CN108291381A - 用于形成开垦结构的方法和系统 - Google Patents

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Abstract

一种形成结构的方法包括a)挖掘材料；b)使材料均质化；c)确保材料中的铝硅酸盐含量；d)增加材料的碱含量；e)使材料发泡；和f)将材料注入到表面上，其中当注入时材料形成泡沫状结构。

Description

用于形成开垦结构的方法和系统
背景技术
在疏浚土地开垦(reclamation，再生，复垦)时，疏浚(dredged，挖掘)的集料通常被挖掘，运输到新的位置，然后通过倾倒或其他方式堆放以形成新的土地。新建土地的体积、稳定性和侵蚀性受形成新土地的施加质量的规模和密度的影响。通过添加天然石材或其他技术来增加密度，例如施加振动，可以添加防护等级。开垦土地的大小等于疏浚的集料的施加质量，因此也与疏浚的集料运送到开垦地点的运输能力成比例。
用于土地开垦的典型材料是沙土。由于开垦沙土(再生沙土)在世界许多地方都是稀缺商品，因此它通常必须从其他地方开采并运输到新位置。这可以导致运输成本高以及挖掘沙土的地区的不利环境影响。
发明内容
根据本发明的第一方面，一种形成结构的方法包括：a)挖掘材料；b)使材料均质化；c)确保材料中的铝硅酸盐含量(aluminosilicate level，铝硅酸盐水平)；d)增加材料的碱含量(alkaline level，碱水平，碱性水平)；e)使材料发泡；和f)将材料注入到表面上，其中在注入时材料形成为泡沫状结构。
这种方法允许形成具有疏浚的材料的结构，其不受容纳疏浚的材料的运输船(或其他装置)的容量限制。这还可以降低所需的运输成本并且能实现使用当地材料。因为该方法允许用形成泡沫状结构的材料来形成结构，因此所形成的结构可以膨胀到大于被疏浚(和运输)的材料的体积。这种方法还允许使用以前认为不适合土地开垦的材料，例如粘土或粘土混合物，以形成稳定的结构。
根据一个实施方式，步骤b)还包括分析混合物的水含量；并通过加入或除去混合物中的水来调节混合物的水含量。
根据一个实施方式，步骤d)包括添加碱性材料。适当的碱含量确保铝硅酸盐溶解在混合物中以允许适当发泡。
根据一个实施方式，步骤c)包括向该混合物中加入粘合剂材料。可选地，粘合剂材料包括飞灰、高炉矿渣、煅烧粘土、废玻璃、废石和/或岩棉。加入粘合剂可以用来调节混合物中的铝硅酸盐的含量，以使得能够从该方法形成期望的结构。
根据一个实施方式，在一个或多个混合室中进行步骤b)至e)中的一个或多个。
根据一个实施方式，使用计量系统(dosing system，给料系统)来进行该方法的一个或多个步骤。可选地，计量系统可以包括一个或多个喷嘴。这样的计量系统可以帮助确保添加精确量的不同材料以确保期望的混合物。
根据一个实施方式，步骤f)包括使用注入嘴注入材料。注入嘴可以帮助将材料引导至期望的放置区域和/或表面。
根据一个实施方式，材料被注入到海底表面上。因此，该方法可用于土地开垦和/或建造海底结构。
根据一个实施方式，一旦注入，泡沫状结构就固化。
根据一个实施方式，泡沫状结构被设计成基于形成结构的压力、使用的材料和/或其他因素在一定的时间段(certain time period，一段时间)内形成。这可以确保适当的沉降和固化，无论注入表面如何。
根据一个实施方式，步骤e)包括将空气机械混合到材料中。这可以在混合器和/或使用喷嘴进行以将空气注入材料中。
根据一个实施方式，步骤e)包括将材料加压并将压缩空气加入材料中。这种加压和添加压缩空气使加压材料的压力高于其中它被注入的环境的压力。一旦注入，加压材料就膨胀以形成坚硬泡沫状结构。
