阅读说明：本技术 置换空气碳化(dac)工艺和系统 (Replacement air carbonization (DAC) processes and systems ) 是由 扎伊德·艾尔·古尔雷 保罗·韦恩·哈格斯特 于 2018-09-26 设计创作，主要内容包括：本发明涉及二氧化碳气体通过施加压力差来固化混凝土介质的用途,该压力差通过用纯CO<Sub>2</Sub>气体部分置换固化箱中存在的原始环境体积的空气而产生。(The invention relates to the use of carbon dioxide gas for curing concrete media by applying a pressure difference by using pure CO 2 The gas partially displaces the original ambient volume of air present in the curing oven.)

置换空气碳化(DAC)工艺和系统

技术领域

所公开的主题总体上涉及二氧化碳气体通过施加压力差来固化混凝土介质的用途，所述压力差通过用纯CO₂气体部分置换固化箱(curing enclosure)中存在的原始环境体积的空气而产生。

背景技术

碳化过程涉及波特兰水泥的硅酸钙成分，即硅酸三钙(3CaO·SiO₂；C₃S-阿利特)和硅酸二钙(2CaO·SiO₂；C₂S-贝利特)，其占水泥的大部分。CO₂气体在水的存在下与这些硅酸钙反应，形成C-S-H和CaCO₃(根据下面的反应式1和2)。

2C₃S+3CO₂+3H₂O→C-S-H+3CaCO₃ (1)

(也：2(3CaO·SiO₂)+3CO₂+3H₂O→3CaO·2SiO₂·3H₂O+3CaCO₃)

2C₂S+CO₂+3H₂O→C-S-H+CaCO₃ (2)

(也：2(2CaO·SiO₂)+CO₂+3H₂O→3CaO·2SiO₂·3H₂O+CaCO₃)

通常，C-S-H被认为是有助于混凝土粘合的相，并且是水泥和水之间的水化反应通常产生的产物之一(以及量低得多的氢氧化钙)。在足够的CO₂存在下，此相形成的速率显著加快，CO₂还充当反应试剂从而加速使碳酸钙(而非氢氧化钙)沉淀的反应。因此，碳化有时被认为是水泥水化的促进剂。Young等[1]和Bukowski等[2]的早期工作显示在短时间的纯CO₂暴露下，硅酸钙粉末会快速固结。根据反应式1和2，此种物理发展与同样快速生成的C-S-H有关。发现，反应中同时产生的CaCO₃晶体与C-S-H在纳米尺度紧密混合。这些纳米CaCO₃沉淀物强化了C-S-H基质，从而得到有弹性的复合粘合基质。

非常需要获得一种容易适用的工业方法，该方法实际上利用碳化作为一种手段在常规生产周期内积极作用于波特兰水泥，从而获得一种高弹性的混凝土预制件，其特征在于具有即时高的C-S-H含量、比商业基准高得多的强度以及以物理增强的CaCO₃晶体沉淀形式有益地截存二氧化碳的能力。

发明内容

本发明提出了美国临时专利申请号62/217,239-PCT/CA2016/051076所涵盖工艺配置的替代工艺配置，其开发以促进技术在现有的和新的预制混凝土工厂中的广泛应用。本发明引入了一种新的固化系统，该系统可相当容易地集成作为对新的固化设备的设计修改或作为对已在运行的固化过程的物理改造。对于生产混凝土产品(CO₂用作固化剂)，该系统可使碳化对压力的依赖性边缘化。新的系统配置依赖于施加足以进行反应的压力差，而不是通过增加压力来促进CO₂扩散和碳化。通过首先通过抽吸/真空来排出环境空气，然后注入CO₂气体，来实现(压)差。抽吸可能会导致轻微的负压，仅暂时保持此种压力，以通过设置从技术上吹扫尽可能多的空气体积。使固化室中环境空气的残留体积最小化，但实际上其不可避免。在部分吹扫(semi-purge)之后，开始CO₂注入并进行调节，以使碳化在略高于表压的0psig至2psig之间的任何压力下进行。此种操作条件允许在经稍微修改的常规蒸汽固化室(该行业的基准生产工艺)中进行碳化固化。给所提出的系统和相关工艺分配了缩写DAC，DAC为置换空气碳化(displaced air carbonation)的缩写。

