專利名稱：一種土壤的碳化固化方法
技術領域：
本發(fā)明屬于土木工程技術領域，是ー種用于固化土體的緑色、低碳的環(huán)保型碳化固化方法及其裝置。
背景技術：
固化是加固、改善土體性質的常用方法，它是用各種方法將固化劑與土體攪拌、混合，通過固化劑的固化作用(如水泥的水化作用)來改善土體的物理、力學性質(含水量、滲透性、強度、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(GaO)是早期主要的土體固化劑，生石灰會與土中水分的快速發(fā)生水化反應生 成氫氧化鈣(Ga (OH)2),該反應會降低土體中的含水量，并改善土體的性質，同時生成的氫氧化鈣具有膠凝作用，從而提高固化土的強度，但是由于氫氧化鈣本身的強度較低(相對水泥來說)，它形成的固化土強度不高，對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，因為水泥土的強度相對較高，性質穩(wěn)定。但是水泥在生產(chǎn)過程需要高溫煅燒，煅燒溫度約為1450度，同時在水泥生產(chǎn)過程中需要釋放大量的ニ氧化碳，研究表明生產(chǎn)I噸水泥需要向大氣排放O. 85噸ニ氧化碳，水泥エ業(yè)排放的ニ氧化碳占世界上人為排放ニ氧化碳的10%左右。中國作為京都協(xié)議的簽約國，承擔著很重的ニ氧化碳減排責任，而土木建筑領域是ニ氧化碳排放的主要重要領域之一。出于環(huán)境保護的要求，一些高ニ氧化碳排放的エ業(yè)中采用ニ氧化碳捕捉技木，即利用相應的技術手段將部分排放的ニ氧化碳收集起來，如何處理這些收集的ニ氧化碳是當前環(huán)境工程研究的ー個重點問題。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，然后進行密封。但是該方法的長期穩(wěn)定性還沒有經(jīng)過檢驗，存在潛在的泄露危險，而且成本非常高。本發(fā)明主要針對上述問題，研發(fā)可以替代水泥的低碳、環(huán)保的新型土壤碳化固化方法及其裝置。新型土體固化方法需要滿足三個主要要求(I)能滿足實際工程性能需要，主要是在固化強度上要能達到與水泥相近或者更優(yōu)的效果；(2)能滿足低碳、環(huán)保要求，新方法的能耗和ニ氧化碳排放要比水泥低；(3)能滿足工程經(jīng)濟需要，其成本不能過高于水泥?；谝陨峡紤]，發(fā)明人通過大量的試驗，研發(fā)了ー種綠色、低碳的土壤碳化固化方法及其裝置。該方法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)過程的煅燒溫度約為750度，遠低于水泥(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較快，水化生成氫氧化鎂(Mg (OH) 2),故稱為活性氧化鎂,其價格等于或稍高于水泥。當煅燒溫度過高，超過1500度后，生成的氧化鎂失去活性，稱為死燒氧化鎂或者過燒氧化鎂?；钚匝趸V固化土體的強度較低，遠小于相同條件下水泥固化土的強度。但是，發(fā)明人通過大量的試驗發(fā)現(xiàn)，活性氧化鎂固化土很容易與ニ氧化碳反應(碳化)，特別是在高溶度、高壓カ的ニ氧化碳環(huán)境下，其碳化過程會在幾小時甚至幾十分鐘內完成，生成鎂的碳酸化合物。發(fā)明人的試驗研究結果還表明，活性氧化鎂固化土經(jīng)過碳化后強度會大大提高，接近甚至超過相同條件下水泥土的強度。