CN102650126B

CN102650126B - 一种土壤的碳化固化方法

Info

Publication number: CN102650126B
Application number: CN201210097042.2A
Authority: CN
Inventors: 易耀林; 马丁·利什卡; 阿尔比·阿勒-塔瓦; 刘松玉
Original assignee: Southeast University
Current assignee: Southeast University
Priority date: 2010-12-24
Filing date: 2010-12-24
Publication date: 2014-05-07
Anticipated expiration: 2030-12-24
Also published as: CN102650126A

Abstract

一种土壤的碳化固化方法，将需固化的土体与固化剂按照质量比为12~19：8~1的比例搅拌、混合均匀，然后向固化土中通入二氧化碳气体，使固化土体碳化并形成碳酸化合物固化土，所述的固化剂包括活性氧化镁。一种用于实施土壤碳化固化的装置，包括二氧化碳发生器和外套管，在外套管的管壁上设有作为二氧化碳出口的通孔，在二氧化碳发生器上连接有二氧化碳导入管，且二氧化碳发生器上的二氧化碳出气口与二氧化碳导入管的一端连接，二氧化碳导入管的另一端位于外套管内。二氧化碳导入管上套设有密封膜，密封膜覆盖于外套管的顶部且向外套管的外部延伸。外套管与二氧化碳导入管之间设有气体密封圈，且气体密封圈位于外套管的顶部。

Description

一种土壤的碳化固化方法

本发明是发明创造名称为“一种土壤的碳化固化方法及其装置”、申请日为“2010.12.24”和申请号为“201010604013.1”的分案申请。

技术领域

本发明属于土木工程技术领域，是一种用于固化土体的绿色、低碳的环保型碳化固化方法及其装置。

背景技术

固化是加固、改善土体性质的常用方法，它是用各种方法将固化剂与土体搅拌、混合，通过固化剂的固化作用（如水泥的水化作用）来改善土体的物理、力学性质（含水量、渗透性、强度、模量等），从而满足土木工程需要。目前，常规的土体固化剂主要为水泥和生石灰。生石灰（GaO）是早期主要的土体固化剂，生石灰会与土中水分的快速发生水化反应生成氢氧化钙（Ga（OH）₂），该反应会降低土体中的含水量，并改善土体的性质，同时生成的氢氧化钙具有胶凝作用，从而提高固化土的强度，但是由于氢氧化钙本身的强度较低（相对水泥来说），它形成的固化土强度不高，对软土地基处理的效果不好。所以现在工程中（主要是搅拌桩工程）使用的固化剂为水泥，因为水泥土的强度相对较高，性质稳定。但是水泥在生产过程需要高温煅烧，煅烧温度约为1450度，同时在水泥生产过程中需要释放大量的二氧化碳，研究表明生产1吨水泥需要向大气排放0.85吨二氧化碳，水泥工业排放的二氧化碳占世界上人为排放二氧化碳的10%左右。中国作为京都协议的签约国，承担着很重的二氧化碳减排责任，而土木建筑领域是二氧化碳排放的主要重要领域之一。出于环境保护的要求，一些高二氧化碳排放的工业中采用二氧化碳捕捉技术，即利用相应的技术手段将部分排放的二氧化碳收集起来，如何处理这些收集的二氧化碳是当前环境工程研究的一个重点问题。目前主要的方法是将其压缩为液体后注入油井等深部地壳中，然后进行密封。但是该方法的长期稳定性还没有经过检验，存在潜在的泄露危险，而且成本非常高。

本发明主要针对上述问题，研发可以替代水泥的低碳、环保的新型土壤碳化固化方法及其装置。新型土体固化方法需要满足三个主要要求：（1）能满足实际工程性能需要，主要是在固化强度上要能达到与水泥相近或者更优的效果；（2）能满足低碳、环保要求，新方法的能耗和二氧化碳排放要比水泥低；（3）能满足工程经济需要，其成本不能过高于水泥。基于以上考虑，发明人通过大量的试验，研发了一种绿色、低碳的土壤碳化固化方法及其装置。

