Low carbon emission concrete block

Abstract

A "low-carbon" concrete formulation exhibiting significant reduction in carbon dioxide emission without compromising the mechanical strength of the concrete product is provided herewith, together with a method of preparing concrete paving blocks with reduced carbon dioxide emission, with specific curing processes to further enhance the performance of the concrete paving blocks. The concrete paving blocks prepared and cured with the present formulation and method display negative carbon dioxide emission, while their mechanical strengths are comparable to that of ordinary concrete blocks. Various concrete block preparation procedures and curing conditions can be applied to fine-tune and enhance the mechanical strengths and carbon dioxide uptake capabilities of the concrete blocks.

Description

LOW CARBON EMISSION CONCRETE BLOCK

[0001] Cross-reference to Related Application:

[0002] The present application claims priority from U.S. provisional patent application serial number 63 / 520,335 filed August 17th, 2023, and the disclosures of which are incorporated by reference in their entireties.Field of the Invention:

[0003] The present invention generally relates to the field of concrete block formulations and preparation. More specifically, the present invention relates to providing formulations of reduced carbon emission concrete blocks, and methods of preparation involving specific casting and curing conditions thereof.Background of the Invention:

[0004] Carbon dioxide (CO2) is well-known as a potent greenhouse gas which causes recent global warming and extreme climate changes in Earth. CO2 concentration has been increased from 300 ppm to over 400 ppm in the last half century, 1 attributed to human activities and industrialization. The raise of CO2 level contributed to global warming as more solar radiation would be trapped by the increased amount of greenhouse gases.

[0005] Since The United Nations Framework Convention on Climate Change with the ultimate goal of “preventing dangerous anthropogenic interference with Earth’s climate system” is signed by 154 countries in 1992, reduction of carbon footprint and CO2 sequestration have become one of the hottest topics in different research areas.

[0006] In nature, some metal oxides minerals such as CaO and MgO are well-known to undergo carbonation with atmospheric CO2 to give corresponding carbonate minerals (CaCO3 and MgCO3) , which is further captured and converted by corals, shellfish and plankton into limestone. This natural mechanism known as rock weathering or mineral carbonation, and has played a key role in moderating CO2 levels and climate, having captured a million times more CO2 than that currently existing in the oceans, thereby allowing life to thrive on Earth.

[0007] This carbonation process is then further introduced into the concrete and cement industry by using CO2 as a curing and accelerating agent for cementitious materials. It is found that cementitious products such as concretes can gain strength rapidly within a few hours in a CO2-rich environment. Such phenomenon is contributed by the rapid carbonation process  between CO2 and cement components or hydration products: tricalcium silicate (3CaO·SiO2, C3S) , dicalcium silicate (2CaO·SiO2, C2S) , calcium hydroxide (Ca (OH) 2) and calcium silicate hydrate (xCaO·SiO2·yH2O, CSH) .

[0008] The corresponding carbonation processes are listed as following chemical equation: 3CaO·SiO2+ (3-x) CO2+yH2O→xCaO·SiO2·yH2O+ (3-x) CaCO3 2CaO·SiO2+ (2-x) CO2+yH2O→xCaO·SiO2·yH2O+ (2-x) CaCO3 Ca (OH)2+CO2→CaCO3+H2O xCaO·SiO2·yH2O+CO2→CaCO3+ (x-1) CaO·SiO2·yH2O

[0009] However, while there have been attempts in the field to develop “low-carbon” concrete blocks to reduce carbon footprint, as a trade-off the mechanical strength of these concrete blocks is often compromised, rendering them not robust enough for actual architectural or infrastructure uses.Summary of the Invention:

[0010] In view of the existing challenges in the field, it is an objective of the present invention to provide a “low-carbon” concrete formulation without compromising the mechanical strength of the concrete product, provided herewith is a concrete composition with low carbon emission and mechanical strength comparable to ordinary concrete, and a method of preparing concrete paving blocks with reduced carbon dioxide emission, with specific curing processes to further enhance the performance of the concrete paving blocks.

[0011] In accordance with a first aspect of the present invention, a composition for reduced carbon dioxide emission concrete is provided herewith, comprising: a combination of recycled aggregates and natural aggregates, Ordinary Portland Cement and low-carbon raw materials. The choice of low-carbon raw materials comprises ground granulated blast-furnace slag (GGBS) , fly ash (FA) , biochar, wollastonite or any combinations thereof.