碳化反應過程會消耗大量的ニ氧化碳，理論上完全碳化時能吸收1.1倍活性氧化鎂重量的ニ氧化碳，從而產(chǎn)生顯著的環(huán)境效應，同時在非常短的時間內完成固化土強度的增長，這個特性對搶險、救災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，同樣能產(chǎn)生顯著的環(huán)境效應，但是發(fā)明人通過試驗發(fā)現(xiàn)生石灰固化土碳化后的強度提高非常有限，遠達不到水泥固化土的程度，不過生石灰的價格遠低于活性氧化鎂，其水化過程能快速降低土體的含水量，増大土體的短期滲透性，這對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，増大土體的短期滲透注的作用，為碳化反應創(chuàng)造條件，并共同通過碳化反應實現(xiàn)吸收ニ氧化碳的環(huán)境效應，而活性氧化鎂經(jīng)過水化作用和碳化作用對土體強度增長起主要作用。綜上所述，盡管活性氧化鎂和生石灰生產(chǎn)過程中同水泥一樣會排放大量的ニ氧化碳，但是在固化土碳化過程中會大量吸收ニ氧化碳，故從產(chǎn)品的生產(chǎn)、使用全過程來看，其ニ氧化碳排放量遠低于水泥。

發(fā)明內容
技術問題本發(fā)明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方法及其裝置，本發(fā)明能夠在達到與現(xiàn)有水泥固化土相近的固化強度和工程造價的情況下，降低相應土木工程中的能耗和ニ氧化碳排放，產(chǎn)生顯著的環(huán)境效應，同時在非常短的時間內完成固化土的強度增長，滿足搶險、救災等特殊工程中對工程時間的要求。技術方案
一種土壤的碳化固化方法，將需固化的土體與固化劑按照質量比為12 19 8^1的比例攪拌、混合均勻，然后向固化土中通入ニ氧化碳氣體，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。ー種用于實施上述土壤的碳化固化方法的裝置，包括ニ氧化碳發(fā)生器和外套管，在外套管的管壁上設有作為ニ氧化碳出口的通孔，在ニ氧化碳發(fā)生器上連接有ニ氧化碳導入管，且ニ氧化碳發(fā)生器上的ニ氧化碳出氣ロ與ニ氧化碳導入管的一端連接，ニ氧化碳導入管的另一端位于外套管內。ニ氧化碳導入管上套設有密封膜，所述密封膜覆蓋于外套管的頂部且向外套管的外部延伸。外套管與ニ氧化碳導入管之間設有氣體密封圈，且氣體密封圈位于外套管的頂部。在外套管的底部設有端蓋。與現(xiàn)有技術相比，在達到與常規(guī)水泥固化方法相近的處理效果和工程造價的情況下，本發(fā)明可大大降低處理工程的ニ氧化碳排放量和能耗，減少50% 70%的ニ氧化碳排放，20% 50%的能耗?，F(xiàn)有的水泥固化土需要28天或者更長的時間完成主要強度增長，然后才能投入使用，本發(fā)明只需要幾小時甚至幾十分鐘完成固化土的主要強度增長，可以滿足搶險、救災等特殊工程中對工程時間的要求。


圖I為三種固化土的強度與時間的變化關系圖。
圖2為碳化養(yǎng)護3小時 和常規(guī)養(yǎng)護28天的活性氧化鎂固化的X射線衍射分析結果圖。圖3為利用攪拌軸進行通氣碳化的攪拌樁施工示意圖。圖4為利用碳化裝置進行通氣碳化的攪拌樁施工示意圖。圖5為淺層整體碳化工程俯視圖。圖6為淺層整體碳化工程剖面圖。圖7為用于碳化攪拌樁施工的碳化裝置示意圖。圖8為用于淺層整體碳化工程施工的碳化裝置示意圖。其中有攪拌樁機I ;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 ;ニ氧化碳導入管6 ;ニ氧化碳發(fā)生器7 ;密封膜8 ;連接管9 ;端蓋10 ;氣體密封圈11 ;通孔12。
具體實施例方式將所需的固化土體與固化劑按照質量比為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ニ氧化碳氣體，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，由人エ、深層攪拌機械(如深層攪拌樁機)、淺層攪拌機械進行，固化土的碳化可以通過設置專門的碳化裝置通入ニ氧化碳氣體進行，或者通過攪拌機械在初步攪拌后，一邊攪拌一邊通入ニ氧化碳氣體。實施例I
