CN112213254B - 一种二氧化碳浓度可调的碳化试验装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种二氧化碳浓度可调的碳化试验装置，该试验装置通过二氧化碳浓度调节装置、碳化装置和温度监测器等进行有序组合。该装置特设承压桶，实现二氧化碳气体的浓度和压力调节；特设空压机和隔离气囊将不同浓度二氧化碳气体按不同压力压入至碳化室中；特设采集仪可实时监测试样底部和顶部的温度，以揭示试样碳化反应程度，并根据温度自动调节进气调压阀；此外设有碱液罐，可吸收剩余二氧化碳，避免环境污染。试验装置的各部分有序连接，结构简单统一，系统连贯性强，易于操作。该试验装置有利于研究二氧化碳浓度对试样碳化固化效果的影响，对不同二氧化碳浓度在碳化固化中的有效应用具有重要意义。

Description

一种二氧化碳浓度可调的碳化试验装置

技术领域

本发明属于土木工程仪器装置类，具体涉及一种二氧化碳浓度可调的碳化试验装置。

背景技术

随着我国经济和城市化发展，城市建筑和交通水利等基础建设经常遇到不同厚度的软弱土层或液化粉砂土层，而这些土具有强度低、压缩性高、孔隙比大和含水率高等不良特性，给工程建设带来了巨大挑战。往往需要通过人工改良处理来提高这些软弱土或砂土的力学强度和稳定性，以适应工程建设需要。传统的软弱土或粉砂土处理方法分为物理处理、化学固化处理和微生物固化处理。其中物理处理方法如换填法、预压夯实法、淤泥热处理法等，但传统换填法因工程量大、取料堆料难和成本高等缺陷很少被推荐大面积使用；而强夯法、振冲法因施工噪声大、耗能高等也在很多工程中被限制使用；热处理法是通过加热或烧结法将淤泥转化为建筑材料，该方法处理能力小、成本高，难于大规模利用；沉淀晾干或抛泥处置将占用大量堆放场地，淤泥占用的土地很难在短时间内重复利用，增大了工程造价，且在抽排或异位填埋过程中易造成空气、水和土壤等的二次污染。微生物固化是一种新型的土体固化技术，通过一定手段将微生物菌液和营养液添加剂喷洒在土体中，实现了胶结物的生长和对土颗粒的胶结，但该技术成本高、周期长，对微生物的活性和生存条件要求高，不利于大面积推广，并且该技术多适用于孔隙率较大的砂土或粉土。为此，化学固化法由于固化剂简单、施工简单、固化强度高而被作为一种应用最广的技术，如水泥/石灰土桩、注浆法、高压旋喷桩等，传统化学固化法中所用的固化材料主要为水泥和石灰。但传统化学固化方法的处理养护周期长，所用材料水泥在生产过程中能源资源消耗大、环境污染严重，给经济和环境的可持续发展带来了诸多负面影响。

近年来，岩土学者开始探索水泥替代材料和相应固化方法，发明人采用活性氧化镁和二氧化碳作固化剂代替传统水泥进行软弱土固化处理，进行了大量研究，并公开了系列发明专利：如“一种土壤的碳化固化方法(201210097042.2)”、“一种土壤的碳化固化方法及其装置(201010604013.1)”、“一种利用工业废气热加固软土地基的处理系统及方法(201310122135.0)”、“一种用于地基加固的处理系统及碳化成桩方法(2014102039788)”、“一种软土地基的换填垫层碳化加固方法(2014102729571)”、“一种浅层软弱地基原位碳化固化处理方法(201510348797.9)”和“一种碳化搅拌桩-透气管桩复合地基及其施工方法(201710225231.6)”等，这些发明专利均是基于氧化镁-二氧化碳碳化机理而公开的软土处理技术。并且已有的研究或发明专利均采用商业高纯度二氧化碳气体，虽然能很好地实现土体的碳化固化，但商业高纯度二氧化碳气体的成本高，很难将碳化技术进行推广应用。

为促进低浓度二氧化碳气体在土体碳化固化中的应用，有必要研发一个二氧化碳浓度可调的碳化装置，以用来研究二氧化碳气体浓度、通气压力和通气时间之间的相互关系，明确二氧化碳浓度对土体碳化固化效果的影响规律。尽管有些混凝土碳化箱能够调控二氧化碳浓度，但该浓度的调节原理是：在相同气压下，通过设置二氧化碳和空气的流量比来调节二氧化碳浓度；并且该碳化箱的气压恒定、较低、也不可调节，极大制约了二氧化碳浓度、通气压力和碳化时间的影响特性研究。立足于碳化加固方法的优势，结合目前二氧化碳浓度对碳化固化效果影响未知的现状，亟待研发一种二氧化碳浓度可调的碳化试验装置，对实现不同二氧化碳浓度在试样碳化固化中的有效应用具有重要意义，有利于碳化技术在固化中的推广应用。

