CN115075221B - 一种钙质砂快速固化方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种钙质砂快速固化方法，涉及岛礁工程中的钙质砂加固技术领域。方法具体为通过向钙质砂施加硫酸锌溶液实现钙质砂的快速固化。本发明方法简单，操作方便，能够适用于南海岛礁吹填工程的现场。相比MICP技术加固钙质砂需要进行细菌接种、培养、分离、提纯一系列复杂操作，难以进行大规模工程应用，本发明方法在工程应用的可行性上优于MICP技术。

Description

一种钙质砂快速固化方法
技术领域
本发明涉及岛礁工程中的钙质砂加固技术领域，特别是涉及一种钙质砂快速固化方法。
背景技术
珊瑚礁上的钙质砂颗粒含有内孔隙、形状不规则、颗粒强度低、易发生颗粒破碎。热带和亚热带海域环境恶劣，风暴频发，降水频繁，尤其是在吹填施工初期，钙质砂颗粒松散，容易受到短历时强降雨和潮汐冲刷作用而导致颗粒流失，如果不进行防治，就会对工程的稳定性造成不利影响。因此，本发明提供一种钙质砂快速固化方法，改善钙质砂的抗冲刷性能，使其能在恶劣的自然条件下保持良好的工程稳定性，对于岛礁工程建设领域具有重要意义。
发明内容
基于上述内容，本发明提供一种钙质砂快速固化方法，改善钙质砂的抗冲刷性能，使其能在恶劣的自然条件下保持良好的工程稳定性。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
本发明技术方案之一，一种钙质砂快速固化方法，通过向钙质砂施加硫酸锌溶液实现钙质砂的快速固化。
进一步地，所述硫酸锌溶液为硫酸锌水溶液；所述硫酸锌水溶液的浓度为0.4-1.4mol/L。
进一步地，所述施加的方式为喷淋；所述喷淋的过程中水力为2-5L/min·m2，溶液的沁润深度不小于3cm。
在实际施工过程中，可根据实际情况确定溶液浓度和喷洒加固次数。
进一步地，所述施加的方式为注浆；所述注浆的压力为0.5-1.0MPa。
进一步地，向钙质砂施加硫酸锌溶液前还包括夯实钙质砂的步骤。
进一步地，向钙质砂施加硫酸锌溶液后还包括加热的步骤。
进一步地，所述加热的温度为40-60℃，时间为0.5-2h。
通过向钙质砂施加硫酸锌溶液进行加固，在常温条件下就能进行，在施加硫酸锌溶液后进行加热是为了取得更好的加固效果；在实际施工过程中，如果现场温度较高，比如南海的高温天气，地面温度可达到50度以上，则无需进行额外加热操作即可达到加热处理后的效果。
本发明技术方案之二，一种钙质砂基坑的边坡加固方法，通过向钙质砂基坑的表面喷淋硫酸锌溶液实现加固。
本发明技术方案之三，一种钙质砂岸堤防冲刷的加固方法，通过向钙质砂岸堤的表面喷淋硫酸锌溶液实现加固。
本发明技术方案之四，一种岛礁吹填过程中防止钙质砂颗粒流失的加固方法，通过向钙质砂表面喷淋硫酸锌溶液，使其与钙质砂发生化学反应生成石膏和碳酸锌矿物，使钙质砂颗粒胶结实现土体的加固。
在吹填施工时使用硫酸锌溶液对钙质砂进行加固，可避免吹填施工中因波浪冲刷导致的砂土流失。
本发明技术方案之五，一种钙质砂地基的加固方法，通过压力注浆的方式向钙质砂地基注入硫酸锌溶液实现地基的加固。
本发明技术构思：
钙质砂的矿物成分中有90％以上为方解石，其化学成分为碳酸钙(CaCO3)，选择硫酸锌(ZnSO4)来对钙质砂进行化学加固，碳酸钙与硫酸锌反应形成菱锌矿(ZnCO3)和石膏(CaSO4·2H2O)两种固体物质，避免了产生一些会对环境造成危害的副产物，而且硫酸锌与方解石反应时不会产生酸性环境而削弱钙质砂的强度。相应的化学反应式如下式：