根据本发明，提供了二氧化碳气体通过施加压力差来固化混凝土介质的用途，该压力差通过用纯CO₂气体部分置换固化箱中存在的原始环境体积的空气而产生。

本发明的用途还可包括在碳化之前的空气置换步骤，该步骤用于在固化箱内产生抽吸并实现0psig至-5psig的负压。

本发明的用途还可包括在碳化之前的吹扫步骤，其中CO₂气体连续流入固化箱中，通过开放的出口置换部分体积的环境空气，当排出的空气中CO₂的浓度超过10,000ppm时，关闭出口。

在吹扫步骤之后，固化箱内部的CO₂浓度可达到20％至50％。

本发明的用途还可包括以下步骤：有控制地注入CO₂，直至内部压力达到0psig至+2psig并在碳化过程期间保持恒定，由此形成的压力差产生足够的使气体在混凝土材料中更好扩散的压头(pressure-head)并改善碳化反应。

碳化期间对压力的需求可被边缘化。

本发明的用途可用于制备预制(precast)或干铸(dry-cast)的钢筋混凝土产品和非钢筋混凝土产品。

预制或干铸的混凝土产品可选自：砌块(masonry unit)、铺路材料、合成石材、砖、空心板、管、墙板、纤维水泥板和挡土墙。

混凝土固化箱可选自：窑、腔室、高压釜、容器、帐篷(tent)，其中，箱(enclosure)被设计或修改为是气密的且能够承受低于环境条件的压力和高于环境条件的压力的边际偏差(marginal deviation)。

根据本发明，提供了一种使用二氧化碳气体来固化混凝土介质的置换空气碳化系统，该系统包括：

·气密且可加压的腔室，其具有喷涂聚氨酯/聚脲的复合内衬，带有柔性或刚性的门组件，其中，通过用纯CO₂气体部分置换固化箱中存在的原始环境体积的空气来施加和产生压力差。

门组件可由以下材料中的任何一种或它们的组合构成：聚合物、塑料、铝和/或钢。

复合内衬可由厚度为25mm至50mm的第一喷涂聚氨酯泡沫(SPF，spraypolyurethane foam)层和厚度为2mm至10mm的第二聚脲层组成，其中，复合内衬用于缓解由系统施加的压力差引起的内部应力。

根据本发明，提供了一种套件，将腔室系统转换成气密且可加压的箱体，该套件包括：

·喷涂聚氨酯/聚脲的复合内衬；

·聚合物片材门组件。

复合内衬可由厚度为25mm至50mm的第一喷涂聚氨酯泡沫(SPF)层和厚度为2mm至10mm的第二聚脲层组成。

如附图所示，根据以下对选定实施方式的详细描述，本发明主题的特征和优点将变得更加明显。将会认识到，能够对所公开和要求保护的主题的各个方面进行修改，而全部不脱离权利要求的范围。因此，附图和说明书在本质上应被认为是说明性而非限制性的，并且权利要求中阐明了本主题的全部范围。

