一种动态负压驱动碳化的固碳砂土试样制备装置及其制备方法

本发明涉及岩土工程试验，尤其涉及一种利用动态负压驱动co2渗流以实现均匀碳化的固碳砂土试样制备装置及其制备方法。

背景技术：

1、利用氧化镁碳化固化砂土是近年来的研究热点，该方法通过在砂土中掺入氧化镁并通入co2，生成碳酸镁晶体以固化土体，同时实现二氧化碳的永久封存。在进行相关试验研究时，需要制备固碳砂土试样。

2、然而，固碳砂土试样的制备存在以下技术难题：第一，氧化镁与砂土的混合料在碳化前几乎没有强度，采用普通模具制样后脱模时，试样会立即坍塌，无法形成完整试样；第二，若采用带模具碳化的方式，常规模具壁会阻挡co2气体与试样的充分接触。现有技术普遍采用静态碳化方式——将试样置于co2环境中依靠气体自然扩散进行碳化，这种方式效率低、耗时长，且对于低渗透性试样难以实现均匀碳化；第三，碳化完成后，生成的碳酸镁晶体可能将试样胶结在模具内壁上，导致脱模困难甚至试样破坏；第四，现有技术中为解决脱模问题，有采用聚氨酯等胶结材料预固化的方法，但该方法引入了与研究目标无关的外来物质，会干扰氧化镁-砂土的固碳反应体系。因此，亟需一种既能保证试样成型、又能实现快速均匀碳化、且便于脱模的固碳砂土试样制备方法。

技术实现思路

1、发明目的：本发明的目的是提供一种利用动态负压驱动co2渗流以实现均匀碳化的固碳砂土试样制备装置及其制备方法。

2、技术方案：本发明所述的动态负压驱动碳化的固碳砂土试样制备装置，包括模具，用于容纳混合料并成型试样；压实装置，用于对模具内的混合料施加静压力；连接件，与模具的一端密封配合，另一端与管路连接；管路的另一端连接真空泵的进气口；所述模具、连接件、管路、真空泵设置于碳化容器内，碳化容器用于容纳连接好真空泵的模具进行碳化养护，容器上设置有co2进气口；碳化容器一侧设有供电装置并与真空泵相连接，供电装置用于真空泵在碳化容器内持续工作提供电源。

3、进一步地，所述模具内放置待碳化试样。

4、进一步地，所述模具用于容纳混合料并成型试样，采用三瓣模或对开模；三瓣模由三片组合而成，对开模由两片组合而成。

5、进一步地，所述连接件采用漏斗状，连接件广口端与模具端口密封配合。

6、进一步地，所述碳化容器上设置有co2进气口、排气口以及插排电线口。

7、本发明所述的动态负压驱动碳化的固碳砂土试样制备方法，包括如下步骤：

8、步骤1：将氧化镁与砂土原料按预定比例混合均匀，得到混合料；

9、步骤2：将所述混合料装入模具中，采用静压方式压实，得到预定形状和尺寸的试样；

10、步骤3：在模具的一端通过连接件和管路连接至真空泵；

11、步骤4：将连接好真空泵的模具连同内部试样整体放入碳化容器中，启动真空泵并使其在碳化养护过程中持续工作，在试样内部形成动态负压环境，强制驱动碳化容器中的co2气体从试样的自由端向连接真空泵的一端持续渗流；