[0012] In one embodiment of the first aspect of the present invention, the total amount of the combination of recycled aggregates and natural aggregates in the concrete composition is less than 77% by weight.

[0013] In another embodiment, the total amount of Ordinary Portland Cement is less than 20% by weight.

[0014] In other embodiment, the total amount of low-carbon raw materials is at least 10% by weight.

[0015] In yet another embodiment, a concrete paving block is provided, comprising a combination of recycled aggregates and natural aggregates, Ordinary Portland Cement and low-carbon raw materials. The choice of low-carbon raw materials comprises ground granulated blast-furnace slag (GGBS) , fly ash (FA) , biochar, wollastonite or any combinations thereof. The concrete paving block has a compressive strength of at least 30 MPa and a carbon dioxide uptake of at least 2.5%. Further, the concrete paving block comprises a total amount of less than 77%by weight of a combination of recycled aggregates and natural aggregates, a total amount of less than 20%by weight of Ordinary Portland and a total amount of at least 10%by weight of low-carbon raw materials.

[0016] In a second aspect of the present invention, a method of preparing concrete paving blocks with reduced carbon dioxide emission is also provided. The method comprises preparing a pre-curing concrete paving block with a composition comprising a combination of recycled aggregates and natural aggregates, Ordinary Portland Cement, and low-carbon raw materials comprising ground granulated blast-furnace slag, wollastonite, fly ash, biochar, or any combinations thereof; and subjecting the pre-curing paving block to a carbon dioxide-enhanced industrial curing process to obtain the concrete paving blocks with reduced carbon dioxide emission.

[0017] In an embodiment of the second aspect of the present invention, the pre-curing concrete paving block is prepared by wet cast method. The wet cast method comprises mixing the concrete formulation in a mechanical mixer to obtain a first concrete mixture, adding water and admixture to the first concrete mixture and mix to obtain a second slurry mixture, casting the second slurry mixture into plastic moulds, manually compacting the slurry mixture and sealing with plastic film, and demoulding after 24 hours to obtain the pre-curing concrete paving block.

[0018] In another embodiment, the pre-curing concrete paving block is prepared by semi-dry cast method. The method comprises mixing the concrete formulation in a mechanical mixer to obtain a first concrete mixture, adding water and admixture to the first concrete mixture and mix to obtain a second slurry mixture, pouring the second slurry mixture into a steel mould in first two layers of equal depth, applying manual compaction to the first two layers of the second slurry mixture, pouring a third layer of the second slurry mixture into the steel mould with equal depth of each of the first two layers, and compacting and demoulding by a compression machine to obtain the pre-curing concrete paving block.

[0019] In other embodiment, the carbon dioxide-enhance industrial curing process comprises three procedures, namely a first procedure of curing under a relative humidity of  50%for a time period of approximately 6 hours, a second procedure of carbon dioxide curing for a time period of 1-4 days, and a third procedure of water curing for a time period of 26-27 days.

[0020] In a further embodiment of the second aspect of the present invention, the carbon dioxide curing is performed under conditions of an air pressure of 1-3 bar, a temperature of 20 to 99℃, and a carbon dioxide concentration of at least 20%.

[0021] In another embodiment, the total amount of the combination of recycled aggregates and natural aggregates in the concrete composition is less than 77%by weight

[0022] In other embodiment, the total amount of Ordinary Portland Cement is less than 20%by weight.

[0023] In yet another embodiment, the total amount of low-carbon raw materials is at least 10%by weight.

[0024] In yet other embodiment, the concrete paving blocks have a compressive strength of at least 30 MPa and a carbon dioxide uptake of at least 10 kg / m3.

[0025] BRIEF DESCRIPTIONS OF DRAWINGS

[0026] For a better understanding of the various embodiments described herein and to show more clearly how these various embodiments may be carried into effect, reference will be made, by way of example, to the accompanying drawings, which show at least one example embodiment, and which are now described.

[0027] FIG. 1 shows the photograph of two different tailor-made curing chambers for the CO2 curing process.

[0028] FIG. 2 shows a schematic diagram of carbon dioxide curing chamber for the performance investigations as shown in the examples below. It should be noted that while 100%CO2 can be reached in the carbon dioxide curing chamber, the concentration slightly drops after a day.

[0029] FIG. 3 is a schematic diagram showing the procedures of the wet cast method for the preparation of concrete blocks with different low-carbon raw materials for performance tests.

