基于碳化作用的轻质CO2泡沫水泥基材料及其优化制备方法和应用

技术领域

本发明涉及一种基于碳化作用的轻质CO

背景技术

在加速推进城市化建设过程中，建筑行业发展迅速，不可避免的增加了 二氧化碳排放量，从而导致海平面上升，全球气候变暖等一系列问题。另一 方面，水泥生产中由于燃料燃烧以及熟料煅烧，会产生大量的二氧化碳气体， 据中国水泥协会信息研究中心统计：每煅烧一吨左右的生灰石会产生0.9～1.2 吨的二氧化碳，水泥生产周期中的二氧化碳排量约占总排量的25％，我国去年 的水泥生产总量超23亿吨。因此21世纪，各国开始关注二氧化碳的减排、封 存、耗散技术。但现有的二氧化碳养护成本较高且现场实施难度较大。如何 高效合理的利用碳化反应实现2060碳中和目标是当今岩土工程的一大重要问 题。

发明内容

针对现有技术的上述问题，本发明基于水泥浆的碳化作用原理，结合已 有的泡沫水泥浆制备技术，提出一种基于碳化作用的轻质CO

同时，本发明提供一种基于碳化作用的轻质CO

同时，本发明提供一种基于碳化作用的轻质CO

本发明采用如下技术方案：

一种基于碳化作用的轻质CO

产生二氧化碳水基泡沫的水泵的速度为70r/s。

一种基于碳化作用的轻质CO

步骤S1：对现有的轻质泥浆所用发泡剂与稳泡剂种类进行调研，挑选出 常用的发泡剂与稳泡剂各n

步骤S2：利用二氧化碳水基泡沫发泡机对S1中发泡剂与稳泡剂进行预实 验，根据水基泡沫稳定时间与发泡高度挑选n

步骤S3：制备浆液，将二氧化碳水基泡沫与一定初始水灰比、泡浆比的 泥浆混合，制成二氧化碳泡沫轻质泥浆；

步骤S4：基于S2中的n

选择浆液的7天抗压强度、密度、结石率、稳泡时间四个性能进行极差 分析；

设A，B，…表示不同的因素，r为各因素水平数，A

式中，K

式中，R

综合考虑浆液的7天抗压强度、密度、结石率、稳泡时间四个性能的极 差结果，优选出最佳发泡剂种类与浓度、稳泡剂种类与浓度；

步骤S5：基于S4中的最佳发泡剂种类与浓度、稳泡剂种类与浓度，设计 不同的初始水灰比、泡浆比制备浆液，对制得的浆液开展浆液性能试验，根 据浆液性能要求完成初始水灰比与泡浆比参数优化；

步骤S6：对S5中得到的浆液开展不同加气量试验，对制得的浆液开展浆 液性能试验，根据浆液性能要求完成加气量的优化。

进一步地，CO

CO

Ca(OH)

3CaO 2SiO

2CaO SiO

进一步地，考虑到二氧化碳水基泡沫脆弱易碎，步骤S3中的二氧化碳水 基泡沫与泥浆混合采用手动搅拌的方式。

进一步地，考虑到控制加气量参数的成本问题，步骤S6中的加气量参数 利用水泵速度代替。

进一步地，所述二氧化碳水基泡沫发泡机包括二氧化碳气瓶、一级减压 阀、二级减压阀、存气管、存液管、发泡管、发泡液、出泡管、控制器；二 氧化碳气瓶设置有一级减压阀，一级减压阀通过存气管连接二级减压阀，二 级减压阀连接发泡管一端，发泡管另一端连接存液管，存液管内存储有发泡 液，发泡管底端伸出有出泡管；具体发泡过程如下：预先调制好发泡液，打 开水泵，发泡液自存液管进入发泡管中，打开二氧化碳气瓶开关，调整连接 二氧化碳气瓶的一级减压阀，使得输出气压不超过0.5MPa，调节发泡机中的 二级减压阀精确控制发泡气压，注意控制发泡气压不超过0.02MPa，二氧化碳 通过存气管流入发泡管中与发泡液混合，关闭水泵，点击发泡按钮，控制器 做出响应，发泡液自发泡管经节流器流入吹泡口，制得二氧化碳泡沫经与出 泡管相连的出泡口流出。

进一步地，考虑到二氧化碳易形成碳酸具有腐蚀性，为了提高试验稳定 性，二氧化碳水基泡沫发泡机内部所有管道及器件进行耐腐处理。

进一步地，所述步骤S2中，按照实验配比预制相同体积的发泡液，进行 充分发泡，纪录预混液完全发泡后的二氧化碳水基泡沫体积为该类型发泡液 的发泡体积；泡沫体积与预混液体积之比定义为发泡倍数，用Au表示，Au 越大，该种类发泡液发泡能力越强；当泡沫体积耗散至为原体积的一半时， 所用时间即为发泡剂的半衰期，用Tu表示，Tu越大，表示水基泡沫越稳定， 反之，泡沫稳定性能愈差。

