CN116063054B - 一种蛇纹石固碳泡沫轻质土及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于土木建筑工程材料技术领域，具体涉及一种利用蛇纹石、氧化镁和CO2为原料制备的绿色、低碳泡沫轻质土。该蛇纹石固碳泡沫轻质土的原料组成包括：氧化镁、蛇纹石、填料、CO2气泡群以及水。本发明鉴于传统气泡混合轻质土使用水泥作为固化剂导致排放大量CO2、能源资源消耗严重以及我国大量蛇纹石尾矿堆积无法利用的问题，结合氧化镁碳化技术，目的在于提出一种新型的蛇纹石固碳泡沫轻质土的操作方法，促进地基处理技术向绿色低碳、废弃物资源化利用转化，减少碳排放的同时促进碳吸收与碳存储。
Description
技术领域
本发明属于土木建筑工程材料技术领域，具体涉及一种利用蛇纹石、氧化镁和CO2为原料制备的绿色环保、减排固碳泡沫轻质土及其制备方法。
背景技术
泡沫轻质土是将发泡剂生成的泡沫加入到由固化剂、外加剂和水等按照特定比例制成的浆料中，经混合搅拌、浇注成型、自然养护或蒸汽养护而成的轻质多孔材料。因其低弹模、减震性好、流动性高、隔热隔音效果好、强度可调性强等特点广泛应用于桥台台背回填、道路加宽、陡坡路堤、滑坡路基、软土路基减荷等工程。
氧化镁固碳技术具有煅烧温度低、生产过程中CO2可循环利用、强度增长快等优点，提出将氧化镁固碳技术应用于土体加固，发现氧化镁固碳固化土强度随固碳时间增长而提高，且碳化3-6小时便可达到水泥土28天的强度。此外，氧化镁固碳固化土的抗干湿循环、抗冻融循环以及抗硫酸盐侵蚀性能都较好。
我国蛇纹石储量丰富，但利用过程中会产生大量废弃尾矿。蛇纹石中镁的含量接近一半，若能利用蛇纹石尾矿研磨成细粉部分替代氧化镁制备泡沫轻质土，可实现废弃物资源回收利用，并且较现有的蛇纹石尾矿酸萃取回收利用方法可大大降低能耗，减少环境污染。
发明内容
本发明的目的是提供一种利用蛇纹石、氧化镁和二氧化碳为原料制备的绿色环保、节能固碳的泡沫轻质土及其制备方法，通过采用蛇纹石与氧化镁共同作为胶凝材料取代传统泡沫轻质土使用的水泥，具有强度增长快、施工效率高、低碳环保和实现废弃物资源回收利用的优点，达到二氧化碳与蛇纹石尾矿资源化利用的需求，符合土木工程绿色施工的发展趋势。
鉴于CO2资源化利用效率较低与蛇纹石尾矿废弃物堆积未实现有效利用的问题，结合氧化镁碳化技术，本发明将蛇纹石尾矿进行研磨，用来替代部分氧化镁作胶凝材料的同时替代部分原料土起骨架作用，用CO2发泡制备泡沫轻质土，应用在路基、空洞或需要回填部位，实现CO2回收循环利用及蛇纹石尾矿的资源化利用。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种蛇纹石固碳泡沫轻质土，其原料组成按重量份比包括：氧化镁10-100份、填料10-100份、蛇纹石10-100份、CO2气泡群2-45份以及水20-400份。
优选的，所述蛇纹石为蛇纹石尾矿或蛇纹石矿石中的一种或两种的混合物。更优选的，将蛇纹石尾矿粉碎研磨并过0.075mm筛。
优选的，所述氧化镁为轻质氧化镁或重质氧化镁或二者的混合物。
优选的，所述填料包括原料土，原料土可以为工程废弃土，也可以为砂质土、粉土和粘性土，将原料土风干后粉碎并过2mm筛，对于不满足要求的原料土，应事先进行解泥及必要的筛分处理。