Figure BDA0003748725320000031
根据上述反应，使用硫酸锌溶液处理钙质砂，Ca2+与Zn2+在方解石晶格内交换，形成菱锌矿(ZnCO3)和石膏(CaSO4·2H2O)。在方解石群中，菱锌矿属于硬度较高、比重较大的一种，不溶于水，无毒。菱锌矿的莫氏硬度为4.5，相比于莫氏硬度为3的方解石其硬度提高50％，这可以提高钙质砂颗粒的硬度，减少颗粒破碎。另一种生成物为石膏，白色无毒，不溶于水，菱锌矿和石膏充填于钙质砂颗粒的孔隙中，作为胶结物在钙质砂颗粒间形成相互连接的网络结构，充填钙质砂颗粒本身的孔隙，使钙质砂更加密实。
本发明公开了以下技术效果：
本发明方法简单，操作方便，能够适用于南海岛礁吹填工程的现场。相比MICP技术加固钙质砂需要进行细菌接种、培养、分离、提纯一系列复杂操作，难以进行大规模工程应用，本发明方法在工程应用的可行性上优于MICP技术。
本发明加固效果好，从单轴压缩试验可知本发明方法的加固效果是要优于MICP方法的。
MICP技术加固钙质砂所用的尿素水解细菌价格昂贵，而本发明方法仅采用硫酸锌水溶液作为加固液，成本较低。
本发明方法环境适应性好，本发明方法反应产物为菱锌矿和石膏，这两种矿物都是对环境无害的固体物质，不溶于水。而MICP技术加固钙质砂所使用的细菌难以适应南海工程现场的极端环境，会造成细菌大量死亡从而大大减弱加固效果，并且注入菌液后的微生物生态安全监测也是必须要考虑的问题。
本发明方法加固效率高，从贯入试验可以看出，加固大约4h后，表面强度达到峰值，之后表面强度几乎不再变化，这说明反应4小时后，加固液几乎完全反应。而在2h的时候，表面强度能达到峰值强度的65％，说明在2h时，有大部分的加固液已经参与化学反应。这表明本发明方法的化学反应效率是很高的，提高了在一些突发状况下对工程进行抢救的可能性和效果，例如防渗和暴风雨前的加固护坡。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图进行介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例1钙质砂加固前后的照片，其中，左图为钙质砂加固前的照片，右图为钙质砂加固后的照片；
图2为本发明实施例1钙质砂加固前后的SEM图，其中，左上图及左下图为放大200倍，右上图及右下图为放大300倍；
图3为本发明实施例2所制备的用于单轴压缩试验的样品照片；
图4为本发明实施例2不同浓度硫酸锌溶液与钙质砂加固后圆柱样的单轴抗压强度试验结果和相应的线性拟合曲线；
图5为本发明实施例3不同浓度的硫酸锌溶液与钙质砂加固后贯入阻力随深度的变化规律，其中，
a表示0.4mol/L硫酸锌溶液加固后贯入阻力随深度的变化规律；
b表示0.6mol/L硫酸锌溶液加固后贯入阻力随深度的变化规律；
c表示0.8mol/L硫酸锌溶液加固后贯入阻力随深度的变化规律；
d表示1.0mol/L硫酸锌溶液加固后贯入阻力随深度的变化规律；
e表示1.2mol/L硫酸锌溶液加固后贯入阻力随深度的变化规律；
f表示1.4mol/L硫酸锌溶液加固后贯入阻力随深度的变化规律。
具体实施方式
现详细说明本发明的多种示例性实施方式，该详细说明不应认为是对本发明的限制，而应理解为对本发明的某些方面、特性和实施方案的更详细的描述。
应理解本发明中所述的术语仅仅是为描述特别的实施方式，并非用于限制本发明。另外，对于本发明中的数值范围，应理解为还具体公开了该范围的上限和下限之间的每个中间值。在任何陈述值或陈述范围内的中间值以及任何其他陈述值或在所述范围内的中间值之间的每个较小的范围也包括在本发明内。这些较小范围的上限和下限可独立地包括或排除在范围内。