12、步骤5：碳化养护完成后，关闭真空泵，取出模具并脱模，得到固碳砂土试样。

13、进一步地，所述步骤1中砂土原料为钙质砂、石英砂、标准砂、珊瑚砂、海砂、河砂、尾矿砂中的一种或多种。

14、进一步地，所述步骤2中在装料前于模具内壁涂抹脱模剂。

15、进一步地，所述步骤2中静压方式采用千斤顶、万能试验机或压样器进行压制，压实的压力为0.1mpa-1mpa。

16、进一步地，所述步骤4中真空泵持续工作的真空度为-50kpa-300kpa，所述碳化容器中co2浓度为50%-99%，碳化养护时间为4h-12h。

17、有益效果：本发明与现有技术相比，具有如下显著优点：

18、（1）本发明通过静压成型使试样在碳化前即具备一定的密实度和临时自立能力，再结合碳化养护后碳酸镁晶体生成所提供的强度，实现无损脱模；

19、（2）通过真空泵在碳化过程中持续工作，在试样内部建立动态负压，强制驱动co2定向渗流，解决了传统静态碳化中气体扩散慢、碳化不均匀的根本问题；

20、（3）通过在模具内壁预先涂抹凡士林等脱模剂，有效防止碳化后试样与模具壁的胶结粘结，保证脱模顺利、试样完整；

21、（4）使用三瓣模或对开模等常规模具，无需定制昂贵的侧壁开孔模具；采用漏斗状连接件实现平滑连接，密封可靠且拆装方便；全程无需添加聚氨酯等胶结材料，不干扰氧化镁-砂土的固碳反应体系；

22、（5）本方法适用于钙质砂、石英砂、标准砂、珊瑚砂等多种砂土原料，适用范围广；所制备的试样可以是任意形状和尺寸，可满足不同试验需求；操作简便、可批量制样。

1.一种动态负压驱动碳化的固碳砂土试样制备装置，其特征在于，包括模具(1)，用于容纳混合料并成型试样；压实装置，用于对模具内的混合料施加静压力；连接件(2)，与模具(1)的一端密封配合，另一端与管路(3)连接；管路(3)的另一端连接真空泵(4)的进气口；所述模具(1)、连接件(2)、管路(3)、真空泵(4)设置于碳化容器(5)内，碳化容器(5)用于容纳连接好真空泵的模具进行碳化养护，容器上设置有co2进气口(6)；碳化容器(5)一侧设有供电装置(7)并与真空泵(4)相连接，供电装置(7)用于真空泵在碳化容器内持续工作提供电源。

2.根据权利要求1所述的动态负压驱动碳化的固碳砂土试样制备装置，其特征在于，所述模具(1)内放置待碳化试样。

3.根据权利要求1所述的动态负压驱动碳化的固碳砂土试样制备装置，其特征在于，所述模具(1)用于容纳混合料并成型试样，采用三瓣模或对开模；三瓣模由三片组合而成，对开模由两片组合而成。

4.根据权利要求1所述的动态负压驱动碳化的固碳砂土试样制备装置，其特征在于，所述连接件(2)采用漏斗状，连接件广口端与模具端口密封配合。

5.根据权利要求1所述的动态负压驱动碳化的固碳砂土试样制备装置，其特征在于，所述碳化容器(5)上设置有co2进气口、排气口以及插排电线口。

6.一种动态负压驱动碳化的固碳砂土试样制备方法，采用权利要求1-5任一项所述的装置实现，其特征在于，包括如下步骤：

7.根据权利要求6所述的动态负压驱动碳化的固碳砂土试样制备方法，其特征在于，所述步骤1中砂土原料为钙质砂、石英砂、标准砂、珊瑚砂、海砂、河砂、尾矿砂中的一种或多种。

8.根据权利要求6所述的动态负压驱动碳化的固碳砂土试样制备方法，其特征在于，所述步骤2中在装料前于模具内壁涂抹脱模剂。

9.根据权利要求6所述的动态负压驱动碳化的固碳砂土试样制备方法，其特征在于，所述步骤2中静压方式采用千斤顶、万能试验机或压样器进行压制，压实的压力为0.1mpa-1mpa。

10.根据权利要求6所述的动态负压驱动碳化的固碳砂土试样制备方法，其特征在于，所述步骤4中真空泵持续工作的真空度为-50kpa-300kpa，所述碳化容器中co2浓度为50%-99%，碳化养护时间为4h-12h。