[0030] FIGs. 4A to 4B show the effects of different low-carbon raw materials on the strength of concrete blocks, with FIG. 4A showing the compressive strength of concrete blocks without carbon dioxide curing, and FIG. 4B showing the compressive strength of concrete blocks without carbon dioxide curing.

[0031] FIG. 5 illustrates the effects of different low-carbon raw materials on the carbon dioxide uptake performance of concrete blocks.

[0032] FIG. 6 is a schematic diagram of procedures for preparing concrete blocks at various curing pressures for further performance tests.

[0033] FIG. 7 shows the effects of different curing pressures on the mechanical strength of concrete blocks.

[0034] FIG. 8 shows the effects of different curing pressures on the carbon dioxide uptake performance of concrete blocks.

[0035] FIG. 9 shows photographs of paving blocks after pressurized carbon curing at 3 bar (left) and normal curing (right) , respectively.

[0036] FIG. 10 is a schematic diagram of procedures for preparing concrete blocks at various carbon dioxide concentrations for further performance tests.

[0037] FIG. 11 illustrates the effect of carbon dioxide concentration on the strength of concrete paving blocks.

[0038] FIG. 12 illustrates the effect of carbon dioxide concentration on the carbon dioxide uptake performance of concrete paving blocks.

[0039] FIG. 13 is a schematic diagram of procedures for preparing concrete blocks at various curing temperatures for further performance tests.

[0040] FIG. 14 illustrates the effect of curing temperature on the strength of concrete paving blocks.

[0041] FIG. 15 illustrates the effect of curing temperature on the carbon dioxide uptake performance of concrete paving blocks.

[0042] FIG. 16 is a schematic diagram of procedures for preparing concrete paving blocks, mimicking the standard industrial production.

[0043] FIGs. 17 and 18 are schematic diagrams of procedures for preparing concrete paving blocks under different curing conditions, for the investigation of net-zero carbon emissions.Detailed Description:

[0044] In the following description, methods and modification procedures of aptamers as target detectors are set forth as preferred examples. It will be apparent to those skilled in the art that modifications, including additions and / or substitutions may be made without departing from the scope and spirit of the invention. Specific details may be omitted so as not to obscure the invention; however, the disclosure is written to enable one skilled in the art to practice the teachings herein without undue experimentation.

[0045] Various processes will be described below to provide an example of at least one embodiment of the claimed subject matter. No embodiment described below limits any claimed  subject matter, and any claimed subject matter may cover processes or systems that differ from those described below. The claimed subject matter is not limited to processes or systems having all of the features of any process or system described below or to features common to multiple or all of the processes or systems described below. It is possible that a process or system described below is not an embodiment of any claimed subject matter. Any subject matter that is disclosed in a process or system described below that is not claimed in this document may be the subject matter of another protective instrument, for example, a continuing patent application, and the applicants, inventors, or owners do not intend to abandon, disclaim or dedicate to the public any such subject matter by its disclosure in this document.

[0046] Furthermore, it will be appreciated that for simplicity and clarity of illustration, where considered appropriate, reference numerals may be repeated among the figures to indicate corresponding or analogous elements. In addition, numerous specific details are set forth in order to provide a thorough understanding of the embodiments described herein. However, it will be understood by those of ordinary skill in the art that the embodiments described herein may be practiced without these specific details. In other instances, well-known methods, procedures, and components have not been described in detail so as not to obscure the embodiments described herein. Also, the description is not to be considered as limiting the scope of the embodiments described herein.

[0047] Ordinary concrete is often criticized for its relatively high carbon footprint, primarily due to its key ingredient, i.e. Ordinary Portland cement (OPC) . The production process of OPC involves the heating of limestone, mainly comprising calcium carbonate, in high temperatures to produce clinker for further grinding to make cement. However, the heating of limestone in turn releases a substantial amount of carbon dioxide, due to not only the chemical decomposition of limestone releasing carbon dioxide, but also the high temperature of up to 1400℃ or above for the limestone heating is achieved typically by the combustion of fossil fuels, which intensively releases carbon dioxide.

[0048] Coupled with the fact that the raw materials used for ordinary concrete are predominantly non-renewable, the demand for greener options with reduced carbon footprint is increasingly sought after.