优选的，所述CO2气泡群使用的发泡剂为松香树脂类(松香皂发泡剂等)、合成表面活性类(十二烷基醇醚硫酸钠、十二苯磺酸钠等)、蛋白质类(植物蛋白和动物蛋白发泡剂)、复合类发泡剂(植物源复合发泡剂等)等中任一种或多种混合物。当使用松香树脂类和合成表面活性类发泡剂时，可根据情况混合适量活性剂及稳泡剂，稳泡剂为醋酸镁。采用预发泡法，利用空压机通入高纯CO2制取气泡群。
所述水为自来水、纯净水或蒸馏水，包括CO2气泡群所用水分。
本发明还提供了一种制备如上所述的泡沫轻质土的方法，包括如下步骤：
S1、准备原料，包括准备称取蛇纹石10-100份、氧化镁10-100份、填料10-100份和水20-400份备用；
S2、料浆制备：将蛇纹石、氧化镁、填料按照比例投入搅拌装置，以100r/min的转速搅拌1-2mins，使所述蛇纹石、所述氧化镁和所述填料混合均匀得到混合料，向所述混合料中2次或3次分别加入水，每次加一份水后需搅拌1-2mins，并保持粉料不沉底、结团，确保所述料浆均匀、无沉积，直至水添加完，得到所述料浆；
S3、CO2气泡群制备：按稀释倍数20-60倍稀释发泡剂，加入活性剂及稳泡剂，混合得到发泡液；然后通过气管连接CO2气瓶，打开CO2通气阀并调压至400kPa，待发泡液管路的空气被抽尽，发泡液完全进入水泵后，发泡装置压力稳定和出泡速率稳定后关闭；打开出泡沫阀，不同的发泡剂、不同的发泡剂稀释比例水泵的最加速比都不尽相同，根据需求调节压力大小和水泵速比，控制压力范围在100-400kPa，水泵速比在20-80，对应水泵流量为1L/min-4L/min，放出细密、稳定的CO2泡沫，完成制备，用容器接取CO2泡沫，待用；
S4、混合搅拌：将2-45份CO2气泡群加入料浆中搅拌，搅拌速度为600-900r/min，搅拌时间不宜过长，一般为10-12min，确保CO2气泡群分布均匀，且料浆无沉积，即得到拌合好的混合料；
S5、制样养护：立即将拌合好的混合料浇筑入模，密封，并在恒温养护室内养护，以获得固碳泡沫轻质土。从步骤S4到S5中制样完成，须在发泡剂的半衰期内完成，以免泡沫破裂使CO2泄露。
本发明鉴于传统气泡混合轻质土使用水泥作为固化剂导致排放大量CO2、能源资源消耗严重以及我国蛇纹石资源化利用率低、导致产生大量蛇纹石尾矿堆积无法利用的问题，结合氧化镁碳化技术，目的在于提出一种新型的蛇纹石固碳泡沫轻质土的操作方法，促进地基处理技术向绿色环保、节能低碳、废弃物资源化利用转化，减小二氧化碳排放的同时促进二氧化碳重吸收与存储，选用以蛇纹石、氧化镁为固化剂以及二氧化碳气体作为气泡的原材料的制备轻质土方法。
本发明选用氧化镁替代了传统的波特兰水泥，同时以蛇纹石尾矿替代了部分氧化镁以减少氧化镁用量并实现废弃物资源化利用，减少水泥用量，从而减少水泥工业生产过程中排放的大量CO2、粉尘、烟尘及有毒气体等物质的排放，缓解了温室效应、减小了环境污染；泡沫轻质土的制备与养护过程中，还大量使用了温室气体二氧化碳作为发泡气体，为减少碳排放提供了新的途径。与传统的水泥泡沫轻质土相比，本发明的蛇纹石固碳泡沫轻质土可在短时间内完成制备，且早期强度增长较快，不仅具有节能环保、低碳高效的特点，还满足了工程建设对材料属性提出的要求，更满足了可持续发展对现在工程建设的要求。
本发明中蛇纹石固碳泡沫轻质土所用的氧化镁在制备过程中发生水化反应与碳化反应会产生体积膨胀，较传统水泥泡沫轻质土会产生较大自收缩且放出大量热而言，减小了泡沫轻质土的内表温差和自收缩，降低了工程结构的开裂风险。
本发明所制备的蛇纹石泡沫轻质土密度低，具有轻质性，可减轻建筑物负荷，降低附加应力，可应用于特殊高要求工程，提高工程安全性。
附图说明
