一种用于建筑材料碳化试验的釜式反应装置及其应用的制作方法

本发明涉及一种可提供高浓度二氧化碳的釜式反应装置，及其利用二氧化碳废气进行无机建筑材料养护、深地环境的碳固存及岩石风化及co2矿化等研究中的应用。

背景技术：

1、“绿色”低碳水泥生产技术的研发，即建材领域的低碳/超低碳混凝土是现阶段研发的热点。同时，鉴于二氧化碳捕集后被混凝土吸收利用可大大提高混凝土的强度，使得如何在建材产业中既实现“碳中和”又提高建筑材料的强度也成为行业内研究的新热点。此外，针对工业级co2的碳收集及深地环境碳固存技术对于“双碳目标”的实现也具有重要意义，其中深地环境温度、压强等因素对碳化规律的影响以及不同地层环境下co2稳定性与温度、压力的关系等问题都值得开展深入研究。

2、建筑材料（特别是无机建筑材料）的“碳中和”生产技术和深地环境碳固存技术的研发中，都涉及到对于混凝土的碳化作用的研究。混凝土的碳化作用是指空气中的二氧化碳与水泥石中的氢氧化钙在有水存在的条件下发生化学作用，生成碳酸钙和水。该碳化过程是二氧化碳由表及里向混凝土内部逐渐扩散的过程。碳化对混凝土最主要的影响是：快速提高混凝土的早期和后期的强度，碳化深度越深，混凝土强度越高，通过碳化过程，同样能够体现混凝土的不同配合比吸收二氧化碳的能力不同。为了配合二氧化碳废气的消耗，同时被混凝土吸收的研发和地质封存技术中混凝土在高温、高压条件下的co2的吸收研究，需要通过碳化试验对混凝土进行吸碳和抗碳性能的检测。

3、混凝土材料中的碱性组分在“自然条件”下可以与大气中0.04%浓度的co2进行化学反应，但过程非常缓慢，在其生命周期内碳酸化深度一般”不超过”10毫米。但是通过“提高浓度、升温、加压”等技术措施可快速实现混凝土碳化，产品的强度比较高。现有技术中，混凝土的碳化试验过程通常是将一定浓度的含二氧化碳气体输入盛放混凝土试块的密闭容器中，在一定时间内观察二氧化碳被试块吸收或渗透扩散至试块内部的深度。对于混凝土吸收二氧化碳的相关研究来说，测定其吸碳性能的碳化试验需要利用高浓度的二氧化碳气体。目前实践当中有人应用高浓度高压高温碳化箱进行混凝土碳化试验，是利用高压气体的压力将高浓度二氧化碳压到混凝土中，观察混凝土对二氧化碳的吸收和中和作用。该试验中气体的高压通常是为了达到足够高的二氧化碳浓度而向本就含有空气的密闭容器内充入大量二氧化碳气体而产生的，同时也被试验人员作为混凝土吸收二氧化碳的驱动力。但是这类高压试验不仅需要耐高压的容器，更是对于操作人员的技能资质有特殊要求，否则会带来巨大的生产安全风险。

技术实现思路

1、鉴于上述技术背景，本发明的首要目的在于：提供一种用于建筑材料碳化试验的釜式反应装置，可提供高浓度二氧化碳环境，且具有更高的安全性。

2、本发明的再一个目的在于：提供所述釜式反应装置在用水泥类建材来消耗水泥厂或电厂产生的二氧化碳废气、深地环境的碳固存及岩石风化及co2矿化等研究中的应用。

3、本发明的上述目的通过以下方案实现：

4、第一方面，本发明提供一种用于建筑材料碳化试验的釜式反应装置，包括：

5、气密反应罐体，作为密闭空间容纳试块并形成预设的二氧化碳浓度、温度、气压和湿度环境；

6、温度调节装置，设置在所述气密反应罐体内部用于调节气密反应罐体内部温度；

7、湿度调节装置，用于调节气密反应罐体内部湿度；

8、气压调节装置，设置在所述气密反应罐体上，用于调节气密反应罐体内部气压；

9、二氧化碳气体输入装置，用于外接二氧化碳存储设备，向所述气密反应罐体内输入二氧化碳气体；

10、传感器组，用于监测所述气密反应罐体内部的二氧化碳浓度、温度、气压和湿度。

11、本发明所述的釜式反应装置中，所述的气密反应罐体规格、形状和材质没有特别的限定，但需要具有气密性来保持内部气体的压力和浓度，同时需要具有一定的强度以避免其内外压差带来的形变。

