碳化反应氧化镁处理淤泥的强度和变形特性
摘要:通过一系列无侧限压缩试验，研究了活性氧化镁含量的影响(分别)和碳化时间工程性质包括明显的特征,应力-应变关系和变形活性氧化镁处理淤泥的强度特性。采用活性氧化镁处理不同含量的土壤在不同的时间段里加速碳化，然后对其进行UCTs处理。结果表明，活性氧化镁含量和碳化时间对上述土体工程性质有显著影响。研究发现，随着反应MgO含量的增加，在一定的碳化时间(lt;10 h)，土的无侧限抗压强度(qu)增大，而含水量和裂缝量减小。活性MgO的阈值含量存在于曲木的开发约在10 h左右，存在约25%的临界碳化时间。一个简单而实用的strength-prediction模型,考虑两个变量的反应分别以内容和碳化时间,提出了处理过的碳化反应氧化镁土壤。将预测值与实测值进行了比较，表明该模型具有较好的精度。
关键词:二氧化碳;加速碳化;活性氧化镁;无侧限抗压强度;strength-prediction模型
1介绍
紧急环境问题相关的温室气体的排放是常见的在中国和许多其他国家[1-2]。二氧化碳(CO2)是主要的温室气体，其全球年排放量在2020年可达8 - 12亿吨，2050年可达6 - 23亿吨[3]，大气中CO2浓度的增加被认为是物种灭绝以及全球平均温度和海平面上升的主要原因之一，之前的研究报道过[4]。水泥工业在增加二氧化碳排放方面起着重要作用。因此，为了减少二氧化碳的排放或开发处理二氧化碳排放的创新技术，人们作出了巨大的努力来寻找普通硅酸盐水泥(OPC)的替代品。以往的技术可分为:1)物理方法如地质封存、海洋储存;2)化学方法如碳吸附(如干循环固体吸附剂、功能离子液体)、电化学反应,无机化学反应和矿物碳化,3)造林等生物方法,植物和微生物使用[5-7]。最近,提出了两种创新方法:一种是使用反应性氧化镁(MgO)部分取代OPC水泥或混凝土糊，而另一种是用的活性氧化镁作为粘结剂稳定软土时被受到碳化。反应性MgO在生产和应用上均优于OPC。首先，在生产方面，反应性MgO为由菱镁矿(MgCO3)在低窑中煅烧而成温度(小于750°C)与OPC相比生产(超过1450°C),从而大大降低燃料消耗。此外,在应用方面,采用活性染料,在碳化过程中,可以吸收二氧化碳排放的工业实践,比如氧化物煅烧[9,12-13]。
活性MgO水泥是在2001年初由澳大利亚科学家哈里森发明的[8-10]。以往对其的研究主要是在剑桥大学进行的，主要研究其基本性质(如水化性质、微观结构、力学性质、碳化等)分别和活性氧化镁和活性氧化镁水泥多孔块的形式[14-19]。在反应性MgO碳酸化性能检测中，固结和软土改良被认为是两种二氧化碳的未来技术，可实现在足够的气态二氧化碳同时快速提高土壤的强度和吸收能力[11,20-22]。此外，它还广泛应用于土壤重金属或其他污染物的稳定和城市固体废物燃烧残留物的固化[21,23]。碳酸化包括自然碳酸化和加速碳酸化，是碱性物质(如CaO、MgO)与气态CO2的反应[7]。自然碳酸化反应非常缓慢，而加速碳酸化反应可以在几个小时内完成反应[6]，而后者已经在剑桥大学的实验室调查中成功完成[12,14,16,24]。例如LISKA和AL-TABBAA[16]观察到反应性MgO处理砌块在20% CO2的加速碳化作用下抗压强度有明显提高，反应性MgO的碳化速率随着CO2浓度的增加而增加[14,16]。
值得注意的是，反应性MgO不能直接形成热力学稳定的MgCO3。然而，在相对湿润的条件下，当暴露在足够的CO2环境下，可以迅速水合形成较弱的水镁石(Mg(OH)2)，水镁石又可以形成镁碳酸盐(如MgCO3, 碳酸镁石(MgCO3·3H2O)， 多水菱镁矿(MgCO3·5H2O))。然而,,MgCO3·3H2O是一种低温碱性土壤中发现和其形成不稳定的温度超过50°C[25];与此同时,它将很容易转换成MgCO3·5H2O或其他更稳定的碳酸盐(例如,纤菱镁矿(Mg2(OH)2二氧化碳·3 h2o),水菱镁矿(Mg5(二氧化碳)4(OH)2·h2o)和球碳镁石(Mg5(二氧化碳)4(OH)2·5 h2o))可转换成氧化物由脱水100至300°C,而氧化物之间也可以脱碳转化为MgO 从350和600°C。上述碳酸盐在其结构中均吸收水分[12,14]，其强度均大于Mg(OH)2。以往的研究已经证明，水的含量和二氧化碳浓度对Mg(OH)2向镁碳酸盐的转化及整个碳化过程有很大的影响。UNLUER和AL-TABBAA认为[24]，结构致密的MgCO3·3H2O比其他类似混合物(如Mg5(CO3)4(OH)2·5H2O/Mg5(CO3)4(OH)2·4H2O)具有更高的强度，从Mg(OH)2转化而来的mg3·3H2O具有显著的体积膨胀(约2.34倍)，孔隙度减小，刚度增大。造成上述现象的原因可能是MgCO3·3H2O的纤维状和针状晶体的生长，这是其微观结构强度的主要贡献因素，尤其是与其他碳酸盐相比较,呈圆形或圆形表格晶体[25]，独立于颗粒大小[26]。
大多数以前的研究[11-12,14,16,20,24,27)是仅仅关注碳酸混凝土的强度特性,其中反应性MgO为碳化混凝土是水泥的替代品或添加剂。采用无侧限压缩试验(UCTs)、x射线衍射(XRD)和扫描电镜(SEM)[11]研究了碳化后的活性镁土共混物的性能。然而,很少有研究这样进行了广泛的评估反应性MgO含量与碳化时间,应力-应变关系,碳化材料的变形和强度特性有关的明显特征。因此,这项工作的目的是提出一个全面的调查研究了反应性氧化镁含量和碳化时间的影响在上述工程性质以及简化的实证方法近似预测无侧限抗压强度(qu)在不同活性分别以内容和碳化时间的基础上的实验数据。
2实验程序
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