具有吸附固化汽车尾气中 CO2 功能的混凝土路面材料， 路面 及其制备和应用方法 【技术领域】
本发明属于道路建筑材料技术领域， 涉及一种基于汽车尾气 CO2 吸附固化功能的 混凝土路面材料， 路面及其制备和应用方法。背景技术
目前汽柴油是交通运输业的主要燃料， 其燃烧后排除大量汽车尾气， 而汽车尾气 中除含有一些有害物质外， 其中含量 12％～ 15％左右的 CO2 是造成地球变暖的主要因素， 因此汽车尾气是导致地球 “温室效应” 的重要因素。当前， 全世界 CO2 的排放量已超过 200 亿吨， 其中汽车排放量约占 10％～ 15％。根据美国的统计数据， 美国交通运输部门全年 CO2 排放量占全国温室气体排放总量的 27％ ； 在欧盟 15 国， 交通运输 CO2 排放占所有温室气体 排放的 21％ ( 不包括国际航空和海运 ) ； 而在我国， 每年道路运输 CO2 排放量则占到了全国 石油燃烧 CO2 排放总量的 20％～ 30％。由此可见， 控制汽车尾气 CO2 的排放， 已成为减缓全 球气候变暖趋势， 实现我国在 2009 哥本哈根气候大会上向世界承诺的减排目标， 发展 “低 碳” 经济， 实现长期可持续发展的关键问题。
当前， 对于汽车尾气排放的治理和净化， 采用的技术主要集中在车内净化 ( 包括 前处理净化， 机内净化， 后处理净化 )， 而尾气排出车外后的治理技术则较少涉及。另一方 面， 由于汽车一般向车后下方排出尾气， 尾气排放出来后则直接接触到公路路面， 路面材料 则可起到对汽车尾气第一层过滤的作用。而事实上， 汽车尾气中 CO2 是完全可以与许多固 体材料发生化学反应， 并生成固体成分， 从而达到被吸附和固化的效果。
自然界中， 许多无机矿物成分都可与 CO2 在常温下发生碳化反应， 如碳酸盐岩、 硅 酸盐岩等 ； 而且， 一些人造材料 ( 如水泥、 含活性钙、 镁等氧化物成分的工业废渣等 ) 也能与 CO2 发生碳化反应， 生成较为稳定的固体化合物， 从而固化 CO2， 其固化 CO2 的理论量与制备 其时释放的 CO2 量相等。同时， 水泥等人造材料又具有显著的水硬性， 可胶结岩石骨料形成 一定强度的人造工程材料， 如混凝土。因此， 通过特殊配合比设计， 选取几种与 CO2 反应能 力较强的无机材料组分， 混合制备出满足路用要求的公路路面混凝土， 并通过一定的材料 构造设计， 使之能有效地主动吸收并固化汽车尾气中的 CO2 成分， 达到减少汽车尾气 CO2 排 放量的目的。
由此可见， 通过材料优选， 选出具有优良的固化 CO2 功能的多组分材料， 进行试配、 复合和构造设计， 制备出用于公路路面的混凝土材料体系， 特别适用于车流量大、 尾气排放 密集 ( 如红绿灯路口、 汽车站、 停车场、 收费站等 ) 且空气循环较差的公路路段， 该材料的研 并大量利用工业废渣， 具有显著 发及制备技术的完善， 可大大减少汽车尾气中 CO2 的排放， 的节能、 环保性能。其材料体系配比及核心制备技术的系统研究尚未见报道， 其创新性思 路、 理论及技术具有显著的原创性。同时， 通过检索， 对于基于汽车尾气 CO2 吸附固化功能 的混凝土路面材料及其制备技术还未见有公开的相关专利。发明内容 本发明的第一个目的在于提供一种具有汽车尾气 CO2 吸附固化功能， 同时其性能 完全可满足公路路面结构材料要求的混凝土路面材料。
本发明的第二个目的在于提供上述混凝土路面材料制备而成的混凝土路面。