附图说明

通过结合附图的以下

具体实施方式

，本公开的其他特征和优点将变得显而易见，其中：

图1显示了用于生产标准20cm混凝土砌块(CMU)的DAC工艺的工艺流程图；

图2显示了转换成DAC固化系统的典型全尺寸固化室的示意图；

图3显示了DAC系统的复合内壁内衬的横截面；

图4显示了在开始碳化固化之前和之后的DAC固化系统；

图5显示了DAC系统原型；

图6显示了原型的空气置换排气系统；

图7显示了(a)装有标准20cm CMU块的箱体；(b)5mm氯丁橡胶聚合物片材，其被牢固地固定以使箱体气密；以及

图8显示了通过抽吸放气时以及随后在碳化过程中充气至0.5psig的恒定压力时的DAC箱体系统。

应注意，在所有附图中，相似的特征由相似的附图标记标识。

具体实施方式

DAC工艺

DAC工艺提出了一种使用二氧化碳代替蒸汽(传统的固化途径)来固化混凝土制品的方法。蒸汽的产生会消耗水和天然气，而这两者都可通过DAC工艺避免。减少水泥(最昂贵的原材料)可进一步节约成本，而无需牺牲建筑规范。混凝土产品在环保性能和耐久性能方面优于商业基准，并在化学回弹性和物理回弹性方面也取得显著改善。DAC工艺适用于(钢筋和非钢筋)预制混凝土产品，包括但不限于：混凝土砌块、铺路材料、管、纤维水泥板和空心板。通过物理改造进行修改，该工艺可适用于现有蒸汽固化系统，而不会产生大笔不可收回的资金成本。图1是详述生产20cm CMU(混凝土砌块)的DAC工艺的步骤的工艺流程图。

下面更详细地描述图1中的各个步骤，

i.块成型：此步骤遵循常规的块成型方法，唯一的区别是可以降低水泥含量。由经CO₂处理的块所获得的高强度允许通过直接减少水泥含量和/或用水泥填料代替水泥来部分抵消水泥含量(最高25％)。

ii.预设(pre-setting)：预设是重要的准备步骤，需要对碳化之前的块体所经历的水分损失进行严密地监控和控制。水分的损失会在湿块体的糊料成分内产生空间，从而促进CO₂扩散并达到最佳碳化度。根据先前的大量参数研究，块体中总水量的30％至50％的质量损失会产生反应方面的选择结果。块中的残留水分含量在一定程度上是一个关键参数——过多，则由于阻塞而阻止CO₂扩散；过少，则由于水分不足，水泥颗粒不会参与反应。在暴露于CO₂之前，需要保持最佳的水分含量。实际上，水有两个重要作用：水是CO₂气体溶剂化物和硅酸钙溶解的介质；水是随后发生的多步碳化反应的反应物，该反应生成C-S-H(水化硅酸钙)和CaCO₃的复合粘合基质。

C₃S：2(3CaO.SiO₂)+3CO₂+3H₂O→3CaO.2SiO₂.3H₂O+3CaCO₃ (1)[1]

C₂S：2(2CaO.SiO₂)+CO₂+3H₂O→3CaO.2SiO₂.3H₂O+CaCO₃ (2)[2]

反应式(1)和(2)分别给出了碳化期间水泥的主要成分硅酸三钙(C₃S)和硅酸二钙(C₂S)的一般化学计量反应。CO₂气体最终转化为稳定的CaCO₃。C-S-H和CaCO₃均在湿糊料先前被水占据的孔中成核。通常已知C-S-H水合物影响硬化混凝土的粘合强度。当硅酸钙被CO₂活化时，此相的形成速率显著加快。Young等[1]和Bukowski等[2]的早期工作显示，在短时间的纯CO₂暴露下，硅酸钙粉末会快速固结，这与同样快速生成的C-S-H相关。

通过监测代表性的块体所经历的重量变化来量化干燥情况。基于等式3的公式，寻求的干燥度被简化为绝对最终目标重量，该公式还考虑了骨料(aggregate)的吸收特性。该公式计算了单个块体需要经历的重量减少，在此种情况下，其考虑了总水分含量的35％的目标损失率。实现重量减少标志着预设步骤的结束。例如，初始重量为16.8kg、骨料吸收率为3％的NW块的WL_35％为0.349kg。

WL_35％＝[(M_骨料×A_骨料)+(M_块体×水分％)]×35％ (3)

