CN117069461A - 可使粉砂土快速流态化和固化的组合物及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种可使粉砂土快速流态化和固化的组合物及方法，所述组合物以质量份数计，包括：表面活性剂3~6份、固化剂5~10份、脱硫塔底灰5~10份。所述方法主要包括如下步骤：按照预定配比准备原料；将水、表面活性剂混合均匀得到混合液；将粉砂土投入搅拌机中，搅拌后加入混合液和砂，再搅拌，得到稀浆状流态粉砂土；将固化剂投入搅拌机中，再搅拌，即得到具有流态化且可速固化浆料。本申请解决了空间陕小部位土方回填存在的施工速度慢、作业困难、工程质量保证率低这一工程问题，实现空间陕小部位基坑回填施工速度与质量显著提升。
Description
技术领域
本发明涉及土方施工技术，尤其是一种可使粉砂土快速流态化和固化的组合物及方法。
背景技术
目前，土方开挖及回填的施工质量的好坏直接影响到整个工程的施工质量。由于土方回填以后，其质量缺陷不易被发现，属于隐蔽工程，由此引发的质量事故也屡见不鲜，因此土方回填的质量应受到重视。
传统土方回填根据施工现场情况、施工机械、施工技术要求等因素综合考虑，一般采用人工夯实方法或机械夯实方法。机械夯实方法分为强夯法和碾压法，机械夯实主要针对大面积作业场施工。对于一些工程的中间分隔带换填、基坑肥槽等小面积的、空间陕小部位的土方回填工作，多采用人工夯实的方法，人工夯实施工速度慢，且回填压实度难以达到要求，因此施工质量无法完全得到保证，存在较大的安全及质量隐患。
因此，需要一种新的技术来解决上述问题。
发明内容
发明目的：提供一种可使粉砂土快速流态化和固化的组合物，以及一种基于上述组合物的粉砂土流态化及快速固化的方法。
技术方案：根据本申请的一个方面，提供一种可使粉砂土快速流态化和固化的组合物，以质量份数计，包括：表面活性剂3~6份、固化剂5~10份、脱硫塔底灰5~10份；组合物的用量为10~25wt%。
所述固化剂的比表面积≥500m2/kg以上。更优选地，比表面积≥600m2/kg以上，进一步优选的，比表面积≥650m2/kg；进一步优选的，比表面积≥700m2/kg以上。
根据本申请的一个方面，所述表面活性剂包括以下质量份数的组分：
丙酮10～20份、亚硫酸钠20～25份、亚硫酸氢钠8～12份、焦亚硫酸钠5～10份、水5～10份、37%工业甲醛20～30份、木质素磺酸钠10～15份、可调节组合物至预定pH的氢氧化钠。
根据本申请的一个方面，所述固化剂包括以下质量份数的组分：矿粉30～40份、粉煤灰25～35份、钢渣10～20份、氧化钙10～15份、硫酸钠10～15份。
根据本申请的一个方面，所述表面活性剂包括以下质量份数的组分：丙酮10～15份、亚硫酸钠22～25份、亚硫酸氢钠10～12份、焦亚硫酸钠5～7份、水5～8份、37%工业甲醛23～28份、木质素磺酸钠12～14份、可调节组合物至预定pH的氢氧化钠。
根据本申请的一个方面，所述表面活性剂采用如下方法制备：
将亚硫酸钠、亚硫酸氢钠、焦亚硫酸钠、丙酮、水加入反应釜，在15~45min，升温至50℃~65℃，恒温0.5～1.5h；
降温至60℃以下，将木质素磺酸钠与剩余的甲醛加入反应釜中，持续反应1～2h，用氢氧化钠调节溶液的pH值至10~12，升温至80℃～95℃，继续反应2～3h，使反应完全；
反应结束后，静置冷却到室温，即得适用于粉砂土的表面活性剂。
根据本申请的一个方面，所述固化剂中矿粉、粉煤灰、钢渣三种材料之和需占固化剂总质量的80%以下，且矿粉、粉煤灰、钢渣三种混合物表面积磨细至700m2/kg以上。
根据本申请的一个方面，氧化钙与硫酸钠占混合物的总质量的20%以上。
根据本申请的另一个方面，一种粉砂土流态化及快速固化的方法，采用上述任一项技术方案所述的组合物实现，并包括如下步骤：