[0049] In view of the above, the concrete formulation of the present invention includes supplementary cementitious materials such as fly ash, ground granulated blast-furnace slag (GGBS) , fly ash and wollastonite, which in turn can replace and reduce the usage OPC by up to 44%, thereby significantly reducing carbon footprint of the concrete paving blocks thus produced.

[0050] In addition, by the specific curing processes and casting methods of the present invention, not only can the concrete paving blocks achieve a negative net carbon emission, demonstrating their potential as carbon sequestration materials, but they also retain remarkable levels of mechanical strength, thereby showing their industrial applicability for architectural and infrastructural uses.

[0051] For example, in the concrete composition of the present invention, the total amount of OPC ranges from 12-20%by weight; the total amount of the combination of recycled aggregates and natural aggregates ranges from 70-80%by weight; and the total amount of low-carbon raw materials ranges from 5-10%by weight.

[0052] EXAMPLES

[0053] Example 1 -Materials

[0054] Ordinary Portland cement (OPC) and ground granulated blast furnace-slag (GGBS) and fly ash (FA) are obtained Green Island Cement Company Limited. Natural aggregate (stonefines) , < 5 mm) is obtained from Golik Concrete Limited. Recycled construction aggregate (RCA, < 5 mm) is obtained from K. Wah Construction Materials Limited. Biochar is obtained from Baguio Green Group Limited. Wollastonite is obtained from Hebei Yanxi Mineral Products Processing Company.

[0055] Example 2 - Preparation of Concrete Blocks

[0056] 2.1 Wet Cast Method

[0057] The solid raw materials are mixed in a mechanical mixer for 1 minute, and then water and admixture are added to the concrete mixtures. The slurry mixtures are further mixed for around 3 minutes. Homogeneous mixed concrete mixtures are cast into the plastic moulds (40 × 40 × 40 mm) and then compacted manually using a wooden rod and a vibration table. After the compaction process, the concrete blocks are sealed by plastic film. After 24 hrs, the concrete blocks are demoulded and then subjected to different curing conditions.

[0058] 2.2 Semi-Dry Cast Method

[0059] The solid raw materials are mixed in a mechanical mixer for 1 minute, and then water and admixture are added to the concrete mixtures. The mixtures are further mixed for around 3 minutes. The fresh mixtures are poured into a steel mould (internal dimensions of 200 × 100 × 80 mm) in three layers of about equal depth. After each of the first two layers is poured, compaction is applied manually using a wooden rod. After the third layer is poured, the concrete block is compacted and demoulded by a compression machine. After demoulding, the blocks are subjected to different curing conditions.

[0060] Example 3 - Curing Process

[0061] Carbon dioxide curing

[0062] Considering the high water amount in the blocks would inhibit the carbonation process, all sample blocks are subjected to pre-treatment in an environmental chamber with a temperature of 25℃ and relative humidity of 50%for 5 hours before the CO2 curing process.

[0063] Referring to FIG. 2, two tailor-made curing chambers, Chamber I and Chamber II, are used for the carbon dioxide curing process. Chamber I is made of stainless steel with a volume of around 50 L and without any temperature-control and pressure-control systems. In contrary, Chamber II is a stainless steel cylindrical chamber with a volume of 30 L. This chamber also consists of a vacuum pump and a pressure gauge for controlling the curing pressure, furthermore, infrared heaters and thermocouples have also been installed for the temperature control.

[0064] Water curing

[0065] To obtain the maximum strength of the concrete samples, water curing is employed in this study. The sample blocks are fully immersed in the water tank with a temperature of 27 ±3℃ until the testing date.

[0066] Air curing

[0067] Air curing has also been introduced in this investigation for the simulation of paving block production in the concrete industry. The sample blocks are directly cured in the air at room temperature and humidity.

[0068] Example 4 - Testing

[0069] 4.1 Determination of compressive strength

[0070] The compressive strength is determined using a compressive strength machine with a maximum loading capacity of 1500 kN. The load with a loading rate of 900 kN / min is applied to the nominal area of sample blocks. The compressive strength is calculated by diving the failure load by the loading area of the sample blocks. In general, the 28-day compressive strengths of the sample blocks would be measured in this study.

