CN116354742A - 一种适用于二氧化碳发泡的水泥发泡剂及其制备方法和装置 - Google Patents
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Abstract
一种适用于二氧化碳发泡的水泥发泡剂及其制备方法和装置，包括CO2气瓶、发泡液储罐、发泡机箱体、泡沫储罐、调压阀、CO2进气管、进液管、出泡管、单向阀、加压室、气道、水泵调速旋钮、数显屏；所述调压阀设于CO2气瓶上，用于控制CO2气体的通入压力，CO2气瓶与单向阀之间由CO2进气管连接；所述发泡液储罐通过进液管与发泡机箱体相连；所述单向阀和加压室设于发泡机箱体内，水泵调速旋钮设于发泡机箱体上，用于调节发泡液的吸入速率；所述单向阀的进口与CO2进气管连接，出口与气道连接；当所述单向阀打开时，CO2由CO2进气管进入，流向气道，进入加压室中；所述加压室与泡沫储罐之间由出泡管相连。
Description
技术领域
本发明属于土木建筑工程材料技术领域，涉及一种适用于二氧化碳发泡的水泥发泡剂及其制备方法和装置。
背景技术
传统的空气发泡技术是将由物理、化学或者生物发泡剂，利用空压机吸收空气，并加压混合空气和发泡液进行发泡，生成微气泡群，因其在一定程度上能形成封闭的气泡孔隙，并具有一定的支撑性，常用于掺入土体中，并添加一些固化剂(水泥基胶凝材料等)、外加剂等，按照特定比例充分搅拌，并经一系列物理化学作用凝结成一种无机合成材料——泡沫轻质土，具有容重可调性强、强度可调性强、流动性高、隔热隔音效果好、抗冻融性能好等优点，近年来被广泛应用于桥台台背回填、道路加宽、桥梁减跨、陡坡路堤、滑坡路基、软土路基减荷、地下结构减荷等工程。其中，发泡技术是决定气泡混合轻质土强度和稳定性的重要因素，但传统的发泡技术多以空气为泡沫基体，以水泥作为胶凝材料，耗能大易产生污染，制备方法不具备环保经济的特点，并且掺入水泥土中制成泡沫轻质土强度增长缓慢、养护时间较长，因此在实际工程应用中有一定的局限性。
另外，申请人基于氧化镁水泥具有煅烧温度低，经过碳化过程可吸收大量二氧化碳，强度高，耐久性好等特点，提出将氧化镁取代水泥作为轻质土中的胶凝材料，经实验证明其物理力学特性可与传统水泥土达到同一量级。但由于传统空气发泡技术应用于氧化镁-泡沫轻质土时强度并不能明显提高，而在制泡过程中就添加二氧化碳，可大大促进氧化镁-泡沫轻质土的碳化反应，同时实现相当量的碳封存，本发明提出一种新型的适用于二氧化碳发泡的水泥发泡剂及其装置与制备方法，选用以二氧化碳气体代替空气作为发泡原材料的方法，通过二氧化碳发泡将二氧化碳注入轻质土中，既可以对二氧化碳捕捉，实现二氧化碳的有效封存，又可以利用泡沫的孔隙特性，减少原材料的消耗，还强化了泡沫轻质土的隔热、力学性能。
发明内容
解决的技术问题：本发明公开了一种适用于二氧化碳发泡的水泥发泡剂及其制备方法和装置，该配方采用CO2代替空气进行物理发泡，相比于传统的空气发泡技术，具有施工效率高、质量可靠和低碳环保的特点，并达到二氧化碳资源化利用的需求，符合土木工程绿色施工的发展趋势。
技术方案：一种适用于二氧化碳发泡的制备装置，包括CO2气瓶、发泡液储罐、发泡机箱体、泡沫储罐、调压阀、CO2进气管、进液管、出泡管、单向阀、加压室、气道、水泵调速旋钮、数显屏；所述调压阀设于CO2气瓶上，用于控制CO2气体的通入压力，CO2气瓶与单向阀之间由CO2进气管连接；所述发泡液储罐通过进液管与发泡机箱体相连；所述单向阀和加压室设于发泡机箱体内，水泵调速旋钮设于发泡机箱体上，用于调节发泡液的吸入速率；所述单向阀的进口与CO2进气管连接，出口与气道连接；当所述单向阀打开时，CO2由CO2进气管进入，流向气道，进入加压室中；所述加压室与泡沫储罐之间由出泡管相连。