步骤S1、按照预定配比，准备原料，所述原料包括如下重量份数的组分：水30～40份、粉砂土40～50份、砂5～10份、表面活性剂3～6份、固化剂5～10份、新产脱硫塔底灰5～10份；
步骤S2、将上述质量份数的水、表面活性剂混合均匀得到混合液；
步骤S3、将上述质量份数的粉砂土投入搅拌机中，先搅拌15~45秒，于搅拌机中加入步骤二中的混合液、砂、新产脱硫塔底灰，再搅拌2～3分钟，得到稀浆状流态粉砂土；
步骤S4、将上述质量份数的固化剂投入搅拌机中，再搅拌2～3分钟，得到有流动性的、可固化的粉砂土浆料。
根据本申请的一个方面，水30～35份、土40～45份、砂5～7份、表面活性剂3～5份、固化剂6份、新产脱硫塔底灰8份。
根据本申请的一个方面，表面活性剂的用量为3~6%，固化剂的用量为5~10%。
根据本申请的一个方面，砂的用量为3~6%，粒径为1.25mm～5.0mm机制砂或河砂。
砂作用机理是在粉砂土拌和过程中提供坚硬材料，可形成剪切体，增加粉砂土之间分散性与流动性，同时后期可以提升流态土的固化强度。粒径过小的话，体系的流动性变差，因此选择1.25-5.0mm的砂，保证体系的流动性和强度符合要求。即在粉砂土拌和过程中提供坚硬材料，可形成剪切体，增加粉砂土之间分散性与流动性，同时后期可以提升流态土的固化强度。根据本申请的一个方面，所述搅拌机为圆盘立轴式搅拌机，且功率不小于30kW，转速在60r/min～90 r/min。
新产脱硫塔底灰是工厂烟道中的附产品，含有大量的碱与硫酸盐，与粉砂土混合后增加早期强度，同时对固化剂活性激发有一定作用。固化剂是通过磨细增加活性，同时通过碱性激发作用使其活性得以激活，增加流态土凝固硬化强度。流态土必须用强劲的圆盘立轴式搅拌机才能搅拌均匀，使其流态化。
有益效果：解决了空间陕小部位土方回填存在的施工速度慢、作业困难、工程质量保证率低这一工程问题，实现空间陕小部位基坑回填施工速度与质量显著提升。
附图说明
图1是本发明抗压试块的示意图。
图2是本发明流态土泵送的示意图。
图3是本发明流态土拌合的示意图。
图4是本发明实施例1的流动性、养护时间、固化强度三者之间关系示意图。
图5是本发明屈服应力和塑性粘度随表面活性剂掺量的变化趋势示意图。
具体实施方式
在本申请中，以质量份数计，配比具体为水30～40份、粉砂土40～50份、砂5～10份、表面活性剂3～6份、固化剂5～10份、脱硫塔底灰5～10份。在本申请中，脱硫塔底灰为新产脱硫塔底灰，下同。
优选地，配比可以为：水30～35份、土40～45份、砂5～7份、表面活性剂3～5份、固化剂6份、新产脱硫塔底灰8份。
在一个实施例中，砂为机制砂或河砂，粒径为1.25mm～5.0mm。
在一个实施例中，表面活性剂包括以下组分及各组分的质量份为：丙酮10～20份、亚硫酸钠20～25份、亚硫酸氢钠8～12份、焦亚硫酸钠5～10份、水5～10份、37%工业甲醛20～30份、木质素磺酸钠10～15份、氢氧化钠5～10份。
在一个实施例中，优选地，所述表面活性剂按照质量份数包括以下材料：丙酮10～15份、亚硫酸钠22～25份、亚硫酸氢钠10～12份、焦亚硫酸钠5～7份、水5～8份、37%工业甲醛23～28份、木质素磺酸钠12～14份、氢氧化钠适量（可调节pH至预定范围的使用量）。
在一个实施例中，固化剂由矿粉、粉煤灰、钢渣、氧化钙、硫酸钠五部分组成，各组份的质量分为：矿粉30～40份、粉煤灰25～35份、钢渣10～20份、氧化钙10～15份、硫酸钠10～15份。固化剂中矿粉、粉煤灰、钢渣三种材料之和需占固化剂总量的80%以下，且矿粉、粉煤灰、钢渣三种混合物磨细至700m2/kg以上。氧化钙与硫酸钠占混合物的20%以上。
在一个实施例中，表面活性剂的制备方法如下：
1)安装搅拌器、温度计、通气管道、反应釜；