WL_35％：目标水分损失率为35％的质量

M_骨料：块体中骨料的质量

A_骨料：骨料的吸收率

M_块体：块体的质量

iii.碳化：在将经适当准备好(primed)的混凝土产品放入固化箱中并密封后，进行此步骤。确保气密性后，对箱体进行抽吸(通过使用泵、文丘里、压缩机等)，以部分置换原始存在于箱体中的环境体积的空气。这可能会导致部分真空状态，箱体内可能记录下0.00psig至-5.00psig的负压。仅短暂保持此状态，直至注入CO₂气体，压力恢复到大气压(0psig)，最高达到2.00psig。–ve/+ve压力差的主要目的是产生足够的使气体在混凝土材料中更好扩散的压头，从而改善碳化反应。

碳化期间，小心地控制CO₂气体注入，以确保混凝土介质在给定固化条件和时间范围内吸收其目标CO₂容量。开发此“自清洁”功能是为了确保注入的气体被混凝土完全消耗，避免在碳化周期结束时气体被释放到大气中。使用调节器以确保精确地保持箱体内的碳化压力(0psig至2psig)。当混凝土吸收CO₂时，压力随之下降，从而促使调节器通过向箱体补充更多的气体来进行对抗。流量计用于量化注入的CO₂总量。一旦达到可被混凝土装料吸收的目标气体容量，便停止供应气体。

为量化可被混凝土装料吸收的CO₂的量，可使用公式4。这可以精确调节碳化过程中的气体注入。

Q_CO2＝N×M_块材×(粘合剂％)×U_CO2 (4)

其中，

Q_CO2：每次装载注入的CO₂气体的总量，Kg

N：固化装料的混凝土单元(例如，块、铺路材料、管)的数量

M_块材：单个块材的平均质量，Kg

粘合剂％：混凝土配合比设计中粘合剂(即水泥)的百分比，％

U_CO2：目标CO₂吸收量，以粘合剂质量％(通常15％至25％)表示，％

公式4通常适用于预制混凝土。根据先前的大量试验，在规定的加工条件下，保守地假定混凝土单元可能截存的CO₂量(U_CO2)等于水泥初始质量的20％。例如，假设有10个标准的正常重量的20cm混凝土砌块(CMU)，每个块材的平均重量为17kg，水泥含量为9.7％，则装料可能吸收的CO₂量为3.3千克(Q_CO2＝10×17kg×9.7％×20％)。

DAC系统

本节详述了DAC固化系统的组件，所述实施方式适用于新的蒸汽固化设备和现有蒸汽固化设备。适应性通常将任何固化系统(窑、容器、腔室等)转换成气密箱体，能够承受抽吸期间-5psig至碳化期间高达2psig的压力差。图2显示了典型的满量程DAC固化系统，代表了最常用的蒸汽固化室的改进版本。该图的插图为壁的横截面的特写镜头，其显示了由两个连续喷涂层组成的复合内衬。壁的横截面显示了聚氨酯/聚脲复合内衬。第一层为25mm至50mm厚的喷涂聚氨酯泡沫(SPF)材料，通常用于结构的绝缘目的。第二层为柔性的“聚脲”材料，厚度为2mm至10mm。两种材料均呈现出高的弹性变形容限。

复合内衬缓解了作用在箱体的内壁上、由施加的压力差引起的应力。它创建了一个类似膀胱的隔室，显著地消除了操作期间施加的尺寸变化。在碳化之前进行空气置换步骤，以产生抽吸并实现任何0psig至-5psig的负压。但是，保持真空作用很小，以避免内衬分层。碳化期间，当装载混凝土的箱体充气时，内部压力的积累主要通过材料的张力和变形而被内衬所容纳。图3显示了充气期间的内部负荷耗散。聚脲层经历轻微的体积膨胀，这会转化为材料内的张力。膨胀还导致SPF层的尺寸变形(δ)，反过来吸收内部压力所产生的一些负荷。复合内衬带来的双重缓解效果将作用在实际腔室壁上的直接压力降至最低。以此种方式，可将非可压缩腔室转换成气密、可压缩的固化装置，而无需对该腔室进行任何重大的结构修改。

