CN115974503B - 水下抗分散流态淤泥固化剂及其制备方法与应用 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及水泥基建筑材料领域，尤其是涉及一种水下抗分散流态淤泥固化剂及其制备方法与应用，原料包括掺合料A、掺合料B、水泥、复合激发剂、减水剂、抗分散剂、膨胀剂，具有价格低廉，制备工艺简单特点，制备得到的淤泥固化土可满足海上风电桩基冲刷回填等场景水下施工要求，力学性能与抗冲刷性能优异。
Description
技术领域
本发明涉及水泥基建筑材料领域，尤其是涉及一种水下抗分散流态淤泥固化剂及其制备方法与应用。
背景技术
人类社会建筑材料的发展史离不开各种灰泥、土壤类材料，而由于社会对于绿色环保建筑的提倡，和土壤类材料在力学性能和耐久性能方面的缺陷，土壤固化剂这一类专门用来固化土壤提高其宏观力学性能的产品被广泛应用于实际工程中。
淤泥固化是目前国内外新推出的一种新型实用的复合型材料固化技术，它的工作机理是通过固化剂与淤泥中水分接触，产生一系列的水化、水解反应，生成水化产物和胶凝物质。这些胶凝物质凝结、包裹淤泥中的细小颗粒，使之团粒化，形成一个由水化胶凝物为主的骨架结构。并通过激发剂激发淤泥中次生矿物的活性，促进、稳定反应进程，从而在淤泥中形成硅酸盐类高强度架构，具备一定的结构强度。固化胶凝的成分生长，理论上历百年而不衰，在固化土形成后相当长的一段时间内控制强度稳定持续增长，寿命预测可达50-100年。然而目前的淤泥固化技术还存在以下缺陷：
首先，淤泥类固化剂研究相对较少，诸多研究参照土壤固化剂进行改造，目前土壤固化剂通常加入大量的矿物掺合料等活性成分，虽然降低了成本但是固化土的强度普遍偏低，需要加入激发组分更好的让凝胶组分水化形成强度；其次淤泥固化土更多的应用场景是水下回填，这就需要土具有一定的水下抗分散能力；此外，固化土壤类材料流动性较差，不利于在水下施工。CN101265070A公开了一种用于市政污水处理厂排水污泥和河道污泥的固化剂，原料包括硫铝酸盐水泥30～60％，石膏20～40％，石灰8～20％，促凝剂1～5％；CN101684038A公开了一种软弱土固化剂，由粉剂和液剂组成，所述粉剂是水泥、凝石或是包括如下重量份配比组成：水泥熟料0～20重量份，水渣或矿渣60～95重量份，石灰1～5重量份，石膏1～5重量份，元明粉1～5重量份，烧碱0～10重量份，水玻璃0～10重量份，氟硅酸钠0.1～3重量份；所述液剂包括如下重量配比的组分组成：聚丙烯酰胺1～15重量份，纸浆废液20～60重量份，水泥缓凝剂10～40重量份，OP乳化剂0.5～1.5重量份，卡拉胶0.3～1.0重量份，黄原胶0.3～1.0重量份，α－烯烃磺酸盐0.5～1.5重量份，原料成分复杂；CN107401159A公开一种预拌流态固化土，发明人在前期研究中也发表专利CN112142406A、CN112159150A，然而，上述固化剂无法有效进行淤泥固化土的水下施工，CN107445428A公开了一种用于生态修复的环保型水下不分散淤泥固化剂，由以下原料按照重量份组成：熟料5-30份、防水剂2-8份、膨润土2-5份、石灰2-5份、石膏5-8份、抗水分散剂0.04-1份和激发剂0.5-5份，然而其流动性较差，水下施工效果不佳。
现有海上风电桩基施工过程中，海上风电单桩基础在海水冲刷下周围的土被不断带走，需要回填具有抗分散抗冲刷的淤泥固化土加固，而现有技术淤泥固化剂并不能满足施工要求，因此，研究一种更优异的土壤固化剂，使制备的淤泥固化土具有更高的强度、良好的水下抗分散性和一定的流动性方便泵送施工，从而扩大淤泥固化土的利用范围，进而解决淤泥回收再利用问题，必能带来重大社会经济效益，推动淤泥固化技术发展，满足海上风电桩基施工需要。
发明内容
根据现有技术中存在的不足，为了解决淤泥固化土水下施工技术难题，本发明提供一种水下抗分散流态淤泥固化剂。