2)将亚硫酸钠、亚硫酸氢钠、焦亚硫酸钠、丙酮、水加入反应釜，用30min左右，升温至50℃~65℃，恒温0.5～1.5h；
3)在恒温、搅拌过程中滴加部分甲醛溶液，加入时间约0.5～2.5h，升温至70℃~95℃，恒温3～6h；
4)降温至60℃以下，将木质素磺酸钠与剩余的甲醛加入反应釜中，持续反应1～2h，用氢氧化钠调节溶液的pH值至10~12，升温至80℃～95℃，继续反应2～3h，使反应完全；
5)反应结束后，静置冷却到20℃，即得适用于粉砂土的表面活性剂。
在一个实施例中，使用如上所述的材料，实现粉砂土流态化的施工方法包括以下步骤：
步骤一、将粉砂土投入至搅拌机内；当粉砂土块体较大无法投放入搅拌机，应根据搅拌机进料口大小，先将粉砂土块破碎成小体积块体；
步骤二、将预定质量份数的水、表面活性剂混合均匀得到混合液；
步骤三、将粉砂土先搅拌30s，于搅拌机中加入步骤二中的混合液、砂、新产脱硫塔底灰，再搅拌2～3分钟，得到稀浆状流态粉砂土。
步骤四、将预定质量份数的固化剂投入搅拌机中，再搅拌2～3分钟，得到有流动性的、可固化的粉砂土浆料。
在一些实施例中，还可以采用其他顺序，步骤一和二仅仅是为了表述的方便，并不限定前后顺序，比如时间上的先后顺序。
新产脱硫塔底灰的碱含量较高，可以增加体系的强度。放置一段时间后的脱硫塔底灰，pH值变小，对体系的强度贡献就变小了。
在进一步的实施例中，所述工程现场搅拌机为圆盘立轴式搅拌机，且功率不小于30kW，转速在60r/min～90 r/min。
实施例1：在一个工程案例中，具体实施过程如下：
制备表面活性剂：按要求称取制备表面活性剂的各种原材料，各组分的质量份为：丙酮15份、亚硫酸钠22份、亚硫酸氢钠10份、焦亚硫酸钠8份、水8份、37%工业甲醛20份、木质素磺酸钠10份、氢氧化钠7份。表面活性剂的制备方法如下：
1)安装搅拌器、温度计、通气管道、反应釜；
2)将亚硫酸钠、亚硫酸氢钠、焦亚硫酸钠、丙酮、水加入反应釜，缓慢加热30min左右，升温至60℃，恒温1.0h；
3)在恒温、搅拌过程中滴加设计用量60%的甲醛溶液，加入时间约2.0h，升温至80℃，恒温4h；
4)降温至55℃，将木质素磺酸钠与剩余的40%甲醛加入反应釜中，持续反应2h，用氢氧化钠调节溶液的pH值至10，升温至90℃，继续反应3h，使反应完全；
5)反应结束后，静置冷却到20℃，即得适用于粉砂土的表面活性剂。
制备固化剂：按要求称取制备固化剂的原材料矿粉、粉煤灰、钢渣、氧化钙、硫酸钠，其中矿粉35份、粉煤灰25份、钢渣10份；把称量好的矿粉、粉煤灰、钢渣同时放入粉磨机中粉磨，磨细到比表面积≥700m2/kg以上。
称量氧化钙15份、硫酸钠15份，与磨细的矿粉、粉煤灰、钢渣混合粉混合均匀即可。
制备流态粉砂土：按要求称取定量的水、粉砂土、砂、表面活性剂、固化剂、新产脱硫塔底灰。各组份的质量份数为：水36份、粉砂土45份、砂5份、表面活性剂4份、固化剂6份、新产脱硫塔底灰5份。
现场搅拌机为圆盘立轴式搅拌机，容量为2.5m3，搅拌机功率为35kW，叶片转速60r/min。
粉砂土流态化的施工方法包括以下步骤：
步骤一、清理粉砂土中的大块石头类的杂质，将粉砂土投入至搅拌机内；
步骤二、将预定质量份数的水、表面活性剂混合均匀得到混合液；
步骤三、开动搅拌机，先搅拌粉砂土30s，于搅拌机中加入步骤二中的混合液，再加入河砂与脱硫塔底灰，再搅拌3分钟，得到稀浆状流态粉砂土。
步骤四、将预定质量份数的固化剂投入搅拌机中，再搅拌3分钟，得到有流动性的、可固化的粉砂土浆料。
当粉砂土块体较大无法投放入搅拌机，应根据搅拌机进料口大小，先将粉砂土块破碎成小体积块体。
流态粉砂土性能测试数据：
流态化粉砂土的流行性指标：屈服应力27Pa；塑性粘度为61 mPa.s；流动性状态呈浆状、流态好；