本實施例中為室內試驗，主要分析碳化固化方法的可行性和不同碳化時間對碳化土強度的影響。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量之比)為10%。先將活性氧化鎂與土體按照設計配比混合、攪拌均勻，灌入直徑5公分、高度為10公分的標準模具，進行振搗、密實，約半小時左右后脫摸，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的ニ氧化碳氣體，進行碳化養(yǎng)護，養(yǎng)護時間分別為45分鐘、I. 5小吋、3小吋、6小時和12小吋。為了進行效果對比，同時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，相対濕度為98%的常規(guī)養(yǎng)護室養(yǎng)護至7天、28天。同一配比制作三個試樣，養(yǎng)護結束后立即進行無側限抗壓強度試驗，取其測試強度的平均值作為結果，結果見圖I。結果表明，普通硅酸鹽水泥固化土的7天強度為4600kPa，28天強度為6800kPa，非碳化的活性氧化鎂固化土的7天強度為470kPa，28天強度為1367kPa，可以看出常規(guī)養(yǎng)護的水泥或活性氧化鎂固化土從7天到28天還有很大的增長，且非碳化的活性氧化鎂固化土的7天和28天強度均遠低于普通硅酸鹽水泥固化土。但是，碳化養(yǎng)護的活性氧化鎂固化土在45分鐘后便具有4900kPa的強度，I. 5小時后為5500kPa，3小時候即達到最高強度約7300kPa，比普通硅酸鹽水泥固化土的28天的強度還高。還進行了摻量為10%的生石灰的試樣，用同樣的碳化養(yǎng)護方法碳化7天，其強度還只有500kPa，遠遠低于碳化的活性氧化鎂固化土。對碳化養(yǎng)護時間為3小時和常規(guī)養(yǎng)護28天的活性氧化鎂固化土進行了 X射線衍射分析，以分析其化學成分，結果見圖2，可以發(fā)現(xiàn)碳化養(yǎng)護時間為3小時的活性氧化鎂固化土試樣中生成了大量的三水碳酸鎂(MgC03*3H20)，而常規(guī)養(yǎng)護28天的活性氧化鎂試樣則為氫氧化鎂(Mg (OH) 2)。實施例2
本實施例中為碳化攪拌樁試驗，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量之比為10%。先用小型的攪拌樁機I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固化土 3，然后再利用攪拌樁機I邊攪拌邊通入ニ氧化碳氣體進行碳化，具體施工 過程見圖3，并介紹如下
(a)將攪拌樁I機布置在需固化的天然土體2上方，啟動攪拌樁機1，攪拌樁機I下沉，同時攪拌并噴活性氧化鎂漿液，直到攪拌葉片到達底面設計標高；
(b)攪拌樁機I提升，同時攪拌并噴活性氧化鎂漿液，直到攪拌葉片到達地表；
(c)在地表用清水清洗攪拌軸的漿液輸送管，將輸送管連接到ニ氧化碳氣罐出氣ロ，然后啟動攪拌樁機1，攪拌樁機I下沉，攪拌葉片攪拌土體，直到攪拌葉片到達底面設計標高；
(d)攪拌樁機提升，同時開啟ニ氧化碳氣罐閥門，邊攪拌邊噴射ニ氧化碳氣體，直到攪拌葉片到達地表，關閉ニ氧化碳罐閥門，完成碳化，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，過I個小時后開挖，發(fā)現(xiàn)樁身已經(jīng)非常堅硬，經(jīng)過測試樁身無側限抗壓強度為1300kPa。該強度低于實施例I中的結果，主要是因為只進行了一次攪拌碳化，碳化時間較短，但是該強度已經(jīng)能夠滿足工程要求。實施例3
