一种利用碳化调节稠度的固废基泡沫轻质土生产装置及方法

1.本发明涉及一种利用碳化调节稠度的固废基泡沫轻质土生产装置及方法，属于泡沫轻质土制备技术领域。


背景技术：

2.泡沫轻质土是一种含有大量封闭气孔的新型水泥基材料，具有质轻、整体性好、施工速度快等优良性能。为了降低泡沫轻质土的使用成本和生产能耗，通常应用粉煤灰和电石渣等工业固体废弃物替代部分或全部的水泥来制备固废基轻质土。
3.在水介质中，固废料所含有的活性氧化硅、氧化铝类物质可与氢氧化钙发生火山灰反应，生成具有胶凝性的硅酸钙、铝酸钙和硅铝酸钙物质，从而使反应体系转化成具有一定强度的凝胶块。
4.轻质土的整体强度主要受基体强度和气孔结构两个方面的影响。由于固废料的活性远低于水泥，故将水泥替换后，轻质土基体的强度会相应的下降。为了弥补这一缺点，可以考虑通过改善固废浆体的流变特性来优化固废基轻质土的孔结构。通常认为：在基体强度和孔隙率一定的前提下，孔越小越均匀则制得的轻质土强度越高。
5.实践表明，往固废浆体中通入二氧化碳的方式可以改变其流变特性，使浆体变稠，合适的稠度可以优化所制轻质土的孔结构，增补其因基体强度下降而导致的强度损失。
6.目前亟需一种利用碳化调节稠度的固废基泡沫轻质土生产装置及方法，以满足需求。


技术实现要素：

7.针对现有技术的不足，本发明提供一种利用碳化调节稠度的固废基泡沫轻质土生产装置及方法。
8.本发明采用以下技术方案：
9.一种利用碳化调节稠度的固废基泡沫轻质土生产装置，包括配合比参数系统和拌和系统；
10.所述配合比参数系统的主要作用是得出用于碳化的二氧化碳最适量，并将碳化浆体调整到适宜的稠度，包括基准浆液瓶、基准碳化浆液瓶、基准co2气瓶和控制器，所述基准浆液瓶和基准碳化浆液瓶分别用于盛放参比水泥净浆和碳化浆液，基准浆液瓶和基准碳化浆液瓶的底部均设置有质量传感器，顶部均设置有瓶盖，瓶盖上设置有注浆口和搅拌叶片旋杆接口，基准浆液瓶和基准碳化浆液瓶内均通过搅拌叶片旋杆接口接入搅拌叶片，搅拌叶片上装有阻力传感器；
11.基准co2气瓶与基准碳化浆液瓶连接，用于向基准碳化浆液瓶中通入co2，基准co2气瓶的出口处设置有co2余量检测表，能够实时反映气瓶内的剩余量，剩余气量信息可呈递至系统控制器，从而推算出将固废浆体矿化到某种程度后所消耗的二氧化碳量；所述质量传感器、搅拌叶片旋杆、阻力传感器和co2余量检测表均与控制器连接；
12.所述拌和系统包括碳化室、co2气罐和起泡室，用于完成拌和、碳化、起泡和泵出过程。
13.本发明的生产装置可以实现：在含钙(或镁)工业固废浆体中通入合适量的二氧化碳使浆体性质改变，再将泡沫与之混合，制备性能良好的固废基泡沫轻质土。
14.搅拌叶片上的阻力传感器，其功能是搅拌浆体，并能向控制器呈递搅拌过程中叶片所受的阻力信息。阻力传感器的传感原理如下：搅拌叶片搅拌过程中，不同稠度的浆体对叶片的反力不同，浆体的稠度越大，叶片受到的反力也越大。反力作用在阻力传感器上时会改变传感器中力敏电阻器的阻值，电阻值的变化量可以反映浆体反力的大小，从而间接表示了浆体的碳化程度。
15.阻力传感器和搅拌叶片采用一体化设计，即搅拌叶片内预设了阻力传感器及其线路，接线端随搅拌叶片的旋杆由瓶盖处的搅拌叶片旋杆接口伸出瓶外。
16.需要说明的是，本发明所使用的阻力传感器可采用flexiforce力敏传感器a201，质量传感器型号可以为中诺传力znlbm
‑ⅹ
、承映器昂hzc-h1等，其他元器件可选择现有常规型号即可。
17.优选的，所述碳化室设置有碳化室进料口、碳化室注水口、ph计和水量计，其内装有搅拌机，浆体在该室内完成拌和、碳化，所述co2气罐用于提供浆体碳化所需的碳源，co2气罐通过管路连接碳化室，该管路上依次设置有阀门和泵；
18.ph计用来显示拌和浆体的ph值以监测浆体的碳化程度；水量计可以反映拌和室内的水量，方便控制水灰比。
19.部件连接过程为：