本发明的第三个目的在于提供上述混凝土路面的制备方法。
本发明的第四个目的在于提供上述混凝土路面的应用方法。
本发明的目的是通过以下方式实现的 ：
一种具有吸附固化汽车尾气中 CO2 功能的混凝土路面材料， 包括水泥基复合胶凝 材料、 纤维和玄武岩碎石 ； 所述的水泥基复合胶凝材料为钢渣粉和赤泥中的一种或两种， 再 加水泥的混合物 ； 所述的纤维为无机纤维 ； 如玄武岩纤维、 玻璃纤维等。
所述的水泥基复合胶凝材料优选为钢渣粉、 赤泥和水泥三者的混合物 ； 所述的纤 维优选为玄武岩纤维。
所述的水泥基复合胶凝材料是质量百分比进一步优选为 30 ％～ 60 ％的水泥、 20％～ 50％的钢渣粉和 10％～ 20％的赤泥 ； 所述的玄武岩纤维掺量为水泥基复合胶凝材 料体积总量的 0.5％～ 3％ ； 所述的玄武岩碎石掺入量为水泥基复合胶凝材料质量的 3 ～ 5 倍。
所述的玄武岩碎石粒径范围是 2.36-19.00mm。 所述的水泥采用不低于 42.5 级别的普通硅酸盐水泥、 硅酸盐水泥或道路硅酸盐水泥。 所述的钢渣粉取自于炼钢厂固体灰渣， 化学成分主要包括硅酸三钙、 硅酸二钙以 及硅、 镁、 铁、 铝等氧化物形成的固熔体等。
所述的赤泥取自于铝厂提炼氧化铝后排出的工业固体废渣， 主要矿物成分为主要 化学成分为钙、 硅、 铁、 铝等氧化物形成的具有潜在水化活性的化合物。
上述混凝土路面材料制备成的混凝土路面是由至少两层混凝土路面材料加水浇 注而成， 底层为密实层， 顶层为疏松层， 碎石粒径从下到上逐层增加 ； 优选浇注 2-3 层。 顶层 厚度不超过路面整体厚度的三分之一， 而底层厚度至少是路面整体厚度的三分之一。
浇注两层时， 底层碎石粒径范围 4.75-9.5mm， 顶层碎石粒径范围 9.5-19.0mm ； 浇 注三层时， 底层碎石粒径范围 2.36-4.75mm， 中间层碎石粒径范围 4.75-9.5mm， 顶层碎石粒 径范围 9.5-19.0mm。
上述的混凝土路面的制备方法如下 ：
1) 预先将水泥基复合胶凝材料与玄武岩纤维按上述比例混合拌匀 ；
2) 然后按上述比例添加玄武岩碎石， 再加水和高效减水剂搅拌均匀后， 从下至上 依次浇注至少两层 ； 碎石粒径从下至上逐层增加 ； 每浇注一层， 采用振捣工艺并压实表面， 但要防止过度振捣， 以免导致各层材料混杂 ； 浇注成型完后， 按照混凝土标准养护方法养护 并拆模， 即得所述混凝土路面。所述的拌和用水量为水泥基复合胶凝材料总质量的 0.25 ～ 0.35 ； 所述的高效减水剂， 其掺量为水泥基复合胶凝材料质量的 0.5％～ 2.5％。
上述的混凝土路面应用于固化和吸附汽车尾气中 CO2 ； 尤其可将所述的路面铺设 于红绿灯路口、 汽车站、 停车场或收费站的公路路面。
本发明主要针对汽车尾气 CO2 的治理减排， 选取具有优良的固化和吸附汽车尾气
中 CO2 功能的原材料， 进行新型路面功能混凝土的综合开发。特别适用于车流量大、 尾气排 放密集 ( 如红绿灯路口、 汽车站、 停车场、 收费站等 ) 且空气循环较差的公路路面。同时， 采 用多孔混凝土制备技术， 进行路面材料整体结构设计， 使之吸附和固化 CO2 的功能达到最大 化， 且满足路面混凝土的其它使用要求， 如强度、 耐久性等。 本发明所涉及的创意及思路， 以 及具体的制备方法， 还未见有相似报道， 其主要的特点及优势表现在 ：