上述装置制备二氧化碳泡沫的方法，包括以下步骤：S1、发泡液配制：将发泡剂与水溶液按体积比1:30～1:50混合，搅拌均匀，并将进液管伸入发泡液储罐中；S2、打开阀门：打开单向阀，通入CO2；S3、启动水泵：启动发泡机，打开水泵，并通过水泵调速旋钮调节水泵转速，待发泡液完全进入进液管后开启空压机；S4、制备泡沫：打开CO2气瓶，使CO2持续通入管路中，开始制泡，制备的泡沫进入泡沫储罐内。
上述发泡剂与水的比例控制在1:40，配制发泡液时先加水，后加发泡剂。
上述水泵转速控制在80～100，数显屏对应流量为4L/min～5L/min。
上述步骤S4中，打开CO2气瓶，通过调压阀控制CO2的通气压力在0.3～0.5Mpa之间。
上述方法制得的水泥发泡剂。
上述水泥发泡剂，按成分分为松香树脂类、合成表面活性类、蛋白质类、复合类发泡剂中的至少一种。
上述发泡剂中含有醋酸镁。
有益效果：(1)用CO2发泡替代了传统的空气发泡，过程中大量使用了温室气体二氧化碳，为减碳排放提供了新思路；且与传统空气发泡的泡沫轻质土相比，可在短时间内完成制备，兼具节能环保、低碳高效的特点，可直接用于土体加固、路基减荷等方面，可实现CO2的固定与封存，满足可持续发展对现代工程建设的要求。
(2)传统空气发泡制备的泡沫轻质土添加的胶凝材料一般为水泥，本发明采用的CO2发泡方法，可与氧化镁材料结合，泡沫内的CO2可以进一步与MgO发生反应，生成强度更高、整体性好的碳化产物，并且利用二氧化碳发泡制备的氧化镁-碳化泡沫轻质土材料骨架结构均匀细密，发泡倍率高，具有良好的物理力学性能。
附图说明
图1是本发明的适用于二氧化碳发泡的制备装置。
图2是本发明的二氧化碳泡沫制备方法的示意图
图中，1-CO2气瓶、2-发泡液储罐、3-发泡机箱体、4-泡沫储罐、5-调压阀、6-CO2进气管、7-发泡液注入管、8-出泡管、9-单向阀、10-加压室、11-气道、12-水泵调速旋钮、13-数显屏。
图3是图1是实施例1中获得的CO2泡沫图片。
图4是实施例6中的固化后的氧化镁-泡沫轻质土试块图片。
具体实施方式
实施例1
适用于二氧化碳发泡的制备装置，包括CO2气瓶1、发泡液储罐2、发泡机箱体3、泡沫储罐4、调压阀5、CO2进气管6、进液管7、出泡管8、单向阀9、加压室10、气道11、水泵调速旋钮12、数显屏13；所述调压阀5设于CO2气瓶1上，用于控制CO2气体的通入压力，CO2气瓶1与单向阀9之间由CO2进气管6连接；所述发泡液储罐2通过进液管7与发泡机箱体3相连；所述单向阀9和加压室10设于发泡机箱体3内，水泵调速旋钮12设于发泡机箱体3上，用于调节发泡液的吸入速率；所述单向阀9的进口与CO2进气管6连接，出口与气道11连接；当所述单向阀9打开时，CO2由CO2进气管6进入，流向气道11，进入加压室10中；所述加压室10与泡沫储罐4之间由出泡管8相连。
上述装置制备二氧化碳泡沫的方法，包括以下步骤：S1、发泡液配制：将发泡剂与水溶液按体积比1:30～1:50混合，搅拌均匀，并将进液管7伸入发泡液储罐2中；S2、打开阀门：打开单向阀9，通入CO2；S3、启动水泵：启动发泡机，打开水泵，并通过水泵调速旋钮12调节水泵转速，转速控制在80～100，数显屏13对应流量为4L/min～5L/min，待发泡液完全进入进液管7后开启空压机；S4、制备泡沫：打开CO2气瓶，使CO2持续通入管路中，通过调压阀5控制CO2的通气压力在0.3～0.5Mpa之间开始制泡，制备的泡沫进入泡沫储罐4内。