发明内容

针对上述背景技术存在的不足，本发明旨在提出一种二氧化碳浓度可调的碳化试验装置，该试验装置为解决二氧化碳浓度对土体碳化固化效果的影响规律，实现不同二氧化碳浓度在土体碳化固化中的有效应用具有重要意义。

为了实现上述目的，本发明公开了一种二氧化碳浓度可调的碳化试验装置，其特征在于，所述试验装置包括二氧化碳浓度调节装置、碳化装置和温度监测器，

所述二氧化碳浓度调节装置包括高压气罐、二氧化碳高压罐、隔离气囊和承压桶，承压桶上固设有快接接头C、快接接头D、快接接头E、快接接头F和快接接头G，高压气罐通过气管与承压桶上的快接接头D连接，二氧化碳高压罐通过气管与承压桶上的快接接头E连接，且高压罐和承压桶之间的气管上安设有减压阀B和控制阀B，二氧化碳高压罐和承压桶之间的气管上安设有减压阀A和控制阀A；隔离气囊的一端固定在承压桶的底部，隔离气囊将快接接头F和快接接头G密封包裹，连接在快接接头G上的气管上设有控制阀D，

所述碳化装置包括压力室和空压机，所述压力室内部有底座、下透气板、上透气板和顶座，底座固定在压力室底部，压力室的底部还固设有快接接头A、快接接头B，压力室的顶盖固设有快接接头H，压力室外侧设有拉杆，连接在快接接头H上的气管上设有控制阀E；快接接头A通过气管与快接接头C连接，且快接接头A和快接接头C之间的气管上设有调压阀C和气压表C；空压机上设有控制阀C和三通接头，快接接头B和快接接头F均通过气管连接至三通接头上，且快接接头F和三通接头之间的气管上设有调压阀A和气压表A，快接接头B和三通接头之间的气管上设有调压阀B和气压表B；碳化室内的顶座通过气管连接至碱液罐中，顶座和碱液罐间的气管上设有控制阀F，碱液罐放置在电子称上，

所述温度监测器包括下温度探头、上温度探头、采集仪和计算机，下温度探头固定在底座中并贯穿至下透气板上，上温度探头固定在顶座中并贯穿至上透气板上，下温度探头和上温度探头均通过导线连接在采集仪上，采集仪通过数据线连接至计算机上。

作为本发明的一种改进，所述隔离气囊为弹性橡胶材料，隔离气囊充满气后的体积大于承压桶体积。

作为本发明的一种改进，所述承压桶的材料是钢材、铸铁或有机玻璃，最低承受压力为1.0MPa，所述压力室的材料为有机玻璃，最大承受压力为0.8MPa。

作为本发明的另一种改进，所述调压阀C为自动调压阀，通过数据线连接至采集仪上。

与现有技术相比，本发明具有的有益效果是：

1)特设承压桶，实现高浓度二氧化碳气体和另一种气体在承压桶中的混合，制成低浓度二氧化碳气体。

2)在承压桶中特设隔离气囊，以实现将制成的低浓度二氧化碳气体(或混合气体)按特定压力压入至试样中。

3)设有采集仪，可实时监测试样底部和顶部温度，以反映试样碳化反应程度，当顶部温度等于或大于底部监测温度时，采集仪可将温度信号反馈至调压阀C，并自动调小或关掉调压阀。

4)在碳化室外部连接有碱液罐，吸收了取样换样过程中剩余二氧化碳，避免了环境污染。

5)试验装置的各部分有序连接，结构简单统一，系统连贯性强，易于操作。

附图说明

图1为二氧化碳浓度可调的碳化试验装置结构示意图；

图中：1、高压气罐，2、二氧化碳高压罐，3、空压机，4、调压阀A，5、三通接头，6、调压阀B，7、气压表B，8、调压阀C，9、气压表C，10、快接接头A，11、快接接头B，12、采集仪，13、计算机，14、底座，15、下透气板，16、下温度探头，17、试样，18、乳胶膜，19、压力室，20、上透气板，21、上温度探头，22、顶座，23、顶盖，24、拉杆，25、快接接头C，26、快接接头D，27、快接接头E，28、控制阀A，29、减压阀A，30、控制阀B，31、减压阀B，32、控制阀C，33、气压表A，34、快接接头F，35、隔离气囊，36、承压桶，37、电子称，38、碱液罐，39、快接接头G，40、控制阀D，41、快接接头H，42、控制阀E，43、控制阀F。