20.首先安置好碳化室，碳化室上有多个接口，这些接口用于与设备的其他部件相连；接着将ph计和水量计安装在拌和室的相应接口处，注意调整好拌和室注水口、进料口、出料口的相对方位，保证进、出料方便。进一步的，串联co2气罐、阀门、泵，并将终端接口与碳化室的相应接口连接。进一步的，将起泡室出泡口与碳化室出浆料口并联，并联完成后串联泵机。
21.优选的，所述起泡室内装有发泡机，可通过机械的方法将发泡剂的水溶液打发出泡，碳化室的出口经阀门与起泡室的气泡混合泵出至出料口。
22.优选的，所述瓶盖为可拆卸式连接以方便放料、清洗等；
23.优选的，所述质量传感器精度在0.1g以上，用来测量基准浆液瓶和基准碳化浆液瓶中内容物的质量变化；
24.优选的，所述基准co2气瓶与基准碳化浆液瓶连接的管路上设置有通气阀，通气阀与控制器连接。
25.优选的，所述控制器为具有数据处理功能的计算机，可以控制整个配合比参数系统的开关并能收集阻力传感器、co2余量检测表等的数据，同时具备对数据进行简单运算和处理的功能。
26.一种利用碳化调节稠度的固废基泡沫轻质土生产方法，包括如下步骤：
27.(1)预先通过配合比参数系统得到一定量的含钙(或镁)固废料碳化到合适程度所需要的二氧化碳量；
28.(2)打开碳化室注水口和碳化室进料口，分别注入水和含钙(或镁)固废料并搅拌，
配置含钙(或镁)固废浆体，注水时注意观察水量计，控制箱室内的水量，含钙(或镁)固废料与步骤(1)中的成分相同，控制水灰比与步骤(1)也相同；
29.(3)co2气罐向碳化室通入co2并搅拌，通入的co2量按照步骤(1)得到的含钙(或镁)固废料与所需要的二氧化碳量的比例确定，所需co2量通完后，先停止通气，保持搅拌，待ph计示数稳定后观察是否达到7，若达到，则碳化过程结束；若未达到，则继续通气直至ph计示数达到7，停止搅拌和通气，碳化过程结束；
30.(4)将发泡溶液注入起泡室，开启起泡机，将溶液打发出泡，接着将气泡和碳化固废浆液泵出混匀，泵出使用。
31.优选的，步骤(1)中，包括初定co2用量过程和精调co2用量过程；
32.初定co2用量过程为：
33.碳化反应的实质是水介质中co2和ca(oh)2(或mg(oh)2)之间的酸碱中和反应：固废粉末中含有的钙(或镁)质在水中反应、溶解生成ca(oh)2(或mg(oh)2)，接着与co2发生反应，反应式表示如下：
34.cao+h2o
→
ca(oh)235.ca(oh)2+co2→
caco3+h2o
36.开启控制器，向基准碳化浆液瓶中放入100g的含钙(或镁)固废料粉末，含钙(或镁)固废料粉末可以为多组材料复配，其含钙(或镁)量在5％～10％之间，根据所需水灰比往基准碳化浆液瓶中注水，接着由控制器控制打开基准碳化浆液的搅拌叶片开始搅拌，搅拌均匀后，控制器收集到此时的基准碳化浆液瓶底部的质量传感器信息m1；
37.打开基准co2气瓶向基准碳化浆液瓶中通气，控制器实时收集基准碳化浆液瓶底部的质量传感器信息m2并实时计算基准碳化率，基准碳化率通过公式(1)确定：
38.(m
2-m1)/m1×
100％＝基准碳化率 (1)
39.式中：
40.m1为基准碳化浆液瓶通co2之前的内容物质量，由基准碳化浆液瓶底的质量传感器测得，g；
41.m2为基准碳化浆液瓶通co2之后的内容物质量，由基准碳化浆液瓶底的质量传感器实时测得，g；
42.当基准碳化率达到20％～30％时，控制器自动控制关闭基准co2气瓶的通气阀停止通气，并记录下此时的co2消耗量q1；暂停搅拌，读取此时基准碳化浆液瓶内容物的质量m3，准备进入精调co2用量过程；
43.精调co2用量过程为：
44.在基准浆液瓶中事先配好与期望稠度相同的水泥净浆作为参比，其质量与基准碳化浆液瓶内容物的质量相同，均为m3，控制器控制打开基准浆液瓶和基准碳化浆液瓶的搅拌叶片并将转速调整为一致，控制器控制开启基准co2气瓶的通气阀，以350-600ml/min的速度通气，搅拌叶片上的阻力传感器实时收集阻力变化数据并传输至控制器，控制器实时计算基准稠度增率：
45.(f
