在混凝土的制造期间施加二氧化碳的系统和方法

在混凝土的制造期间施加二氧化碳的系统和方法
【专利说明】
[0001] 相关申请的交叉引用
[0002] 本申请要求2013年2月4日提交的同时待审美国临时专利申请No. 61/760,319 的优先权权益，将其全部内容完全引入本文作为参考。
技术领域
[0003] 本发明实施方式总体上涉及在混凝土的制造中使用的系统和方法。更具体地，本 公开内容涉及用于在混凝土的制造期间使用二氧化碳的系统和方法。
【背景技术】
[0004] 水泥和混凝土的制造是在本领域中公知的。混凝土具有在许多行业中高度有益的 许多用途并且可被制造成执行许多功能。例如，混凝土被广泛用在商业建筑中和用于市政 工程。这些工程中使用的混凝土可为经预热的、经预加应力的和经增强的。
[0005] 不幸地，已知混凝土中使用的水泥的制造以及混凝土的制造两者产生大量的二氧 化碳（C02)。根据美国能源信息管理局，水泥制造厂是大气中二氧化碳污染的重要来源。当 制造水泥时，对石灰石原料进行加热并且从石灰石释放C02。水泥制造厂在水泥制造过程中 使用显著量的能量来加热灰石原料，导致进一步的C02释放和烃排放。已知试图将C02夹 带在混合的混凝土（拌好的混凝土，mixed concrete)中以降低进入到大气中的C02排放 的系统和方法。已经尝试使用C02加强混凝土的其它系统和方法。然而，这些已知的系统 和方法均具有与其有关的缺点或问题，所述缺点或问题在本公开内容得以解决。

【发明内容】

[0006] 本发明实施方式考虑涉及在混凝土和/或用于制造混凝土的材料的制造中使用 二氧化碳（C02)的新型工艺和设备。与制造混凝土的现有技术方法相比，根据本发明实施 方式的系统和方法在混凝土的制造之前或期间将C02施加（应用，apply)于混凝土和/或 混凝土材料具有许多益处。
[0007] 在本发明实施方式的所述许多益处之中有混凝土制造期间所需要的水泥的量的 减少和降低的用于制造混凝土的能量消耗。根据本发明实施方式将C02添加至混凝土导致 每单位混凝土的水泥组分重量（典型地以镑水泥/立方码混凝土或者千克水泥/立方米混 凝土度量）的减少。按照重量和按照体积，水泥典型地是混凝土混合料（混凝土拌合料， concrete mix)的主要组分的最昂贵部分。通过将混凝土用C02处理，一立方米或立方码混 凝土的总成本降低。除了减少制造混凝土所需要的水泥的量以及与混凝土混合料中的水泥 有关的成本方面的相应减少之外，混凝土的制造的总成本也通过将C02添加至混凝土而减 少，容许以较低的总成本制造一立方码混凝土或立方米混凝土。
[0008] 将C02添加至混凝土混合料的进一步益处是可用于制造混凝土的水与水泥的比 率的提高。使用本发明的方法和系统制造的新鲜混合的混凝土（刚拌好的混凝土，freshly mixed concrete)实现了所需要的i丹落度（新鲜混合的混凝土的和易性（workability)的 量度），尽管用于制造混凝土的水与水泥的比率与对于使用已知方法制造的混凝土而言可 能的相比更大。因此，本发明改善新鲜混合的混凝土的稠度和和易性。
[0009] 本发明的一个方面是提供制造如下混凝土的系统和方法：其与使用已知方法制造 的混凝土相比具有提高的断裂强度和提高的断裂强度一致性。与使用已知方法制造的混凝 土的对照样品相比，根据本发明实施方式将C02添加至混凝土显著地改善混凝土的断裂强 度（混凝土的关键物理性质）。使用本发明实施方式的方法和设备制造并用C02处理的混 凝土样品的断裂强度试验显示，与使用其它已知方法制造的混凝土相比，断裂强度的变化 率减少50%-80%。此外，将混凝土用C02处理导致更一致的混凝土混合料。因此，本发明 由于用C02处理的混凝土的期望的结构性质而容许混凝土制造商和用户配制更精确的混 凝土混合料设计（concrete mix design) 〇