流态化粉砂土的抗压强度：1d 为240kPa，3d为620kPa，7d为1800kPa 。
以实例1配合比为例，用图表来表征流动性、养护时间、固化强度三者之间关系。其中流动性以流动度来表示，流动度的测试方法见说明书中流动度测试方法。具体如图4所示。
实施例2：制备表面活性剂
按要求称取制备表面活性剂的各种原材料，各组分的质量份为：丙酮13份、亚硫酸钠21份、亚硫酸氢钠11份、焦亚硫酸钠10份、水9份、37%工业甲醛20份、木质素磺酸钠10份、氢氧化钠6份。
表面活性剂的制备方法如下：
1)安装搅拌器、温度计、通气管道、反应釜；
2)将亚硫酸钠、亚硫酸氢钠、焦亚硫酸钠、丙酮、水加入反应釜，缓慢加热30min左右，升温至50℃，恒温1.5h；
3)在恒温、搅拌过程中滴加设计用量60%的甲醛溶液，用时约1.5h，升温至80℃，恒温4h；
4)降温至50℃，将木质素磺酸钠与剩余的40%甲醛加入反应釜中，持续反应2h，用氢氧化钠调节溶液的pH值至9，升温至90℃，继续反应2.5h，使反应完全；
5)反应结束后，静置冷却到20℃，即得适用于粉砂土的表面活性剂。
制备固化剂：按要求称取制备固化剂的原材料矿粉、粉煤灰、钢渣、氧化钙、硫酸钠，其中矿粉40份、粉煤灰25份、钢渣10份；
把称量好的矿粉、粉煤灰、钢渣同时放入粉磨机中粉磨，磨细到比表面积730m2/kg。
称量氧化钙12份、硫酸钠13份，与磨细的矿粉、粉煤灰、钢渣混合粉混合均匀即可。
制备流态粉砂土的：按要求称取定量的水、粉砂土、砂、表面活性剂、固化剂、新产脱硫塔底灰。各组份的质量份数为：水30份、粉砂土45份、砂7份、表面活性剂5份、固化剂8份、新产脱硫塔底灰5份。
现场搅拌机为圆盘立轴式搅拌机，容量为2.5m3，搅拌机功率为35kW，叶片转速90r/min。
粉砂土流态化的施工方法包括以下步骤：
步骤一、清理粉砂土中的大块石头类的杂质，将粉砂土投入至搅拌机内；
步骤二、将预定质量份数的水、表面活性剂混合均匀得到混合液；
步骤三、开动搅拌机，先搅拌粉砂土30s，于搅拌机中加入步骤二中的混合液，再加入河砂与脱硫塔底灰，再搅拌3分钟，得到稀浆状流态粉砂土。
步骤四、将预定质量份数的固化剂投入搅拌机中，再搅拌2分钟，得到有流动性的、可固化的粉砂土浆料。
流态粉砂土性能实验数据：
流态化粉砂土的流动性指标，屈服应力为34Pa，塑性粘度为79 mPa.s；成浆状、流态好。
流态化粉砂土的抗压强度，1d为470 kPa，3d为1280 kPa，7d为2100kPa。
实施例3：制备表面活性剂
按要求称取制备表面活性剂的各种原材料，各组分的质量份为：丙酮11份、亚硫酸钠22份、亚硫酸氢钠10份、焦亚硫酸钠7份、水8份、37%工业甲醛22份、木质素磺酸钠12份、氢氧化钠8份。
表面活性剂的制备方法如下：
1)安装搅拌器、温度计、通气管道、反应釜；
2)将亚硫酸钠、亚硫酸氢钠、焦亚硫酸钠、丙酮、水加入反应釜，缓慢加热30min左右，升温至55℃，恒温1.0h；
3)在恒温、搅拌过程中滴加设计用量55%的甲醛溶液，用时约1.0h，升温至80℃，恒温4h；
4)降温至45℃，将木质素磺酸钠与剩余的45%甲醛加入反应釜中，持续反应2h，用氢氧化钠调节溶液的pH值至10，升温至90℃，继续反应2.5h，使反应完全；
5)反应结束后，静置冷却到20℃，即得适用于粉砂土的表面活性剂。
制备固化剂：按要求称取制备固化剂的原材料矿粉、粉煤灰、钢渣、氧化钙、硫酸钠，其中矿粉30份、粉煤灰35份、钢渣15份；
把称量好的矿粉、粉煤灰、钢渣同时放入粉磨机中粉磨，磨细到比表面积720m2/kg。
称量氧化钙10份、硫酸钠10份，与磨细的矿粉、粉煤灰、钢渣混合粉混合均匀即可。
制备流态粉砂土：按要求称取定量的水、粉砂土、砂、表面活性剂、固化剂、新产脱硫塔底灰。各组份的质量份数为：水40份、粉砂土40份、砂7份、表面活性剂3份、固化剂5份、新产脱硫塔底灰5份。