图1是本发明的蛇纹石固碳泡沫轻质土制备方法的示意图。
图2为实施例和对比例制得试样的热重分析结果。
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，但本发明不仅仅局限于下面的实施例。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
以下实施例中，所用粉质黏土取自南京某施工现场，基本指标如表1所示，基本性质如表2所示；所用活性氧化镁为河北镁神科技有限公司生产的低活性氧化镁，吸碘值为14，成分如表2所示；所用蛇纹石尾矿取自江苏省地质调查院的实验场地，经过球磨机研磨，成分表如表2所示，粒径＜0.075mm。
表1粉质黏土的基本性质指标
表2蛇纹石、氧化镁与粉质黏土的主要化学成分
实施例1
一种蛇纹石固碳泡沫轻质土，每立方米的所述蛇纹石固碳泡沫轻质土含有：活性氧化镁粉末100份、粉质黏土100份、蛇纹石尾矿粉末60份、CO2气泡群15份以及水170份。
粉质黏土需要先风干再粉碎并过2mm筛。所用水为蒸馏水，包含CO2气泡群中所用水分。
取发泡剂十二苯磺酸钠0.375份，稳泡剂醋酸镁0.00375份，活性剂椰油酰甘氨酸钠0.00375份，混合并按稀释倍数40倍稀释发泡剂得到发泡液15份，其发泡率为40倍，半衰期为20-40min。
采用如下步骤制备蛇纹石固碳泡沫轻质土：
S1、原料准备：称取蛇纹石尾矿粉末60份、活性氧化镁粉末100份、粉质黏土100份备用；
S2、料浆制备：将蛇纹石尾矿粉末、活性氧化镁粉末、粉质黏土按照比例投入搅拌装置，以100r/min的转速搅拌2mins，使蛇纹石尾矿粉末、活性氧化镁粉末和粉质黏土混合均匀，向所述混合料中2次或3次分别加入水，每次加一份水后需搅拌1-2mins，并保持粉料不沉底、结团，确保所述料浆均匀、无沉积，直至水添加完，得到所述料浆；
S3、CO2气泡群制备：按稀释倍率40倍将发泡剂与水混合，加入活性剂及稳泡剂，得到发泡液，然后通过气管连接CO2气瓶，打开CO2通气阀并调压至400kPa，待发泡液管路的空气被抽尽，发泡液完全进入水泵后，发泡装置压力稳定和出泡速率稳定后关闭。然后打开出泡沫阀，选择压力大小为400kPa，水泵速比为60，水泵流量为3L/min，放出细密、稳定的CO2泡沫，用容器接取CO2泡沫，待用；
S4、混合搅拌：将10份CO2气泡群加入料浆中搅拌，搅拌速度为800r/min，搅拌时间为10min，确保CO2气泡群分布均匀，且料浆无沉积，即得到拌合好的混合料；
S5、制样养护：立即将拌合好的混合料浇筑入模，密封，并在恒温养护室内养护7d，以获得固碳泡沫轻质土。从步骤S4到S5中制样完成，须在发泡剂的半衰期内完成，以免泡沫破裂使CO2泄露。
实施例2
一种蛇纹石固碳泡沫轻质土，每立方米的所述蛇纹石固碳泡沫轻质土含有：蛇纹石尾矿粉末60份、活性氧化镁粉末100份、粉质黏土100份、CO2气泡群10份以及水170份。采用与实施例1中相同的蛇纹石尾矿粉末、活性氧化镁粉末、粉质黏土、水和发泡剂，且对各类材料的处理方法也保持一致。
实施例2中蛇纹石固碳泡沫轻质土的制备方法同实施例1，养护时间为14d。
实施例3
一种蛇纹石固碳泡沫轻质土，每立方米的所述蛇纹石固碳泡沫轻质土含有：蛇纹石尾矿粉末60份、活性氧化镁粉末100份、粉质黏土100份、CO2气泡群10份以及水170份。采用与实施例1中相同的蛇纹石尾矿粉末、活性氧化镁粉末、粉质黏土、水和发泡剂，且对各类材料的处理方法也保持一致。