[0010] 本发明的另一益处是新鲜混合的混凝土的温度的降低。当将液态二氧化碳从罐或 存储容器注射到混合器中时，液态二氧化碳在大气压下相变为气态和固态二氧化碳两者。 在大气压下，固态C02必须为-109° F(-78.5°C)或更低。因此，根据本发明实施方式施加 至混合着的混凝土的C02使新鲜的混凝土混合料与注射到所述混凝土混合料中的C02的量 成比例地冷却。已知降低新鲜混合的混凝土的温度使固化的混凝土的强度提高。降低混凝 土的温度的方法和设备是本领域中通常已知的，如美国专利No. 8, 584, 864和美国专利申 请No. 14/056, 139中所公开的，将其完全引入本文作为参考。因此，通过使混凝土混合料冷 却，本发明实施方式使所得固化的混凝土的强度提高。
[0011] 本发明实施方式的系统和方法还制造这样的混凝土：其具有降低的渗透性和降低 的降解（退化）率，从而提高所述混凝土以及用所述混凝土制得的结构体的使用寿命。本领 域技术人员知晓，混凝土的碳化（碳酸化）水平随着时间提高，从而降低混凝土的渗透性。 换而言之，混凝土内的小的间隙空间被来自碳化反应的碳化产物所填充。本发明使碳化过 程加速，导致与使用已知方法制造的混凝土相比具有更低渗透性的初始混凝土产物。越低 渗透性的混凝土越不易受到在氧气、水、和其它液体或者污染物渗透混凝土并且导致混凝 土内的钢筋构件的氧化（或"生锈"）时出现的环境降解。正常的冻/融循环还可通过在混 凝土结构体内产生裂缝而使被氧气、水、和其它液体所渗透的混凝土的强度降低。因此，用 通过本发明的系统和方法的实施方式制造的混凝度制造的结构体具有提高的使用寿命。
[0012] 通过在混凝土混合过程期间在水泥的水合期间将C02捕集和/或隔绝 (sequester)在混凝土中并且与C02反应，本发明实施方式还有助于降低水泥和混凝土制 造的C02足迹（footprint)。在使用本发明的方法和系统的混凝土制造期间消耗的能量的 量也减少，因为制造给定量的混凝土所需要的水泥的量减少。通过在混凝土的制造中消耗 C02,本发明使混凝土制造期间的C02 (据信对全球变暖有贡献的已知温室气体）的排放减 少。此外，通过减少制造混凝土所需要的水泥的量，本发明实施方式使水泥制造长的能量消 耗和温室气体排放进一步减少。
[0013] 本发明实施方式的另一方面是提供用于在混凝土制造过程中施加 C02的系统和 方法。根据变化的实施方式，该施加可采取在混凝土或者用于制造混凝土的混凝土材料的 制造期间夹带、隔绝或者消耗C02的形式。在本文中描述的变化的实施方式中，所述系统和 方法可在储存用于制造混凝土的材料处（例如，在制造场所中的大的容器或者"陶质容器 (Pig) "、或者其它存储装置中）"原位"进行，或者可替代地通过单独的子过程进行。本发 明实施方式将C02捕集和/或隔绝在混凝土中，导致混凝土制造期间减少的C02排放和使 温室气体污染减少。申请人的发明包括在混凝土制造期间施加 C02的特别的控制、注射和 装置，其描述和显示于下。
