專利名稱：一種土壤碳化固化的裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型屬于土木工程技術(shù)領(lǐng)域，是一種用于固化土體的綠色、低碳的土壤碳化固化的裝置。
背景技術(shù)：
固化是加固、改善土體性質(zhì)的常用方法，它是用各種方法將固化劑與土體攪拌、混合，通過(guò)固化劑的固化作用(如水泥的水化作用)來(lái)改善土體的物理、力學(xué)性質(zhì)(含水量、 滲透性、強(qiáng)度、模量等)，從而滿足土木工程需要。目前，常規(guī)的土體固化劑主要為水泥和生石灰。生石灰(feiO)是早期主要的土體固化劑，生石灰會(huì)與土中水分的快速發(fā)生水化反應(yīng)生成氫氧化鈣(Ga(OH)2),該反應(yīng)會(huì)降低土體中的含水量，并改善土體的性質(zhì)，同時(shí)生成的氫氧化鈣具有膠凝作用，從而提高固化土的強(qiáng)度，但是由于氫氧化鈣本身的強(qiáng)度較低(相對(duì)水泥來(lái)說(shuō))，它形成的固化土強(qiáng)度不高，對(duì)軟土地基處理的效果不好。所以現(xiàn)在工程中 (主要是攪拌樁工程)使用的固化劑為水泥，因?yàn)樗嗤恋膹?qiáng)度相對(duì)較高，性質(zhì)穩(wěn)定。但是水泥在生產(chǎn)過(guò)程需要高溫煅燒，煅燒溫度約為1450度，同時(shí)在水泥生產(chǎn)過(guò)程中需要釋放大量的二氧化碳，研究表明生產(chǎn)1噸水泥需要向大氣排放0. 85噸二氧化碳，水泥工業(yè)排放的二氧化碳占世界上人為排放二氧化碳的10%左右。中國(guó)作為京都協(xié)議的簽約國(guó)，承擔(dān)著很重的二氧化碳減排責(zé)任，而土木建筑領(lǐng)域是二氧化碳排放的主要重要領(lǐng)域之一。出于環(huán)境保護(hù)的要求，一些高二氧化碳排放的工業(yè)中采用二氧化碳捕捉技術(shù)，即利用相應(yīng)的技術(shù)手段將部分排放的二氧化碳收集起來(lái)，如何處理這些收集的二氧化碳是當(dāng)前環(huán)境工程研究的一個(gè)重點(diǎn)問(wèn)題。目前主要的方法是將其壓縮為液體后注入油井等深部地殼中，然后進(jìn)行密封。但是該方法的長(zhǎng)期穩(wěn)定性還沒(méi)有經(jīng)過(guò)檢驗(yàn)，存在潛在的泄露危險(xiǎn)，而且成本非常高。本實(shí)用新型主要針對(duì)上述問(wèn)題，研發(fā)一種用于土壤碳化固化的裝置。碳化固化使用的固化劑主要成分是活性氧化鎂(Reactive MgO)，活性氧化鎂生產(chǎn)過(guò)程的煅燒溫度約為750度，遠(yuǎn)低于水泥(1450度)，故又叫輕燒鎂或者輕燒粉，在此溫度下生成的氧化鎂與水反應(yīng)較快，水化生成氫氧化鎂(Mg(OH)2)，故稱為活性氧化鎂，其價(jià)格等于或稍高于水泥。當(dāng)煅燒溫度過(guò)高，超過(guò)1500度后，生成的氧化鎂失去活性，稱為死燒氧化鎂或者過(guò)燒氧化鎂?；钚匝趸V固化土體的強(qiáng)度較低，遠(yuǎn)小于相同條件下水泥固化土的強(qiáng)度。但是，實(shí)用新型作者通過(guò)大量的試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，活性氧化鎂固化土很容易與二氧化碳反應(yīng) (碳化)，特別是在高溶度、高壓力的二氧化碳環(huán)境下，其碳化過(guò)程會(huì)在幾小時(shí)甚至幾十分鐘內(nèi)完成，生成鎂的碳酸化合物。發(fā)明人的試驗(yàn)研究結(jié)果還表明，活性氧化鎂固化土經(jīng)過(guò)碳化后強(qiáng)度會(huì)大大提高，接近甚至超過(guò)相同條件下水泥土的強(qiáng)度。碳化反應(yīng)過(guò)程會(huì)消耗大量的二氧化碳，理論上完全碳化時(shí)能吸收1. 