现场搅拌机为圆盘立轴式搅拌机，容量为2.5m3，搅拌机功率为35kW，叶片转速90r/min。
粉砂土流态化的施工方法包括以下步骤：
步骤一、清理粉砂土中的大块石头类的杂质，将粉砂土投入至搅拌机内；
步骤二、将预定质量份数的水、表面活性剂混合均匀得到混合液；
步骤三、开动搅拌机，先搅拌粉砂土30s，于搅拌机中加入步骤二中的混合液，再加入河砂与脱硫塔底灰，再搅拌3分钟，得到稀浆状流态粉砂土。
步骤四、将预定质量份数的固化剂投入搅拌机中，再搅拌2分钟，得到有流动性的、可固化的粉砂土浆料。
流态粉砂土性能的实验数据：
流态化粉砂土的流动性指标为：屈服应力为21Pa，塑性粘度为53 mPa.s，成浆状、流态好。
流态化粉砂土的抗压强度为：1d为190kPa，3d为540kPa，7d为1080kPa 。
实施例4：制备表面活性剂
按要求称取制备表面活性剂的各种原材料，各组分的质量份为：丙酮14份、亚硫酸钠22份、亚硫酸氢钠10份、焦亚硫酸钠7份、水6份、37%工业甲醛22份、木质素磺酸钠14份、氢氧化钠5份。
表面活性剂的制备方法如下：
1)安装搅拌器、温度计、通气管道、反应釜；
2)将亚硫酸钠、亚硫酸氢钠、焦亚硫酸钠、丙酮、水加入反应釜，缓慢加热30min左右，升温至65℃，恒温1.0h；
3)在恒温、搅拌过程中滴加设计用量55%的甲醛溶液，用时约2.5h，升温至80℃，恒温3h；
4)降温至45℃，将木质素磺酸钠与剩余的45%甲醛加入反应釜中，持续反应2h，用氢氧化钠调节溶液的pH值至10，升温至85℃，继续反应2.5h，使反应完全；
5)反应结束后，静置冷却到20℃，即得适用于粉砂土的表面活性剂。
制备固化剂：按要求称取制备固化剂的原材料矿粉、粉煤灰、钢渣、氧化钙、硫酸钠，其中矿粉35份、粉煤灰30份、钢渣10份；
把称量好的矿粉、粉煤灰、钢渣同时放入粉磨机中粉磨，磨细到比表面积720m2/kg。
称量氧化钙10份、硫酸钠15份，与磨细的矿粉、粉煤灰、钢渣混合粉混合均匀即可。
制备流态粉砂土：按要求称取定量的水、粉砂土、砂、表面活性剂、固化剂、新产脱硫塔底灰。各组份的质量份数为：水30份、粉砂土45份、砂5份、表面活性剂6份、固化剂9份、新产脱硫塔底灰5份。
现场搅拌机为圆盘立轴式搅拌机，容量为3.0m3，搅拌机功率为40kW，叶片转速60r/min。
粉砂土流态化的施工方法包括以下步骤：
步骤一、清理粉砂土中的大块石头类的杂质，将粉砂土投入至搅拌机内；
步骤二、将预定质量份数的水、表面活性剂混合均匀得到混合液；
步骤三、开动搅拌机，先搅拌粉砂土30s，于搅拌机中加入步骤二中的混合液，再加入河砂与脱硫塔底灰，再搅拌3分钟，得到稀浆状流态粉砂土。
步骤四、将预定质量份数的固化剂投入搅拌机中，再搅拌2分钟，得到有流动性的、可固化的粉砂土浆料。
流态粉砂土性能的实验数据：
流动性指标：屈服应力为39Pa，塑性粘度为87 mPa.s，浆状、流态好。
抗压强度为：1d 570kPa ，3d 1380kPa ，7d为2300 kPa 。
实施例5：制备表面活性剂
按要求称取制备表面活性剂的各种原材料，各组分的质量份为：丙酮15份、亚硫酸钠21份、亚硫酸氢钠10份、焦亚硫酸钠8份、水8份、37%工业甲醛20份、木质素磺酸钠13份、氢氧化钠5份。
表面活性剂的制备方法如下：
1)安装搅拌器、温度计、通气管道、反应釜；
2)将亚硫酸钠、亚硫酸氢钠、焦亚硫酸钠、丙酮、水加入反应釜，缓慢加热30min左右，升温至60℃，恒温1.0h；
3)在恒温、搅拌过程中滴加设计用量55%的甲醛溶液，用时约2.5h，升温至80℃，恒温3h；
4)降温至55℃，将木质素磺酸钠与剩余的45%甲醛加入反应釜中，持续反应2h，用氢氧化钠调节溶液的pH值至10，升温至80℃，继续反应2.5h，使反应完全；