该方法使用的固化剂主要成分是活性氧化镁（Reactive MgO），活性氧化镁生产过程的煅烧温度约为750度，远低于水泥（1450度），故又叫轻烧镁或者轻烧粉，在此温度下生成的氧化镁与水反应较快，水化生成氢氧化镁（Mg（OH）₂），故称为活性氧化镁，其价格等于或稍高于水泥。当煅烧温度过高，超过1500度后，生成的氧化镁失去活性，称为死烧氧化镁或者过烧氧化镁。活性氧化镁固化土体的强度较低，远小于相同条件下水泥固化土的强度。但是，发明人通过大量的试验发现，活性氧化镁固化土很容易与二氧化碳反应（碳化），特别是在高溶度、高压力的二氧化碳环境下，其碳化过程会在几小时甚至几十分钟内完成，生成镁的碳酸化合物。发明人的试验研究结果还表明，活性氧化镁固化土经过碳化后强度会大大提高，接近甚至超过相同条件下水泥土的强度。碳化反应过程会消耗大量的二氧化碳，理论上完全碳化时能吸收1.1倍活性氧化镁重量的二氧化碳，从而产生显著的环境效应，同时在非常短的时间内完成固化土强度的增长，这个特性对抢险、救灾等特殊工程具有非常重要的意义。生石灰能发生和活性氧化镁相似的水化和碳化反应，同样能产生显著的环境效应，但是发明人通过试验发现生石灰固化土碳化后的强度提高非常有限，远达不到水泥固化土的程度，不过生石灰的价格远低于活性氧化镁，其水化过程能快速降低土体的含水量，增大土体的短期渗透性，这对于固化土的碳化非常重要。所以，可以将生石灰与活性氧化镁混合使用，生石灰和活性氧化镁共同起到快速降低土体的含水量，增大土体的短期渗透性的作用，为碳化反应创造条件，并共同通过碳化反应实现吸收二氧化碳的环境效应，而活性氧化镁经过水化作用和碳化作用对土体强度增长起主要作用。

综上所述，尽管活性氧化镁和生石灰生产过程中同水泥一样会排放大量的二氧化碳，但是在固化土碳化过程中会大量吸收二氧化碳，故从产品的生产、使用全过程来看，其二氧化碳排放量远低于水泥。

发明内容

技术问题：本发明的目的是提供一种用于土木工程的低碳、环保型的土壤碳化固化方法及其装置，本发明能够在达到与现有水泥固化土相近的固化强度和工程造价的情况下，降低相应土木工程中的能耗和二氧化碳排放，产生显著的环境效应，同时在非常短的时间内完成固化土的强度增长，满足抢险、救灾等特殊工程中对工程时间的要求。

技术方案：

一种土壤的碳化固化方法，将需固化的土体与固化剂按照质量比为12~19：8~1的比例搅拌、混合均匀，然后向固化土中通入二氧化碳气体，使固化土体碳化并形成碳酸化合物固化土，所述的固化剂包括活性氧化镁。

一种用于实施上述土壤的碳化固化方法的装置，包括二氧化碳发生器和外套管，在外套管的管壁上设有作为二氧化碳出口的通孔，在二氧化碳发生器上连接有二氧化碳导入管，且二氧化碳发生器上的二氧化碳出气口与二氧化碳导入管的一端连接，二氧化碳导入管的另一端位于外套管内。二氧化碳导入管上套设有密封膜，所述密封膜覆盖于外套管的顶部且向外套管的外部延伸。外套管与二氧化碳导入管之间设有气体密封圈，且气体密封圈位于外套管的顶部。在外套管的底部设有端盖。

与现有技术相比，在达到与常规水泥固化方法相近的处理效果和工程造价的情况下，本发明可大大降低处理工程的二氧化碳排放量和能耗，减少50％～70％的二氧化碳排放，20％～50％的能耗。现有的水泥固化土需要28天或者更长的时间完成主要强度增长，然后才能投入使用，本发明只需要几小时甚至几十分钟完成固化土的主要强度增长，可以满足抢险、救灾等特殊工程中对工程时间的要求。