1倍活性氧化鎂重量的二氧化碳，從而產(chǎn)生顯著的環(huán)境效應(yīng)，同時(shí)在非常短的時(shí)間內(nèi)完成固化土強(qiáng)度的增長(zhǎng)，這個(gè)特性對(duì)搶險(xiǎn)、救災(zāi)等特殊工程具有非常重要的意義。生石灰能發(fā)生和活性氧化鎂相似的水化和碳化反應(yīng)，同樣能產(chǎn)生顯著的環(huán)境效應(yīng)，但是實(shí)用新型人通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)生石灰固化土碳化后的強(qiáng)度提高非常有限，遠(yuǎn)達(dá)不到水泥固化土的程度，不過(guò)生石灰的價(jià)格遠(yuǎn)低于活性氧化鎂，其水化過(guò)程能快速降低土體的含水量，增大土體的短期滲透性，這對(duì)于固化土的碳化非常重要。所以，可以將生石灰與活性氧化鎂混合使用，生石灰和活性氧化鎂共同起到快速降低土體的含水量，增大土體的短期滲透性的作用，為碳化反應(yīng)創(chuàng)造條件，并共同通過(guò)碳化反應(yīng)實(shí)現(xiàn)吸收二氧化碳的環(huán)境效應(yīng)，而活性氧化鎂經(jīng)過(guò)水化作用和碳化作用對(duì)土體強(qiáng)度增長(zhǎng)起主要作用。綜上所述，盡管活性氧化鎂和生石灰生產(chǎn)過(guò)程中同水泥一樣會(huì)排放大量的二氧化碳，但是在固化土碳化過(guò)程中會(huì)大量吸收二氧化碳，故從產(chǎn)品的生產(chǎn)、使用全過(guò)程來(lái)看，其二氧化碳排放量遠(yuǎn)低于水泥。

實(shí)用新型內(nèi)容技術(shù)問(wèn)題本實(shí)用新型的目的是提供一種用于土木工程的低碳、環(huán)保型的土壤碳化固化裝置，采用本實(shí)用新型的碳化固化工程能夠在達(dá)到與現(xiàn)有水泥固化土相近的固化強(qiáng)度和工程造價(jià)的情況下，降低相應(yīng)土木工程中的能耗和二氧化碳排放，產(chǎn)生顯著的環(huán)境效應(yīng)，同時(shí)在非常短的時(shí)間內(nèi)完成固化土的強(qiáng)度增長(zhǎng)，滿足搶險(xiǎn)、救災(zāi)等特殊工程中對(duì)工程時(shí)間的要求。技術(shù)方案一種土壤碳化固化的裝置，包括二氧化碳發(fā)生器和外套管，在外套管的管壁上設(shè)有作為二氧化碳出口的通孔，在二氧化碳發(fā)生器上連接有二氧化碳導(dǎo)入管，且二氧化碳發(fā)生器上的二氧化碳出氣口與二氧化碳導(dǎo)入管的一端連接，二氧化碳導(dǎo)入管的另一端位于外套管內(nèi)。二氧化碳導(dǎo)入管上套設(shè)有密封膜，所述密封膜覆蓋于外套管的頂部且向外套管的外部延伸。外套管與二氧化碳導(dǎo)入管之間設(shè)有氣體密封圈，且氣體密封圈位于外套管的頂部。在外套管的底部設(shè)有端蓋。與現(xiàn)有技術(shù)相比，利用本實(shí)用新型，可以將二氧化碳引入土壤并固化，在達(dá)到與常規(guī)水泥固化方法相近的處理效果和工程造價(jià)的情況下，可大大降低處理工程的二氧化碳排放量和能耗，減少50% 70%的二氧化碳排放，20% 50%的能耗。現(xiàn)有的水泥固化土需要觀天或者更長(zhǎng)的時(shí)間完成主要強(qiáng)度增長(zhǎng)，然后才能投入使用，利用本實(shí)用新型的碳化固化工程只需要幾小時(shí)甚至幾十分鐘完成固化土的主要強(qiáng)度增長(zhǎng)，可以滿足搶險(xiǎn)、救災(zāi)等特殊工程中對(duì)工程時(shí)間的要求。

圖1為用于碳化攪拌樁施工的碳化裝置示意圖。圖2為用于淺層整體碳化工程施工的碳化裝置示意圖。圖3為三種固化土的強(qiáng)度隨與時(shí)間的關(guān)系圖。圖4為碳化養(yǎng)護(hù)3小時(shí)和常規(guī)養(yǎng)護(hù)洲天的活性氧化鎂固化的X射線衍射分析結(jié)果。圖5為利用碳化裝置進(jìn)行通氣碳化的攪拌樁施工示意圖。圖6為淺層整體碳化工程俯視圖。圖7為淺層整體碳化工程剖面圖。其中有攪拌樁機(jī)1 ；天然土 2 ；未碳化的活性氧化鎂固化土 3 ；碳化的活性氧化鎂固化土 4 ；外套管5 ；二氧化碳導(dǎo)入管6 ；二氧化碳發(fā)生器7 ；密封膜8 ；連接管9 ；端蓋10 ；氣體密封圈11 ；通孔12。