具体的，本实施例的二氧化碳泡沫，通过调节以下发泡装置参数及发泡剂稀释比例制成：发泡剂稀释比例1:40，水泵转速80，对应流速为4L/min，CO2的通气压强设置为0.3MPa。
采用如下步骤制备二氧化碳泡沫：
S1、发泡液配制：将发泡剂与水溶液按1:40的比例混合，配制发泡液时先加水然后再加入发泡剂，搅拌均匀，放置于发泡液储罐2内，并将进液管7伸入发泡液储罐2中，用于吸取发泡液；
S2、启动水泵：启动发泡机，打开水泵，并通过水泵调速旋钮12控制水泵转速为80，对应流速4L/min，待发泡液完全进入进液管7后开启空压机；
S3、制备泡沫：打开CO2气瓶，调节调压阀5使CO2的通气压力为0.3MPa，持续通入管路中，开始制泡，制备的泡沫用泡沫储罐4接取。
实施例2
本实施例的二氧化碳泡沫，通过调节以下发泡装置参数及发泡剂稀释比例制成：发泡剂稀释比例1:40，水泵转速90，对应流速为4.5L/min，CO2的通气压强设置为0.3MPa。采用与实施例1中相同的装置和发泡剂，且实施例2中二氧化碳泡沫的制备方法同实施例1。
实施例3
本实施例的二氧化碳泡沫，通过调节以下发泡装置参数及发泡剂稀释比例制成：发泡剂稀释比例1:40，水泵转速100，对应流速为5L/min，CO2的通气压强设置为0.3MPa。采用与实施例1中相同的装置和发泡剂，且实施例2中二氧化碳泡沫的制备方法同实施例1。
实施例4
本实施例的二氧化碳泡沫，通过调节以下发泡装置参数及发泡剂稀释比例制成：发泡剂稀释比例1:40，水泵转速80，对应流速为4L/min，CO2的通气压强设置为0.4MPa。采用与实施例1中相同的装置和发泡剂，且实施例2中二氧化碳泡沫的制备方法同实施例1。
实施例5
本实施例的二氧化碳泡沫，通过调节以下发泡装置参数及发泡剂稀释比例制成：发泡剂稀释比例1:40，水泵转速80，对应流速为4L/min，CO2的通气压强设置为0.5MPa。采用与实施例1中相同的装置和发泡剂，且实施例2中二氧化碳泡沫的制备方法同实施例1。
实施例6
一种碳化泡沫轻质土，每立方米的所述碳化泡沫轻质土含有：活性氧化镁粉末100份、粉质粘土100份、CO2泡沫60份以及水160份。粉质粘土需要先风干再粉碎并过2mm筛。所用水为蒸馏水。
采用如下步骤制备碳化泡沫轻质土：
S1、原料准备：称取活性氧化镁粉末100份、粉质粘土100份，备用；
S2、料浆制备：将氧化镁、粉质粘土按照比例投入搅拌装置，以约100r/min的转速搅拌2min，使氧化镁和粉质粘土混合均匀；
S3、CO2泡沫制备：按稀释倍数40倍将发泡剂与水混合得到发泡液，然后打开水泵调节水泵转速为80并吸取发泡液10～15s，打开CO2通气阀并调压至0.4MPa，放出细密、稳定的CO2泡沫，制备的泡沫用泡沫储罐4接取；
S4、混合搅拌：获得泡沫之后立即(在10min之内)将60份CO2泡沫加入到上述混合料中继续匀速搅拌10min(30r/min)，确保CO2泡沫分布均匀、泡沫不破碎，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，并在碳化箱内养护48h，通过碳化过程进一步加固轻质土，得到氧化镁-碳化泡沫轻质土试块。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遗漏。