本发明水下抗分散流态淤泥固化剂，包括如下重量份原料：掺合料A 10-20份，掺合料B 20-40份，水泥20-40份，复合激发剂8-15份，减水剂1-2份，抗分散剂3-6份，膨胀剂0.5-1份。
优选的，所述掺合料A为粉煤灰或赤泥的至少一种。
优选的，所述掺合料B为矿粉，更优选的，所述矿粉为S95级及以上等级。
本发明使用粉煤灰和/或赤泥，与矿粉共同作为胶凝材料的重要组分，一方面通过激发剂的激发作用，这些矿物掺合料的活性成分被大大激发提高了淤泥固化土的强度，且满足淤泥固化土水下施工的抗分散性和流动性要求，另一方面矿物掺合料成本低，属于工业废弃物，这就降低了能源消耗减少碳排放，并且降低了固化剂的成本，在实现经济效益的同时达到了节能减排的目的。
优选的，所述水泥由5-20%高贝利特硫铝酸盐水泥和80-95%普通硅酸盐水泥组成。研究表明，单纯采用普通硅酸盐水泥制备淤泥固化土的粘聚力较低，水下施工易产生溃散，本发明采用高贝利特硫铝酸盐水泥替代部分普通硅酸盐水泥发现，通过提高C4A3S-含量，可以缩短固化土固化硬化的时间，提高海水低温条件下的早期强度，同时借助f-CaSO4改性熟料矿物中C2S，使其具有较高的水化活性，实现了后期强度的持续增长，并且，研究发现，高贝利特硫铝酸盐水泥与普通硅酸盐水泥组成的胶凝材料使淤泥固化土浆料粘聚力明显提高，提高抗分散抗冲刷能力，效果优于铝酸盐水泥与普通硅酸盐水泥、硫铝酸盐水泥和普通硅酸盐水泥的组合。
优选的，高贝利特硫铝酸盐水泥包含0.5-4.6%f-CaO与14-26.3% f-CaSO4。
优选的，所述普通硅酸盐水泥为PO42.5及以上等级。
优选的，所述复合激发剂由氧化钙、硫酸钠和硅酸钠以重量比1-4:4-6:6-8组成。研究表明，激发剂的存在虽然可以提高淤泥固化土强度，但也造成淤泥固化土的流动性变差，尤其在水下施工过程中，本发明经过大量实验进行调整，在保证淤泥固化土浆料满足水下抗分散和流态效果基础上，配合掺合料的具体组成，制备得到良好激发效果的复合激发剂。具体的，本发明选用三类碱激发剂，氧化钙为碱性类，硫酸钠含有硫酸根，硅酸钠含活性硅，其中碱性的氧化钙和硅酸钠能提供碱性环境，加快矿物掺合料的水化反应速度；硫酸钠提供了硫酸根促进矿物掺合料水化产生水化铝酸钙；硅酸钠还可以提供活性二氧化硅促进矿物掺合料的水化生产更多C-S-H凝胶；三种激发剂共同作用使激发剂中的矿物掺合料的活性被大大激发，用此固化剂制得的淤泥固化土强度更高，并且随着矿物掺合料在激发剂的催化剂的作用下不断生产新的水化产物，固化土的结构变得更加致密，可以有效提高固化土的抗冻性和抗渗性，同时满足淤泥固化土浆料的水下施工抗分散流态施工要求。
更优选的，所述复合激发剂由氧化钙、硫酸钠和硅酸钠以重量比3:5:7组成。
优选的，所述减水剂为木质素磺酸盐或脂肪族系减水剂中的一种。
优选的，所述抗分散剂为改性聚丙烯酰胺，制备工艺为：在反应釜中加入淀粉、引发剂和聚丙烯酰胺进行接枝反应，得到淀粉接枝聚丙烯酰胺，将淀粉接枝聚丙烯酰胺进行洗涤和干燥。本发明使用接枝聚丙烯酰胺作为抗分散剂，聚丙烯酰胺的分子为是长长的直链，当其加入到淤泥浆体中，在水的作用下自由的分散开来。聚丙烯酰胺的长链结构很容易互相勾连在一起，可以把周围的水分子束缚住增加浆体的粘度。聚丙烯酰胺经过改性后变成了接枝聚丙烯酰胺，长链上多出许多小的分支，这种结构一方面使长链间结成的网络更紧密，增加了对水分子的束缚能力，使自由水更多的被锁在在淤泥浆体中；另一方面，增加的支链，增加了聚丙烯酰胺与泥土颗粒的接触面积，能接触更多的土颗粒，使土颗粒间的连接更加紧密，让淤泥浆体整体性增强，在水中抗分散性增强，被水冲刷时不容易分散。
优选的，接枝反应温度为80-90℃，反应时间4-5h，引发剂为过硫酸盐，如过硫酸铵，洗涤剂为无水乙醇。
本发明还涉及上述水下抗分散流态淤泥固化剂的制备方法，包括以下步骤：将原料按重量份进行计量，加入搅拌设备中搅拌均匀，优选以40-50r/min转速进行搅拌，持续搅拌1-3min，即得。本发明水下抗分散流态淤泥固化剂制备工艺简单，效率高。