具體實(shí)施方式
實(shí)施例1一種土壤的碳化固化裝置，包括二氧化碳發(fā)生器7和外套管5，在外套管5的管壁上設(shè)有作為二氧化碳出口的通孔12，在二氧化碳發(fā)生器7上連接有二氧化碳導(dǎo)入管6且二氧化碳發(fā)生器7上的二氧化碳出氣口與二氧化碳導(dǎo)入管6的一端連接，二氧化碳導(dǎo)入管6 的另一端位于外套管5內(nèi)，在本實(shí)施例中，考慮到固化土的滲透系數(shù)較大，二氧化碳容易向固化土的上部流動(dòng)，在二氧化碳導(dǎo)入管6上套設(shè)有密封膜8，所述密封膜8覆蓋于外套管5 的頂部且向外套管5的外部延伸，以阻止二氧化碳從固化土的上部流出?？紤]到二氧化碳容易從外套管和二氧化碳導(dǎo)管之間流出，在外套管5與二氧化碳導(dǎo)入管6設(shè)有氣體密封圈 11且氣體密封圈11位于外套管5的頂部?？紤]到外套管底部容易在插入過(guò)程中堵塞，在外套管5的底部設(shè)有端蓋10。實(shí)施例2本實(shí)施例中為室內(nèi)試驗(yàn)，主要分析碳化固化方法的可行性和不同碳化時(shí)間對(duì)碳化土強(qiáng)度的影響。所需要固化的土為砂性土，含水量為10%，固化劑為活性氧化鎂，活性氧化鎂摻量(活性氧化鎂與土體和活性氧化鎂總質(zhì)量之比)為10%。先將活性氧化鎂與土體按照設(shè)計(jì)配比混合、攪拌均勻，灌入直徑5公分、高度為10公分的標(biāo)準(zhǔn)模具，進(jìn)行振搗、密實(shí)， 約半小時(shí)左右后脫模，將試樣安裝在三軸滲透儀上，施加400kPa的圍壓，然后從底部給試樣通入200kPa的二氧化碳?xì)怏w，進(jìn)行碳化養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)時(shí)間分別為45分鐘、1. 5小時(shí)、3小時(shí)、 6小時(shí)和12小時(shí)。為了進(jìn)行效果對(duì)比，同時(shí)制作了相同配比的普通硅酸鹽水泥固化土和非碳化的活性氧化鎂固化土，在溫度為20度，相對(duì)濕度為98%的常規(guī)養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)至7天、28 天。同一配比制作三個(gè)試樣，養(yǎng)護(hù)結(jié)束后立即進(jìn)行無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，取其測(cè)試強(qiáng)度的平均值作為結(jié)果，結(jié)果見(jiàn)圖3。結(jié)果表明，普通硅酸鹽水泥固化土的7天強(qiáng)度為4600kPaJ8天強(qiáng)度為6800kPa， 非碳化的活性氧化鎂固化土的7天強(qiáng)度為470kPaJ8天強(qiáng)度為1367kPa，可以看出常規(guī)養(yǎng)護(hù)的固化土從7天到觀天還有很大的增長(zhǎng)，非碳化的活性氧化鎂固化土的7天和觀天強(qiáng)度均遠(yuǎn)低于普通硅酸鹽水泥固化土。但是，碳化養(yǎng)護(hù)的活性氧化鎂固化土在45分鐘后便具有4900kPa的強(qiáng)度，1. 5小時(shí)后為5500kPa，3小時(shí)候即達(dá)到最高強(qiáng)度約7300kPa，比普通硅酸鹽水泥固化土的觀天的強(qiáng)度還高。還進(jìn)行了摻量為10%的生石灰的試樣，用同樣的碳化方法碳化7天，其強(qiáng)度還只有500kPa，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于碳化的活性氧化鎂固化土。