实施例7
一种碳化泡沫轻质土，每立方米的所述碳化泡沫轻质土含有：活性氧化镁粉末100份、粉质粘土100份、CO2泡沫70份以及水160份。采用与实施例6中相同的粉质粘土、氧化镁、水和发泡剂，且对各类材料的处理方法也保持一致。
实施例8
一种碳化泡沫轻质土，每立方米的所述碳化泡沫轻质土含有：活性氧化镁粉末100份、粉质粘土100份、CO2泡沫80份以及水160份。采用与实施例6中相同的粉质粘土、氧化镁、水和发泡剂，且对各类材料的处理方法也保持一致。
实施例9
一种碳化泡沫轻质土，每立方米的所述碳化泡沫轻质土含有：活性氧化镁粉末80份、粉质粘土100份、CO2泡沫90份以及水160份。采用与实施例6中相同的粉质粘土、氧化镁、水和发泡剂，且对各类材料的处理方法也保持一致。
实施例10
一种碳化泡沫轻质土，每立方米的所述碳化泡沫轻质土含有：水泥100份、粉质粘土100份、CO2泡沫80份以及水160份。采用与实施例6中相同的粉质粘土、氧化镁、水和发泡剂，且对各类材料的处理方法也保持一致。
试验检测
对实施例1～5制备的二氧化碳泡沫进行泡沫密度、1h沉降距/mm、总泌水量的试验检测，试验按照规范《CECS 249-2008现浇泡沫轻质土技术规程》进行。
对实施例6、7制备的碳化泡沫轻质土试样进行7d无侧限抗压强度、湿容重的试验检测。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。湿容重试验按照规范《CECS 249-2008现浇泡沫轻质土技术规程》进行
试验结果
表1二氧化碳泡沫的泡沫密度、1h沉降距和总泌水量
| 泡沫密度kg/m3 | 1h沉降距/mm | 总泌水量/g | |
| 实施例1 | 0.063 | 8 | 38 |
| 实施例2 | 0.069 | 8.8 | 46 |
| 实施例3 | 0.074 | 9.1 | 52 |
| 实施例4 | 0.058 | 8.1 | 42 |
| 实施例5 | 0.044 | 8.7 | 38 |
表2氧化镁-碳化泡沫轻质土的性能
从表1、2中可以看出，本发明提供的二氧化碳泡沫具有良好的泡沫性能，且可与氧化镁、土结合形成氧化镁-碳化泡沫轻质土，对比二氧化碳泡沫与传统水泥结合形成的泡沫轻质土，强度大大提高。
下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
如图1为本发明的一种适用于二氧化碳发泡的制备装置，包括CO2气瓶1、发泡液储罐2、发泡机箱体3、泡沫储罐4、调压阀5、CO2进气管6、进液管7、出泡管8、单向阀9、加压室10、、气道11、水泵调速旋钮12；
CO2气瓶1上设置有调压阀5，用于控制CO2气体的通入压力，CO2气瓶1与单向阀9之间由CO2进气管6连接；
发泡液储罐2通过进液管7与箱体相连；加压室10与泡沫储罐4之间由出泡管8相连，泡沫储罐4用于接取制备好的CO2气泡；
发泡机箱体3内包括单向阀9和泡沫储罐4，发泡机箱体3上设有水泵调速旋钮12，用于调节发泡液的吸入速率；
所述单向阀9的第一进口与CO2进气管6连接，第二进口与气道11连接；当单向阀9打开时，CO2由CO2进气管6进入，流向气道11，进入加压室中；
所述加压室10与泡沫储罐4之间由出泡管8相连。
如图2所示一种利用上述适用于二氧化碳发泡的装置制备二氧化碳泡沫的方法，该方法包括以下步骤：
S1、称取溶剂：用电子秤分别称取一定质量的发泡剂和水，体积比例为1:40；