附图说明

图1为三种固化土的强度与时间的变化关系图。

图2为碳化养护3小时和常规养护28天的活性氧化镁固化的X射线衍射分析结果图。

图3为利用搅拌轴进行通气碳化的搅拌桩施工示意图。

图4为利用碳化装置进行通气碳化的搅拌桩施工示意图。

图5为浅层整体碳化工程俯视图。

图6为浅层整体碳化工程剖面图。

图7为用于碳化搅拌桩施工的碳化装置示意图。

图8为用于浅层整体碳化工程施工的碳化装置示意图。

其中有：搅拌桩机1；天然土2；未碳化的活性氧化镁固化土3；碳化的活性氧化镁固化土4；外套管5；二氧化碳导入管6；二氧化碳发生器7；密封膜8；连接管9；端盖10；气体密封圈11；通孔12。

具体实施方式

将所需的固化土体与固化剂按照质量比为12~19：8~1的比例搅拌、混合均匀，形成均匀的固化土。然后向固化土中通入二氧化碳气体，使固化土体碳化并形成碳酸化合物固化土，所述的固化剂包括活性氧化镁。固化剂和土体的搅拌可以根据具体工程需要，由人工、深层搅拌机械（如深层搅拌桩机）、浅层搅拌机械进行，固化土的碳化可以通过设置专门的碳化装置通入二氧化碳气体进行，或者通过搅拌机械在初步搅拌后，一边搅拌一边通入二氧化碳气体。

实施例1

本实施例中为室内试验，主要分析碳化固化方法的可行性和不同碳化时间对碳化土强度的影响。所需要固化的土为砂性土，含水量为10％，固化剂为活性氧化镁，活性氧化镁掺量（活性氧化镁与土体和活性氧化镁总质量之比）为10％。先将活性氧化镁与土体按照设计配比混合、搅拌均匀，灌入直径5公分、高度为10公分的标准模具，进行振捣、密实，约半小时左右后脱模，将试样安装在三轴渗透仪上，施加400kPa的围压，然后从底部给试样通入200kPa的二氧化碳气体，进行碳化养护，养护时间分别为45分钟、1.5小时、3小时、6小时和12小时。为了进行效果对比，同时制作了相同配比的普通硅酸盐水泥固化土和非碳化的活性氧化镁固化土，在温度为20度，相对湿度为98％的常规养护室养护至7天、28天。同一配比制作三个试样，养护结束后立即进行无侧限抗压强度试验，取其测试强度的平均值作为结果，结果见图1。

结果表明，普通硅酸盐水泥固化土的7天强度为4600kPa，28天强度为6800kPa，非碳化的活性氧化镁固化土的7天强度为470kPa，28天强度为1367kPa，可以看出常规养护的水泥或活性氧化镁固化土从7天到28天还有很大的增长，且非碳化的活性氧化镁固化土的7天和28天强度均远低于普通硅酸盐水泥固化土。但是，碳化养护的活性氧化镁固化土在45分钟后便具有4900kPa的强度，1.5小时后为5500kPa，3小时候即达到最高强度约7300kPa，比普通硅酸盐水泥固化土的28天的强度还高。还进行了掺量为10％的生石灰的试样，用同样的碳化养护方法碳化7天，其强度还只有500kPa，远远低于碳化的活性氧化镁固化土。

对碳化养护时间为3小时和常规养护28天的活性氧化镁固化土进行了X射线衍射分析，以分析其化学成分，结果见图2，可以发现碳化养护时间为3小时的活性氧化镁固化土试样中生成了大量的三水碳酸镁（MgCO₃·3H₂O），而常规养护28天的活性氧化镁试样则为氢氧化镁（Mg（OH）₂）。

实施例2

本实施例中为碳化搅拌桩试验，所需要加固的土为干的砂性土，固化剂为活性氧化镁，活性氧化镁与干土的质量之比为10％。先用小型的搅拌桩机1在土体中搅拌、喷射活性氧化镁浆液施工形成未碳化的活性氧化镁固化土3，然后再利用搅拌桩机1边搅拌边通入二氧化碳气体进行碳化，具体施工过程见图3，并介绍如下：