根据一个实施方式，步骤e)包括将发泡剂加入到材料中。发泡剂可以是例如过氧化氢，其充当另外的催化剂以将过氧化氢分解成水和氧气。在该情况下，催化点火剂也可以用来点燃化学反应。
根据一个实施方式，步骤e)包括将金属粉末添加到材料。金属粉末可以触发放热反应，导致有机污染物或金属粉末在混合物内部产生膨胀的气泡。可选地，催化点火剂也可以与金属粉末一起使用以进一步控制反应和发泡。
根据一个实施方式，步骤a)包括疏浚(dredging)材料。
根据本发明的第二方面，开垦系统(reclamation system，再生系统)包括用于挖掘材料的装置；用于利用材料形成混合物的混合系统(mixing system for forming amixture with the material，用于与材料形成混合物的混合系统)，混合系统还能够使混合物均质化，确保混合物中恰当的(correct，正确的)铝硅酸盐含量，和/或增加混合物中的碱含量；以及注入系统，用于将混合物注入到表面上，其中一旦注入，混合物将形成为泡沫状结构。这样的开垦系统可以允许使用局部(local，当地)材料以形成稳定的结构，其体积可以大于挖掘的材料的体积。
根据一个实施方式，注入系统包括具有注入嘴的注入管，用于将混合物注入到表面上。具有注入嘴的注入管可以确保以受控的方式注入材料以形成期望的结构。
根据一个实施方式，注入系统还包括用于将空气机械混合到混合物中的装置、用于向混合物中添加发泡剂的装置、用于添加金属粉末和催化点火剂的装置和/或用于将混合物加压以及将压缩空气加入到混合物中的装置。可选地，用于将空气机械混合到混合物中的装置、用于向混合物中添加发泡剂的装置、用于添加金属粉末和催化点火剂的装置和/或用于将混合物加压以及将压缩空气加入到混合物中的装置包括一个或多个混合室。
根据一个实施方式，用于挖掘材料的装置是船。可选地，该船是挖泥船。
根据一个实施方式，混合系统包括分析系统以分析混合物的含量。可选地，分析系统还包括用于调节混合物的水含量的系统。进一步可选地，分析系统可以连续地检测和/或调节混合物中的水、材料、粘合剂和/或其他添加剂的含量。
根据一个实施方式，系统还包括用于将材料、粘合剂、水和/或其他添加剂注入混合系统中的计量系统。计量系统可以包括一个或多个喷嘴。计量系统可以确保精确和恰当的量的组分被添加到混合物中以形成适当的结构。
根据一个实施方式，混合系统通过添加碱性材料确保混合物中的恰当的碱含量。确保恰当的碱含量确保用于期望的发泡和结构形成的适当的化学反应可以发生。
根据一个实施方式，混合系统通过添加粘合剂确保混合物中恰当的铝硅酸盐含量。可选地，粘合剂包括飞灰、高炉矿渣、煅烧粘土、废玻璃、废石和/或岩棉。
根据一个实施方式，一旦注入，混合物就固化成泡沫状结构。基于所用材料、注入区域的压力等，该固化可以被设计为在一定的时间段内发生。这允许形成固体结构。
附图说明
图1示出了发泡开垦系统(foaming reclamation system)的示意图。
图2示出了用于形成结构的方法的示意图。
具体实施方式
图1示出了在海床12上沉积开垦结构11的发泡开垦系统10的示意图。发泡开垦系统10包括船13、混合系统14和注入系统16。混合系统14包括料斗18、粘合剂储罐20、发泡剂储罐21、其他添加剂储罐22、泵24和混合器26。注入系统16包括催化点火剂罐28(具有泵24)、具有注入嘴32的注入管30和混合室33。注入管30连接到提升装置34，用于在海35内定位和控制。船13可以是挖泥船或另一种类型的船。
混合器26还可以具有例如一个或多个搅拌器、喷嘴和/或其他装置或组件以确保组分的适当添加和混合。喷嘴可以用于向混合物添加空气，这将在有关发泡方面更详细地讨论。