本實施例為碳化攪拌樁試驗，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量之比為10%。先用小型的攪拌樁機I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，然后布設碳化裝置，通過碳化裝置進行碳化。碳化裝置包括ニ氧化碳發(fā)生器7和外套管5，在外套管5的管壁上設有作為ニ氧化碳出口的通孔12，在ニ氧化碳發(fā)生器7上連接有ニ氧化碳導入管6且ニ氧化碳發(fā)生器7上的ニ氧化碳出氣ロ與ニ氧化碳導入管6的一端連接，ニ氧化碳導入管6的另一端位于外套管5端部。在ニ氧化碳導入管6上套設有密封膜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與ニ氧化碳導入管6之間設有氣體密封圈11，且氣體密封圈11位于外套管5的頂部。外套管5的底部設有端蓋10。這樣保證ニ氧化碳先沿著導入管6進入到樁端，然后自下而上由外套管5的開ロ進入固化土，對固化土進行碳化。具體施工步驟見圖4，并介紹如下
(a)啟動攪拌樁機1，攪拌樁機I下沉，同時攪拌并噴活性氧化鎂漿液，直到攪拌葉片到達底面設計標聞;
(b)攪拌樁機I提升，同時攪拌并噴活性氧化鎂漿液，直到攪拌葉片到達地表；
(c)移去攪拌樁機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中插入ニ氧化碳導入管6。在樁頂處用氣體密封圈11將外套管5與ニ氧化碳導入管6之間密封，并在樁頂位置鋪設密封膜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公分左右進行密封、固定。將碳化導管的內管從密封膜的中間引出，并對引出ロ進行密封處理，然后通過連接管9將ニ氧化碳導入管6與ニ氧化碳發(fā)生器7連接，開啟ニ氧化碳發(fā)生器7閥門，進行碳化，5小時后關閉ニ氧化碳發(fā)生器7閥門，結束碳化，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，立即開挖，發(fā)現(xiàn)樁身已經(jīng)非常堅硬，經(jīng)過取樣測試，樁身無側限抗壓強度為4700kPa，高于實施例2中的強度，因為該方法可以根據(jù)需要控制碳化時間，效果較好。實施例4
本實施例中為淺層整體攪拌、碳化試驗，所需要加固的土為黏性土，含水量為25%，カロ固深度為I米，固化劑為活性氧化鎂，活性氧化鎂與濕土的質量之比為5%。先用淺層攪拌機械整體地將活性氧化鎂干粉與I米內的淺層土體混合、攪拌均勻。然后在場地每隔I米挖設平行的壕溝，壕溝寬10公分左右，深O. 5米，在每個壕溝內設置外套管5和ニ氧化碳導入管6，ニ氧化碳導入管6長度為外套管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與ニ氧化碳導入管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公分左右進行密封、固定。將所有ニ氧化碳導入管6通過連接管9與ニ氧化碳發(fā)生器7連接，打開ニ氧化碳發(fā)生器7，對固化土進行碳化，5小時后關閉ニ氧化碳罐閥門，完成碳化，具體的俯視圖和剖面圖見圖5、圖6。立即進行開挖，發(fā)現(xiàn)固化土層已經(jīng)比較堅硬，經(jīng)過取樣測試其無側限抗壓強度為510kPa，低于實施例1、2、3中的強度，因為該實施例主要目的是淺層整體固化，對強度要求較低，所以活性氧化鎂的摻量較小，同時該實施例使用的是高含水量的黏性土。但是對于整體固化來說該強度已經(jīng)能滿足一般工程需要。實施例5
一種土壤的碳化固化方法，將需固化的土體與固化劑按照質量比為12 19 8^1的比例攪拌、混合均勻，然后向固化土中通入ニ氧化碳氣體，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，在本實施例中，土體與活性氧化鎂質量比為可以為12 8,17 3 或 19 :1。實施例6
