CN113733352A - 一种利用超临界二氧化碳制备泡沫混凝土的方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种利用超临界二氧化碳制备泡沫混凝土的方法及装置，方法包括以下步骤：(1)将混凝土和水置于在高温高压混合器中，混合均匀后得到混凝土浆液；(2)对高温高压混合器进行预热；(3)将CO2气体通入高温高压混合器中，将气态CO2转变为超临界状态；(4)将混凝土发泡剂与水进行混配，注入混凝土发泡剂瓶中；(5)在高温高压混合器中，将混凝土浆液，超临界CO2与步骤(4)得到的混合物充分混合、搅拌，形成泡沫混凝土母料；(6)将泡沫混凝土母料进行发泡；(7)经过养护固化，得到泡沫混凝土材料。本发明的发泡条件温和、制备工艺简单，改善了泡沫混凝土的泡沫结构及工程性能，同时实现了二氧化碳的固定。

Description

一种利用超临界二氧化碳制备泡沫混凝土的方法及装置
技术领域
本发明涉及一种泡沫混凝土制备方法，尤其是指利用超临界二氧化碳卸压相变发泡技术制备泡沫混凝土的方法，属于材料领域。
背景技术
在我国碳达峰、碳中和任务目标背景下，推动经济低碳发展，生产绿色运行，成为当今社会的共识和一致努力的目标。为达到环境减负、节能降耗和降低成本的目的，研发新型环保材料，降低资源消耗量，捕捉封存二氧化碳，是实现资源节约与环境保护的重要途径。
泡沫混凝土作为一种由胶凝材料、水、骨料和预制泡沫组成的多孔性材料，因其质轻、防火防水、隔热保温及力学性能优的特点，多用于建筑的墙体工程，保温及衬垫等工程。发泡技术是决定泡沫混凝土性能稳定性的关键。超临界二氧化碳发泡制品具有泡沫细密、环境友好等优势，此外，二氧化碳具有廉价、无毒、化学惰性和临界条件温和等优势，因此，超临界二氧化碳发泡技术是制备泡沫混凝土理想的物理发泡方法。
超临界二氧化碳封存工艺主要将二氧化碳注入到陆地、海底的盐水层，枯竭油气田和不可采储层等特定自然地层，具有丰富的封存潜力，其中，封存地层的渗透率、孔隙度、储层厚度等问题一定程度上影响超临界二氧化碳的封存效果。利用超临界二氧化碳发泡技术将二氧化碳注入混凝土，既可以对二氧化碳捕捉矿化，实现二氧化碳的安全有效封存，又可以对混凝土骨料发泡替代，减少对混凝土原材料的消耗，还强化了泡沫混凝土的隔热、力学性能。
发明内容
为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种利用超临界二氧化碳制备泡沫混凝土的方法及装置，以混凝土为主要原料，通过利用超临界二氧化碳发泡混凝土，可以在较低的温度、压力下制备出性能良好的泡沫混凝土材料。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种利用超临界二氧化碳制备泡沫混凝土的方法，包括以下步骤：
(1)将混凝土和水置于高温高压混合器中，混合均匀后得到混凝土浆液；
(2)对装有混凝土浆液的高温高压混合器进行预热；
(3)将CO2气体通入高温高压混合器中，通过控制压力和温度，将气态CO2转变为超临界状态；
(4)将混凝土发泡剂与水进行物理混配，然后注入混凝土发泡剂瓶中；
(5)在高温高压混合器中，将步骤(1)得到的混凝土浆液，步骤(3)得到超临界CO2与步骤(4)得到的混合物充分混合、搅拌，形成泡沫混凝土母料；
(6)通过控制卸压速度，将步骤(5)得到的泡沫混凝土母料进行发泡；
(7)经过养护固化，得到泡沫混凝土材料。
优选的，所述步骤(2)中，预热温度为32℃。
优选的，所述步骤(3)和(5)中，压力控制在7.5～20MPa，温度控制在32℃～50℃。
优选的，所述步骤(4)中，混凝土发泡剂为离子型混凝土发泡剂。
优选的，所述步骤(6)中，以卸压速度2.5MPa/s将高温高压混合器的压力降至0～7.4MPa。
一种用于所述的利用超临界二氧化碳制备泡沫混凝土的方法的装置，包括氮气瓶、二氧化碳气瓶、混凝土发泡剂瓶、高温高压混合器、泡沫混凝土固化桶和管路，其中，氮气瓶、二氧化碳气瓶、混凝土发泡剂瓶、高温高压混合器分别与管路连接，氮气瓶、二氧化碳气瓶、混凝土发泡剂瓶、高温高压混合器之间并联，高温高压混合器与泡沫混凝土固化桶的进口相联通。