[0071] 4.2 Determination of carbon dioxide uptake

[0072] The CO2 uptake of the samples is quantified by subtracting the amount of CaCO3 from the CO2-cured samples and the amount of CaCO3 from the non-CO2-cured samples. The amount of CaCO3 inside the specimen is determined using the mass loss in the temperature range of 500–900℃ by thermogravimetric analysis (TGA) . The TGA experiment is performed on TA Q500 TGA system. Around 10 mg of the powdered sample are loaded in a platinum crucible and heated from room temperature to 900℃ at a heating rate of 10℃ / min.  High purity N2 gas is purged into the furnace at a constant rate of 100 ml / min to minimize the undesirable oxidation process during heating.

[0073] Example 5 - Results

[0074] 5.1 Investigation of concrete block with various low-carbon raw materials

[0075] The introduction of low-carbon raw materials in the formulation is an ideal way to lower the carbon footprint of concrete products. For example, both GGBS and FA are common supplementary cementitious materials in the concrete industry, which can be partially replaced OPC content in the production process

[0076] GGBS, FA, wollastonite and biochar are selected as the candidates for low-carbon raw materials in this study. Different percentages of these low-carbon raw materials have been introduced into the concrete formulation. In this investigation, the effect of these low-carbon raw materials on the properties of the concrete blocks are studied mainly in terms of compressive strength and CO2 uptake. The wet cast method has been employed in this investigation for the preparation of sample blocks, the corresponding experimental procedures is depicted in FIG. 3. After sealed curing and demoulding, the samples would be subjected to two different conditions: Condition 1 (with CO2 curing) and Condition 2 (without CO2 curing) .

[0077] The effect of various low-carbon raw materials on the 28-day compressive strength of concrete blocks has been summarized in FIGs. 4A and 4B. In this experiment, the low-carbon raw materials are used to replace OPC in the formulations. Generally speaking, the compressive strength of the samples would be decreased upon increasing the amount of low-carbon raw materials in the formulation, especially in the cases of wollastonite and biochar. It is mainly because wollastonite and biochar are not considered supplementary cementitious materials that can contribute to the strength development of concrete via hydraulic and / or pozzolanic activity. Furthermore, biochar has a porous structure, therefore the strength would drop drastically when the composition of biochar increased to a certain extent. Based on the results, it is believed that the formulation can contain up to 10%of supplementary cementitious materials (FA and GGBS) or up to 2%of biochar to maintain the minimum requirement of the paving block (≥ 30 MPa) .

[0078] Furthermore, as observed in the results below, all low-carbon concrete blocks exhibit CO2 emission rates out-balanced by the CO2 uptake rates, therefore indicating not only reduced, but negative carbon dioxide emission. Also, the CO2 uptake property of the concrete blocks with different percentages of low-carbon raw materials has also been investigated by TGA techniques. The corresponding results have been pictured in FIG. 5. It is worth noting that all the samples with CO2 curing showed higher content of CaCO3 compared to their counterparts  without CO2 curing. These results suggested the feasibility of CO2 curing of concrete blocks in terms of CO2 sequestration.

[0079] 5.2 Investigation of concrete block at various curing pressures

[0080] The paving block samples are prepared by semi-dry cast method using the formulation shown in Table 1, and the CO2 curing of the paving block samples are all carried out in Chamber II which is with the pressure-control configuration. After sample preparation, the paving blocks have been subjected to different curing conditions including CO2 curing at 3 bar, 2 bar and 1 bar as well as normal curing without any CO2 curing (FIG. 6) .

[0081] Table 1: Formulation for experimental investigation of concrete block at various curing pressures

[0082] The results of this investigation on the effect of curing pressure on the properties of concrete samples are illustrated in FIGs. 7 and 8 and Table 2. For the investigation of compressive strength, it is found that the samples cured at 3 bar showed the highest 28-day strength among other samples while the samples cured at 2 bar and 1 bar showed lower strengths compared with the normal cured samples. On the other hand, the samples at 3 bar CO2 curing showed much higher CO2 uptake compared with others, which suggested the extensive formation of CaCO3 after pressurized CO2 curing. This result also is in-line with the appearance of the samples (FIG. 9) , where the sample block after 3 bar of CO2 curing has a relatively whiter surface which should be contributed to the presence of the abundant amount of CaCO3 after carbonation.

[0083] Table 2: Performance results of concrete block curing at various carbon dioxide pressures

[0084] (Mass of each block: 3.5kg; Method of curing: semi-dry compaction; Block size: 200 x 100 x 80 mm)

[0085] 5.3 Investigation of concrete block at various carbon dioxide concentration

[0086] To investigate the impact of CO2 concentration on the performance of concrete blocks after CO2 curing, multiple samples are prepared and delivered into the curing chamber with different CO2 concentrations (> 99%, 80%, 60%, 40%and 20%) . Furthermore, similar to the previous experiment, a baseline sample has also been cast and cured under the normal condition without any CO2 curing for a better comparison. The formulation and the experimental procedures employed in this investigation are shown in Table 3 and FIG. 10, respectively.