具体实施方式

在本发明的描述中，需要理解的是，属于“上”、“下”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明，而不是指示或暗示所指的装置中必须具有的特定方位，因此不能理解为本发明的限制。为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达到目的与功效易于明白理解，下面结合图示，对本发明进行进一步阐述。

一种二氧化碳浓度可调的碳化试验装置，其特征在于，所述试验装置包括二氧化碳浓度调节装置、碳化装置和温度监测器，

所述二氧化碳浓度调节装置包括高压气罐1、二氧化碳高压罐2、隔离气囊35和承压桶36，承压桶36上固设有快接接头C25、快接接头D26、快接接头E27、快接接头F34和快接接头G39，高压气罐1通过气管与承压桶36上的快接接头D26连接，二氧化碳高压罐2通过气管与承压桶36上的快接接头E27连接，且高压气罐1和承压桶36之间的气管上安设有减压阀B31和控制阀B30，二氧化碳高压罐2和承压桶36之间的气管上安设有减压阀A29和控制阀A28；隔离气囊35的一端固定在承压桶36的底部，隔离气囊将快接接头F34和快接接头G39密封包裹，连接在快接接头G39上的气管上设有控制阀D40，所述隔离气囊35为弹性橡胶材料，隔离气囊充满气后的体积大于承压桶体积；

所述碳化装置包括压力室19和空压机3，所述压力室19内部有底座14、下透气板15、上透气板20和顶座22，底座14固定在压力室19底部，压力室的底部还固设有快接接头A10、快接接头B11，压力室19的顶盖固设有快接接头H41，压力室19外侧设有拉杆24，连接在快接接头H41上的气管上设有控制阀E42；快接接头A10通过气管与快接接头C25连接，且快接接头A10和快接接头C25之间的气管上设有调压阀C8和气压表C9；空压机3上设有控制阀C32和三通接头5，快接接头B11和快接接头F34均通过气管连接至三通接头5上，且快接接头F34和三通接头5之间的气管上设有调压阀A4和气压表A33，快接接头B11和三通接头之间的气管上设有调压阀B6和气压表B7；压力室19内的顶座22通过气管连接至碱液罐38中，顶座22和碱液罐38间的气管上设有控制阀F43，碱液罐38放置在电子秤37上，所述调压阀C8为自动调压阀，通过数据线连接至采集仪12上；

所述温度监测器包括下温度探头16、上温度探头21、采集仪12和计算机13，下温度探头16固定在底座14中并贯穿至下透气板15上，上温度探头21固定在顶座中并贯穿至上透气板20上，下温度探头16和上温度探头21均通过导线连接在采集仪12上，采集仪12通过数据线连接至计算机13上。

作为本发明的一种改进，所述承压桶36的最低承受压力为1.0MPa，所用材质是钢材、铸铁或有机玻璃；所述压力室采用材料为有机玻璃，承受最大压力0.8MPa。

利用本发明公开的一种二氧化碳浓度可调的碳化试验装置，可以通过下列步骤实现试验操作：

a.安装待碳化试样：打开压力室顶盖23，将下透气板15对准下温度探头16并安放在底座14上，然后将掺有碱性材料的混合土压实试样放在下透气板15上，在试样外侧套上乳胶膜18，再在试样上依次安放上透气板20和顶座22，将乳胶膜18紧箍在底座14和顶座22外侧，最后盖上顶盖23，拧紧拉杆24的螺帽，连接好温度探头并打开采集仪12和计算机13；所述试样是掺有碱性材料的压实试样，所述碱性材料可以是活性氧化镁、生石灰或硅酸盐水泥的混合物，且活性氧化镁组分为20％-100％、生石灰组分为10-40％、硅酸盐水泥的组分为0-30％，所述压实试样可以是土体、污染土、混凝土或砂浆，