混合系统14位于船13上。料斗18、粘合剂储罐20、发泡剂储罐21和其他添加剂储罐22各自连接到混合器26。泵24将挖掘的混合物(excavated mixture)、粘合剂、发泡剂和/或任何其他添加剂中的每个泵送到混合器26。注入管30也通过提升装置34连接到船13。催化点火剂罐28被连接到注入管30以使用泵24发送催化点火剂到注入管30。注入嘴32被连接到注入管30的末端。可替换地，罐28可以存储发泡剂，在混合物已被混合后将其添加到注入系统16中的混合物中，并且可能已经经过了沉降期。
在操作中，如方法40的步骤42所示，材料(如粘土材料或粘土材料混合物)通常从海床或其他位置局部地被挖掘或疏浚。挖掘可以通过挖泥船13、另一种船或另一种挖掘手段完成。一旦挖掘，材料就被储存在料斗18中。然后，船13可以行驶到需要土地开垦的位置。可替换地，材料可被直接处理而不储存。
一旦收集，然后就将疏浚的材料均质化，如步骤44所示。该步骤可以包括根据需要调节混合物中的水含量，并且可以包括脱水成一致的混合物或者在某些情况下添加水。混合系统14可以包括分析系统，用于分析料斗18中疏浚的材料的含量，包括水含量。分析系统也可用于确定应将多少(如果有的话)粘合剂或其他材料添加到具有疏浚的材料的混合物中。典型地，期望的混合物包含40％至60％的干质量含量。
接下来，如步骤46所示，如果需要，检查并调节混合物的铝硅酸盐含量。典型地，针对待制造的结构定义硅酸盐与铝的特定比。例如，对于刚性3D结构，该比可以为约1至3。如可选的步骤48所示，可通过添加粘合剂来增加混合物的铝硅酸盐含量。所使用的粘合剂可以是例如可以储存在粘合剂储罐20中的飞灰、高炉矿渣、煅烧粘土、废玻璃、废石、岩棉等。
接下来，必须控制混合物的碱含量(步骤50)。通常，将碱含量升高至在约4至14M混合物之间或等于约4至14M混合物的含量。例如，可以通过加入氢氧化钠、氢氧化钾或等价物(其可以储存在其他添加剂储罐22中)来控制碱含量。这些碱含量确保铝硅酸盐溶解在混合物中。
可以使用计量系统将粘合剂、疏浚的材料、水和/或其他添加剂引入混合器26中，从而加入非常精确的量。材料的量和比例取决于各种因素，包括但不限于疏浚的材料的含量；使用的具体添加剂；以及要注入混合物的液体的水含量、温度和压力。混合系统14的分析系统可以连续监测混合物的含量并且自始至终调节输入含量以确保精确和一致的混合物。
疏浚的材料使用作为粘合剂添加到疏浚的材料中的材料的反应性铝硅酸盐部分的碱激活缩聚来固化。通过下式化学描述缩聚材料：
Mn[(‐SiO2)z‐AlO2]n·wH2O
在固化过程期间存在凝胶相，其中混合物的稠度具有相干性和触变性以在混合物中包含气泡。当进一步固化时，截留的气泡形成泡沫状结构，从而降低所产生的固体材料的材料体积比。混合物的发泡(步骤52)可以以许多不同的方式完成：
-将空气机械混合到凝胶状混合物中。这通常在混合器26中完成，并且可能涉及喷嘴和/或一个或多个搅拌器以引入空气并将其混合到混合物中。
-加压混合物并加入压缩空气以使混合物的压力高于其中它被注入的环境的周围压力。当加压混合物被释放到较低压力环境中时，混合物中的截留空气将膨胀并形成多孔泡沫状结构。压缩空气的添加和混合物的加压可以在混合罐26中完成，并且可以涉及连接到混合器26的喷嘴和/或加压系统。
-例如使用化学试剂作为发泡剂，使用过氧化氢作为附加催化剂以将过氧化氢分解成水和氧气。然后，可从催化点火剂罐28添加催化点火剂以点燃化学反应，该化学反应将产生用于形成多孔泡沫状结构所需的气体。可将发泡剂储存在发泡剂储罐21中并加入到混合罐26中。可替换地，可以将发泡剂储存在类似于罐28的罐中并且在混合物已经混合并且可能沉降在混合器26中之后添加。