12、本发明优选的所述釜式反应装置中，所述的温度调节装置由加热装置和制冷装置组成；所述的加热装置可以是加热棒等；所述的制冷装置可以是蒸发器等。

13、本发明优选的所述釜式反应装置中，所述的湿度调节装置是设置在所述气密反应罐体上的水蒸气输入装置，通过外接水蒸气发生装置向所述气密反应罐体内输入水蒸气以增加湿度。

14、本发明优选的所述釜式反应装置中，所述的气压调节装置至少包括抽真空装置。进一步优选的方案中，所述的气压调节装置还可以包括外接的空气压缩机、带压氮气输入装置等。

15、本发明进一步优选的所述釜式反应装置中，为了使所述气密反应罐体内部气体混合均匀，还在所述气密反应罐体内设置风机装置，用于促进所述气密反应罐体内部气体的循环。

16、本发明优选的所述釜式反应装置中，所述的传感器组包括二氧化碳浓度传感器、温度传感器、压力传感器和湿度传感器。其中，所述的温度传感器、压力传感器和湿度传感器设置在所述的气密反应罐体上，用于直接接触气密反应罐体内部的气体；所述的二氧化碳浓度传感器设置在所述的气密反应罐体内部或外部，设置在所述的气密反应罐体内部的二氧化碳浓度传感器用于直接接触气密反应罐体内部温度低于50℃的气体，设置在所述的气密反应罐体外部的二氧化碳浓度传感器用于接触从所述气密反应罐体内采集高于50℃的气体后经降温、减压的气体。

17、本发明优选的一种实施方式中，所述的气密反应罐体内部空间分为两个连通的区域：试块放置区和气体混合区；所述的试块放置区用于集中放置一个或两个以上的试块，所述的传感器组直接接触试块放置区的气体，所述的抽真空装置抽取试块放置区的气体；所述的气体混合区用于接收来自所述气密反应罐体外部的水蒸气和二氧化碳气体，并对气体进行加热，所述的温度调节装置设置在所述的气体混合区，所述的水蒸气输入装置和二氧化碳气体输入装置都开口于所述的气体混合区。

18、本发明优选的一种实施方式中，为了更好地降低气密反应罐体内部向外传导散热，保持气密反应罐体内的环境温度稳定，所述的气密反应罐体由内罐体和外罐体构成，所述的外罐体内嵌套所述内罐体，且内罐体与外罐体之间留有间隙。更优选的方案中，所述的内罐体和外罐体之间通过若干相互螺接的装置固定连接。

19、本发明进一步优选的方案中，为了更加灵活地调节所述的气密反应罐体内的气压和二氧化碳浓度，所述的气密反应罐体上还设有氮气或空气输入装置；更优选的方案中，所述的氮气或空气输入装置开口于所述的气体混合区。

20、本发明进一步优选的方案中，所述的气密反应罐体上还设有排气装置和排液装置，用于排出所述气密反应罐体内部的气体和液体。

21、本发明进一步优选的方案中，所述的气密反应罐体上还设有安全阀。

22、在此基础上，本发明还提供一种建筑材料碳化试验系统，包括本发明所述的釜式反应装置和控制中心；所述的控制中心设有温度测控单元、湿度测控单元、压力测控单元和二氧化碳浓度测控单元，所述的各测控单元分别接收来自所述的温度传感器、湿度传感器、压力传感器和二氧化碳浓度传感器的信号或数据，并通过控制电路和电磁阀控制所述釜式反应装置的温度调节装置、湿度调节装置、气压调节装置、二氧化碳气体输入装置和风机装置的运行，使所述釜式反应装置的气密反应罐体内达到预设的参数条件。

23、本发明优选的方案中，所述的建筑材料碳化试验系统的控制中心还设有集成电路芯片和触摸屏；所述的触摸屏可显示人机交互界面，用于向操作者显示釜式反应装置的运行状态参数，同时用于操作者输入参数和指令；所述的集成电路芯片利用其内嵌的程序完成数据处理和对各测控单元及触摸屏的控制。

24、本发明所述建筑材料碳化试验系统用于建筑材料高浓度碳化测试时具有更高的安全性，测试结果更加符合真实情况，可在常压下测定高浓度二氧化碳条件下的建筑材料吸碳或抗碳能力，对于用水泥类建材来消耗二氧化碳废气、深地环境的碳固存及岩石风化或co2矿化等研究都具有更高的参考价值。