（a）将搅拌桩1机布置在需固化的天然土体2上方，启动搅拌桩机1，搅拌桩机1下沉，同时搅拌并喷活性氧化镁浆液，直到搅拌叶片到达底面设计标高；

（b）搅拌桩机1提升，同时搅拌并喷活性氧化镁浆液，直到搅拌叶片到达地表；

（c）在地表用清水清洗搅拌轴的浆液输送管，将输送管连接到二氧化碳气罐出气口，然后启动搅拌桩机1，搅拌桩机1下沉，搅拌叶片搅拌土体，直到搅拌叶片到达底面设计标高；

（d）搅拌桩机提升，同时开启二氧化碳气罐阀门，边搅拌边喷射二氧化碳气体，直到搅拌叶片到达地表，关闭二氧化碳罐阀门，完成碳化，形成碳化的活性氧化镁固化土4，即碳化搅拌桩；

完成以上步骤后，过1个小时后开挖，发现桩身已经非常坚硬，经过测试桩身无侧限抗压强度为1300kPa。该强度低于实施例1中的结果，主要是因为只进行了一次搅拌碳化，碳化时间较短，但是该强度已经能够满足工程要求。

实施例3

本实施例为碳化搅拌桩试验，所需要加固的土为干的砂性土，固化剂为活性氧化镁，活性氧化镁与干土的质量之比为10％。先用小型的搅拌桩机1在土体中搅拌、喷射活性氧化镁浆液施工形成未碳化的活性氧化镁搅拌固化土3，然后布设碳化装置，通过碳化装置进行碳化。

碳化装置包括二氧化碳发生器7和外套管5，在外套管5的管壁上设有作为二氧化碳出口的通孔12，在二氧化碳发生器7上连接有二氧化碳导入管6且二氧化碳发生器7上的二氧化碳出气口与二氧化碳导入管6的一端连接，二氧化碳导入管6的另一端位于外套管5端部。在二氧化碳导入管6上套设有密封膜8，所述密封膜8覆盖于外套管5的顶部且向外套管5的外部延伸。在外套管5与二氧化碳导入管6之间设有气体密封圈11，且气体密封圈11位于外套管5的顶部。外套管5的底部设有端盖10。

这样保证二氧化碳先沿着导入管6进入到桩端，然后自下而上由外套管5的开口进入固化土，对固化土进行碳化。具体施工步骤见图4，并介绍如下：

（a）启动搅拌桩机1，搅拌桩机1下沉，同时搅拌并喷活性氧化镁浆液，直到搅拌叶片到达底面设计标高；

（c）移去搅拌桩机1，立即在搅拌桩中间沿着桩身插入外套管5直到桩端位置，然后在外套管5中插入二氧化碳导入管6。在桩顶处用气体密封圈11将外套管5与二氧化碳导入管6之间密封，并在桩顶位置铺设密封膜8，密封膜8的面积略大于搅拌桩截面积，并将密封膜8埋入地面以下30公分左右进行密封、固定。将碳化导管的内管从密封膜的中间引出，并对引出口进行密封处理，然后通过连接管9将二氧化碳导入管6与二氧化碳发生器7连接，开启二氧化碳发生器7阀门，进行碳化，5小时后关闭二氧化碳发生器7阀门，结束碳化，形成碳化的活性氧化镁固化土4，即碳化搅拌桩。

完成以上步骤后，立即开挖，发现桩身已经非常坚硬，经过取样测试，桩身无侧限抗压强度为4700kPa，高于实施例2中的强度，因为该方法可以根据需要控制碳化时间，效果较好。