实施例3中蛇纹石固碳泡沫轻质土的制备方法同实施例1，养护时间为28d。
对比例1
一种蛇纹石固碳泡沫轻质土，每立方米的所述蛇纹石固碳泡沫轻质土含有：蛇纹石尾矿粉末20份、活性氧化镁粉末100份、粉质黏土100份、CO2气泡群10份以及水140份。采用与实施例1中相同的蛇纹石尾矿粉末、活性氧化镁粉末、粉质黏土、水和发泡剂，且对各类材料的处理方法也保持一致。
对比例1中蛇纹石固碳泡沫轻质土的制备方法同实施例1，养护时间为7d。
对比例2
一种蛇纹石固碳泡沫轻质土，每立方米的所述蛇纹石固碳泡沫轻质土含有：蛇纹石尾矿粉末100份、活性氧化镁粉末100份、粉质黏土100份、CO2气泡群10份以及水200份。采用与实施例1中相同的蛇纹石尾矿粉末、活性氧化镁粉末、粉质黏土、水和发泡剂，且对各类材料的处理方法也保持一致。
对比例2中蛇纹石固碳泡沫轻质土的制备方法同实施例1，养护时间为7d。
对比例3
一种固碳泡沫轻质土，每立方米的所述固碳泡沫轻质土含有：活性氧化镁粉末100份、粉质黏土100份、CO2气泡群10份以及水130份。采用与实施例1中相同的活性氧化镁粉末、粉质黏土、水和发泡剂，且对各类材料的处理方法也保持一致，作为不含蛇纹石粉末的常规固碳泡沫轻质土。
下面对以上实施例制得的试样进行无侧限强度试验检测和热重分析试验检测。
一、无侧限强度试验检测
对实施例1、2、3和对比例1、2、3制备的试样，待龄期达到7d后进行无侧限抗压强度的试验检测。无侧限抗压强度试验按照规范《公路土工试验规程JTG E40-2007》，采用CBR-2型承载比试验仪进行。
无侧限强度试验结果
表3蛇纹石固碳泡沫轻质土的性能
强度指标
由表3可知：通过实施例1与对比例1、2，10％、30％、50％蛇纹石掺量比(蛇纹石尾矿粉末/活性氧化镁粉末+粉质黏土)的7d无侧限抗压强度分明别是0.574MPa、0.660MPa、0.600MPa。蛇纹石掺量比的提高将先提高再降低蛇纹石固碳泡沫轻质土的强度，该掺量比存在临界值，其原因是所述蛇纹石固碳泡沫轻质土的强度来源于活性氧化镁的水化固碳反应生成的镁式碳酸盐和填料的骨架支撑作用，蛇纹石掺量比的提高降低了活性氧化镁的含量，增加了混合料中SiO2的含量，使蛇纹石掺量比从10％变化到30％的过程中试样强度提高；而蛇纹石尾矿粉末中MgO的活性低于活性氧化镁粉末中MgO，影响了最终镁式碳酸盐的生成，导致蛇纹石掺量比从30％变化到50％的过程中试样强度降低。
通过对比例3，可以看出掺入30％的蛇纹石粉之后，与不掺蛇纹石粉的碳化泡沫轻质土相比，强度并未出现明显的减小，并且蛇纹石固碳泡沫轻质土全程不需要进行二次碳化，在空气中环境条件养护即可，与碳化泡沫轻质土相比，养护条件简单，消耗大量蛇纹石尾矿，使用的材料更为绿色环保，更适合现场施工。
通过实施例1、2、3，30％蛇纹石掺量比对应蛇纹石固碳泡沫轻质土7d、14d、28d的无侧限抗压强度分别为0.660MPa、0.980MPa、1.409MPa，蛇纹石固碳泡沫轻质土的强度随龄期而增长，且前7d增长最为迅速，强度提升较快。
二、热重分析试验检测
对实施例1、2、3和对比例1、2、3制备的试样，进行热重分析试验，采用TA-Q500热重分析仪，温度从30℃开始，以10℃/min的速率上升到1000℃。
一般镁式碳酸盐的脱碳流程在450～550℃开始，因此该加热阶段，曲线下降率越高，说明CO2的逸出量越多，说明试样的固碳能力越强。
