CN216978559U - 一种土样碳化-硫化协同固化装置 - Google Patents

Abstract

一种土样碳化‑硫化协同固化装置，包括压力室、气体系统和数据采集仪，所述压力室内的底部设置带有进气孔的底座和带有排气孔的顶座，土体试样的顶底部均设置有透气板，并放置于底座和顶座之间；所述气体系统包括CO₂钢瓶和SO₂钢瓶，且均连接至气体混合器，所述压力室的顶部设置有进水孔，所述进水孔连接有压力机；所述压力室的外表面包裹地设置带有温度控制仪的加热装置，所述试样的侧面设置有温度传感器。本实用新型的装置为试样提供稳定的围压和不同的CO₂、SO₂气压，能较好的模拟工程中原状土在不同压力的所处状态，以及试样碳化‑硫化固化效果，确保加热效果均匀性和有效性，能维持碳化‑硫化试样的稳定，防止其膨胀破坏。

Description

一种土样碳化-硫化协同固化装置

技术领域

本实用新型涉及岩土工程试验技术领域，尤其涉及一种土样碳化-硫化协同固化装置。

背景技术

随着我国经济和城市化的快速发展，建筑、交通和水利等基础建设工程经常遇到软弱土层、液化粉砂土层等不良性质土，这些土层以其特殊的物质成分、结构和特殊的性质，给工程施工带来较大的难度。在实际工程中，这些不良性质土往往需要经过人工改良以提升其力学强度和稳定性，进而达到工程建设要求。在实际工程中，土体固化仍然以波特兰水泥加固为主。然而水泥的使用存在能源消耗高、二氧化碳排放量大、废气污染环境等负面影响；且水泥固化早期强度低、养护周期长，在实际工程运用中存在明显缺陷。因此，致力研发绿色低碳的新型固化材料与快速高效的固化技术，对替代或部分替代传统固化剂水泥并实现环境保护具有重大意义。

固体废弃物污染是全球十大环境问题之一，而工业废渣作为排放量最大的固体废弃物，如何有效地处理和利用工业废渣成为解决固体废弃物污染的关键。由于部分工业固废含有一定量的氧化钙(CaO)和镁(MgO)等碱性氧化物而具备高反应活性，因此也可以作为理想的二氧化碳封存原料。而与天然矿物相比，这些工业固废具备材料成本低、反应活性高、无需预处理等优点。

近年来，有较多学者积极探索新型、环保的土体固化技术用于代替水化固化技术，碳化固化技术便是最具发展潜力的新型固化技术之一。有学者采用活性氧化镁作为固化剂联合碳化技术对软弱土固化进行了研究，研究表明固化土在短时间内即可完成强度的主要增长且抗压强度是同掺量水泥固化土强度的2～3倍，同时固化土具备良好的抗干湿循环和抗冻融循环性能。亦有学者将工业废渣作为主体固化剂联合碳化技术对软弱土固化进行了研究，研究表明短时间内固化土抗压强度可接近同掺量水泥固化土强度。以上研究提出了一种可行思路，即二氧化碳碳化联合工业固废固化土技术对不良土进行固化处理，该技术既可以实现对二氧化碳稳定封存以降低碳排放、对工业固废进行资源化利用，又可以改善不良土性质，是一项环境友好的可持续加固土技术，符合可持续发展理念，具有重要的经济和社会效益。

因此，需要具备对围压、温度控制和气体流量的精确检测，同时具有二氧化碳/二氧化硫协同固化的装置，从而为土样碳化-硫化协同固化实验提供精准、可靠的设备和数据，完善二氧化碳碳化联合工业固废固化土技术的试验研究，并研究二氧化硫硫化联合工业固废固化土的技术以及二氧化碳/二氧化硫协同固化土技术，为该技术的工程运用积累理论基础。