除非另有说明，否则本文使用的所有技术和科学术语具有本发明所述领域的常规技术人员通常理解的相同含义。虽然本发明仅描述了优选的方法和材料，但是在本发明的实施或测试中也可以使用与本文所述相似或等同的任何方法和材料。本说明书中提到的所有文献通过引用并入，用以公开和描述与所述文献相关的方法和/或材料。在与任何并入的文献冲突时，以本说明书的内容为准。
在不背离本发明的范围或精神的情况下，可对本发明说明书的具体实施方式做多种改进和变化，这对本领域技术人员而言是显而易见的。由本发明的说明书得到的其他实施方式对技术人员而言是显而易见的。本发明说明书和实施例仅是示例性的。
关于本文中所使用的“包含”、“包括”、“具有”、“含有”等等，均为开放性的用语，即意指包含但不限于。
本发明中所述的“份”如无特别说明，均按质量份计。
实施例1
对钙质砂进行加固处理，具体如下：喷淋50ml的0.8mol/L的硫酸锌溶液于钙质砂表面，观察其在24h后的微观形貌变化。
本实施例中钙质砂加固前后的照片以及SEM图分别如图1(照片)、图2(SEM图)所示。图1中，左图为钙质砂加固前的照片，右图为钙质砂加固后的照片；图2中，左上图及左下图为放大200倍，右上图及右下图为放大300倍。图2中显示，反应生成的石膏沉淀填充了钙质砂颗粒的内空隙和颗粒间的间隙，在颗粒之间形成了胶结，这不仅使得钙质砂的孔隙率显著下降，还使得原本钙质砂颗粒的多棱角变得圆滑，颗粒之间的胶结使得颗粒之间的接触面变大，有利于减小应力集中，这都有助于减少颗粒破碎；
加固前的钙质砂颗粒松散，无粘聚力，在水流的冲刷作用下极容易发生颗粒流失。加固后的钙质砂颗粒间及孔隙中会生成石膏，对松散的颗粒形成胶结，强度和密实度明显提高，具有优良的抗水流冲刷的能力。对比钙质砂加固前后(图1)可以明显看出，加固后的钙质砂表面更加致密，孔隙被填充，对加固后的钙质砂进行SEM微观试验(图2)，可以观察到钙质砂颗粒表面的孔隙都被生成物覆盖，颗粒间已经看不见明显的孔隙。
实施例2
单轴抗压强度常被用来评价加固效果，对加固后的钙质砂进行单轴压缩试验和贯入试验来评价其力学性能，检验加固效果，并与MICP加固技术的加固效果进行对比。
采用本发明加固方法的单轴压缩试验：使用多功能液压制样机进行制样，用于单轴压缩试验的试样直径50mm，高度100mm，样品(如图3所示)制作完成后，将每个样品都放入少量加固液(300mL)中静置3小时，以使加固液能与试样内部钙质砂颗粒进行反应，然后取出样品，擦干表面水分，将砂柱样品放入50℃烘箱养护约48小时，直到样品质量不再变化，然后进行单轴压缩试验，加载速率为1.0mm/min，直到样品破坏。
图4为使用本发明方法得到的不同浓度的硫酸锌溶液与钙质砂加固后圆柱样的单轴抗压强度曲线和相应的线性拟合曲线。可以看出，加固液浓度与砂柱的单轴抗压强度有较好的线性关系，随着浓度的提高，单轴抗压强度线性增长，在本发明方法中，0.4mol/L的加固液能使砂柱的单轴抗压强度达到2.0MPa，而1.4mol/L的加固液最高能使砂柱的单轴抗压强度达到8.59MPa，这说明采用本发明方法的加固效果是明显的。