b.调节二氧化碳浓度：先打开控制阀A28并调节减压阀A29至压力P1，使二氧化碳气体进入承压桶36中并达到稳定压力P1；然后关闭控制阀A28和减压阀A29，打开控制阀B30并调节减压阀B31至压力P2，使高压气罐1中的气体进入承压桶36中与承压桶36中的二氧化碳气体混合，并使气压稳定在P2，最后关闭控制阀B30和减压阀B31；其中高压气罐1中气体与二氧化碳、试样和固化剂不发生反应，可以是氮气、氦气或空气；所述二氧化碳和高压气罐1中气体的混合满足理想气体状态方程，在相同压力下，二氧化碳体积与混合气体体积之比为二氧化碳体积浓度，其浓度大小为P1∶P2，其浓度范围为0-100％，并且所述压力P2小于承压桶的极限压力，压力P2大于或等于压力P1，其中压力P1按试样完全碳化时所需二氧化碳量的1.5倍以上确定，

c.施加压力室19围压：启动空压机3，关闭控制阀E42和调压阀A4，打开控制阀C32，调节调压阀B6至压力P3，

d.施加通气压力：关闭控制阀F43，打开并调节调压阀C8使气压表C9读数为P4，其中压力P4大于或等于压力P3；同时关闭控制阀D40，打开并调节调压阀A4至压力P5，使隔离气囊逐渐鼓起，挤迫承压桶36中的低浓度二氧化碳气体，其中压力P5大于或等于P4，使低浓度二氧化碳气体按P4压力进入至试样中，

e.试样碳化：试样在围压P3和进气压P4作用下进行碳化养护，碳化过程中自动监测试样底部和顶部温度，当顶部温度大于或等于底部温度时，调压阀C8可自动减小或关闭，

f.结束养护：当试样的顶部温度开始降低时，停止养护，先依次关闭控制阀C32、调压阀A4、调压阀B6、调压阀C8，然后再依次打开控制阀D40、控制阀E42和控制阀F43，将压力室19中的空气排出，将试样及管道中剩余二氧化碳气体排放至碱液罐38中。

根据以上操作原理以及步骤，以土样为例可得高浓度二氧化碳和高压气体的通气压力P1、P2的计算步骤：(1)根据土体试样的尺寸大小计算试样总体积；(2)根据试样土体的天然密度和初始含水率计算土样中干土的质量；(3)根据碱性材料掺入百分比计算碱性材料掺入总量；(4)在假设试样完全碳化的情况下，根据碳化反应方程计算完全碳化反应所需二氧化碳的量；(5)根据理想气体状态方程PV＝nRT(其中P是气压，V是体积，R是常数，T是温度，n是物质的量)计算所需二氧化碳的量对应的二氧化碳压力：(6)根据压力P1按试样完全碳化时所需二氧化碳量的1.5倍以上确定压力P1的值：(7)根据试验所需的二氧化碳浓度以及压力P1确定压力P2的值。

实施例1：

若试样为一直径50mm，高度100mm的圆柱体，且试样土体天然密度为1.8g/cm3，初始含水率为20％，碱性材料选择100％活性氧化镁，其掺量为10％。假设试样经过完全碳化反应，且其产物为三水碳酸镁，则根据理想气体状态方程以及压力P1按试样完全碳化时所需二氧化碳量的2倍确定可得P1约为217kPa，若选择通入的高压气体为氮气，且二氧化碳浓度为70％，则P2约为310kPa。

实施例2：

若试样为一直径50mm，高度100mm的圆柱体，且试样污染土密度为1.85g/cm3，初始含水率为20％，碱性材料选择100％活性氧化镁，其掺量为10％。假设试样经过完全碳化反应，且其产物为三水碳酸镁，则根据理想气体状态方程以及压力P1按试样完全碳化时所需二氧化碳量的2倍确定可得P1约为218kPa，若选择通入的高压气体为氮气，且二氧化碳浓度为70％，则P2约为312kPa。

实施例3：

若试样为一直径50mm，高度100mm的圆柱体，且试样污染土密度为1.8g/cm3，初始含水率为25％，碱性固化剂由60％活性氧化镁和40％生石灰组成，其掺量为10％。假设试样经过完全碳化反应，且其产物为三水碳酸镁和碳酸钙，则根据理想气体状态方程以及压力P1按试样完全碳化时所需二氧化碳量的2倍确定可得P1约为为218kPa，若选择通入的高压气体为氦气，且二氧化碳浓度为70％，则P2约为为311kPa。

实施例4：

若试样为一直径50mm，高度100mm的圆柱体，且试样土体天然密度为1.8g/cm3，初始含水率为20％，碱性固化剂由60％活性氧化镁和40％生石灰组成，其掺量为15％。假设试样经过完全碳化反应，且其产物为三水碳酸镁和碳酸钙，则根据理想气体状态方程以及压力P1按试样完全碳化时所需二氧化碳量的2倍确定可得P1约为为216kPa，若选择通入的高压气体为氦气，且二氧化碳浓度为70％，则P2为309kPa。