25、第二方面，本发明还提供所述建筑材料碳化试验系统在用水泥类建材来消耗水泥厂或电厂产生的二氧化碳废气、深地环境的碳固存及岩石风化或co2矿化等研究中的应用。

26、本发明优选的所述的应用中，将所述的建筑材料碳化试验系统用于建筑材料高浓度碳化测试，包括：将建筑材料试块置于所述的建筑材料碳化试验系统釜式反应装置的气密反应罐体中，先通过所述釜式反应装置的抽真空装置将所述气密反应罐体内抽真空至负压，再通过所述釜式反应装置的二氧化碳气体输入装置迅速向所述气密反应罐体内充入二氧化碳气体，使所述气密反应罐体内气压达到常压且二氧化碳浓度达到90%以上，然后基于釜式反应装置的传感器组的检测，通过所述釜式反应装置的温度调节装置、湿度调节装置和气压调节装置调节所述气密反应罐体内的温度、湿度和气压达到预设值，再按照常规方法观察所述试块的吸碳性能。

27、本发明优选所述的应用中，所述建筑材料碳化试验系统在消耗水泥厂或电厂产生的二氧化碳废气的应用是将所述建筑材料碳化试验系统用于建筑材料的碳养护。具体可以是：将水泥窑烟气的co2捕集后，通过本发明所述的建筑材料碳化试验系统的二氧化碳气体输入装置输入所述的气密反应罐体内对建筑材料进行碳养护，在1bar-15bar区间压力和常温下进行恒压快速反应，2小时完成养护过程。不仅可以大大节约养护成本，而且建筑材料吸收co2后强度明显增加，可在消耗烟气的同时体现明显的“低碳效益”优势。

28、本发明优选所述的应用中，所述建筑材料碳化试验系统在消耗水泥厂或电厂产生的二氧化碳废气的应用是将所述建筑材料碳化试验系统用于建筑材料耐久性的研究。本发明所述建筑材料碳化试验系统可通过提高试验环境温度和压强来加速建筑材料试件的碳化，从而达到缩短试验周期的目的。

29、本发明优选所述的应用中，所述的建筑材料碳化试验系统在深地环境的碳固存中的应用是将所述的建筑材料碳化试验系统作为试验装置用于：①研究无机建材在高温、高压条件下的co2的吸收、②开展温度、压强等因素对碳化规律影响的研究、③研究不同地层环境下co2稳定的温度、压力的关系，以推进无机建材“碳汇技术”、“地质封存技术”或“岩石风化及co2矿化”技术的研究。

30、本发明优选所述的应用中，所述的建筑材料碳化试验系统在岩石风化或co2矿化中的应用，是将所述的建筑材料碳化试验系统作为试验装置用于在高温、高压下模拟加速风化和co2矿化过程，用于研究如何加速与加大co2的汇集与稳定。

31、在本领域中，传统认为混凝土对二氧化碳的吸收能力需要在高压状态下测试，但是本发明人认为，从二氧化碳在混凝土中进入并发生反应的原理来看，在常压下、高浓度二氧化碳气体中测试，能够获得更加真实的混凝土对二氧化的碳吸收能力。一方面，混凝土是不容易透气的，原因是混凝土中的胶凝材料与砂子及石子，通过水化反应后结合度比较高，强度越高的混凝土内部密实性越强，几乎不存在通孔，导致外部气体难以顺利扩散至其内部。但是另一方面，混凝土中又存在大量盲孔，盲孔中是存在空气的，盲孔中这些空气也成为了外部气体渗透至内部的阻碍。传统的高浓度混凝土碳化试验中，测试条件为高压，盲孔里面的空气在外部高压的存在下不但不容易排出，还会被压缩，造成测试过程中混凝土试块盲孔中二氧化碳的浓度与其外部的二氧化碳浓度存在很大的差异，并且外部的二氧化碳不易进入盲孔中被充分吸收。尽管每个盲孔空间有限，但当试块内大量分布的盲孔都不能充分吸收二氧化碳时，对于试块吸碳能力整体的影响将是显著的。

32、本发明所述的测试方法采用先抽真空、后充入二氧化碳的方式，在二氧化碳充入前，由于处于负压的状态下，混凝土试块内部盲孔内的气体会很好的排出，并形成真空体，二氧化碳充入后很容易被吸入到混凝土试块中并得以顺利渗透至混凝土试块内部的每个角落和孔隙，再加上充入二氧化碳达到常压时，混凝土中盲孔内的二氧化碳浓度基本上是与外部传感器测量的浓度一致的。这样解决了两个问题：1）在试块内部形成负压后二氧化碳更容易进入混凝土内部，可以快速测量二氧化碳的吸收率，从而实现快速评价；2）在常压下进行测试可以减少正压或高压带来的安全隐患，对试验室设备承压能力及人员资质的要求大大降低。本发明所述的碳化试验一般都是在高校或研究机构进行，如果能够在常压情况下满足高浓度的试验要求，将会大大降低试验风险。

33、基于相同的原理，本发明上述测试方法同样适用于其他多孔结构的无机建筑材料的碳化试验。