S2、配制发泡液：先向发泡液储罐2中加入已称取好的水，再加入称取好的发泡剂，将它们充分混合搅拌，静置待用，并将进液管7伸入发泡储罐2内，用于吸取发泡液；
S3、启动水泵：启动发泡机，打开水泵，调节水泵转速为80～100(流量为4L/min～5L/min)，约10～15s，待发泡液完全进入进液管7时，开启空压机，机器开始运转吸收气体；
S4、制备泡沫：打开CO2气瓶2，调节调压阀5控制CO2的通气压力为0.3MPa～0.5MPa，此时出泡管8输出端开始放出细密的CO2泡沫，待肉眼观察到气泡均匀致密，且不出现“大泡”时，即可用泡沫储罐4接取泡沫，待泡沫填充满泡沫储罐4后，停止制备，得到CO2气泡作为后续使用。
最后，本申请的方法仅为较佳的实施方案，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种适用于二氧化碳发泡的制备装置，其特征在于：包括CO2气瓶（1）、发泡液储罐（2）、发泡机箱体（3）、泡沫储罐（4）、调压阀（5）、CO2进气管（6）、进液管（7）、出泡管（8）、单向阀（9）、加压室（10）、气道（11）、水泵调速旋钮（12）、数显屏（13）；所述调压阀（5）设于CO2气瓶（1）上，用于控制CO2气体的通入压力，CO2气瓶（1）与单向阀（9）之间由CO2进气管（6）连接；所述发泡液储罐（2）通过进液管（7）与发泡机箱体（3）相连；所述单向阀（9）和加压室（10）设于发泡机箱体（3）内，水泵调速旋钮（12）设于发泡机箱体（3）上，用于调节发泡液的吸入速率；所述单向阀（9）的进口与CO2进气管（6）连接，出口与气道（11）连接；当所述单向阀（9）打开时， CO2由CO2进气管（6）进入，流向气道（11），进入加压室（10）中；所述加压室（10）与泡沫储罐（4）之间由出泡管（8）相连。
2.权利要求1所述装置制备二氧化碳泡沫的方法，其特征在于：包括以下步骤：S1、发泡液配制：将发泡剂与水溶液按体积比1:30~1:50混合，搅拌均匀，并将进液管（7）伸入发泡液储罐（2）中；S2、打开阀门：打开单向阀（9），通入CO2；S3、启动水泵：启动发泡机，打开水泵，并通过水泵调速旋钮（12）调节水泵转速，待发泡液完全进入进液管（7）后开启空压机；S4、制备泡沫：打开CO2气瓶，使CO2持续通入管路中，开始制泡，制备的泡沫进入泡沫储罐（4）内。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述发泡剂与水的比例控制在1:40，配制发泡液时先加水，后加发泡剂。
4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述水泵转速控制在80~100，数显屏（13）对应流量为4L/min~5L/min。
5.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述步骤S4中，打开CO2气瓶，通过调压阀（5）控制CO2的通气压力在0.3~0.5Mpa之间。
6.权利要求2-5任一所述方法制得的水泥发泡剂。
7.根据权利要求6所述的水泥发泡剂，其特征在于，发泡剂按成分分为松香树脂类、合成表面活性类、蛋白质类、复合类发泡剂中的至少一种。
8.根据权利要求6所述的水泥发泡剂，其特征在于，所述发泡剂中含有醋酸镁。
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