查阅相关的MICP(微生物诱导的方解石沉淀)加固钙质砂的文献([1]李昊，唐朝生，刘博，吕超，程青，施斌.模拟海水环境下MICP固化钙质砂的力学特性[J].岩土工程学报,2020,42(10):1931–1938；[2]Liu L,Liu H,Stuedlein A W,et al.Strength,stiffness,and microstructure characteristics of biocemented calcareous sand[J].Canadian Geotechnical Journal,2019,56(10):1502–1513.DOI:10.1139/cgj-2018-0007.[3]董博文，刘士雨，俞缙，肖杨，蔡燕燕，涂兵雄.基于微生物诱导碳酸钙沉淀的天然海水加固钙质砂效果评价[J].岩土力学,2021,42(4):1104–1114.等)，并与MICP方法加固的钙质砂柱的单轴抗压强度进行比较，可以看出，MICP技术加固后的钙质砂柱的单轴抗压强度多集中在2MPa左右，本发明方法加固的钙质砂柱的单轴抗压强度远高于MICP加固钙质砂柱的单轴抗压强度。
值得注意的是，本发明方法对砂柱进行加固的周期仅为3h，即使用加固液对砂柱进行侵泡，用于侵泡的加固液的体积仅为300ml，而MICP方法的加固流程大致如下：注浆液包括培养48h后处于稳定期的菌液，固定液和矿化溶液。矿化溶液中的有效成分为尿素和氯化钙，其物质的量比为1:1。注浆加固时，先注入100mL(约1.5倍砂柱体积)的菌液，间隔6h后注入10mL固定液(0.05mol/L的CaCl2)，再间隔6h注入矿化溶液，完成一天的加固处理。为保证矿化效果，将钙质砂MICP加固处理的时间设置为5d。
可见，MICP方法加固钙质砂的加固周期远长于本发明方法，无法用于工程抢险，且流程复杂，远没有本发明方法的操作简单实用。并且加固后的钙质砂的效果也不及本发明方法。
实施例3
对表面加固后的钙质砂进行贯入试验，研究不同浓度加固液的加固效果和表面强度随时间的增长规律。对钙质砂的加固方法具体如下：在实验室对现场加固条件进行模拟。将钙质砂样品装入圆形容器，表面加固试验模拟的是使用喷洒沁润的方式对钙质砂表面进行加固。试验用砂为取自南沙群岛某岛礁的原始级配的钙质砂，去除尺寸过大的砾块，不对钙质砂进行任何处理，保持其原始性状，以模拟南海岛礁实际的工程加固环境。硫酸锌溶液的浓度设置为：0.4mol/L，0.6mol/L，0.8mol/L，1.0mol/L，1.2mol/L，1.4mol/L。使用喷淋工艺将加固液均匀喷洒在钙质砂表面。控制所有的加固试验所使用的加固液的体积相等(约80g)，浸润深度为3cm，反应环境温度保持在27℃。加固完成后，使用微型贯入仪测试表面强度，探针针头直径为2.0mm，贯入速率为5mm/min。
图5为贯入阻力随深度的变化规律，可以看出，贯入阻力随贯入深度先迅速升高，然后进入一个较为稳定的阶段，而后逐渐降低，最终在较低范围内波动，趋于稳定。这说明加固效果主要集中在浅表面，因为在喷淋加固时，表层处的钙质砂在喷淋作用下与加固液接触充分，所以能形成更强的颗粒胶结，而下层钙质砂接触到的加固液较少，因此形成的胶结也较弱。可以看到，当强度趋于稳定后的贯入强度是有一定离散性的，因为下部钙质砂接触到的加固液是表面喷淋的加固液顺着颗粒间的孔隙渗入下去的，所以由于颗粒排列的不规则性使得下层的每个地方接触到的加固液的多少是不同的，所以下部各处的胶结程度是不均匀的，但稳定贯入阻力的整体趋势随着时间有一定增长。
为了更加直观地表现加固效果，在试样中加入与贯入试验使用的加固液同体积的纯水(约80g)，然后进行贯入试验，添加纯水仅仅是为了使样品达到与使用加固液一样的湿润效果，而并不会使试样产生胶结。从试验曲线可以看到，仅仅添加纯水的试样的贯入曲线与使用加固液的试样的贯入曲线有很大不同，随着贯入深度增加，贯入阻力近似线性增加，而没有出现类似于使用加固液后贯入初期的贯入阻力急速上升的情况。
