本發(fā)明涉及一種機(jī)械化學(xué)碳酸化爐渣。本發(fā)明進(jìn)一步涉及其生產(chǎn)方法及其用途。本發(fā)明進(jìn)一步涉及包含機(jī)械化學(xué)碳酸化爐渣和選自由瀝青、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(jìn)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(jìn)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、us?8,709,151?b2描述了通過壓實粒狀磨細(xì)高爐爐渣(然后將其送至高壓釜用于在使得水呈液體形式的條件下碳酸化)來生產(chǎn)制品的方法。由于us?8,709,151b2依賴于高壓釜反應(yīng)器用于碳酸化，其中使用了高溫和最高達(dá)14mpa的壓力，因此其不是非常能源高效的。此外，由于多個單元操作(包括壓實和碳酸化)都作為單獨的步驟發(fā)生，因此實際實施并且特別是自動化不是直截了當(dāng)?shù)摹?/p>

7、本發(fā)明的目的是提供用于地聚合物、水泥或瀝青粘合劑的改進(jìn)的填料。

8、本發(fā)明的另外的目的是提供用于地聚合物、水泥或瀝青粘合劑的改進(jìn)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地聚合物、水泥或瀝青粘合劑的改進(jìn)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地聚合物、水泥或瀝青粘合劑的改進(jìn)的填料，這些填料改進(jìn)所得混凝土的特性，諸如抗壓強(qiáng)度、強(qiáng)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(jī)械化學(xué)碳酸化爐渣，其優(yōu)選地具有在0.1-50m2/g、優(yōu)選地0.5-50m2/g的范圍內(nèi)的比表面積。機(jī)械化學(xué)碳酸化爐渣優(yōu)選地具有在0.1-50μm、優(yōu)選地0.5-35μm、最優(yōu)選地1-15μm的范圍內(nèi)的d50和/或如通過xrd所確定的至少35wt.％、優(yōu)選地至少50wt.％、優(yōu)選地至少60wt.％、更優(yōu)選地至少65wt.％的無定形含量。

2、satoshi?asaoka等人：“removal?of?hydrogen?sulfide?using?carbonatedsteel?slag[使用碳酸化鋼爐渣去除硫化氫]”chemical?engineering?journal[化學(xué)工程雜志]第228卷,2013年3月24日第843-849頁披露了具有0.8-5mm的粒度的無源碳酸化鋼爐渣。如所附實例中所示出的，本發(fā)明的機(jī)械化學(xué)碳酸化爐渣具有出人意料地降低的水需求。

3、在另一方面，本發(fā)明提供了一種用于生產(chǎn)機(jī)械化學(xué)碳酸化爐渣的方法，所述方法包括以下步驟：

4、a)提供包含爐渣前體或由其組成的原料；

5、b)提供包含co2、優(yōu)選地包含至少0.5體積％co2的氣體；

6、c)將所述原料和所述氣體引入機(jī)械攪拌單元中；以及

7、d)在所述機(jī)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(jī)械攪拌操作。

8、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(jī)械化學(xué)碳酸化爐渣的方法，所述方法包括以下步驟：

9、a)提供包含爐渣前體或由其組成的固體原料；

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

11、c)將所述固體原料和所述氣體引入機(jī)械攪拌單元中；以及

12、d)在所述機(jī)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(jī)械攪拌操作以獲得機(jī)械化學(xué)碳酸化爐渣。

13、該方法可以應(yīng)用于各種類型的爐渣前體，有利地產(chǎn)生獨特的機(jī)械化學(xué)碳酸化爐渣。

14、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(jī)械化學(xué)碳酸化爐渣的方法可獲得的機(jī)械化學(xué)碳酸化爐渣。

15、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(jī)械化學(xué)碳酸化爐渣被用作水泥中的填料時，所得混凝土的抗壓強(qiáng)度出人意料地增加超過對于非碳酸化爐渣所獲得的值。特別地，與當(dāng)非機(jī)械化學(xué)碳酸化爐渣被用作填料時相比，用于強(qiáng)度發(fā)展的固化時間得到強(qiáng)烈改進(jìn)(縮短)。此外，更高得多的量的該機(jī)械化學(xué)碳酸化爐渣可以被用作填料，同時還產(chǎn)生可接受的或甚至改進(jìn)的混凝土特性。

16、此外發(fā)現(xiàn)，使用所述機(jī)械化學(xué)碳酸化爐渣生產(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)明諸位發(fā)明人相信這是由于增強(qiáng)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(tuán)的材料的更好的相容性。

17、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爐渣的水泥相比，水需求降低。鑒于與非碳酸化爐渣相比機(jī)械化學(xué)碳酸化爐渣的粒度減小，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(jìn)的特性，諸如可加工性、抗壓強(qiáng)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。本發(fā)明的諸位發(fā)明人已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，本發(fā)明的機(jī)械化學(xué)碳酸化實現(xiàn)爐渣前體的總體無定形含量的增加。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(jī)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(jìn)更高的反應(yīng)性并且改進(jìn)水泥水合作用。

18、此外，機(jī)械化學(xué)碳酸化爐渣的生產(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(jì)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(jī)械化學(xué)碳酸化爐渣，特別是本發(fā)明的機(jī)械化學(xué)碳酸化爐渣，構(gòu)成用于許多應(yīng)用的優(yōu)異填料，將不同的機(jī)械特性與成本高效的co2捕獲技術(shù)組合。

19、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(jī)械化學(xué)碳酸化爐渣和選自由瀝青、水泥、地聚合物、聚合物及其組合組成的組的另外的材料。

20、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：

21、(i)提供如本文所描述的機(jī)械化學(xué)碳酸化爐渣；

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

23、(iii)將步驟(i)的機(jī)械化學(xué)碳酸化爐渣與步驟(ii)的材料組合。

24、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：

25、(i)提供如本文所描述的機(jī)械化學(xué)碳酸化爐渣和選自由瀝青、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；

26、(ii)提供建筑骨料；以及

27、(iii)使步驟(i)的機(jī)械化學(xué)碳酸化爐渣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。

28、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。

29、在另一方面，本發(fā)明提供了如本文所描述的機(jī)械化學(xué)碳酸化爐渣的用途：

30、·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；

31、·作為混凝土或砂漿中瀝青、地聚合物或水泥的部分替代物；

32、·增加混凝土或砂漿的抗壓強(qiáng)度；

33、·改進(jìn)混凝土或砂漿的耐久性；

34、·減少混凝土的膨脹

35、·通過降低氯化物滲透性和/或孔隙率來改進(jìn)混凝土或砂漿的耐久性；

36、·改進(jìn)混凝土或砂漿的強(qiáng)度活性指數(shù)；和/或

37、·減少混凝土或砂漿的水需求，

38、優(yōu)選地，

39、·同時改進(jìn)混凝土的強(qiáng)度活性指數(shù)和減少混凝土的水需求；或者

40、·同時改進(jìn)砂漿的強(qiáng)度活性指數(shù)和減少砂漿的水需求。