對(duì)碳化養(yǎng)護(hù)時(shí)間為3小時(shí)和常規(guī)養(yǎng)護(hù)觀天的活性氧化鎂固化土進(jìn)行了 X射線衍射分析，以分析其化學(xué)成分，結(jié)果見(jiàn)圖4，可以發(fā)現(xiàn)碳化養(yǎng)護(hù)時(shí)間為3小時(shí)的活性氧化鎂固化土試樣中生成了大量的三水碳酸鎂(MgCO3 · 3H20)，而常規(guī)養(yǎng)護(hù)觀天的活性氧化鎂試樣則為氫氧化鎂(Mg (OH) 2)。在利用本實(shí)用新型進(jìn)行施工時(shí)，將所需的固化土體與固化劑按照質(zhì)量比為12 19 8 1的比例攪拌、混合均勻，形成均勻的固化土。然后向固化土中通入二氧化碳?xì)怏w，使固化土體碳化并形成碳酸化合物固化土，所述的固化劑包括活性氧化鎂。固化劑和土體的攪拌可以根據(jù)具體工程需要，由人工、深層攪拌機(jī)械(如深層攪拌樁機(jī))、淺層攪拌機(jī)械進(jìn)行，固化土的碳化通過(guò)碳化裝置通入二氧化碳?xì)怏w進(jìn)行。以下的實(shí)施例3 4是利用本實(shí)用新型進(jìn)行施工的具體操作例實(shí)施例3本實(shí)施例為碳化攪拌樁試驗(yàn)，所需要加固的土為干的砂性土，固化劑為活性氧化鎂，活性氧化鎂與干土的質(zhì)量之比為10%。先用小型的攪拌樁機(jī)1在土體中攪拌、噴射活性氧化鎂漿液施工形成未碳化的活性氧化鎂攪拌固化土 3，然后布設(shè)碳化裝置，通過(guò)碳化裝置進(jìn)行碳化。碳化裝置包括二氧化碳發(fā)生器7和外套管5，在外套管5的管壁上設(shè)有作為二氧化碳出口的通孔12，在二氧化碳發(fā)生器7上連接有二氧化碳導(dǎo)入管6且二氧化碳發(fā)生器7上的二氧化碳出氣口與二氧化碳導(dǎo)入管6的一端連接，二氧化碳導(dǎo)入管6的另一端位于外套管5端部。在二氧化碳導(dǎo)入管6上套設(shè)有密封膜8，所述密封膜8覆蓋于外套管5的頂部且向外套管5的外部延伸。在外套管5與二氧化碳導(dǎo)入管6之間設(shè)有氣體密封圈11，且氣體密封圈U位于外套管5的頂部。外套管5的底部設(shè)有端蓋10。這樣保證二氧化碳先沿著導(dǎo)入管6進(jìn)入到樁端，然后自下而上由外套管5的開(kāi)口進(jìn)入固化土，對(duì)固化土進(jìn)行碳化。具體施工步驟見(jiàn)圖5，并介紹如下(a)啟動(dòng)攪拌樁機(jī)1，攪拌樁機(jī)1下沉，同時(shí)攪拌并噴活性氧化鎂漿液，直到攪拌葉片到達(dá)底面設(shè)計(jì)標(biāo)高；(b)攪拌樁機(jī)1提升，同時(shí)攪拌并噴活性氧化鎂漿液，直到攪拌葉片到達(dá)地表；(c)移去攪拌樁機(jī)1，立即在攪拌樁中間沿著樁身插入外套管5直到樁端位置，然后在外套管5中插入二氧化碳導(dǎo)入管6。在樁頂處用氣體密封圈11將外套管5與二氧化碳導(dǎo)入管6之間密封，并在樁頂位置鋪設(shè)密封膜8，密封膜8的面積略大于攪拌樁截面積，并將密封膜8埋入地面以下30公分左右進(jìn)行密封、固定。將碳化導(dǎo)管的內(nèi)管從密封膜的中間引出，并對(duì)引出口進(jìn)行密封處理，然后通過(guò)連接管9將二氧化碳導(dǎo)入管6與二氧化碳發(fā)生器7 連接，開(kāi)啟二氧化碳發(fā)生器7閥門(mén)，進(jìn)行碳化，5小時(shí)后關(guān)閉二氧化碳發(fā)生器7閥門(mén)，結(jié)束碳化，形成碳化的活性氧化鎂固化土 4，即碳化攪拌樁。完成以上步驟后，立即開(kāi)挖，發(fā)現(xiàn)樁身已經(jīng)非常堅(jiān)硬，經(jīng)過(guò)取樣測(cè)試，樁身無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度為4700kPa，能滿足工程需要。實(shí)施例4本實(shí)施例中為淺層整體攪拌、碳化試驗(yàn)，所需要加固的土為黏性土，含水量為 25%，加固深度為1米，固化劑為活性氧化鎂，活性氧化鎂與濕土的質(zhì)量之比為5%。