实用新型内容

为解决上述问题，本实用新型提出一种土样碳化-硫化协同固化装置，具体技术方案为：

一种土样碳化-硫化协同固化装置，包括压力室、气体系统和数据采集仪，所述压力室内的底部设置带有进气孔的底座和带有排气孔的顶座，土体试样的顶底部均设置有透气板，并放置于底座和顶座之间，所述排气孔连接有延伸至压力室外的排气管；所述气体系统包括CO₂钢瓶和SO₂钢瓶，所述CO₂钢瓶和SO₂钢瓶分别设置有出气管，且两出气管均连接至气体混合器，所述气体混合器的出口连接有穿过压力室并与进气孔相连接的进气管；所述压力室的外表面包裹地设置带有温度控制仪的加热装置，所述压力室的顶部设置有与其内部相连通的进水孔，所述进水孔通过进水管连接有压力机；所述试样的侧面设置有温度传感器，所述排气管和两根出气管上均设置有流量计，所述流量计、温度传感器、温度控制仪均与数据采集仪相电连接。

进一步地，所述CO₂钢瓶和SO₂钢瓶的出气管上设置可调压力范围为0～ 500kPa的压力阀。

进一步地，所述压力机至少包括压力电机、供水箱和调压手轮，所述压力电机的出口连接进水管，所述压力机可调的围压范围为0～1.5MPa。

进一步地，所述加热装置内设置有发热电阻丝。

进一步地，所述试样套的外表面设有橡胶膜，试样采用橡皮筋与底座和顶座缠绕固定。

进一步地，所述加热装置的顶部设置有装置支架。

本实用新型有益效果：

(1)本装置可以为试样提供稳定的围压和不同的CO₂、SO₂气压，能较好的模拟工程中原状土在不同压力的所处状态，以及试样碳化-硫化固化效果，且能维持碳化-硫化试样的稳定，防止其膨胀破坏。

(2)本装置具备实时监测气体流量的功能，计算出单个试样在一定时间内的CO₂和SO₂吸收总量，得出单个试样CO₂和SO₂吸收量随时间的变化曲线，反映试样在不同碳化-硫化反应阶段的CO₂和SO₂吸收情况。

(3)本装置具备温度调控功能，采用整体覆盖地均匀布置的形式实现自动温控，最大程度确保加热效果均匀性和有效性。

附图说明

图1为本实用新型的整体示意图。

图中：1加压机，11供水箱，12出水阀，13进水管，14进水阀，15压力电机，16调压手轮，2压力室，21封盖，22底座，221进气孔，23透气板，24顶座，241出气孔，25试样，26温度传感器，27温度变送器，28橡胶模，29橡皮筋，3排气管，31排气阀，32碱液，4气体系统，41 CO₂钢瓶，42 SO₂钢瓶，43出气管，44压力阀，45气体混合器，46进气管，47进气阀，5流量计，6加热装置，61装置支架，62温度控制仪，7数据采集仪，8计算机。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本实用新型做进一步描述：

如图1所示，一种土样碳化-硫化协同固化装置，包括压力室2、气体系统4 和数据采集仪7，所述压力室2内的底部设置带有进气孔221的底座22和带有排气孔241的顶座24，土体试样25的顶底部均设置有透气板23，并放置于底座22和顶座24之间，所述排气孔241连接有延伸至压力室2外的排气管3；所述气体系统4包括CO₂钢瓶41和SO₂钢瓶42，所述CO₂钢瓶41和SO₂钢瓶42 分别设置有出气管43，且两出气管43均连接至气体混合器45，所述气体混合器 45的出口连接有穿过压力室2并与进气孔221相连接的进气管46；所述压力室 2的外表面包裹地设置带有温度控制仪62的加热装置6，所述压力室2的顶部设置有与其内部相连通的进水孔，所述进水孔通过进水管13连接有压力机；所述试样25的侧面设置有温度传感器26，所述排气管3和两根出气管43上均设置有流量计5，所述流量计5、温度传感器26、温度控制仪62均与数据采集仪7 相电连接。

所述压力室2的顶部设置可以打开的封盖21和密封垫，以方便试样25放入其内；所述进气管46和排气管3分别设置于压力室2顶部的两侧，所述温度传感器26的导线从封盖21穿出，所述封盖21内开设进水孔；所述压力室2和封盖21内的开孔处均设置有密封圈，避免水产生渗漏，从而使压力室2内达到良好的密封效果。