本发明还涉及上述水下抗分散流态淤泥固化剂的应用，包括以下步骤：
1）测定淤泥含水率，优选的，淤泥含水率可为20-80%，更优选的，淤泥含水率可为30-70%，更优选为40-50%，可根据含水率实测结果，结合淤泥固化土力学性能，向淤泥中加水或脱水，使其达到适宜的含水率，
2）取100份固化剂加入40-60份水搅拌均匀，优选50份水，优选使用强制性搅拌机搅拌均匀，
3）将搅拌均匀的固化剂与700-1000份淤泥混合，优选900份淤泥，搅拌均匀，得到水性抗分散流态淤泥固化土。优选采用旋拌机或其他强制搅拌设备搅拌均匀。
优选的，步骤2）搅拌转速50-60r/min，搅拌时间3-8min。
优选的，步骤3）混合速率30-40r/min，混合时间5-10min。
本发明具有如下技术优势：
1.本发明采用普通硅酸盐水泥和高贝利特硫铝酸盐水泥，配合掺合料作为胶凝材料，具有浆料粘聚力高，水下不分散，流动性良好，硬化体早期与后期强度高，抗海水侵蚀性能提升的特点；
2.本发明采用氧化钙、硫酸钠和硅酸钠作为复合激发剂，克服普通激发剂造成的流动性差缺陷，可同时满足高效激发和水下施工技术要求，提高固化土的强度，可以有效提高固化土的抗冻性和抗渗性；
3.本发明采用改性聚丙烯酰胺作为抗分散剂提高浆料水下施工抗分散性，提高抗冲刷效果；
4.本发明水下抗分散流态固化剂大量使用工业固废，具有良好的环境保护效益，原料价格低廉，制备工艺简单，制备得到的淤泥固化土可满足水下施工要求，力学性能优异。
具体实施方式
下面通过具体实施例对本发明做出更加详细的说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，但本发明的保护范围不限于下述实施例。
实施例和对比例普通硅酸盐水泥采用PO42.5，复合激发剂由氧化钙、硫酸钠和硅酸钠以重量比3:5:7组成，减水剂选用木质素磺酸钠，抗分散剂为改性聚丙烯酰胺，膨胀剂选用明矾。
实施例和对比例淤泥含水率为50%，固化土制备过程中100份固化剂加入50份水后，与900份淤泥混混合，搅拌均匀。
效果测试过程中，按胶砂流动度检测仪器测试淤泥固化土浆体流动性，将制成的淤泥固化土浆体一部分在室内环境下，温度20℃，正常装模成型；一部分在水温20℃，倒入水下成型，水下成型过程：把模具放在水面一下，拌合好的淤泥固化土浆体通过软管流入水下模具中，软管位置在水面一下模具上方1cm处，水下成型后，固化土继续放在水下养护；最后一部分淤泥固化土倒入盛水10cm，规格为50cm×50cm的箱子中，固化土铺在箱子底部，厚度5cm，养护后进行抗冲刷试验。其中，试块按照《土工试验方法标准》(GB/T50123-2019)进行无侧限抗压强度测试，抗冲刷试验测试固化土的水下冲刷损失率。
实施例1
水下抗分散流态淤泥固化剂，原料为赤泥20份，矿粉30份，高贝利特硫铝酸盐水泥5份，普通硅酸盐水泥20份，复合激发剂12份，减水剂1.5份，改性聚丙烯酰胺5份，膨胀剂1份。
经检测，淤泥固化土浆体流动度220mm，淤泥固化土7d无侧限抗压强度1623.1KPa，水下成型7d无侧限抗压强度1176.3kPa，水下冲刷损失率7.3%。
实施例2
水下抗分散流态淤泥固化剂，原料为粉煤灰15份，矿粉25份，高贝利特硫铝酸盐水泥6份，普通硅酸盐水泥25份，复合激发剂13份，减水剂2份，改性聚丙烯酰胺6份，膨胀剂1份。
经检测，淤泥固化土浆体流动度230mm，淤泥固化土7d无侧限抗压强度1743.3KPa，水下成型7d无侧限抗压强度1185.3kPa，水下冲刷损失率6.7%。
对比例1
固化剂，原料为粉煤灰15份，矿粉25份，普通硅酸盐水泥35份，复合激发剂13份，减水剂2份，改性聚丙烯酰胺6份，膨胀剂1份。
经检测，淤泥固化土浆体流动度200mm，淤泥固化土7d无侧限抗压强度1291.6KPa，水下成型7d无侧限抗压强度503.4kPa，水下冲刷损失率25.8%。