[0087] Table 3: Formulation for investigation of concrete block curing at various carbon dioxide concentrations

[0088] The influences of CO2 concentration on the strength and the CO2 uptake behaviour of the concrete samples have been revealed in FIGs. 11 and 12 and Table 4, respectively. Based on the experimental results, it is observed that the CO2-cured products exhibited higher strengths when the CO2 concentration inside the chamber is over 60%. In addition, the CO2 uptake performance of the concrete blocks showed a positive correlation with the CO2 concentration since higher CO2 concentration inside the chamber can provide more CO2 for the concretes to undergo carbonation via CO2 sequestration.

[0089] Table 4: Performance results of concrete block curing at various carbon dioxide concentrations

[0090] (Mass of each block: 3.5kg; Method of curing: semi-dry compaction; Block size: 200 x 100 x 80 mm)

[0091] 5.4 Investigation of concrete block at various carbon dioxide concentration

[0092] Curing temperature is one of the critical parameters which would affect the hardening process of concrete. Thus, the investigation of concrete blocks with CO2 curing at different curing temperatures has also been conducted. The formulation adopted in this investigation is presented in Table 5. In general, the paving blocks are subjected to CO2 curing at different curing temperatures (60℃, 40℃ and room temperature) and then followed by water curing. As usual, a sample with air curing instead of CO2 curing is also prepared as a reference sample. The general procedure is depicted in FIG. 13.

[0093] Table 5: Formulation for investigation of concrete block at various curing temperatures

[0094] The corresponding results of compressive strength and CO2 uptake performance experiments are displayed on FIGs. 14 and 15 and Table 6, respectively. According to the experimental results, it is figured out that increasing CO2 curing temperature may have detrimental effect on the compressive strength, probably due to the dehydration of the blocks during heating process, resulting in less amount of water for hardening process of cement. On  the other hand, the blocks cured at 40℃ has the highest CO2 uptake property, which may be contributed to the improvement of CO2 penetration.

[0095] Table 6: Performance results of concrete block curing at various temperatures:

[0096] (Mass of each block: 3.5kg; Method of curing: semi-dry compaction; Block size: 200 x 100 x 80 mm)

[0097] (Pending data are marked as “--" . )

[0098] 5.5 Mimicking of industrial production of paving blocks with carbon dioxide curing

[0099] In the sections above, all the CO2-cured and non-CO2-cured concrete samples have been subjected to water curing as the final curing step in the experiments. By applying water curing for a long period (>20 days) , the maximum strength of the concrete samples should be achieved. However, water curing for over 20 days is seldom used in the real situation in paving block manufacturing process. Therefore, this investigation regarding the mimicking of industrial production of paving blocks is developed and carried out. The formulation and the design of the experiment are illustrated in Table 7 and FIG. 16, respectively. In this experiment, air curing is used as the final step instead of water curing.

[0100] Table 7: Formulation used for mimicking of industrial production of paving blocks with carbon dioxide curing

[0101] The results are summarized in Table 8. It is discovered that the sample with CO2 curing has a higher compressive strength than the one without CO2 curing. And the CO2 uptake is also reasonable compared with those results in the previous section. Considering that the water curing process may not be included in the traditional manufacturing process, CO2 curing  should be beneficial to the production of concretes in terms of strength development and CO2 sequestration.

[0102] Table 8: Results of mimicking of industrial production of paving blocks with carbon dioxide curing

[0103] (Mass of each block: 3.5kg; Method of curing: semi-dry compaction; Block size: 200 x 100 x 80 mm)

[0104] 5.6 Investigation of net-zero carbon emissions in low-carbon concrete blocks –Part I

[0105] In addition to the CO2 uptake through CO2 curing technique, the design of formulation is another critical component for achieving carbon net-zero concrete blocks. A formulation based on previous formulation and results has been utilized for the production of the potential carbon-zero concrete paving block (Table 9) . After the preparation of the paving blocks thru the semi-dry method, the block samples are cured in various conditions to reach higher CO2 uptake performance. The corresponding procedures are illustrated in FIG. 17.