(1) 制备的新型路面功能混凝土采用了水泥、 钢渣粉、 赤泥、 玄武岩碎石、 纤维等在 常温下加水混合拌制而成， 各组分均具有较强的与 CO2 发生碳化反应的能力， 作为公路面层 材料， 可以大量吸附和固化汽车尾气排放的 CO2， 从而有效减少汽车向大气排放的 CO2 量， 对 减少温室气体排放、 延缓气候变暖趋势， 实现 “低碳” 、 可持续性发展目标具有重要作用。
(2) 在本发明所涉及的原材料中， 大量采用了工业废渣——钢渣和赤泥， 这两种工 业废渣分别产自炼钢厂和铝厂， 属于典型的工业废渣， 且目前再利用率还处在较低的阶段， 长期堆放， 严重污染环境， 因此， 本发明的推广， 将可大量消耗这两种工业废渣， 相比现今其 它的道路建筑材料， 具备更高的节能、 环保效应。
(3) 钢渣和赤泥作为工业废料， 取代了一定量的水泥， 其成本价格相比传统的道路 用水泥、 沥青等胶凝材料， 成本更低， 而其它材料也是路用的常规材料， 如玄武岩碎石等， 因 此本发明具有相比其它道路建筑材料更优异的经济效益。
(4) 另外， 本发明的路用性能完全满足道路使用要求， 其主要表现为 ： ①其 28d 抗 压强度≥ C30， 抗折强度≥ 5.0MPa ； ②材料整体孔隙的梯度构造使之具有较好的透水性、 逐 次吸附性、 降噪、 耐磨、 抗滑等性能 ； 制备的路面目标孔隙率处于 15％～ 30％， 属于多孔水 泥混凝土。③由于材料保水性优良， 其整体干缩率较低， 防止了体积变形而导致的开裂 ； ④ 在制备工艺上， 采用传统混凝土搅拌、 成型、 养护等工艺， 不需增加额外设备及技术， 因此可 适用性优良。
综上所述， 本发明 “基于汽车尾气 CO2 吸附固化功能的混凝土路面材料” ， 其综合使 用性能优良， 完全满足公路路面的性能要求， 同时大量利用了工业废渣 ； 更重要的是， 该发 明可以有效吸附和固化汽车排放的 CO2， 减少了温室气体排放， 延缓了气候变暖趋势， 为实 现 “低碳” 目标和可持续性发展起到了重要作用。 附图说明
图 1 是本发明基于汽车尾气 CO2 吸附固化功能的混凝土路面制备工艺流程图 ； 图 2 是本发明制备的路面整体结构剖面示意图 ； 1- 顶层 ； 2- 中间层 ； 3- 底层。具体实施方式
为了更好地理解本发明， 下面结合实施例进一步阐明本发明的内容， 但本发明的 内容不仅仅局限于下面的实施例。
实施例 1 ：
基于汽车尾气 CO2 吸附固化功能的混凝土路面材料 I， 按照下述质量比例选取材 料：
水泥 ： 60％ ；钢渣粉 ： 25％ ；
赤泥 ： 15％ ；
玄武岩纤维 ： 体积掺量 1.5％。
玄武岩碎石： 水 泥 基 复 合 胶 凝 材 料 质 量 的 4 倍， 分别取三种粒径范围： 2.36-4.75mm， 4.75-9.5mm， 9.5-19.0mm。
基于汽车尾气 CO2 吸附固化功能的混凝土路面 I 的制备 ：
(1) 按比例将水泥、 钢渣粉 ( 已干燥 )、 赤泥 ( 已干燥 ) 混合得到水泥基复合胶凝 材料， 再与玄武岩纤维混合搅拌均匀得到混合物。
(2) 将步骤 (1) 的混合物与三种粒径范围的玄武岩碎石分别混合， 并加入水 ( 用 量为水泥基复合胶凝材料质量的 0.27) 和高效减水剂 ( 用量为水泥基复合胶凝材料质量的 1.5％ ) 搅拌均匀， 得到三种目标孔隙率不同的多孔面层混凝土。
(3) 按目标孔隙率由小到大的顺序从下至上依次浇注三种目标孔隙率不同的水泥 基碎石混合材料， 三层材料分别为路面整体结构厚度的三分之一， 路面整体厚度 24-28cm ； 每浇注一层， 采用振捣工艺并压实表面， 但要防止过度振捣， 以免导致各层材料混杂。