所述管路上设置有第一调压阀、第二调压阀、第三调压阀，第一调压阀位于氮气瓶和二氧化碳气瓶之间，第二调压阀位于二氧化碳气瓶和混凝土发泡剂瓶之间，第三调压阀位于混凝土发泡剂瓶和高温高压混合器之间；所述高温高压混合器和管路之间设置有第四调压阀，高温高压混合器和泡沫混凝土固化桶之间设置有第五调压阀；所述氮气瓶与管路之间设置有第一增压泵，二氧化碳气瓶与管路之间设置有第二增压泵，混凝土发泡剂瓶与管路之间设置有第三增压泵。
有益效果：相比于现有技术，本发明具有以下优点：
1、本发明利用超临界二氧化碳制备的泡沫混凝土材料骨架结构更加均匀细密，发泡倍率高，闭孔率高。
2、本发明利用超临界二氧化碳制备的泡沫混凝土材料具有更好的隔热性能。区别于传统的压缩空气发泡混凝土，本发明制备的超临界二氧化碳发泡混凝土气泡内封存的CO2气体的导热系数约0.015W/m·K，远小于空气、氧气和氮气。因此，超临界二氧化碳发泡混凝土具有强化隔热性能。
3、本发明利用超临界二氧化碳制备的泡沫混凝土材料具有更好的力学性能。区别于传统的CO2外部环境养护混凝土，本发明制备的超临界二氧化碳发泡混凝土封存的CO2与水泥熟料中的碳酸二钙、硅酸三钙及水化产物(氢氧化钙)发生化学反应，形成内部环境养护，水泥硬化及强度发展更快，CO2矿化率更高。因此，超临界二氧化碳发泡混凝土具有强化力学性能。
4、本发明制备的超临界二氧化碳发泡混凝土绿色环保，更具有CO2封存作用。超临界二氧化碳发泡混凝土生产环保，采用超临界二氧化碳物理发泡，不产生任何副产物；超临界二氧化碳发泡混凝土材料可直接用于土木建筑、井下巷道喷涂等方面，可实现CO2的固定与封存。
附图说明
图1是本发明的方法流程图；
图2是本发明装置示意图；
图中，1-氮气瓶，2-二氧化碳气瓶，3-表面活化剂混凝土发泡剂瓶，4-高温高压混合器，5-第五调压阀、10-第四调压阀、11-第一调压阀、12-第二调压阀、13-第三调压阀，6-泡沫混凝土固化桶，7-第一增压泵、8-第二增压泵、9-第三增压泵，14-管路。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
如图1所示为本发明的一种利用超临界二氧化碳制备泡沫混凝土的方法，包括以下步骤：
(1)将混凝土和水置于高温高压混合器中，混合均匀后得到混凝土浆液；
(2)对装有混凝土浆液的高温高压混合器进行预热，预热温度为32℃；
(3)将CO2气体通入高温高压混合器中，通过控制压力控制在7.5～20MPa，温度控制在32℃～50℃，将气态CO2转变为超临界状态；
(4)将混凝土发泡剂与水进行物理混配，然后注入混凝土发泡剂瓶中；其中，混凝土发泡剂为离子型混凝土发泡剂；
(5)在高温高压混合器中，压力控制在7.5～20MPa，温度控制在32℃～50℃，将步骤(1)得到的混凝土浆液，步骤(3)得到超临界CO2与步骤(4)得到的混合物充分混合、搅拌，形成泡沫混凝土母料；
(6)通过控制卸压速度2.5MPa/s将高温高压混合器的压力降至0～7.4MPa，将步骤(5)得到的泡沫混凝土母料进行发泡；
(7)经过养护固化，得到泡沫混凝土材料。
如图2所示，本发明的一种利用超临界二氧化碳制备泡沫混凝土的装置，包括氮气瓶1、二氧化碳气瓶2、混凝土发泡剂瓶3、高温高压混合器4、泡沫混凝土固化桶6和管路14，其中，氮气瓶1、二氧化碳气瓶2、混凝土发泡剂瓶3、高温高压混合器4分别与管路14连接，氮气瓶1、二氧化碳气瓶2、混凝土发泡剂瓶3、高温高压混合器4之间并联，高温高压混合器4与泡沫混凝土固化桶6的进口相联通。
管路14上设置有第一调压阀11、第二调压阀12、第三调压阀13，第一调压阀11位于氮气瓶1和二氧化碳气瓶2之间，第二调压阀12位于二氧化碳气瓶2和混凝土发泡剂瓶3之间，第三调压阀13位于混凝土发泡剂瓶3和高温高压混合器4之间；高温高压混合器4和管路14之间设置有第四调压阀10，高温高压混合器4和泡沫混凝土固化桶6之间设置有第五调压阀5；氮气瓶1与管路14之间设置有第一增压泵7，二氧化碳气瓶2与管路14之间设置有第二增压泵8，混凝土发泡剂瓶3与管路14之间设置有第三增压泵9。
下面结合具体实施例对本发明做进一步说明。
下述实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。若未特别指明，实施例中所采用的技术手段为本领域技术人员所熟知的常规手段，所采用的产品均为可商业获得的。未详细描述的各种过程和方法是本领域中公知的常规方法，所用材料均为通过商业途径可以购买到的常用材料。
实施例