5)反应结束后，静置冷却到20℃，即得适用于粉砂土的表面活性剂。
制备固化剂：按要求称取制备固化剂的原材料矿粉、粉煤灰、钢渣、氧化钙、硫酸钠，其中矿粉30份、粉煤灰30份、钢渣16份；
把称量好的矿粉、粉煤灰、钢渣同时放入粉磨机中粉磨，磨细到比表面积720m2/kg。
称量氧化钙14份、硫酸钠10份，与磨细的矿粉、粉煤灰、钢渣混合粉混合均匀即可。
制备流态粉砂土：按要求称取定量的水、粉砂土、砂、表面活性剂、固化剂、新产脱硫塔底灰。各组份的质量份数为：水35份、粉砂土45份、砂5份、表面活性剂3份、固化剂5份、新产脱硫塔底灰6份。
现场搅拌机为圆盘立轴式搅拌机，容量为3.0m3,搅拌机功率为40kW，叶片转速60r/min。
粉砂土流态化的施工方法包括以下步骤：
步骤一、清理粉砂土中的大块石头类的杂质，将粉砂土投入至搅拌机内；
步骤二、将预定质量份数的水、表面活性剂混合均匀得到混合液；
步骤三、开动搅拌机，先搅拌粉砂土30s，于搅拌机中加入步骤二中的混合液，再加入河砂与脱硫塔底灰，再搅拌3分钟，得到稀浆状流态粉砂土。
步骤四、将预定质量份数的固化剂投入搅拌机中，再搅拌2分钟，得到有流动性的、可固化的粉砂土浆料。
流态粉砂土性能的实验数据：
流动性指标为：屈服应力33Pa，塑性粘度71 mPa.s；成浆状、流态好；
抗压强度为：1d 320k Pa、3d为680kPa，7d为1490 kPa。
在上述实施例中，组合物的用量，即组合物的质量总和与水、粉砂土和砂的质量之和之比分别为14.85%、18.0%、13.0%、20.0%和14.14%。其中，表面活性剂的质量百分比为3.96%、5.0%、3.0%、6.0%和3.03%。固化剂的质量百分比分别为：5.94%、8.0%、5.0%、9.0%和5.05%。
在上述实施例中：流动性指标随表面活性剂含量的变化趋势。流动性指标包括屈服应力和塑性粘度，它们反映了流态粉砂土的流动性能。一般来说，屈服应力和塑性粘度越小，流动性越好。表面活性剂含量与流动性指标之间存在一定的负相关关系，即表面活性剂含量越高，流动性指标越低，流动性越好。这是因为表面活性剂可以降低粉砂土颗粒之间的表面张力，增加其对水的润湿作用，从而降低流态粉砂土的黏度和内摩擦力。
抗压强度反映了流态粉砂土的固化效果和承载能力。一般来说，抗压强度越高，固化效果越好。现固化剂含量与抗压强度之间存在一定的正相关关系，即固化剂含量越高，抗压强度越高。这是因为固化剂可以促进粉砂土颗粒之间的水化反应，提高其硬化程度和抗压能力。
流动性除了与表面活性剂的组分及用量有关系，与固化剂掺量及比表面积均有关系，因此实验中，是一种多元的非线性作用关系。固化速度也与多个组分的参数相关。为此后文将针对重要的性质进行实验。
本申请的试验结果表明：
其他参数不变，只变含水量，水越多，屈服应力降低，塑性粘度降低、流动度增大，抗压强度降低。
其他参数不变，只变粉砂土，粉砂土越多，屈服应力增加，塑性粘度增加，流动度降低，抗压强度增加。
其他参数不变，只变表面活性剂掺量，表面活性剂掺量越多屈服应力降低，塑性粘度降低，流动度增大，抗压强度有小范围降低。
其他参数不变，只变固化剂，固化剂越多，屈服应力增加，塑性粘度增加，流动度降低，抗压强度增加。
其他参数不变，只变固化剂比表面积，比表面积越大，屈服应力增加，塑性粘度增加，流动度降低，抗压强度增加。
其他参数不变，只变新产脱硫塔底灰，脱硫塔底灰越太，屈服应力增加，塑性粘度增加，流动度降低，抗压强度增加。
关于屈服应力等参数，说明如下：流体的屈服应力是指对于某些非牛顿流体，施加的剪应力较小时流体只发生变形，不产生流动，当剪应力增大到某一定值时流体才开始流动，此时的剪应力称为该流体的屈服应力。一般使用流变仪对屈服应力进行测试。在层流条件下，剪切应力与剪切速率成线性关系时的斜率值。塑性粘度反映了在层流情况下，流体破坏与恢复处于动平衡时，悬浮的固相颗粒之间、固相颗粒与液相之间以及连续液相内部的内摩擦作用的强弱。