[0014] 在一个实施方式中，提供用于将二氧化碳施加至混凝土或混凝土材料的设备。所 述设备包括用于存储液态二氧化碳的存储容器。至少一个称重传感器（load cell)附于所 述存储容器用于测定所述存储容器以及存储在其中的二氧化碳的重量。所述至少一个称重 传感器与系统控制器连通（通讯）并且所述至少一个称重传感器能用于将与所述重量有关 的信息传输至所述系统控制器。管路（piping)使所述存储容器与注射组件互连。所述管 路能用于将二氧化碳输送至所述注射组件。所述管路是在将二氧化碳保持为液态的温度和 压力下能使用的。在一个实施方式中，所述管路与所述存储容器的互连适于从所述存储容 器仅提取液态二氧化碳。控制阀靠近所述存储容器并且当所述控制阀处于关闭配置时能用 于防止二氧化碳进入所述管路，并且当所述控制阀处于打开配置时所述控制阀使得二氧化 碳能够进入所述管路。所述控制阀与所述系统控制器连通。
[0015] 所述设备包括用于在所述注射组件接收二氧化碳之前将气态二氧化碳从液态二 氧化碳分离的与所述管路流体连通的液体-气体分离器。所述液体-气体分离器具有用于 将气态二氧化碳从所述设备释放的排气口（通风口）。在一个实施方式中，所述气态二氧化 碳通过所述排气口释放至大气。在另一实施方式中，通过所述液体-气体分离器从液态二 氧化碳分离的气态二氧化碳通过将所述存储容器与所述液体-气体分离器的排气口互连 的第二管路返回至所述存储容器。
[0016] 所述注射组件接收来自所述管路的二氧化碳并且将二氧化碳注射到混凝土混合 器或者混凝土材料容器中。在一个实施方式中，所述注射组件能用于在二氧化碳通过所述 注射组件时使二氧化碳的温度降低至不超过约-109° F。在另一实施方式中，对于所述混 合器或混凝土材料容器中每立方码的混凝土混合料，所述注射组件将约1-约27镑的二氧 化碳注射到所述混合器或者混凝土材料容器中。在还另外的实施方式中，所述注射组件能 用于使二氧化碳改变状态为固态二氧化碳和气态二氧化碳的混合物和将所述固态和气态 二氧化碳的混合物注射到所述混合器中。
[0017] 所述系统控制器能用于控制所述控制阀、所述注射组件、所述液体-气体分离器、 所述混合器、以及与所述系统控制器连通的其它传感器和受控装置。在一个实施方式中，所 述系统控制器能用于在所述系统控制器确定所述存储容器和存储在其中的二氧化碳的重 量已经降低预定量时发送使所述控制阀移动至关闭配置的信号。在另一实施方式中，所述 系统控制器能用于在预定量的时间之后发送使所述控制阀移动至关闭配置的信号。
[0018] 在一个实施方式中，所述设备进一步包括与所述管路流体连通并且与所述系统控 制器连通的质量流量控制器。所述质量流量控制器测量流经所述质量流量控制器的二氧化 碳的质量并且将与所述质量有关的信息传输至所述系统控制器。所述系统控制器能用于在 所述系统控制器确定预定质量的二氧化碳已经流经所述质量流量控制器时发送使所述控 制阀移动至关闭配置的信号。在还另外的实施方式中，所述设备进一步包括能用于测定何 时气态二氧化碳与所述管路的控制阀接触的液态二氧化碳传感器。所述液态二氧化碳传感 器与所述系统控制器连通并且能用于将与所述接触有关的信息传输至所述系统控制器。所 述系统控制器能用于在所述液态二氧化碳传感器确定气态二氧化碳与所述控制阀接触时 发送使所述控制阀移动至关闭配置的信号。在本发明的再另外的实施方式中，通过所述系 统控制器控制所述设备。
[0019] 在一个实施方式中，所述设备进一步包括所述材料容器。所述材料容器包括具有 面对所述材料容器的内部腔室的出口的多个注射器。所述多个注射器包括在所述材料容器 的外部表面上的入口。所述多个注射器的入口与所述注射组件互连。在还另外的实施方式 中，所述材料容器包括密封所述内部腔室的封闭物（closure)并且所述内部腔室在其被密 封之后可被加压。所述系统控制器能用于控制所述多个注射器的入口并且可发送打开或者 关闭与所述材料容器互连的一个或多个压力阀以提高或者降低所述内部腔室内的压力的 信号。所述系统控制器还能用于单