本实施例包括以下步骤：
(1)用电子秤分别称取混凝土、混凝土发泡剂和水；
(2)将称取重量的混凝土、混凝土发泡剂分别置于高温高压混合器4、混凝土发泡剂瓶3中，和水充分混合搅拌，并对高温高压混合器4容器内预热，预热温度设定32℃；
(3)打开第一增压泵7及第五调压阀5、第四调压阀10、第一调压阀11、第二调压阀12、第三调压阀13，将氮气瓶1中的氮气依次通入管路14、高温高压混合器4中，通气后，排出管路17、高温高压混合器4中的空气，避免空气中CO2对材料制备的影响；
(4)打开第三增压泵9、第四调压阀10、第三调压阀13，将混凝土发泡剂瓶3中预制的混凝土发泡剂注入高温高压混合器4中；
(5)打开第二增压泵8、第四调压阀10、第二调压阀12、第三调压阀13，将二氧化碳气瓶2中的二氧化碳注入高温高压混合器4中；
(6)设定压力范围7.5～20MPa，保持预设温度32℃，保温保压0.5h，在高温高压混合器4中形成混合溶液，充分搅拌混合，形成均相饱和体系；
(7)控制控制卸压速度2.5MPa/s将高温高压混合器的压力将至0～7.4MPa，打开第五调压阀5，卸压发泡。此时，超临界二氧化碳相变为气态二氧化碳，实现混凝土浆液发泡，形成的泡沫混凝土浆流入泡沫混凝土固化桶6。
(8)待泡沫混凝土填充满固化桶6后，停止制备；
(9)经过养护后，得到泡沫混凝土样品。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种利用超临界二氧化碳制备泡沫混凝土的方法，其特征在于：包括以下步骤：
(1)将混凝土和水置于高温高压混合器中，混合均匀后得到混凝土浆液；
(2)对装有混凝土浆液的高温高压混合器进行预热；
(3)将CO2气体通入高温高压混合器中，通过控制压力和温度，将气态CO2转变为超临界状态；
(4)将混凝土发泡剂与水进行物理混配，然后注入混凝土发泡剂瓶中；
(5)在高温高压混合器中，将步骤(1)得到的混凝土浆液，步骤(3)得到超临界CO2与步骤(4)得到的混合物充分混合、搅拌，形成泡沫混凝土母料；
(6)通过控制卸压速度，将步骤(5)得到的泡沫混凝土母料进行发泡；
(7)经过养护固化，得到泡沫混凝土材料。
2.根据权利要求1所述的利用超临界二氧化碳制备泡沫混凝土的方法，其特征在于：所述步骤(2)中，预热温度为32℃。
3.根据权利要求1所述的利用超临界二氧化碳制备泡沫混凝土的方法，其特征在于：所述步骤(3)和(5)中，压力控制在7.5～20MPa，温度控制在32℃～50℃。
4.根据权利要求1所述的利用超临界二氧化碳制备泡沫混凝土的方法，其特征在于：所述步骤(4)中，混凝土发泡剂为离子型混凝土发泡剂。
5.根据权利要求1所述的利用超临界二氧化碳制备泡沫混凝土的方法，其特征在于：所述步骤(6)中，以卸压速度2.5MPa/s将高温高压混合器的压力降至0～7.4MPa。
6.一种用于实现权利要求1所述的利用超临界二氧化碳制备泡沫混凝土的方法的装置，其特征在于：包括氮气瓶(1)、二氧化碳气瓶(2)、混凝土发泡剂瓶(3)、高温高压混合器(4)、泡沫混凝土固化桶(6)和管路(14)，其中，氮气瓶(1)、二氧化碳气瓶(2)、混凝土发泡剂瓶(3)、高温高压混合器(4)分别与管路(14)连接，氮气瓶(1)、二氧化碳气瓶(2)、混凝土发泡剂瓶(3)、高温高压混合器(4)之间并联，高温高压混合器(4)与泡沫混凝土固化桶(6)的进口相联通。
7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于：所述管路(14)上设置有第一调压阀(11)、第二调压阀(12)、第三调压阀(13)，第一调压阀(11)位于氮气瓶(1)和二氧化碳气瓶(2)之间，第二调压阀(12)位于二氧化碳气瓶(2)和混凝土发泡剂瓶(3)之间，第三调压阀(13)位于混凝土发泡剂瓶(3)和高温高压混合器(4)之间；所述高温高压混合器(4)和管路(14)之间设置有第四调压阀(10)，高温高压混合器(4)和泡沫混凝土固化桶(6)之间设置有第五调压阀(5)；所述氮气瓶(1)与管路(14)之间设置有第一增压泵(7)，二氧化碳气瓶(2)与管路(14)之间设置有第二增压泵(8)，混凝土发泡剂瓶(3)与管路(14)之间设置有第三增压泵(9)。
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