实施例1-3的室内试验证明了本发明方法对钙质砂的优良固化效果，表明本发明方法能够用于南海岛礁吹填工程。
在实际应用中，对边坡表面加固可选择0.6-1.4mol/L的加固液(硫酸锌水溶液)，加固深度不小于3cm，针对突如其来的暴雨进行固坡建议使用高浓度硫酸锌溶液；对地基进行加固可选择浓度较高的加固液，由于工程现场环境复杂，故添加量及加固次数都应该根据实际工程需求确定。
加固液(硫酸锌水溶液)使用纯水配置，配置过程中应避免溶液与身体的脆弱部位接触。考虑到本方法反应迅速，加固效果明显，因此，对于一些需要表面加固的工程来说，例如钙质砂基坑的边坡加固、岸堤防冲刷加固和岛礁吹填过程中防止颗粒流失的加固，建议使用喷淋装置，采用喷淋工艺(溶液浓度为0.6-1.4mol/L，喷淋量应不小于拟加固钙质砂的孔隙体积)，喷淋加固过程中水力可控制为2-5L/min·m2，且应均匀喷洒，建议溶液的沁润深度为5cm左右，可根据实际情况确定溶液浓度和喷洒加固次数。对于地基加固，可以使用传统的压力注浆方式，注浆压力为0.5-1.0MPa，将加固液注入到钙质砂中。
优选的，对喷洒过加固液的钙质砂地基表层使用振动压路机进行碾压密实，使钙质砂的压实度达到80％以上，再次进行2-5L/min·m2喷淋加固(溶液浓度为0.6-1.4mol/L，喷淋量应不小于拟加固钙质砂的孔隙体积)，完成后在加固砂体上覆重物(50kg/m2)，保持其反应过程的使地基达到胶结密实状态。
更优选的，对加固砂体上覆重物(50kg/m2)，保持其反应过程的密实状态约1d后对固结好的钙质砂体进行加热处理，温度控制在40-60℃，时间为0.5-2h，现场工况复杂，在无相应设备时可于高温少雨天气进行固化处理，促使内部的二水石膏转化为半水石膏，进一步提高加固效果(实际上南海在高温天气现场地面温度能达到50度以上，无需进行额外加热操作即可达到加热处理后的效果)。加固过程中和完成后勿践踏或扰动砂体，以免破坏颗粒之间的胶结。
本方法中使用的硫酸锌完全溶于水，这意味着必须考虑水生环境中的毒理学效应，硫酸锌溶液对皮肤无刺激，可用作动物缺锌时的营养料、畜牧业饲料添加剂、农作物的锌肥，硫酸锌溶液与钙质砂反应生成菱锌矿和石膏，这两种矿物都是对环境无害的固体物质，不溶于水。Zn2+被认为是无害的，甚至在某些情况下被用作膳食补充剂，同时海水中本就含有大量的Zn2+和
Figure BDA0003748725320000111
所以适量的硫酸锌溶液对海洋环境是无害的，并且本方法的反应效率很高，能在数小时内完成加固反应，所以操作得当是不会造成环境和生态问题的。
以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (2)

1.一种钙质砂快速固化方法，其特征在于，通过向钙质砂施加硫酸锌溶液实现钙质砂的快速固化；
所述硫酸锌溶液为硫酸锌水溶液；所述硫酸锌水溶液的浓度为0.4-1.4mol/L；
所述施加的方式为喷淋或注浆；当所述施加的方式为喷淋时，喷淋的过程中水力为2-5L/min·m2，溶液的沁润深度不小于3cm；当所述施加的方式为注浆时，注浆的压力为0.5-1.0MPa；
向钙质砂施加硫酸锌溶液后，还包括加热的步骤；所述加热的温度为40-60℃，时间为0.5h-2h。
2.根据权利要求1所述的一种钙质砂快速固化方法，其特征在于，向钙质砂施加硫酸锌溶液前还包括夯实钙质砂的步骤。
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