所述进水管13、进气管46和排气管3靠近压力室2处分别设置有进水阀14、进气阀47和排气阀31，所述排气管3通入装置碱液32的容器内；所述数据采集仪7连接计算机8，从而可把采集的数据进行处理和分析。

本实施例中，所述CO₂钢瓶41和SO₂钢瓶42的出气管43上设置可调压力范围为0～500kPa的压力阀44；所述流量计5均为质量流量计5，从而可直接指示气体的质量流量，以研究不同气压对试样25碳化-硫化效果以及试样25固化效果的影响。

所述压力机至少包括压力电机15、供水箱11和调压手轮16，所述供水箱 11设置出水阀12，其连接于压力电机15的入口，所述压力电机15的出口连接进水管13，所述供水箱11为压力室2和稳压系统供水，调压手轮16用于手动调节围压大小，压力电机15用于稳定围压，从而稳定地控制试样25在压力室2 内的围压大小，所述压力机可调的围压范围为0～1.5MPa，从而可较好地模拟工程中原状土在不同条件下的压力情况。

所述底座22由下至上依次安装下透气板23、试样25、上透气板23和顶座 24，所述试样25套的外表面设有橡胶模28，试样25采用橡皮筋29与底座22 和顶座24缠绕固定。

在另一个实施例中，所述加热装置6安装于整个压力室2的外侧面，从而可快速提升和控制压力室2内的温度，确保围压空间内温度变化的均匀性和一致性；所述加热装置6内设置有发热电阻丝，其电连接于温度调节器，从而可控制加热电阻丝的工作状态和加热模式。

所述温度传感器26粘贴于试样25的表面，其连接温度变送器27并用导线连接数据采集仪7，通过数据采集仪7实时记录试样25表面的实际温度，并把温度传输至温度调节器内，温度调节器根据温度设定值控制发热电阻丝的工作状态。

优选地，压力室2的温度控制范围为20～95℃，温度设定值可在温度调节器内根据实验需要进行调整。所述温度传感器26所检测的温度达到设定值时，加热装置6停止加热，所检测的温度低于设定值2℃时，自动开启加热装置6进行加热。

利用上述装置可在实验室内对土样进行碳化-硫化试验，其步骤为：

(1)试样25制备

根据实验要求制作相应规格的土体试样25。试样25制备模拟实际工程中的土体固化过程，试样25组成包括试验用土、固化剂、水等；根据试验需要，试验用土可选用待固化的不良性质土(如膨胀土、淤泥软土、黄土等)，固化剂可选用具备碳化-硫化活性的材料(如活性氧化镁、氧化钙、矿渣、粉煤灰等)，固化剂掺量及试样25含水率可根据试验要求进行选择。

试样25制备采用静压法制样：称取单个试样25混合料，分三次均匀灌入模具中人工捣实，填料完成后在模具上方放入上部钢垫块并用千斤顶缓慢压实；试样25压实后，用千斤顶脱模机手动脱模，脱模试样25用保鲜膜包裹，防止试样 25水分流失。

(2)装置调试

将装置支架61放置于水平面，清洁压力室2内部，并安装调试试样25。在邻近位置放好CO₂钢瓶41和SO₂钢瓶42，将瓶头阀分别与出气管43固定连接，并检查装置的气密性。在压力室2内注入水并开启加压机1，将围压调节到最大值，打开加压电机观察电机稳压情况。开启温度控制仪62控制加热装置6到最高温度，观察稳温情况。打开流量计5、温度变送器27并通过导线依次连接数据采集仪7和计算机8，观测、记录并检验CO₂和SO₂进出气流量及试样25表面温度等数据的可靠性。

(3)试样25安装

所述试样25的外表面套设橡胶模28，在试样25顶部和底部各放置一块透气板23；将试样25安装在压力室2底座22和顶座24之间，并用橡皮筋29缠绕固定。随后在试样25中部表面粘贴温度传感器26，盖紧压力室2的封盖21。