-向混合物中加入金属粉末并可能添加催化点火剂。催化点火剂可以是例如铝或锌(包括粉末)，并且可以用于触发混合物中的放热反应，导致有机污染物或金属粉末在混合物内部产生膨胀的气泡，形成为泡沫状结构。可将金属粉末储存在其他添加剂储罐22中并在混合器26中混合。可替代地，当不需要对发泡过程进行精确控制时，例如对于不需要非常特定形状的大型结构，只能使用金属粉末(没有催化点火剂)。
可以使用注入系统16将混合物沉积在海床12上(步骤54)。如果需要，可以使用模具来成形沉积的混合物。该混合物将变成无定形固体混合物11，其中压缩强度与许多因素直接有关，包括但不限于：混合物的水与干物质的比例，该过程中存在的碱含量，混合物中的粘合剂与集料比例，固化过程的温度以及其中混合物被固化或集料被疏浚的环境的盐条件。疏浚的混合物的有机组分也可能导致最终产品的孔隙度，并降低耐久性和抗压强度。
取决于使用哪种方法来使混合物起泡，可以许多不同的方式使用注入系统16。注入管30可以与提升系统34一起下降以将注入嘴32引导到其中土地开垦开始的位置。可以从混合器26通过注入管30输送混合物。注入管30可以包括混合室33，其中添加来自催化点火剂罐28的催化点火剂和/或在一些情况下添加化学发泡剂。
可替换地，例如当空气已机械打入混合器26中的凝胶状混合物中时，混合物可从混合器26直接进入注入嘴32而不从罐28加入或从混合室33混合；混合物已被加压并且在混合器26中加入了压缩空气；或发泡剂已被加入并混合到混合器26中的混合物中。在另外的实施方式中，可以在混合室22中注入和混合发泡剂、金属粉末等，和/或混合室33可以用于将空气机械地打入混合物中或加入压缩空气并将混合物加压。
然后，通过注入嘴32将混合物注入到海床12上。当混合物被注入到海床12上时，可将更多的材料、粘合剂、其他试剂和/或水添加到混合器26中以形成更多的用于注入的材料。
注入后，在它固化之前混合物将形成第二阶段体积11。组分的适当比例和混合确保在液体压力能够使其放气之前发生固化。例如，这种固化可以在不到二十分钟的时间内发生，但可能需要长达48小时，总的固化可以持续数月。所得结构11可具有例如约1250kg/m3的密度。在一些实施方式中，可在混合器26中将玻璃或等同的微球体添加到混合物中，这可以改善发泡。由于升高的温度，这些微球体然后会在膨胀期间崩解。
在一个具体的实例中，通过疏浚作业获得港口淤泥。疏浚的混合物含有约13％的有机物质，并首先被均质化。然后，通过混合在高岭土粘土混合物中提供粘合剂，制备约32-38％干物质和62-68％水的混合物。这导致了混合物的恰当的铝硅酸盐和碱含量(8M溶液)。然后，通过加入约1％至3％的混合物的固体物质的铝粉使材料发泡。铝粉在碱性环境中反应并将混合物形成泡沫状结构。
发泡开垦系统10允许使用局部疏浚的材料形成不受运输船容量限制的开垦土地11，由此降低形成开垦土地所需的材料成本和体积。如前所述，开垦的土地通常是通过将沙土运送到期望地点并倾倒它以形成开垦土地而形成的。在其中沙土不易得到且必须从其他地方运输的地区，这使得土地开垦非常昂贵。此外，先前的系统并未将所有材料用于土地开垦，特别是粘土或粘土混合物，因为它被认为具有机械不稳定性和不适合土地开垦的质地。
发泡开垦系统10允许使用各种疏浚的材料，包括粘土和粘土混合物，用于土地开垦。使用发泡开垦系统10，可以形成土地开垦所需的大量材料，而没有过去系统的高运输成本。这是由于能够使用当地材料(例如，粘土)来降低运输成本，并且由于能够通过生产泡沫状材料将混合物膨胀成更高体积的刚性结构并确保在它放气之前固化。因此，土地量不再受运输船13的容量限制。例如，挖出的粘土材料可具有2400kg/m3的典型密度。由发泡开垦系统10形成的开垦土地结构11可具有约1250kg/m3的密度。在过去的系统中，正常运输重量与体积比为1:1。使用发泡开垦系统10，运输重量与体积比为约0.625:1。因此，使用泡沫开垦系统，可以形成相同体积的土地，其中比先前需要的粘土材料减少约40％，从而降低运输和挖掘成本。这也可以大大减少需要开采大量材料用于土地开垦的不利环境影响以及与长距离运输材料有关的不利环境影响。