实施例4

本实施例中为浅层整体搅拌、碳化试验，所需要加固的土为黏性土，含水量为25％，加固深度为1米，固化剂为活性氧化镁，活性氧化镁与湿土的质量之比为5％。先用浅层搅拌机械整体地将活性氧化镁干粉与1米内的浅层土体混合、搅拌均匀。然后在场地每隔1米挖设平行的壕沟，壕沟宽10公分左右，深0.5米，在每个壕沟内设置外套管5和二氧化碳导入管6，二氧化碳导入管6长度为外套管5的一半。在外套管5的端部用端盖10密封，顶部用气体密封圈11将外套管5与二氧化碳导入管6之间密封，然后在处理区域上部覆盖密封膜8，密封膜8的边界略大于处理区域，并将边界的密封膜8埋入土中30公分左右进行密封、固定。将所有二氧化碳导入管6通过连接管9与二氧化碳发生器7连接，打开二氧化碳发生器7，对固化土进行碳化，5小时后关闭二氧化碳罐阀门，完成碳化，具体的俯视图和剖面图见图5、图6。立即进行开挖，发现固化土层已经比较坚硬，经过取样测试其无侧限抗压强度为510kPa，低于实施例1、2、3中的强度，因为该实施例主要目的是浅层整体固化，对强度要求较低，所以活性氧化镁的掺量较小，同时该实施例使用的是高含水量的黏性土。但是对于整体固化来说该强度已经能满足一般工程需要。

实施例5

一种土壤的碳化固化方法，将需固化的土体与固化剂按照质量比为12~19：8~1的比例搅拌、混合均匀，然后向固化土中通入二氧化碳气体，使固化土体碳化并形成碳酸化合物固化土，所述的固化剂包括活性氧化镁，在本实施例中，土体与活性氧化镁质量比为可以为12：8、17：3或19：1。

实施例6

一种土壤的碳化固化方法，将需固化的土体与固化剂按照质量比为12~19：8~1的比例搅拌、混合均匀，然后向固化土中通入二氧化碳气体，使固化土体碳化并形成碳酸化合物固化土，所述的固化剂包括生石灰，活性氧化镁与生石灰的质量比为1~4：4~1，在本实施例中，土体与固化剂质量比为可以为12：8、17：3或19：1，活性氧化镁与生石灰的质量比可以为1：4、1:1或4：1。

实施例7

一种土壤的碳化固化方法，将需固化的土体与固化剂按照质量比为12~19：8~1的比例搅拌、混合均匀，然后向固化土中通入二氧化碳气体，使固化土体碳化并形成碳酸化合物固化土，所述的固化剂包括生石灰，活性氧化镁与生石灰的质量比为1~4：4~1，甚至还可以含有熟石灰，在本实施例中，土体与固化剂质量比为可以为12：8、17：3或19：1，活性氧化镁、生石灰和熟石灰的质量比可以为1：3：1、1：2：2或8：1：1。

实施例8

一种用于实施上述土壤的碳化固化方法的装置，包括二氧化碳发生器7和外套管5，在外套管5的管壁上设有作为二氧化碳出口的通孔12，在二氧化碳发生器7上连接有二氧化碳导入管6且二氧化碳发生器7上的二氧化碳出气口与二氧化碳导入管6的一端连接，二氧化碳导入管6的另一端位于外套管5内，在本实施例中，考虑到固化土的渗透系数较大，二氧化碳容易向固化土的上部流动，在二氧化碳导入管6上套设有密封膜8，所述密封膜8覆盖于外套管5的顶部且向外套管5的外部延伸，以阻止二氧化碳从固化土的上部流出。考虑到二氧化碳容易从外套管和二氧化碳导管之间流出，在外套管5与二氧化碳导入管6设有气体密封圈11且气体密封圈11位于外套管5的顶部。考虑到外套管底部容易在插入过程中堵塞，在外套管5的底部设有端盖10。

Claims

1.一种土壤的碳化固化方法，其特征在于，将需固化的土体与固化剂按照质量比为12～19：8～1的比例搅拌、混合均匀，然后向固化土中通入二氧化碳气体，使固化土体碳化并形成含有碳酸镁的碳酸化合物固化土，所述的固化剂包括活性氧化镁，二氧化碳气体的通入采用碳化装置通入或者通过搅拌机械在初步搅拌后，一边搅拌一边通入二氧化碳气体，所述碳化装置包括二氧化碳发生器（7）和外套管（5），在外套管（5）的管壁上设有作为二氧化碳出口的通孔（12），通过连接管（9）将二氧化碳导入管（6）与二氧化碳发生器（7）连接，二氧化碳导入管（6）位于外套管（5）内。

2.根据权利要求1所述的土壤的碳化固化方法，其特征在于，所述的固化剂包括生石灰，活性氧化镁与生石灰的质量比为1～4：4～1。