一種土壤的碳化固化方法，將需固化的土體與固化劑按照質量比為12 19 8^1的比例攪拌、混合均勻，然后向固化土中通入ニ氧化碳氣體，使固化土體碳化并形成碳酸化合物固化土，所述的固化劑包括生石灰，活性氧化鎂與生石灰的質量比為廣4 :4 1，在本實施例中，土體與固化劑質量比為可以為12 8,17 3或19 :1，活性氧化鎂與生石灰的質量比可以為 I :4、1:1 或 4 :1。實施例7
一種土壤的碳化固化方法，將需固化的土體與固化劑按照質量比為12 19 8^1的比例攪拌、混合均勻，然后向固化土中通入ニ氧化碳氣體，使固化土體碳化并形成碳酸化合物固化土，所述的固化劑包括生石灰，活性氧化鎂與生石灰的質量比為廣4 :4 1，甚至還可以含有熟石灰，在本實施例中，土體與固化劑質量比為可以為12 8,17 :3或19 :1，活性氧化鎂、生石灰和熟石灰的質量比可以為I :3 :1、1 2 :2或8 I :1。實施例8
ー種用于實施上述土壤的碳化固化方法的裝置，包括ニ氧化碳發(fā)生器7和外套管5，在外套管5的管壁上設有作為ニ氧化碳出口的通孔12，在ニ氧化碳發(fā)生器7上連接有ニ氧化碳導入管6且ニ氧化碳發(fā)生器7上的ニ氧化碳出氣ロ與ニ氧化碳導入管6的一端連接，ニ氧化碳導入管6的另一端位于外套管5內，在本實施例中，考慮到固化土的滲透系數(shù)較大，ニ氧化碳容易向固化土的上部流動，在ニ氧化碳導入管6上套設有密封膜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，以阻止ニ氧化碳從固化土的上部流出?？紤]到ニ氧化碳容易從外套管和ニ氧化碳導管之間流出，在外套管5與ニ氧化碳導入管6設 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程中堵塞，在外套管5的底部設有端蓋10。
權利要求
1.一種土壤的碳化固化方法，其特征在于，將需固化的土體與固化劑按照質量比為12 19 :8 I的比例攪拌、混合均勻，然后向固化土中通入ニ氧化碳氣體，使固化土體碳化并形成含有碳酸鎂的碳酸化合物固化土，所述的固化劑包括活性氧化鎂，ニ氧化碳氣體的通入采用碳化裝置通入或者通過攪拌機械在初步攪拌后，一邊攪拌ー邊通入ニ氧化碳氣體，所述碳化裝置包括ニ氧化碳發(fā)生器(7)和外套管(5)，在外套管(5)的管壁上設有作為ニ氧化碳出口的通孔(12)，在ニ氧化碳發(fā)生器(7)上連接有ニ氧化碳導入管(6)且ニ氧化碳發(fā)生器(7)上的ニ氧化碳出氣ロ與ニ氧化碳導入管(6)的一端連接，ニ氧化碳導入管(6)的另一端位于外套管(5)內。
2.根據(jù)權利要求I所述的土壤的碳化固化方法，其特征在于，所述的固化劑包括生石灰，活性氧化鎂與生石灰的質量比為I 4 :4 I。
全文摘要
一種土壤的碳化固化方法，將需固化的土體與固化劑按照質量比為12~198~1的比例攪拌、混合均勻，然后向固化土中通入二氧化碳氣體，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。一種用于實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入管的一端連接，二氧化碳導入管的另一端位于外套管內。二氧化碳導入管上套設有密封膜，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入管之間設有氣體密封圈，且氣體密封圈位于外套管的頂部。
文檔編號E02D3/12GK102650126SQ20121009704
公開日2012年8月29日 申請日期2010年12月24日 優(yōu)先權日2010年12月24日
發(fā)明者劉松玉, 易耀林, 阿爾比·阿勒-塔瓦, 馬丁·利什卡 申請人:東南大學