对比例2
固化剂，原料为粉煤灰15份，矿粉25份，铝酸盐水泥6份，普通硅酸盐水泥25份，复合激发剂13份，减水剂2份，改性聚丙烯酰胺6份，膨胀剂1份。
经检测，淤泥固化土浆体流动度210mm，淤泥固化土7d无侧限抗压强度1492.1KPa，水下成型7d无侧限抗压强度719.2kPa，水下冲刷损失率20.9%。
对比例3
固化剂，原料为粉煤灰15份，矿粉25份，高贝利特硫铝酸盐水泥6份，普通硅酸盐水泥25份，硅酸钠13份，减水剂2份，改性聚丙烯酰胺6份，膨胀剂1份。
经检测，淤泥固化土浆体流动度170mm，淤泥固化土7d无侧限抗压强度1105.7KPa，水下成型7d无侧限抗压强度604.5kPa，水下冲刷损失率25.2%。
对比例4
固化剂，原料为粉煤灰15份，矿粉25份，高贝利特硫铝酸盐水泥6份，普通硅酸盐水泥25份，复合激发剂13份，减水剂2份，聚丙烯酰胺6份，膨胀剂1份。
经检测，淤泥固化土浆体流动度190mm，淤泥固化土7d无侧限抗压强度1502.6KPa，水下成型7d无侧限抗压强度696.8kPa，水下冲刷损失率31.2%。
对比例5
固化剂采用市售土壤固化剂。
经检测，淤泥固化土浆体流动度160mm，淤泥固化土7d无侧限抗压强度631.8KPa，水下成型7d无侧限抗压强度373.5kPa，水下冲刷损失率35.6%。
最后应说明的是：以上各实施方式仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施方式对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施方式所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施方式技术方案的范围。
Claims (6)
1.一种水下抗分散流态淤泥固化剂，其特征在于，包括如下重量份原料：掺合料A 10-20份，掺合料B 20-40份，水泥20-40份，复合激发剂8-15份，减水剂1-2份，抗分散剂3-6份，膨胀剂0.5-1份，所述掺合料A为粉煤灰或赤泥的至少一种，所述掺合料B为矿粉，所述水泥由5-20%高贝利特硫铝酸盐水泥和80-95%普通硅酸盐水泥组成，所述高贝利特硫铝酸盐水泥包含0.5-4.6%f-CaO与14-26.3%f-CaSO4，所述复合激发剂由氧化钙、硫酸钠和硅酸钠以重量比1-4:4-6:6-8组成，所述抗分散剂为改性聚丙烯酰胺，制备工艺为：在反应釜中加入淀粉、引发剂和聚丙烯酰胺进行接枝反应，得到淀粉接枝聚丙烯酰胺，将淀粉接枝聚丙烯酰胺进行洗涤和干燥；抗分散剂制备工艺中，接枝反应温度为80-90℃，反应时间4-5h；引发剂为过硫酸盐；洗涤剂为无水乙醇。
2.根据权利要求1所述水下抗分散流态淤泥固化剂，其特征在于，所述普通硅酸盐水泥为PO42.5及以上等级。
3.根据权利要求1所述水下抗分散流态淤泥固化剂，其特征在于，所述复合激发剂由氧化钙、硫酸钠和硅酸钠以重量比3:5:7组成。
4.根据权利要求1所述水下抗分散流态淤泥固化剂，其特征在于，所述减水剂为木质素磺酸盐或脂肪族系减水剂中的一种，所述膨胀剂为明矾。
5.根据权利要求1-4任一项所述水下抗分散流态淤泥固化剂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：将原料按重量份进行计量，加入搅拌设备中搅拌均匀，即得。
6.权利要求1-5任一项所述水下抗分散流态淤泥固化剂的应用，其特征在于，包括以下步骤：
1）测定淤泥含水率，根据实测结果，向淤泥中加水或脱水，使其含水率在20-80%，
2）取100份固化剂加入40-60份水搅拌均匀，
3）将搅拌均匀的固化剂与700-1000份淤泥混合，搅拌均匀，得到水下抗分散流态淤泥固化土。
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