(4) 浇注成型完后， 按照混凝土标准养护方法养护并拆模， 得到基于汽车尾气 CO2 吸附固化功能的混凝土路面 I。
基于汽车尾气 CO2 吸附固化功能的混凝土路面 I 性能检测 ：
按照设计的配比和制备技术， 制备了基于汽车尾气 CO2 吸附固化功能的混凝土路 面 I 试件， 并在纯 CO2 气氛下进行碳化试验， 试验时间为 3h， 同时检测了其它路用综合性能， 如表 1 所示。
表 1 材料主要性能
注： 平均孔隙率指三层混凝土孔隙率的平均值。
试验结果表明， 制备的基于汽车尾气 CO2 吸附固化功能的混凝土路面 I 固化 CO2 性 能优良， 且路面关键性能如强度、 干缩率以及孔隙率等均满足路用要求， 完全可用于实际公 路路面铺装。
实施例 2 ：
基于汽车尾气 CO2 吸附固化功能的混凝土路面材料 II， 按照下述质量比例选取材 料：
水泥 ： 50％ ；
钢渣粉 ： 30％ ；
赤泥 ： 20％ ；
玄武岩纤维 ： 体积掺量 1.5％。
玄武岩碎石 ： 水 泥 基 复 合 胶 凝 材 料 质 量 的 3.8 倍， 分别取三种粒径范围 ： 2.36-4.75mm， 4.75-9.5mm， 9.5-19.0mm。
基于汽车尾气 CO2 吸附固化功能的混凝土路面 II 的制备 ：
(1) 按比例将水泥、 钢渣粉 ( 已干燥 )、 赤泥 ( 已干燥 )、 混合得到水泥基复合胶凝 材料， 再与玄武岩纤维混合搅拌均匀得到混合物。
(2) 将步骤 (1) 的混合物与三种粒径范围的玄武岩碎石分别混合， 并加入水 ( 用 量为水泥基复合胶凝材料质量的 0.26) 和高效减水剂 ( 用量为水泥基复合胶凝材料质量的 1.5％ ) 搅拌均匀， 得到三种目标孔隙率不同的多孔面层混凝土。
(3) 按目标孔隙率由小到大的顺序从下至上依次浇注三种目标孔隙率不同的水泥 基碎石混合材料， 三层材料分别为路面整体结构厚度的三分之一， 路面整体厚度 24-28cm ； 每浇注一层， 采用振捣工艺并压实表面， 但要防止过度振捣， 以免导致各层材料混杂。
(4) 浇注成型完后， 按照混凝土标准养护方法养护并拆模， 得到基于汽车尾气 CO2 吸附固化功能的混凝土路面 II。
基于汽车尾气 CO2 吸附固化功能的混凝土路面 II 性能检测 ： 按照设计的配比和制备技术， 制备了基于汽车尾气 CO2 吸附固化功能的混凝土路 面 II 试件， 并在纯 CO2 气氛下进行碳化试验， 试验时间为 3h， 同时检测了其它路用综合性 能， 如表 2 所示。
表 2 材料主要性能
注： 平均孔隙率指三层混凝土孔隙率的平均值。
试验结果表明， 制备的基于汽车尾气 CO2 吸附固化功能的混凝土路面 II 固化 CO2 性能优良， 且路面材料关键性能如强度、 干缩率以及孔隙率等均满足基本路用要求， 可用于 公路路面局部路段的铺装， 如红绿灯路口、 停车场、 收费站等。
实施例 3 ：
基于汽车尾气 CO2 吸附固化功能的混凝土路面材料 III， 按照下述质量比例选取材 料：
水泥 ： 50％ ；
钢渣粉 ： 40％ ；
赤泥 ： 10％ ；
玄武岩纤维 ： 体积掺量 1.5％。
玄武岩碎石 ： 水 泥 基 复 合 胶 凝 材 料 质 量 的 3.5 倍， 分别取三种粒径范围 ：
2.36-4.75mm， 4.75-9.5mm， 9.5-19.0mm。