先用淺層攪拌機(jī)械整體地將活性氧化鎂干粉與1米內(nèi)的淺層土體混合、攪拌均勻。然后在場(chǎng)地每隔1米挖設(shè)平行的壕溝，壕溝寬10公分左右，深0. 5米，在每個(gè)壕溝內(nèi)設(shè)置外套管5和二氧化碳導(dǎo)入管6，二氧化碳導(dǎo)入管6長(zhǎng)度為外套管5的一半。在外套管5的端部用端蓋10密封，頂部用氣體密封圈11將外套管5與二氧化碳導(dǎo)入管6之間密封，然后在處理區(qū)域上部覆蓋密封膜8，密封膜8的邊界略大于處理區(qū)域，并將邊界的密封膜8埋入土中30公分左右進(jìn)行密封、固定。將所有二氧化碳導(dǎo)入管6通過(guò)連接管9與二氧化碳發(fā)生器7連接，打開(kāi)二氧化碳發(fā)生器7，對(duì)固化土進(jìn)行碳化，5小時(shí)后關(guān)閉二氧化碳罐閥門(mén)，完成碳化，具體的俯視圖和剖面圖見(jiàn)圖6、圖7。立即進(jìn)行開(kāi)挖，發(fā)現(xiàn)固化土層已經(jīng)比較堅(jiān)硬，經(jīng)過(guò)取樣測(cè)試其無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度為510kPa，低于實(shí)施例1、2、3中的強(qiáng)度，因?yàn)樵搶?shí)施例主要目的是淺層整體固化，對(duì)強(qiáng)度要求較低，所以活性氧化鎂的摻量較小，同時(shí)該實(shí)施例使用的是高含水量的黏性土。但是對(duì)于整體固化來(lái)說(shuō)該強(qiáng)度已經(jīng)能滿足一般工程需要。
權(quán)利要求1.一種土壤碳化固化的裝置，其特征在于，包括二氧化碳發(fā)生器(7)和外套管(5)，在外套管(5)的管壁上設(shè)有作為二氧化碳出口的通孔(12)，在二氧化碳發(fā)生器(7)上連接有二氧化碳導(dǎo)入管(6)且二氧化碳發(fā)生器(7)上的二氧化碳出氣口與二氧化碳導(dǎo)入管(6)的一端連接，二氧化碳導(dǎo)入管(6)的另一端位于外套管(5)內(nèi)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的土壤碳化固化的裝置，其特征在于，在二氧化碳導(dǎo)入管(6)上套設(shè)有密封膜(8)，所述密封膜(8)覆蓋于外套管(5)的頂部且向外套管(5)的外部延伸。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的土壤碳化固化的裝置，其特征在于，在外套管(5)與二氧化碳導(dǎo)入管(6)之間設(shè)有氣體密封圈(11)，且氣體密封圈(11)位于外套管(5)的頂部。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的土壤碳化固化的裝置，其特征在于，在外套管(5)的底部設(shè)有端蓋(10)。
專利摘要一種用于實(shí)施土壤碳化固化的裝置，包括二氧化碳發(fā)生器和外套管，在外套管的管壁上設(shè)有作為二氧化碳出口的通孔，在二氧化碳發(fā)生器上連接有二氧化碳導(dǎo)入管，且二氧化碳發(fā)生器上的二氧化碳出氣口與二氧化碳導(dǎo)入管的一端連接，二氧化碳導(dǎo)入管的另一端位于外套管內(nèi)。二氧化碳導(dǎo)入管上套設(shè)有密封膜，密封膜覆蓋于外套管的頂部且向外套管的外部延伸。外套管與二氧化碳導(dǎo)入管之間設(shè)有氣體密封圈，且氣體密封圈位于外套管的頂部。
文檔編號(hào)E02D33/00GK201991000SQ201020678670
公開(kāi)日2011年9月28日 申請(qǐng)日期2010年12月24日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月24日
發(fā)明者劉松玉, 易耀林, 杜延軍, 阿爾比·阿勒-塔瓦, 馬丁·利什卡 申請(qǐng)人:東南大學(xué)