(4)围压加载

给压力室2注满水，打开供水箱11的出水阀12，打开加压机1电源，通过调节调压手轮16将压力室2围压调节到试验所需水平，随后开启压力电机15 稳定围压。

(5)温度调控

打开温度控制仪62，设置加热模式并开始加热，加热装置6开始工作；开启温度变送器27、数据采集仪7和计算机8，待试样25表面温度达到试验设计温度后，再进行下一步骤。

(6)通气调压

先打开进气管46和出气管43流量计5，计算机8准备记录气体流量；再打开CO₂钢瓶41和SO₂钢瓶42瓶头阀和出气阀，调节CO₂压力阀44、SO₂压力阀44至试验设计气压。

(7)试样25碳化-硫化

试样25在设计围压、设计气压和设计温度下进行碳化-硫化反应，试验过程中压力电机15自动稳定围压水平，通过数据采集仪7和计算机8自动记录CO₂和SO₂流量，温度控制仪62自动控制试样25温度。

(8)结束碳化-硫化

达到试验设计碳化-硫化时间后，先后CO₂钢瓶41和SO₂钢瓶42瓶头阀和出气阀、进气管46流量计5、出气阀和出气管43流量计5；调节调压手轮16 将压力室2围压调节到0并关闭加压机1，关闭温度变送器27、温度控制仪62 和数据采集仪7，打开压力室2封盖21，抽出压力室2内水，并拆解试样25，清洁压力室2准备下一组试验。

(9)数据处理

通过计算机8处理，可得试样25吸收CO₂和SO₂的质量；可计算出单个试样25在一定时间内的CO₂和SO₂吸收总量，得出单个试样25CO₂和SO₂吸收量随时间的变化曲线，反映试样25在不同碳化-硫化反应阶段的CO₂和SO₂吸收情况。

(10)重复试验

通过改变试样25组成成分和配比，以及碳化-硫化协同固化装置的围压水平、压力室2温度、CO₂和SO₂气压以及碳化-硫化时间，记录不同试验条件下碳化- 硫化数据，以达到研究并评估二氧化碳与二氧化硫协同固化土样效果的目的。

Claims (6)

1.一种土样碳化-硫化协同固化装置，包括压力室、气体系统和数据采集仪，其特征在于：所述压力室内的底部设置带有进气孔的底座和带有排气孔的顶座，土体试样的顶底部均设置有透气板，并放置于底座和顶座之间，所述排气孔连接有延伸至压力室外的排气管；所述气体系统包括CO₂钢瓶和SO₂钢瓶，所述CO₂钢瓶和SO₂钢瓶分别设置有出气管，且两出气管均连接至气体混合器，所述气体混合器的出口连接有穿过压力室并与进气孔相连接的进气管；所述压力室的顶部设置有与其内部相连通的进水孔，所述进水孔通过进水管连接有压力机；所述压力室的外表面包裹地设置带有温度控制仪的加热装置，所述试样的侧面设置有温度传感器，所述排气管和两根出气管上均设置有流量计，所述流量计、温度传感器、温度控制仪均与数据采集仪相电连接。

2.根据权利要求1所述的一种土样碳化-硫化协同固化装置，其特征在于：所述CO₂钢瓶和SO₂钢瓶的出气管上设置可调压力范围为0～500kPa的压力阀。

3.根据权利要求1所述的一种土样碳化-硫化协同固化装置，其特征在于：所述压力机至少包括压力电机、供水箱和调压手轮，所述压力电机的出口连接进水管，所述压力机可调的围压范围为0～1.5MPa。

4.根据权利要求1所述的一种土样碳化-硫化协同固化装置，其特征在于：所述加热装置内设置有发热电阻丝。

5.根据权利要求1所述的一种土样碳化-硫化协同固化装置，其特征在于：所述试样套的外表面设有橡胶膜，试样采用橡皮筋与底座和顶座缠绕固定。

6.根据权利要求1所述的一种土样碳化-硫化协同固化装置，其特征在于：所述加热装置的顶部设置有装置支架。

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