基于汽车尾气 CO2 吸附固化功能的混凝土路面 III 的制备 ：
(1) 按比例将水泥、 钢渣粉 ( 已干燥 )、 赤泥 ( 已干燥 ) 混合得到水泥基复合胶凝 材料， 再与玄武岩纤维混合搅拌均匀得到混合物。
(2) 将步骤 (1) 的混合物与三种粒径范围的玄武岩碎石分别混合， 并加入水 ( 用 量为水泥基复合胶凝材料质量的 0.25) 和高效减水剂 ( 用量为水泥基复合胶凝材料质量的 1.5％ ) 搅拌均匀， 得到三种目标孔隙率不同的多孔面层混凝土。
(3) 按目标孔隙率由小到大的顺序从下至上依次浇注三种目标孔隙率不同的水泥 基碎石混合材料， 三层材料分别为路面整体结构厚度的三分之一， 路面整体厚度 24-28cm ； 每浇注一层， 采用振捣工艺并压实表面， 但要防止过度振捣， 以免导致各层材料混杂。
(4) 浇注成型完后， 按照混凝土标准养护方法养护并拆模， 得到基于汽车尾气 CO2 吸附固化功能的混凝土路面 III。
对基于汽车尾气 CO2 吸附固化功能的混凝土路面 III 的性能检测。结果表明， 混凝土 3h 碳化率为 25.6 ％， 28d 抗压强度为 36.8MPa， 抗折强度为 5.2MPa， 28d 干缩率为 -6 188×10 ， 平均孔隙率为 18.5％， 满足公路局部路段路面混凝土的铺装要求， 特别适用于红 绿灯路口、 车站、 加油站服务区等。
实施例 4 ： 基于汽车尾气 CO2 吸附固化功能的混凝土路面材料 IV， 按照下述质量比例选取材料： 水泥 ： 60％ ；
钢渣粉 ： 20％ ；
赤泥 ： 20％ ；
玄武岩纤维 ： 体积掺量 1.5％。
玄武岩碎石 ： 水 泥 基 复 合 胶 凝 材 料 质 量 的 3.6 倍， 分别取三种粒径范围 ： 2.36-4.75mm， 4.75-9.5mm， 9.5-19.0mm。
基于汽车尾气 CO2 吸附固化功能的混凝土路面材料 IV 的制备 ：
(1) 按比例将水泥、 钢渣粉 ( 已干燥 )、 赤泥 ( 已干燥 ) 混合得到水泥基复合胶凝 材料， 再与玄武岩纤维混合搅拌均匀得到混合物。
(2) 将步骤 (1) 的混合物与三种粒径范围的玄武岩碎石分别混合， 并加入水 ( 用 量为水泥基复合胶凝材料质量的 0.26) 和高效减水剂 ( 用量为水泥基复合胶凝材料质量的 2％ ) 搅拌均匀， 得到三种目标孔隙率不同的多孔面层混凝土。
(3) 按目标孔隙率由小到大的顺序从下至上依次浇注三种目标孔隙率不同的水泥 基碎石混合材料， 三层材料分别为路面整体结构厚度的三分之一， 路面整体厚度 24-28cm ； 每浇注一层， 采用振捣工艺并压实表面， 但要防止过度振捣， 以免导致各层材料混杂。
(4) 浇注成型完后， 按照混凝土标准养护方法养护并拆模， 得到基于汽车尾气 CO2 吸附固化功能的混凝土路面 IV。
对基于汽车尾气 CO2 吸附固化功能的混凝土路面 IV 的性能检测。结果表明， 混凝土 3h 碳化率为 22.8 ％， 28d 抗压强度为 40.8MPa， 抗折强度为 5.7MPa， 28d 干缩率为 -6 250×10 ， 平均孔隙率为 26.5％， 满足公路局部路段路面混凝土的铺装要求， 适用于红绿灯
路口、 车站、 收费站、 加油站服务区等。
实施例 5 ：
基于汽车尾气 CO2 吸附固化功能的混凝土路面材料 V， 按照下述质量比例选取材 料：
水泥 ： 40％ ；
钢渣粉 ： 40％ ；
赤泥 ： 20％ ；