流动度的测试方法如下：将搅拌好的净浆注入截锥圆模内，提起截锥原模，测定浆液在玻璃平面上自由流淌的最大直径。截锥圆模：上口直径36mm，下口直径60mm，高度为60mm，内壁光滑无接缝的金属制品；玻璃板：400mm×400mm×5mm；钢直尺：300mm。将玻璃板放置在水平位置，用湿布抹擦玻璃板、截锥圆模、搅拌器及搅拌锅，使其表面湿而不带水渍。将截锥圆模放在玻璃板的中央，并用湿布覆盖待用。
将拌好的净液迅速注入截锥圆模内，用刮刀刮平，将截锥圆模按垂直方向提起，同时开启秒表计时，任水泥净浆在玻璃板上流动，至30s，用直尺量取流淌部分互相垂直的两个方向的最大直径，取平均值作为水泥净浆流动度。
流态体固化强度，单位:kPa。测试方法为：把拌和好的流态土放入长方体试模中，试模尺寸40mm×40mm×160mm；放入试模中的土体在标准养护室进行养护，养护到规定时间后，用精度为1N的压力机测试不同时间段固化土的抗压强度。
在进一步的实施例中，给出如下案例。
表面活性剂掺量对流态粉砂土流动性影响实验：流态粉砂土的原材料主要包括：水、粉砂土、机制砂、表面活性剂、固化剂、新产脱硫塔底灰，配合比中固化剂掺量占总质量的6%恒定不定，调整表面活性剂的掺量，测试表面活性剂不同掺量对流动性影响。
从上表中可以看出：表面活性剂增加，粉砂土流动性越好。表面活性剂掺量X＜3%时，从屈服应力、塑性粘度、流动度三个参数看，粉砂土流动性较差；当表面活性剂掺量6%≥X≥3%时，粉砂土已经具有很好的流动性，能够达到自密实充填的效果；当表面活性剂X＞6%时，因粉砂土流动性已经达到一种很好的状态，即快到这种流体材料的极限，流动性改变比较小，从经济性与流态性能考虑，表面活性剂的最大掺量控制在6%以内。变化趋势具体如图5所示，横坐标为表面活性剂掺量，纵坐标为屈服应力和塑性粘度。
固化剂的掺量对流态粉砂土强度影响实验：配合比中表面活性剂掺量占总质量的4%恒定不定，调整固化剂的掺量，测试固化剂不同掺量时固化强度随时间变化。
从上表可以看出：固化剂掺量Y＜5%时，24小时内的抗压强度较低；
当固化剂掺量10%≥Y≥5%时，流态粉砂土的早期强度可通过调整固化剂掺量来实现，固化剂掺量越高，其抗压强度越高。当固化剂Y＞10%时，1小时内流态土会失去流动性，不利用充填与管道输送。
固化剂中“矿粉、粉煤灰、钢渣”混合物比表面积对固化体强度影响实验：固化剂中“矿粉、粉煤灰、钢渣”作为固化剂的重要组成部分，其比表面积直接关系着凝固硬化速度与固化体强度。配合比中表面活性剂掺量占总质量的4%恒定不定，固化剂的掺量6%恒定不变，测试固化剂中“矿粉、粉煤灰、钢渣”不同比表面积时时固化强度随时间变化。
试验结果说明，比表面积越大，凝固硬化速度越快，早期强度越高。
总之，为了解决当前空间陕小部位土方回填存在的施工速度慢、作业困难、工程质量保证率低这一工程问题，通过原材料优选、特定配合比、特定的施工工序等措施实现粉砂土流态化且快速凝固硬化，充份利用粉砂土流动性充填空间陕小部位基坑，改变空间陕小部位基坑回填土靠人工夯实的施工方法，实现基坑回填施工速度、安全性、质量显著提升。
在本申请中，为了满足施工的要求，需要粉砂土在掺合后流动度比较好，从而便于施工，而在施工完成后，能够尽快固化，从而满足工程要求。而这种控制是相对复杂的。由于存在一定得矛盾，在现有技术中一直没有解决这一问题。在现有技术中，如果流动性好，则固化速度相对会变慢，反之亦然。因此现有技术无法同时获得较好的流动性，同时又能满足快速固化的要求。
而在本发明中，通过表面活性剂、固化剂的组分选择和配比，以及固化剂比表面积的设计，实现在搅拌后的一段时间内，能够保持非常好的流动性，使施工效率更高，而在施工完成后，固化速度非常快，从而能够满足工程的要求，提高工程质量。