进一步地，所述步骤S5中，初始水灰比与泡浆比参数优化过程采用全面 实验，常规泥浆初始水灰比参数范围为[w

进一步地，通过相同泡浆比下的不同水灰比对水泥浆强度以及密度的影 响综合分析，可以得到一个水灰比的“均好值”，即在该水灰比下，水泥浆的密 度相对较低，且强度也相对较高；其方法是令密度以及强度的最大值和最小 值降低百分比分别为0％和100％，根据降低百分比绘制两条折线，其交点对 应的水灰比即为初始水灰比的均好值。

进一步地，所述步骤S6中加气量优化过程采用对比实验，常规轻质泥浆 加气量参数范围为[w

本发明结合碳化技术以及轻质水泥浆技术，与现有材料相比，具有如下 改进及优点：

其一：本发明通过二氧化碳气体代替传统空气发泡，制得二氧化碳水基 泡沫并以一定的初始水灰比与泡浆比参数与泥浆混合制得二氧化碳轻质泡沫 泥浆，具备轻质泥浆的低比重、低耗材特性。

其二：本发明与传统轻质泥浆相比，通过二氧化碳气泡加速泥浆的碳化 作用，弥补了轻质泥浆强度低的缺点。

其三：本发明制备步骤S2中的发泡机，考虑到碳酸的腐蚀性，装置内部 所有管道及器件均进行耐腐处理。用二氧化碳气瓶代替传统的空压器，一方 面提供发泡所需气压，另一方面，带入水基泡沫制备试验中所需CO

其四：二氧化碳水基泡沫密度与加气量以及水泵速度有关，加气量越大， 单位体积泡沫中的二氧化碳气体越多，泡沫直径越大，水泵速度越大，单位 时间内发泡剂中的含水量越多，泡沫直径越小。本发明制备步骤S2中的发泡 机，通过调节水泵速度代替加气量参数来控制泡沫密度，与加气量相比，水 泵速度参数更易控制，效果也更加明显。

其五：本发明，制备步骤S1中的预实验，基于泡沫稳定性及发泡倍数参 数，对常用的发泡剂与稳泡剂分别进行了有效的筛选，减小后期发泡剂、稳 泡剂优选试验组数。

其六：本发明通过正交实验与极差分析完成发泡剂、稳泡剂的优选，较 全面试验具有更少的试验组数，通过泥浆不同性能极差大小排列影响程度， 试验结果科学准确，优选过程高效。

其七：本发明制得的二氧化碳轻质泡沫泥浆性能参数范围如下：泡沫泥 浆比重低于1.68g/cm

其八：本发明制得的二氧化碳泡沫泥浆具有较高的实际应用潜能，可应 用于墙面涂料、盾构同步注浆、路基填料、淤泥固化、土壤改良等等，不发 明获得的二氧化碳泡沫泥浆不限于上述应用，在本发明相关领域涉及二氧化 碳轻质泡沫泥浆的应用均属于本发明的应用范围。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步解释:

图1是本发明的制备流程框图。

图2是二氧化碳水基泡沫发泡机原理图。

图3是具体实施例中泡沫水泥浆制备过程中的水灰比优化图。

图4是具体实施例中泡沫水泥浆制备过程中的泡浆比优化图。

图5是具体实施例中结石体七天强度和密度随水泵速度的变化示意图。

具体实施方式

下面对本发明进行详细说明，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、 完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全 部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造 性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

本发明一种基于碳化作用的轻质CO

步骤S1：对现有的轻质泥浆所用发泡剂与稳泡剂种类进行调研，挑选出 较常用的发泡剂与稳泡剂各6种。

步骤S2：利用图2的二氧化碳水基泡沫发泡机对S1中发泡剂与稳泡剂进 行预实验，根据水基泡沫稳定时间与发泡高度挑选3种发泡剂、3种稳泡剂， 制成二氧化碳水基泡沫。如图2所示，二氧化碳水基泡沫发泡机包括二氧化 碳气瓶1、一级减压阀2、二级减压阀9、存气管3、存液管5、发泡管6、发 泡液7、出泡管8、控制器4；二氧化碳气瓶1设置有一级减压阀2，一级减 压阀2通过存气管3连接二级减压阀9，二级减压阀9连接发泡管6一端，发 泡管6另一端连接存液管5，存液管5内存储有发泡液7，发泡管6底端伸出 有出泡管8；具体发泡过程如下：预先调制好发泡液7，打开水泵，发泡液7 自存液管5进入发泡管6中，打开二氧化碳气瓶1开关，调整连接二氧化碳 气瓶1的一级减压阀2，使得输出气压不超过0.5MPa，调节发泡机中的二级 减压阀9精确控制发泡气压，注意控制发泡气压不超过0.02MPa，二氧化碳通 过存气管3流入发泡管6中与发泡液7混合，关闭水泵，点击发泡按钮，控 制器4做出响应，发泡液7自发泡管6经节流器流入吹泡口，制得二氧化碳 泡沫经与出泡管8相连的出泡口流出