玄武岩纤维 ： 体积掺量 2％。
玄武岩碎石 ： 水 泥 基 复 合 胶 凝 材 料 质 量 的 3.4 倍， 分别取三种粒径范围 ： 2.36-4.75mm， 4.75-9.5mm， 9.5-19.0mm。
基于汽车尾气 CO2 吸附固化功能的混凝土路面 V 的制备 ：
(1) 按比例将水泥、 钢渣粉 ( 已干燥 )、 赤泥 ( 已干燥 ) 混合得到水泥基复合胶凝 材料， 再与玄武岩纤维混合搅拌均匀得到混合物。
(2) 将步骤 (1) 的混合物与三种粒径范围的玄武岩碎石分别混合， 并加入水 ( 用 量为水泥基复合胶凝材料质量的 0.25) 和高效减水剂 ( 用量为水泥基复合胶凝材料质量的 2％ ) 搅拌均匀， 得到三种目标孔隙率不同的多孔面层混凝土。
(3) 按目标孔隙率由小到大的顺序从下至上依次浇注三种目标孔隙率不同的水泥 基碎石混合材料， 三层材料分别为路面整体结构厚度的三分之一， 路面整体厚度 24-28cm ； 每浇注一层， 采用振捣工艺并压实表面， 但要防止过度振捣， 以免导致各层材料混杂。
(4) 浇注成型完后， 按照混凝土标准养护方法养护并拆模， 得到基于汽车尾气 CO2 吸附固化功能的混凝土路面 V。
对基于汽车尾气 CO2 吸附固化功能的混凝土路面 V 的性能检测。结果表明， 混 凝土 3h 碳化率为 24.0 ％， 28d 抗压强度为 30.1MPa， 抗折强度为 4.65MPa， 28d 干缩率为 -6 190×10 ， 平均孔隙率为 23.8％， 满足公路局部路段路面混凝土的铺装要求， 适用于红绿灯 路口、 车站、 收费站、 加油站服务区等。
实施例 6 ：
基于汽车尾气 CO2 吸附固化功能的混凝土路面材料 VI， 按照下述质量比例选取材 料：
水泥 ： 45％ ；
钢渣粉 ： 35％ ；
赤泥 ： 20％ ；
玄武岩纤维 ： 体积掺量 1.5％。
玄武岩碎石 ： 水 泥 基 复 合 胶 凝 材 料 质 量 的 4.2 倍， 分别取两种粒径范围 ： 4.75-9.5mm， 9.5-19.0mm。
基于汽车尾气 CO2 吸附固化功能的混凝土路面 VI 的制备 ：
(1) 按比例将水泥、 钢渣粉 ( 已干燥 )、 赤泥 ( 已干燥 ) 混合得到水泥基复合胶凝 材料， 再与玄武岩纤维混合搅拌均匀得到混合物。
(2) 将步骤 (1) 的混合物与两种粒径范围的玄武岩碎石分别混合， 并加入水 ( 用 量为水泥基复合胶凝材料质量的 0.25) 和高效减水剂 ( 用量为水泥基复合胶凝材料质量的2％ ) 搅拌均匀， 得到两种目标孔隙率不同的多孔面层混凝土。
(3) 按目标孔隙率由小到大的顺序从下至上依次浇注两种目标孔隙率不同的水泥 基碎石混合材料， 顶层材料为路面整体结构厚度的三分之一， 路面整体厚度 24-28cm ； 每浇 注一层， 采用振捣工艺并压实表面， 但要防止过度振捣， 以免导致各层材料混杂。
(4) 浇注成型完后， 按照混凝土标准养护方法养护并拆模， 得到基于汽车尾气 CO2 吸附固化功能的混凝土路面 VI。
对基于汽车尾气 CO2 吸附固化功能的混凝土路面 VI 的性能检测。结果表明， 混 凝土 3h 碳化率为 28.0 ％， 28d 抗压强度为 35.0MPa， 抗折强度为 4.95MPa， 28d 干缩率为 -6 240×10 ， 平均孔隙率为 28.1％， 满足公路局部路段路面混凝土的铺装要求， 适用于红绿灯 路口、 车站、 收费站、 加油站服务区等。