以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种等同变换，这些等同变换均属于本发明的保护范围。
Claims (11)
1.可使粉砂土快速流态化和固化的组合物，其特征在于，以质量份数计，包括：
表面活性剂3~6份、固化剂5~10份、脱硫塔底灰5~10份；
所述固化剂的比表面积≥500m2/kg以上。
2.如权利要求1所述的可使粉砂土快速流态化和固化的组合物，其特征在于，所述表面活性剂包括以下质量份数的组分：
丙酮10～20份、亚硫酸钠20～25份、亚硫酸氢钠8～12份、焦亚硫酸钠5～10份、水5～10份、37%工业甲醛20～30份、木质素磺酸钠10～15份、可调节组合物至预定pH的氢氧化钠。
3.如权利要求1所述的可使粉砂土快速流态化和固化的组合物，其特征在于，所述固化剂包括以下质量份数的组分：矿粉30～40份、粉煤灰25～35份、钢渣10～20份、氧化钙10～15份、硫酸钠10～15份。
4.如权利要求2所述的可使粉砂土快速流态化和固化的组合物，其特征在于，所述表面活性剂包括以下质量份数的组分：丙酮10～15份、亚硫酸钠22～25份、亚硫酸氢钠10～12份、焦亚硫酸钠5～7份、水5～8份、37%工业甲醛23～28份、木质素磺酸钠12～14份、可调节组合物至预定pH的氢氧化钠。
5.如权利要求2或4所述的可使粉砂土快速流态化和固化的组合物，其特征在于，所述表面活性剂采用如下方法制备：
将亚硫酸钠、亚硫酸氢钠、焦亚硫酸钠、丙酮、水加入反应釜，在15~45min，升温至50℃~65℃，恒温0.5～1.5h；
降温至60℃以下，将木质素磺酸钠与剩余的甲醛加入反应釜中，持续反应1～2h，用氢氧化钠调节溶液的pH值至10~12，升温至80℃～95℃，继续反应2～3h，使反应完全；
反应结束后，静置冷却到室温，即得适用于粉砂土的表面活性剂。
6.如权利要求3所述的可使粉砂土快速流态化和固化的组合物，其特征在于，所述固化剂中矿粉、粉煤灰、钢渣三种材料之和需占固化剂总质量的80%以下，且三种物质的混合物表面积至700m2/kg以上。
7.如权利要求3所述的可使粉砂土快速流态化和固化的组合物，其特征在于，氧化钙与硫酸钠占混合物的总质量的20%以上。
8.一种粉砂土流态化及快速固化的方法，采用权利要求1至7任一项所述的组合物实现，并包括如下步骤：
步骤S1、按照预定配比，准备原料，所述原料包括如下重量份数的组分：水30～40份、粉砂土40～50份、砂5～10份、表面活性剂3～6份、固化剂5～10份、新产脱硫塔底灰5～10份；
步骤S2、将上述质量份数的水、表面活性剂混合均匀得到混合液；
步骤S3、将上述质量份数的粉砂土投入搅拌机中，先搅拌15~45秒，于搅拌机中加入步骤二中的混合液、砂，再搅拌2～3分钟，得到稀浆状流态粉砂土；
步骤S4、将上述质量份数的固化剂投入搅拌机中，再搅拌2～3分钟，得到有流动性的、可固化的粉砂土浆料。
9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述原料包括如下重量份数的组分：水30～35份、土40～45份、砂5～7份、表面活性剂3～5份、固化剂6份、新产脱硫塔底灰8份。
10.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述的砂为机制砂或河砂，粒径为1.25mm～5.0mm。
11. 如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述搅拌机为圆盘立轴式搅拌机，且功率不小于30kW，转速在60r/min～90 r/min。
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