自由瀝青、水泥、地聚合物及其組合組成的組；

28、(ii)提供建筑骨料；以及

29、(iii)使步驟(i)的機械化學(xué)碳酸化粘土和另外的材料與步驟(ii)的建筑骨料和任選地水接觸、優(yōu)選地混合。

30、在另一方面，本發(fā)明提供了通過本文所描述的用于制備混凝土的方法可獲得的混凝土或砂漿。

31、在另一方面，本發(fā)明提供了如本文所描述的機械化學(xué)碳酸化粘土的用途：

32、·作為填料，優(yōu)選地作為選自由瀝青、地聚合物、水泥、砂漿、聚合物及其組合組成的組的材料中的填料；

33、·作為混凝土或砂漿中瀝青、地聚合物或水泥的部分替代物；

34、·增加混凝土或砂漿的抗壓強度；

35、·改進混凝土或砂漿的耐久性；

36、·減少混凝土的膨脹；

37、·通過降低氯化物滲透性和/或孔隙率來改進混凝土或砂漿的耐久性；

38、·改進混凝土或砂漿的強度活性指數(shù)；和/或

39、·減少混凝土或砂漿的水需求，

40、優(yōu)選地，

41、·同時改進混凝土的強度活性指數(shù)和減少混凝土的水需求；或者

42、·同時改進砂漿的強度活性指數(shù)和減少砂漿的水需求。