步骤S3：实验室制备浆液，将二氧化碳水基泡沫与一定初始水灰比 (1:2.4)、泡浆比(5:1)的泥浆混合，制成二氧化碳泡沫轻质泥浆。

步骤S4：基于S2中3种发泡剂、3种稳泡剂设计正交试验，对制得的浆 液开展浆液性能试验(浆液的比重、流动度、稠度、泌水率、结石体的体积 收缩率、结石体密度、7天及28天单轴抗压强度)。

选择浆液的7天抗压强度、密度、结石率、稳泡时间四个性能进行极差 分析，原因如下：①、二氧化碳泡沫水泥浆的比重与结石体的密度近似呈正 相关，即浆液比重越大，结石体密度也越大。考虑到结石体密度在浆液性能 中更为重要，选择以结石体密度作为极差分析指标；②、相同龄期下，抗压 强度要高于抗折强度且近似呈正相关，即抗折强度越大，对应组别的抗压强 度也越高。结合工程应用，选择抗压强度作为极差分析的指标；③、随着养 护龄期的增长，结石体强度变高。因此，相比3天的强度，选择7天强度作 为极差分析的指标。④、稳泡时间是衡量水基泡沫性能的指标，直接影响了 碳化反应的作用时间，因此也将其作为极差分析的指标。

设A，B，…表示不同的因素，r为各因素水平数，A

式中，K

式中，R

极差结果表明：综合考虑水基泡沫稳泡性能以及泡沫水泥浆的密度、结 石率以及强度等性能，选择茶皂素作为发泡剂，浓度为4g/L，选择十二烷基 苯磺酸钠作为稳泡剂，浓度为5g/L。

步骤S5：选择发泡液配比为：茶皂素作为发泡剂，浓度4g/L，十二烷基 苯磺酸钠作为稳泡剂，浓度5g/L，设计不同的初始水灰比(1:2.2、1:2.4、1:2.6、 1:2.8)、泡浆比(3:1、5:1、7:1)的全面试验，对制得的浆液开展浆液性能试 验(浆液的比重、流动度、稠度、泌水率、结石体的体积收缩率、结石体密 度、7天及28天单轴抗压强度)。根据浆液性能要求完成初始水灰比与泡浆 比参数优化。通过相同泡浆比(泡浆比)下的不同水灰比(泡浆比)对水泥 浆强度以及密度的影响综合分析，如表1所示，可以得到一个水灰比(泡浆 比)的“均好值”，即在该水灰比(泡浆比)下，水泥浆的密度相对较低，且强 度也相对较高。工程性能优异，成本也能得到控制。其方法是令密度以及强 度的最大值和最小值降低百分比分别为0％和100％，根据降低百分比绘制两 条折线，其交点对应的水灰比(泡浆比)即为初始水灰比(泡浆比)的均好 值。

表1不同水灰比/泡浆比对水泥浆密度以及强度的影响

两条折线交点对应的泡浆比大约为4.5:1，水灰比为1:2.4，此时二氧化碳 泡沫水泥浆结石体的强度不低且结石体密度也能得到控制。当泡浆比高于 4.5:1。水灰比高于1:2.4时，结石体强度较低；当泡浆比低于4.5:1，水灰比低 于1:2.4时，结石体密度较高。因此选用4.5:1的泡浆比，1:2.4的水灰比，其 密度与强度性能均较好。如图3和图4所示。

步骤S6：对S5中得到的浆液开展不同水泵速度对比试验，对制得的浆液 开展浆液性能试验(浆液的比重、流动度、稠度、泌水率、结石体的体积收 缩率、结石体密度、7天及28天单轴抗压强度)，根据浆液性能要求完成的 优化。发泡机水泵速度参数可调范围为[50～95]，平均划分10个参数点50， 55，60，65，70，75，80，85，90，95(r/s)开展对比试验，用制得的水基 泡沫在4.5:1的泡浆比以及1:2.4的水灰比下制成泡沫水泥浆。比较不同水泵 速度下的轻质泥浆的比重与抗压强度性能见图5，选择最佳的水泵速度参数为 70r/s。在此速度下，泥浆强度性能优异，密度也相对较低。

结果表明二氧化碳泥浆性能最优下的制备参数为：

将相同水灰比的非加气水泥浆与二氧化碳泥浆进行对比，结果见下表：

二氧化碳泡沫泥浆具有更好的强度以及更低的密度以及浆液比重。

实施例2

本实施例与实施例1的区别仅在于：将实施例1中的步骤S3：实验室制备 浆液替换为施工现场制备浆液。

施工现场制备浆液的步骤如下：

水泥浆调配好后在搅拌桶内持续搅拌。发泡装置吸取适当浓度的发泡液 于发泡桶中充分发泡，其中搅拌桶与发泡桶经阀门与长输送管道相连，打开 阀门使得水基泡沫与泥浆在输送管道内混合，并泵送至指定位置。

本发明在此提供一种基于碳化作用的轻质CO