在一个替代实施方式中，疏浚的材料可以是其中化学或热活化的铝硅酸盐部分已经存在于疏浚的材料中的材料。因此，向混合物中加入粘合剂的步骤48是不必要的。疏浚的材料可以用作聚合的主要粘合剂来源，并且不需要添加另外的粘合剂。当疏浚的物质来自(处理过的)尾矿和废污泥时，这是典型的。硅铝酸盐通常以这种疏浚的材料中的天然(再生)来源形式存在。
尽管在图1中将船12示出为用于挖掘诸如粘土的材料的装置，但可以使用其他装置。例如，可以使用其他疏浚或挖掘装置，例如反铲挖掘机或其他船只，例如平底船。此外，这些其他挖掘装置还可用于注入混合物以形成结构。
虽然系统10被显示为具有多个储罐20、21、22、28，但一些系统10将不包括这些中的一个或多个。例如，在其中不添加催化点火剂的系统中，相反通过将空气机械混合到凝胶状混合物中而形成泡沫状结构，催化点火剂罐28可能不存在。类似地，在其中疏浚的材料中天然存在的铝硅酸盐含量高的系统10中，可能不需要粘合剂，并且粘合剂储罐20可能不是系统10的一部分。相反，在其中将更多添加剂注入到混合物中的系统中，例如水、粘合剂、金属粉末和催化点火剂，系统中可以存在更多的储罐。
尽管以特定顺序示出和描述了该方法的步骤，但可以不同顺序执行步骤和/或可以同时执行一些步骤。可备选地，根据期望的发泡方法和/或使用的材料，在一些情况下可能省略一些步骤。
尽管已经参照示例性实施方式描述了本发明，但本领域技术人员将理解，在不脱离本发明的范围的情况下可以做出各种改变并且可以用等同物替换其元件。此外，在不脱离本发明的实质范围的情况下，可以作出许多修改以使特定情况或材料适应本发明的教导。因此，意图是本发明不限于所公开的特定实施方式，而是本发明将包括落入所附权利要求范围内的所有实施方式。

Claims (31)

1.一种形成结构的方法，所述方法包括：
a)挖掘材料；
b)使所述材料均质化；
c)确保所述材料中的铝硅酸盐含量；
d)增加所述材料的碱含量；
e)使所述材料发泡；以及
f)将所述材料注入到表面上，其中，在注入时所述材料形成为泡沫状结构。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，步骤b)还包括：
分析混合物的水含量；以及
通过添加或消除所述混合物中的水来调节所述混合物的水含量。
3.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，步骤d)包括添加碱性材料。
4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，步骤c)包括将粘合剂材料添加到混合物中。
5.根据权利要求4所述的方法，其中，所述粘合剂材料包括飞灰、高炉矿渣、煅烧粘土、废玻璃、废石和/或岩棉。
6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，在一个或多个混合室中进行步骤b)至e)中的一个或多个。
7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，使用计量系统进行所述方法的一个或多个步骤。
8.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，步骤f)包括使用注入嘴来注入所述材料。
9.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，将所述材料注入到海底表面上。