2-f1)/f1×
100％＝基准稠度增率 (2)
46.式中：
47.f1为精调co2用量过程中不断通入co2后实时测量的基准碳化浆液瓶的搅拌叶片阻
力，n；
48.f2为基准浆液瓶的搅拌叶片阻力，n，为定值；
49.当基准稠度增率达到稠度增率基准值的5％左右时，即基准稠度增率达到15％～25％时，将co2通气速率减缓为此前的1/3～1/2，继续通气，直至稠度增率达到稠度增率基准值，稠度增率基准值为20％～30％；判定是否达基准值时，应先暂停通气，待稠度增率稳定后再做出判断；
50.控制器控制自动断开通气，并记录该阶段所使用的co2用量q2；
51.得到将100g的含钙(或镁)固废料粉末碳化到合适程度所需要的二氧化碳量为q1+q2，即得到同一组分的含钙(或镁)固废料与所需二氧化碳量的质量比，这一关系将为拌和系统提供量的依据。拌和参数化系统使用完毕后应当立即将基准瓶、搅拌叶片清洗干净，防止浆液凝固、附着影响下次使用。
52.优选的，步骤(2)中，拌和室的搅拌机以550-1100r
·
min-1
的速度搅拌5min至ph稳定，水灰比为0.35-0.55。
53.优选的，步骤(3)中以1.2-1.5l
·
min-1
的流速向浆体中通入co2，通气过程中保持搅拌机以450-1050r/min的转速搅拌，确保碳化反应充分进行。
54.本发明未详尽之处，均可采用现有技术。
55.本发明的有益效果为：
56.1、本发明将含钙、镁固废料进行充分利用，有效解决了固体废弃物的处理问题；
57.2、本发明的碳化固废基泡沫轻质土的生产过程中会消耗大量二氧化碳，并将其转化为泡沫轻质土的强度，从而减少了co2的排放量，助力我国“碳达峰”和“碳中和”进程。
58.3、本发明通过co2处理固废浆液，通入二氧化碳后，含钙(或镁)固废料浆体中一部分游离氧化钙和氧化镁可与二氧化碳反应生成纳米碳酸钙和碳酸镁并附着在固废颗粒的表面，这些纳米材料的生成一方面增加了水化产物附着和增长的位点，另一方面使浆体中固体颗粒的比表面积增大，从而改变固废浆体的屈服应力、塑形粘度等流变特性(宏观表现为浆体变稠)。本发明通过控制合适的碳化率和稠度，所制备出的轻质土气泡尺寸将会更均匀，更细密，整体强度更高，实现了固废基泡沫轻质土的强度增补。
59.4、相比一般的轻质土，本发明生产的固废基碳化轻质土在保有质轻、施工性能良好等特性的基础上，有效降低了生产能耗，从而使轻质土的应用范围更加广泛。
附图说明
60.图1为本发明的配合比参数系统结构示意图；
61.图2为本发明的拌和系统结构示意图；
62.其中，1-控制器，2-注浆口，3-基准浆液瓶，4-瓶盖，5-质量传感器，6-基准碳化浆液瓶，7-基准co2气瓶，8-搅拌叶片，9-阻力传感器，10-co2气罐，11-阀门，12-泵，13-注水口，14-ph计，15-进料口，16-水量计，17-碳化室，18-起泡室，19-出料口。
具体实施方式
63.为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述，但不仅限于此，本发明未详尽说明的，均按本领域常规技术。
64.实施例1：
65.一种利用碳化调节稠度的固废基泡沫轻质土生产装置，如图1-2所示，包括配合比参数系统和拌和系统；
66.配合比参数系统的主要作用是得出用于碳化的二氧化碳最适量，并将碳化浆体调整到适宜的稠度，包括基准浆液瓶3、基准碳化浆液瓶6、基准co2气瓶7和控制器1，基准浆液瓶3和基准碳化浆液瓶6分别用于盛放参比水泥净浆和碳化浆液，基准浆液瓶3和基准碳化浆液瓶6的底部均设置有质量传感器5，顶部均设置有瓶盖4，瓶盖4上设置有注浆口2和搅拌叶片旋杆接口，基准浆液瓶3和基准碳化浆液瓶6内均通过搅拌叶片旋杆接口接入搅拌叶片8，搅拌叶片8上装有阻力传感器9；