实施例5：

若砂浆试样为一直径50mm，高度100mm的圆柱体，且砂浆试样密度为2.0g/cm3，初始含水率为20％，碱性固化材料由60％活性氧化镁、20％生石灰和20％硅酸盐水泥组成，其掺量为10％。假设试样经过完全碳化反应，且其产物为三水碳酸镁(或其他镁式碱式碳酸盐)和碳酸钙，则根据理想气体状态方程以及压力P1按试样完全碳化时所需二氧化碳量的2倍确定可得P1约为218kPa，若选择通入的高压气体为空气，且二氧化碳浓度为50％，则P2约为436kPa。

实施例6：

若试样为一直径50mm，高度100mm的圆柱体，且试样土体天然密度为1.8g/cm3，初始含水率为20％，碱性固化材料由碱性材料选择60％活性氧化镁、20％生石灰和20％硅酸盐水泥组成，其掺量为15％。假设试样经过完全碳化反应，且其产物为三水碳酸镁和碳酸钙，则根据理想气体状态方程以及压力P1按试样完全碳化时所需二氧化碳量的1.5倍确定可得P1约为163kPa，若选择通入的高压气体为空气，且二氧化碳浓度为70％，则P2约为233kPa。

比较实施例1、实施例2、实施例3、实施例4、实施例5以及实例6可以看出，在使用本装置进行二氧化碳浓度可调的碳化试验时，二氧化碳和高压气体的通气压力可以根据试样的类型(由于试样尺寸较小，实施例中未给出混凝土)、初始含水率以及碱性材料的掺量和所需的二氧化碳浓度进行实时调节，以保证在达到试验所需的二氧化碳浓度的基础上，可以有足够的二氧化碳对试样进行完全碳化反应。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实例的限制，上述实例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。

Claims (4)

1.一种二氧化碳浓度可调的碳化试验装置，其特征在于，所述试验装置包括二氧化碳浓度调节装置、碳化装置和温度监测器，

所述二氧化碳浓度调节装置包括高压气罐、二氧化碳高压罐、隔离气囊和承压桶，承压桶上固设有快接接头C、快接接头D、快接接头E、快接接头F和快接接头G，高压气罐通过气管与承压桶上的快接接头D连接，二氧化碳高压罐通过气管与承压桶上的快接接头E连接，且高压气 罐和承压桶之间的气管上安设有减压阀B和控制阀B，二氧化碳高压罐和承压桶之间的气管上安设有减压阀A和控制阀A；隔离气囊的一端固定在承压桶的底部，隔离气囊将快接接头F和快接接头G密封包裹，连接在快接接头G上的气管上设有控制阀D，

所述碳化装置包括压力室和空压机，所述压力室内部有底座、下透气板、上透气板和顶座，底座固定在压力室底部，压力室的底部还固设有快接接头A、快接接头B，压力室的顶盖固设有快接接头H，压力室外侧设有拉杆，连接在快接接头H上的气管上设有控制阀E；快接接头A通过气管与快接接头C连接，且快接接头A和快接接头C之间的气管上设有调压阀C和气压表C；空压机上设有控制阀C和三通接头，快接接头B和快接接头F均通过气管连接至三通接头上，且快接接头F和三通接头之间的气管上设有调压阀A和气压表A，快接接头B和三通接头之间的气管上设有调压阀B和气压表B；压力 室内的顶座通过气管连接至碱液罐中，顶座和碱液罐间的气管上设有控制阀F，碱液罐放置在电子称上，

所述温度监测器包括下温度探头、上温度探头、采集仪和计算机，下温度探头固定在底座中并贯穿至下透气板上，上温度探头固定在顶座中并贯穿至上透气板上，下温度探头和上温度探头均通过导线连接在采集仪上，采集仪通过数据线连接至计算机上。

2.根据权利要求1所述的一种二氧化碳浓度可调的碳化试验装置，其特征在于，所述隔离气囊为弹性橡胶材料，隔离气囊充满气后的体积大于承压桶体积。

3.根据权利要求1所述的一种二氧化碳浓度可调的碳化试验装置，其特征在于，所述承压桶的材料是钢材、铸铁或有机玻璃，最低承受压力为1.0MPa，所述压力室的材料为有机玻璃，最大承受压力为0.8MPa。

4.根据权利要求1所述的一种二氧化碳浓度可调的碳化试验装置，其特征在于，所述调压阀C为自动调压阀，通过数据线连接至采集仪上。

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