[0106] Table 9: Formulation for investigation of net-zero carbon emissions in low-carbon concrete blocks –Part I

[0107] The results, as summarized in Table 10, show that the CO2 uptake of the samples is improved from 2.90%to 3.73%when the curing time increased from 1 day to 4 days. Such improvement in CO2 uptake is reasonable since more CaCO3 could be formed through carbonation when the CO2 curing duration increased.

[0108] Table 10: Results of investigation of net-zero carbon emissions in low-carbon concrete blocks –Part I

[0109] (Mass of each block: 3.5kg; Method of curing: semi-dry compaction; Block size: 200 x 100 x 80 mm)

[0110] 5.7 Investigation of net-zero carbon emissions in low-carbon concrete blocks –Part II

[0111] Based on the above results, another investigation has been performed to further improve the CO2 uptake by using an intensive CO2 curing process. Also, a mixed formulation with lower carbon footprint has been used in this investigation. The corresponding formulation and experimental procedures are illustrated in Table 11 and FIG. 18, respectively.

[0112] Table 11: Formulation for investigation of net-zero carbon emissions in low-carbon concrete blocks –Part II

[0113] The compressive strength and the CO2 uptake property of the samples after intensive CO2 curing or normal curing are represented in Table 9. Under high pressure (3 bar of CO2) and high temperature (40℃) , the CO2 uptake property of the blocks is found to be significantly improved to around 5%, such result is also correlated to the investigation of various curing pressures and the investigation of various curing temperatures. This CO2 uptake behaviour indicates that one paving block of dimension 200 × 100 × 80 mm and weight 3.5 kg can uptake around 0.175 kg CO2. The embodied carbon of one single block is around 0.075 kg CO2. Based on a simple calculation (Net Carbon = Embodied Carbon –Amount of CO2 uptake) , the net carbon of one paving block is -0.1 kg CO2, suggesting that this formulation under such an intensive CO2 curing process can produce a kind of carbon-negative concrete paving block.

[0114] Table 12: Results of investigation of net-zero carbon emissions in low-carbon concrete blocks –Part II

[0115] (Mass of each block: 3.5kg; Method of curing: semi-dry compaction; Block size: 200 x 100 x 80 mm)

[0116] 5.7 Investigation of net-zero carbon emissions in low-carbon concrete blocks –Part III

[0117] A further investigation is carried out on varying the preparation method of the concrete blocks before subjecting to further curing processes. Instead of semi-dry compaction, concrete blocks are prepared with the formulation of Table 9 above, under the wet-cast method with procedures as illustrated in FIG. 3 and Example 2.1 above, which are subsequently subjected to curing with and without CO2 respectively. The results are tabulated in Table 13 below.

[0118] Table 13: Results of investigation of net-zero carbon emissions in low-carbon concrete blocks –Part III

[0119] (Mass of each block: 400 g; Method of curing: wet cast; Block size: 40 x 40 x 40 mm) (Pending data are marked as “--" . )

[0120] 5.8 Calculation of carbon dioxide emission / uptake

[0121] With the carbon dioxide uptake percentage obtained in the above investigations, the carbon dioxide emission or uptake of each concrete block is further quantified as follows:

[0122] With the equation above, it is calculated that, with the improved concrete formulation, taking the lowest carbon dioxide uptake rate as a reference point (see Table 4, CO2 curing (20%) + water curing) , it displays a carbon dioxide uptake of 11.81 kg / m3; and similarly, under certain conditions, the carbon dioxide uptake of the low-carbon emission concrete paving blocks exhibits carbon dioxide uptake of over 100 kg / m3.

[0123] Throughout this specification, unless the context requires otherwise, the word "comprise" or variations such as "comprises" or "comprising" , will be understood to imply the inclusion of a stated integer or group of integers but not the exclusion of any other integer or group of integers. It is also noted that in this disclosure and particularly in the claims and / or paragraphs, terms such as “comprises” , “comprised” , “comprising” and the like can have the meaning attributed to it in U.S. Patent law; e.g., they allow for elements not explicitly recited, but exclude elements that are found in the prior art or that affect a basic or novel characteristic of the present invention.

[0124] Furthermore, throughout the specification and claims, unless the context requires otherwise, the word “include” or variations such as “includes” or “including” , will be understood to imply the inclusion of a stated integer or group of integers but not the exclusion of any other integer or group of integers.