67.基准co2气瓶7与基准碳化浆液瓶6连接，用于向基准碳化浆液瓶中通入co2，基准co2气瓶的出口处设置有co2余量检测表，能够实时反映气瓶内的剩余量，剩余气量信息可呈递至系统控制器，从而推算出将固废浆体矿化到某种程度后所消耗的二氧化碳量；质量传感器5、搅拌叶片旋杆、阻力传感器9和co2余量检测表均与控制器1连接；
68.拌和系统包括碳化室17、co2气罐10和起泡室18，用于完成拌和、碳化、起泡和泵出过程。
69.本发明的生产装置可以实现：在含钙(或镁)工业固废浆体中通入合适量的二氧化碳使浆体性质改变，再将泡沫与之混合，制备性能良好的固废基泡沫轻质土。
70.搅拌叶片上的阻力传感器9，其功能是搅拌浆体，并能向控制器1呈递搅拌过程中叶片所受的阻力信息。阻力传感器9的传感原理如下：搅拌叶片搅拌过程中，不同稠度的浆体对叶片的反力不同，浆体的稠度越大，叶片受到的反力也越大。反力作用在阻力传感器上时会改变传感器中力敏电阻器的阻值，电阻值的变化量可以反映浆体反力的大小，从而间接表示了浆体的碳化程度。
71.阻力传感器和搅拌叶片采用一体化设计，即搅拌叶片内预设了阻力传感器及其线路，接线端随搅拌叶片的旋杆由瓶盖处的搅拌叶片旋杆接口伸出瓶外。
72.本实施例中，阻力传感器采用flexiforce力敏传感器a201，质量传感器型号为承映器昂hzc-h1。
73.实施例2：
74.一种利用碳化调节稠度的固废基泡沫轻质土生产装置，如实施例1所述，所不同的是，碳化室17设置有碳化室进料口15、碳化室注水口13、ph计14和水量计16，其内装有搅拌机，浆体在该室内完成拌和、碳化，co2气罐10用于提供浆体碳化所需的碳源，co2气罐10通过管路连接碳化室，该管路上依次设置有阀门11和泵12；
75.ph计14用来显示拌和浆体的ph值以监测浆体的碳化程度；水量计16可以反映拌和室内的水量，方便控制水灰比。
76.部件连接过程为：
77.首先安置好碳化室17，碳化室上有多个接口，这些接口用于与设备的其他部件相连；接着将ph计14和水量计16安装在拌和室的相应接口处，注意调整好注水口13、进料口15、出料口19的相对方位，保证进、出料方便。进一步的，串联co2气罐10、阀门、泵，并将终端接口与碳化室的相应接口连接。进一步的，将起泡室出泡口与碳化室出浆料口并联，并联完成后串联泵机。
78.实施例3：
79.一种利用碳化调节稠度的固废基泡沫轻质土生产装置，如实施例2所述，所不同的是，起泡室18内装有发泡机，可通过机械的方法将发泡剂的水溶液打发出泡，碳化室的出口经另一阀门与起泡室的气泡混合泵出至出料口19。
80.实施例4：
81.一种利用碳化调节稠度的固废基泡沫轻质土生产装置，如实施例3所述，所不同的是，瓶盖为可拆卸式连接以方便放料、清洗等；
82.质量传感器5精度在0.1g以上，用来测量基准浆液瓶和基准碳化浆液瓶中内容物的质量变化；
83.基准co2气瓶7与基准碳化浆液瓶连接的管路上设置有通气阀，通气阀与控制器1连接。
84.控制器1为具有数据处理功能的计算机，可以控制整个配合比参数系统的开关并能收集阻力传感器、co2余量检测表等的数据，同时具备对数据进行简单运算和处理的功能。
85.实施例5：
86.一种利用碳化调节稠度的固废基泡沫轻质土生产方法，包括如下步骤：
87.(1)预先通过配合比参数系统得到一定量的含钙(或镁)固废料碳化到合适程度所需要的二氧化碳量；
88.(2)打开碳化室注水口13和碳化室进料口15，分别注入水和含钙(或镁)固废料并搅拌，配置含钙(或镁)固废浆体，注水时注意观察水量计16，控制箱室内的水量，含钙(或镁)固废料与步骤(1)中的成分相同，控制水灰比与步骤(1)也相同；
89.(3)co2气罐10向碳化室17通入co2并搅拌，通入的co2量按照步骤(1)得到的含钙(或镁)固废料与所需要的二氧化碳量的比例确定，所需co2量通完后，先停止通气，保持搅拌，待ph计14示数稳定后观察是否达到7，若达到，则碳化过程结束；若未达到，则继续通气直至ph计14示数达到7，停止搅拌和通气，碳化过程结束；
90.(4)将发泡溶液注入起泡室18，开启起泡机，将溶液打发出泡，接着将气泡和碳化固废浆液泵出混匀，泵出使用。