如图2所示，通过实施例1、2、3的对比，可以看出，随着养护龄期的增长，试样的质量损失率增长，说明试样碳化程度的提高，与无侧限强度试验的结果基本一致。通过对比例1、2、3的比较，不添加蛇纹石粉末的试样碳化程度相对最高，说明对比例3的试样固碳效果最好，但是成本也最高，添加10％和50％蛇纹石粉末的试样都相对30％蛇纹石掺量的实施样碳化程度较低，固碳效果较差，与无侧限强度试验的结果基本一致。
最后，本申请的方法仅为较佳的实施方案，并非用于限定本申请的保护范围。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种蛇纹石固碳泡沫轻质土，其特征在于，每立方米的原料组成按重量份比包括：氧化镁10-100份、填料10-100份、蛇纹石10-100份、CO2气泡群2-45份以及水20-400份，蛇纹石的重量为氧化镁和填料重量之和的30%；
该蛇纹石固碳泡沫轻质土的制备方法包括以下步骤：
S1、准备原料：氧化镁10-100份、填料10-100份、蛇纹石10-100份和水20-400份备用；
S2、料浆制备：将蛇纹石、氧化镁、填料按照比例投入搅拌装置，以100r/min的转速搅拌1-2mins，使蛇纹石、氧化镁和填料混合均匀得到混合料，向所述混合料中按2次或3次分别加入水，每次加一份水后需搅拌1-2mins，并保持粉料不沉底、结团，确保所述料浆均匀、无沉积，直至水添加完，得到料浆；
S3、CO2气泡群制备：采用预发泡法用高压CO2制取CO2气泡群，所用CO2为工业高纯二氧化碳或工业废气提纯二氧化碳；
S4、混合搅拌：将2-45份CO2气泡群加入步骤S2所得到的料浆中搅拌，搅拌速度为600-900r/min，搅拌时间为10-12min，确保CO2气泡群分布均匀，且料浆无沉积，即得到拌合好的混合料；
S5、制样养护：将拌合好的混合料浇筑入模，密封，并在恒温养护室内养护，以获得固碳泡沫轻质土。
2.根据权利要求1所述的蛇纹石固碳泡沫轻质土，其特征在于，所述蛇纹石为蛇纹石尾矿、蛇纹石矿石或两者的混合物。
3.根据权利要求1所述的蛇纹石固碳泡沫轻质土，其特征在于，所述氧化镁为轻质氧化镁、重质氧化镁或两者的混合物。
4.根据权利要求1所述的蛇纹石固碳泡沫轻质土，其特征在于，所述填料为工程废弃土、砂质土、粉土或黏性土。
5.根据权利要求1所述的蛇纹石固碳泡沫轻质土，其特征在于，所述CO2气泡群的原料按重量份计包括发泡剂0.33-20份、稳泡剂0.0033-2份和活性剂0.0033-2份；所述发泡剂为松香树脂类、合成表面活性类、蛋白质类、复合类发泡剂中的一种或多种的混合物；所述稳泡剂为醋酸镁；所述活性剂为椰油酰甘氨酸钠、椰油酰甘氨酸钾、月桂酰谷氨酸钠或椰油酰谷氨酸钾。
6.根据权利要求1所述的蛇纹石固碳泡沫轻质土，其特征在于：所述的步骤S3中，CO2气泡群制备的方法如下：
按稀释倍数20-60倍稀释发泡剂，加入活性剂及稳泡剂，混合得到发泡液；然后通过气管连接CO2气瓶，打开CO2通气阀并调压至400kPa，待发泡液管路的空气被抽尽，发泡液完全进入水泵后，发泡装置压力稳定和出泡速率稳定后关闭；打开出泡沫阀，控制压力范围在100-400kPa，水泵速比在20-80，对应水泵流量为1L/min-4L/min，放出细密、稳定的CO2泡沫，完成制备，用容器接取CO2泡沫，待用。
7.根据权利要求1所述的蛇纹石固碳泡沫轻质土，其特征在于：所述的步骤S4至步骤S5中须在发泡剂的半衰期内完成制样，以免泡沫破裂使CO2泄露。
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