可使用许多类型的喷涂和非喷涂的聚氨酯泡沫和聚脲涂料，它们的组成、密度和机械性能差异很大。不将本发明限制为使用特定的产品或品牌，而是提出了一般的材料合格标准以确保正确地应用内衬组件。第一泡沫(SPF或其他喷涂泡沫)层需要是粘性、多孔且略有延展性的，以便在负荷作用在内衬上时可弹性压缩。SPF层优选为中等密度的闭孔喷涂泡沫(ccSPF，closed-cell spray foam)。也可使用轻密度开孔喷雾泡沫(ocSPF，open-cellspray foam)。第二聚脲层(或其他等效的喷涂聚合物或弹性体材料)需要是无缝、高粘性且具有出色的拉伸强度(>20MPa)并能够实现>200％的伸长率。也可使用自修复的弹性体聚脲。通常，由一个以上组件组成、符合上述属性并起到预期功能的任何内衬系统均可与所给定的实施方式互换。

DAC系统的另一个重要特征是门组件，其中，使用柔性聚合物片材并将其固定在箱体的开口端。装入混凝土料后，将聚合物门牢牢固定/夹紧，使箱体完全气密。门的厚度可根据所需的拉伸性能(>20MPa)进行调整。在碳化之前，抽吸泵用于部分置换箱体中存在的环境体积的空气。柔性聚合物门为此步骤提供了视觉指示，在此步骤中，片材会内部收缩。一旦排出足够量的空气，就通过注入CO₂气体开始碳化，直至箱体膨胀，并且在整个碳化过程中内部压力保持在0psig至2psig。同样，如图4所示，碳化期间聚合物片材向外突出。碳化持续，直至目标量的CO₂(Q_CO2)完全注入。

概念证明

在混凝土砌块(CMU)工厂的现场进行DAC系统和工艺的按比例缩小的概念验证。使用图5中所示的原型对本地生产的CMU块进行DAC处理。对于箱体，使用木箱，其内部首先喷涂有50mm厚的SPF层(Elastochem的Bayseal 2.7Insulthane)，然后喷涂2mm聚脲层(Elastochem的9511HT)。使用高纯液化CO₂气体，注入由微调阀和调节器控制。图6显示了气体置换排气系统。文丘里泵用于产生在碳化之前部分置换环境体积的空气所需的吸力。

将准备好的混凝土块放置在箱体内(图7(a))后，如图7(b)所示，使用螺钉和高压密封剂(X-Trasil HT)牢固地固定5mm氯丁橡胶聚合物片材。然后，使用文丘里泵将箱体内的空气抽空，在5分钟至10分钟后，压力表读数为-3psig的负压。如图8所示，所得吸力导致聚合物片材的内凹变形。不久之后开始注入CO₂气体，直至达到0.5psig的正压，并在整个碳化期间(其持续约10小时)维持该压力。图8还显示了碳化期间箱体的膨胀状态。碳化持续至提供了可被块体吸收的目标CO₂量(使用公式4，Q_CO2＝1.33kg CO₂)。

最终的块体实现了平均310g的CO₂吸收和平均38MPa的1天抗压强度。

尽管以上说明书已经描述并在附图中显示了优选实施方式，但对本领域技术人员显而易见的是，在不脱离本公开的情况下可进行修改。此类修改被认为是包含在本公开范围内的可能变型。

参考文献

Young,J.F.；Berger,R.L.；Breese,J.1974.Accelerated Curing of CompactedCalcium silicate Mortars on Exposure to CO2.Journal of the American CeramicSociety 57(9),394-397.

Bukowski,J.M.；Berger,R.L.1979.Reactivity and Strength Development ofCO₂Activated Non-Hydraulic Calcium Silicates.Cement and Concrete Research 9(1),57-68.