91.实施例6：
92.一种利用碳化调节稠度的固废基泡沫轻质土生产方法，如实施例5所述，所不同的是，步骤(1)中，包括初定co2用量过程和精调co2用量过程；
93.初定co2用量过程为：
94.碳化反应的实质是水介质中co2和ca(oh)2(或mg(oh)2)之间的酸碱中和反应：固废粉末中含有的钙(或镁)质在水中反应、溶解生成ca(oh)2(或mg(oh)2)，接着与co2发生反应，反应式表示如下：
95.cao+h2o
→
ca(oh)296.ca(oh)2+co2→
caco3+h2o
97.开启控制器1，向基准碳化浆液瓶6中放入100g的含钙(或镁)固废料粉末，含钙(或镁)固废料粉末可以为多组材料复配，其含钙(或镁)量在5％～10％之间，根据所需水灰比往基准碳化浆液瓶6中注水，接着由控制器1控制打开基准碳化浆液的搅拌叶片8开始搅拌，
搅拌均匀后，控制器1收集到此时的基准碳化浆液瓶底部的质量传感器5信息m1；
98.打开基准co2气瓶7向基准碳化浆液瓶6中通气，控制器1实时收集基准碳化浆液瓶底部的质量传感器信息m2并实时计算基准碳化率，基准碳化率通过公式(1)确定：
99.(m
2-m1)/m1×
100％＝基准碳化率 (1)
100.式中：
101.m1为基准碳化浆液瓶6通co2之前的内容物质量，由基准碳化浆液瓶底的质量传感器测得，g；
102.m2为基准碳化浆液瓶6通co2之后的内容物质量，由基准碳化浆液瓶底的质量传感器实时测得，g；
103.当基准碳化率达到20％～30％时，控制器1自动控制关闭基准co2气瓶的通气阀停止通气，并记录下此时的co2消耗量q1；暂停搅拌，读取此时基准碳化浆液瓶内容物的质量m3，准备进入精调co2用量过程；
104.精调co2用量过程为：
105.在基准浆液瓶3中事先配好与期望稠度相同的水泥净浆作为参比，其质量与基准碳化浆液瓶内容物的质量相同，均为m3，控制器1控制打开基准浆液瓶3和基准碳化浆液瓶6的搅拌叶片并将转速调整为一致，控制器1控制开启基准co2气瓶的通气阀，以350-600ml/min的速度通气，搅拌叶片上的阻力传感器9实时收集阻力变化数据并传输至控制器1，控制器1实时计算基准稠度增率：
106.(f
2-f1)/f1×
100％＝基准稠度增率 (2)
107.式中：
108.f1为精调co2用量过程中不断通入co2后实时测量的基准碳化浆液瓶的搅拌叶片阻力，n；
109.f2为基准浆液瓶的搅拌叶片阻力，n，为定值；
110.当基准稠度增率达到稠度增率基准值的5％左右时，即基准稠度增率达到15％～25％时，将co2通气速率减缓为此前的1/3～1/2，继续通气，直至稠度增率达到稠度增率基准值，稠度增率基准值为20％～30％；判定是否达基准值时，应先暂停通气，待稠度增率稳定后再做出判断；
111.控制器1控制自动断开通气，并记录该阶段所使用的co2用量q2；
112.得到将100g的含钙(或镁)固废料粉末碳化到合适程度所需要的二氧化碳量为q1+q2，即得到同一组分的含钙(或镁)固废料与所需二氧化碳量的质量比，这一关系将为拌和系统提供量的依据。拌和参数化系统使用完毕后应当立即将基准瓶、搅拌叶片清洗干净，防止浆液凝固、附着影响下次使用。
113.实施例7：
114.一种利用碳化调节稠度的固废基泡沫轻质土生产方法，如实施例6所述，所不同的是，步骤(2)中，拌和室的搅拌机以550-1100r
·
min-1
的速度搅拌5min至ph稳定，水灰比为0.35-0.55。
115.步骤(3)中以1.2-1.5l
·
min-1
的流速向浆体中通入co2，通气过程中保持搅拌机以450-1050r/min的转速搅拌，确保碳化反应充分进行。
116.以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员
来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。