10.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，一旦注入，所述泡沫状结构就固化。
11.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述泡沫状结构被设计成基于形成所述结构的压力在一定的时间段内形成。
12.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，步骤e)包括：
将空气机械混合到所述材料中。
13.根据权利要求1-10中任一项所述的方法，其中，步骤e)包括：
将所述材料加压并将压缩空气加入到所述材料中。
14.根据权利要求1-10中任一项所述的方法，其中，步骤e)包括：
将发泡剂加入到所述材料中。
15.根据权利要求1-10中任一项所述的方法，其中，步骤e)包括：
将金属粉末加入到所述材料中。
16.根据权利要求14-15中任一项所述的方法，并且还包括：
将催化点火剂加入到所述材料中。
17.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，步骤a)包括疏浚材料。
18.一种开垦系统，包括：
用于挖掘材料的装置；
用于利用所述材料形成混合物的混合系统，所述混合系统还能够使所述混合物均质化，确保所述混合物中恰当的铝硅酸盐含量，和/或增加所述混合物中的碱含量；以及
用于将所述混合物注入到表面上的注入系统，其中，一旦注入，所述混合物就形成为泡沫状结构。
19.根据权利要求18所述的开垦系统，其中，所述注入系统包括具有注入嘴的注入管，用于将所述混合物注入到表面上。
20.根据权利要求18所述的开垦系统，其中，所述注入系统还包括用于将空气机械混合到所述混合物中的装置、用于向所述混合物中添加发泡剂的装置、用于添加金属粉末和催化点火剂的装置和/或用于将所述混合物加压以及将压缩空气加入到所述混合物中的装置。
21.根据权利要求20所述的开垦系统，其中，所述用于将空气机械混合到所述混合物中的装置、所述用于向所述混合物中添加发泡剂的装置、所述用于添加金属粉末和催化点火剂的装置和/或所述用于将所述混合物加压以及将压缩空气加入到所述混合物中的装置包括混合室。
22.根据权利要求18-21中任一项所述的开垦系统，其中，所述用于挖掘材料的装置是船。
23.根据权利要求22所述的开垦系统，其中，所述船是挖泥船。
24.根据权利要求18-23中任一项所述的开垦系统，其中，所述混合系统包括用于分析所述混合物的含量的分析系统。
25.根据权利要求24所述的开垦系统，其中，所述分析系统还包括用于调节所述混合物的水含量的系统。
26.根据权利要求24-25中任一项所述的开垦系统，其中，所述分析系统能够连续地检测和/或调节所述混合物中的水、材料、粘合剂、金属粉末、发泡剂和/或其他添加剂的含量。
27.根据权利要求18-26中任一项所述的开垦系统，并且还包括用于将所述材料、粘合剂、金属粉末、发泡剂、水和/或其他添加剂注入到所述混合系统中的计量系统。
28.根据权利要求18-27中任一项所述的开垦系统，其中，所述混合系统通过添加碱性材料来确保所述混合物中恰当的碱含量。
29.根据权利要求18-28中任一项所述的开垦系统，其中，所述混合系统通过添加粘合剂来确保所述混合物中恰当的铝硅酸盐含量。
30.根据权利要求29所述的开垦系统，其中，所述粘合剂包括飞灰、高炉矿渣、煅烧粘土、废玻璃、废石和/或岩棉。
31.根据权利要求18-30中任一项所述的开垦系统，其中，一旦注入，所述混合物就固化成为所述泡沫状结构。
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