[0125] References in the specification to “one embodiment” , “an embodiment” , “an example embodiment” , etc., indicate that the embodiment described can include a particular feature, structure, or characteristic, but every embodiment may not necessarily include the particular feature, structure, or characteristic. Moreover, such phrases are not necessarily referring to the same embodiment. Further, when a particular feature, structure, or characteristic is described in connection with an embodiment, it is submitted that it is within the knowledge of one skilled in the art to affect such feature, structure, or characteristic in connection with other embodiments whether or not explicitly described.

[0126] Other definitions for selected terms used herein may be found within the detailed description of the present invention and apply throughout. Unless otherwise defined, all other technical terms used herein have the same meaning as commonly understood to one of ordinary skill in the art to which the present invention belongs.

[0127] It will be appreciated by those skilled in the art, in view of these teachings, that alternative embodiments may be implemented without undue experimentation or deviation from the spirit or scope of the invention, as set forth in the appended claims. This invention is to be limited only by the following claims, which include all such embodiments and modifications when viewed in conjunction with the above specification and accompanying drawings.

Claims

1.A composition for reduced carbon dioxide emission concrete, comprising:a combination of recycled aggregates and natural aggregates;Ordinary Portland Cement; andlow-carbon raw materials comprising ground granulated blast-furnace slag, wollastonite, fly ash, biochar, or combinations thereof;wherein the total amount of Ordinary Portland Cement is less than 20%by weight.2.The composition of claim 1, wherein the total amount of the combination of recycled aggregates and natural aggregates is less than 77%by weight.3.The composition of claim 1, wherein the total amount of low-carbon raw materials is at least 10%by weight.4.A carbon dioxide-cured concrete paving block comprising the composition of claim 1, wherein the concrete paving block has a compressive strength of at least 30 MPa and a carbon dioxide uptake rate of at least 10 kg / m3.5.A method of preparing concrete paving blocks with reduced carbon dioxide emission, comprising:preparing a pre-curing concrete paving block with a concrete formulation comprising a combination of recycled aggregates and natural aggregates; Ordinary Portland Cement; and low-carbon raw materials comprising ground granulated blast-furnace slag, wollastonite, fly ash, biochar, or any combinations thereof; andsubjecting the pre-curing concrete paving block to a carbon dioxide-enhanced industrial curing process to obtain the concrete paving blocks with reduced carbon dioxide emission.6.The method of claim 5, wherein the pre-curing concrete paving block is prepared by wet cast method comprising:mixing the concrete formulation in a mechanical mixer to obtain a first concrete mixture;adding water and admixture to the first concrete mixture and mix to obtain a second slurry mixture;casting the second slurry mixture into plastic moulds, manually compacting the slurry mixture and sealing with plastic film; anddemoulding after 24 hours to obtain the pre-curing concrete paving block.7.The method of claim 5, wherein the pre-curing concrete paving block is prepared by semi-dry cast method comprising:mixing the concrete formulation in a mechanical mixer to obtain a first concrete mixture;adding water and admixture to the first concrete mixture and mix to obtain a second slurry mixture;pouring the second slurry mixture into a steel mould in first two layers of equal depth;applying manual compaction to the first two layers of the second slurry mixture;pouring a third layer of the second slurry mixture into the steel mould with equal depth of each of the first two layers; andcompacting and demoulding by a compression machine to obtain the pre-curing concrete paving block.8.The method of claim 5, wherein the carbon dioxide-enhanced industrial curing process comprises:a first procedure of curing under a relative humidity of 50%for a time period of approximately 6 hours;a second procedure of carbon dioxide curing for a time period of 1-4 days; anda third procedure of water curing for a time period of 26-27 days.9.The method of claim 8, wherein the carbon dioxide curing is performed under conditions of:an air pressure of 1 to 3 bar;a temperature of 20 to 99℃; anda carbon dioxide concentration of at least 20%.10.The method of claim 5, wherein the total amount of the combination of recycled aggregates and natural aggregates is less than 77%by weight.11.The method of claim 5, wherein the total amount of Ordinary Portland Cement is less than 20%by weight.12.The method of claim 5, wherein the total amount of low-carbon raw materials is at least 10%by weight.13.The method of claim 5, wherein the concrete paving blocks have a compressive strength of at least 30 MPa.14.The method of claim 5, wherein the concrete paving blocks have a net carbon dioxide uptake rate of at least 10 kg / m3.

Images