CN118108472A - 一种水工结构防冲刷生物复合三元体系固化土及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于海洋岩土工程材料领域，公开了一种水工结构防冲刷生物复合三元体系固化土及其制备方法。本发明的固化土按重量份数计包含填充料1000份、固化剂61‑90份、生物稳定剂4‑7份、矿粉10‑14份、粉煤灰6‑8份和外加剂0.8‑4份；其中，所述填充料为淤泥，固化剂中包含硅酸盐水泥、硫铝酸盐水泥和石膏，生物稳定剂中包含巴氏芽孢杆菌泥和尿素，外加剂为减水剂和抗分散剂。该固化土以普通硅酸盐水泥、硫铝酸盐水泥、石膏三元体系为基础，通过添加环保新型生物稳定剂提升了钙矾石含量和固化土强度，通过添加矿物掺合料粉煤灰和矿粉增强了抗盐卤离子侵蚀能力，解决了固化土在海洋环境物理冲刷与盐卤离子侵蚀下力学性能损失严重的问题，改善了固化土的体积稳定性。

Description

一种水工结构防冲刷生物复合三元体系固化土及其制备方法

技术领域

本发明涉及海洋岩土工程材料领域，具体是涉及一种水工结构防冲刷生物复合三元体系固化土及其制备方法。

背景技术

海洋环境中的结构物受到复杂的波流作用，结构物周边流场结构发生改变，导致结构物周围床面切应力增强，超过一定程度后海床面土壤会逐步流失，在结构物周围形成局部冲刷坑。随着冲刷的不断发展，冲刷坑不断演化扩大，致使结构物埋深降低，影响结构物正常工作。

局部冲刷现象广泛的存在于海底管道管缆、海上风电、桥梁等工程中。根据防护机理，现有的冲刷防护有两类：一类是主动防护，通过控制冲刷水流以减小冲刷原动力，常见的有翼板防护，桩身开缝等措施，该类方法成本较高，牺牲了结构的部分承载力；第二类是改变床面土壤特性或冲刷对象的被动防护，应用较多的方法有抛石防护，沉排防护，该类方法施工困难，经济性不高，抛洒区域难以控制，且众多案例表明抛石防护会发生整体沉没，不具有长期有效性。

固化土是一种有效且具备广阔应用前景的防冲刷新技术，利用流态固化土初期良好的流动性，将其泵送至海床表面或发展中的冲刷坑中，随着时间增加，流态固化土逐渐硬化成型，形成防护层，可起到冲刷防护和修复的效果，不过现有的固化土使用场景主要聚焦在无水环境，一部分应用于海洋环境中的固化土在物理冲刷作用和盐卤离子侵蚀下，力学性能损失严重。如将固化土应用于海洋环境需进行优化改善，提升强度和稳定性。

发明内容

本发明的目的是为了克服上述背景技术的不足，提供了一种水工结构防冲刷生物复合三元体系固化土及制备方法，本发明的水工结构防冲刷生物复合三元体系固化土对固化土配方进行优化，以普通硅酸盐水泥、硫铝酸盐水泥、石膏三元体系为基础配方，通过添加一种环保新型生物稳定剂提升了三元体系中的钙矾石(AFt)含量，提升了固化土强度，通过添加矿物掺合料粉煤灰和矿粉增强了固化土抗盐卤离子侵蚀能力，解决了固化土在海洋环境物理冲刷与盐卤离子侵蚀下力学性能损失严重的问题，改善了固化土的体积稳定性。

为达到本发明的目的，本发明的水工结构防冲刷生物复合三元体系固化土按照重量份数计包含填充料1000份、固化剂61-90份、生物稳定剂4-7份、矿粉10-14份、粉煤灰6-8份和外加剂0.8-4份；其中，所述填充料为淤泥，所述固化剂中包含硅酸盐水泥、硫铝酸盐水泥和石膏，所述生物稳定剂中包含巴氏芽孢杆菌泥和尿素，所述外加剂选自减水剂和抗分散剂中的一种或多种。

进一步地，在本发明的一些实施方式中，所述填充料为含水率80-120％的淤泥。

进一步地，在本发明的一些实施方式中，所述外加剂为减水剂和抗分散剂；优选地，所述减水剂和抗分散剂的质量比为0.5-3：0.2-0.5。

进一步地，在本发明的一些实施方式中，所述减水剂为聚羧酸高性能减水剂。

进一步地，在本发明的一些实施方式中，所述抗分散剂为聚丙烯酰胺抗分散剂。

进一步地，在本发明的一些实施方式中，所述固化剂中按重量份数计包含硅酸盐水泥40-60份、硫铝酸盐水泥14-20份和石膏7-10份。

进一步地，在本发明的一些实施方式中，所述生物稳定剂中按重量份数计包含巴氏芽孢杆菌泥1-2份和尿素3-5份。

进一步地，在本发明的一些实施方式中，所述外加剂为聚羧酸高性能减水剂和聚丙烯酰胺抗分散剂。

再一方面，本发明还提供了一种前述水工结构防冲刷生物复合三元体系固化土的制备方法，所述方法包含以下步骤：

(1)按照所需重量份数，取填充料、固化剂、生物稳定剂、矿粉、粉煤灰和外加剂备用：

(2)将填充料和生物稳定剂混合并调配至含水率80-120％，搅拌均匀，然后加入搅拌均匀的固化剂、矿粉、粉煤灰和外加剂，于搅拌器中混合，充分搅拌3-5min，即可获得一种水工结构冲刷防护生物复合三元体系固化土。

与现有技术相比，本发明的优点如下：

(1)本发明的水工结构防冲刷生物复合三元体系固化土采用普通硅酸盐水泥、硫铝酸盐水泥和石膏三元体系作为主剂，水化产物成分中会产生大量钙矾石(AFt)，且普通硅酸盐水泥、硫铝酸盐水泥和石膏三者混合使用可促进水泥水化，硬化体早期和后期强度高，并改善体积稳定性。此外，以疏浚淤泥为原材料制成固化土解决了淤泥堆占土地资源和局部冲刷问题，还有变废为宝的作用。

(2)本发明中采用绿色环保无污染的生物稳定剂(巴氏芽孢杆菌泥+尿素)，能够利用脲酶水解尿素产生碳酸根离子，并与水泥基材料中的钙源结合形成碳酸钙，碳酸钙有效改善了硫铝酸盐水泥和普通硅酸盐水泥中单硫型水化硫铝酸钙(AFm)的稳定性。碳酸钙的引入减少了单硫酸盐的形成，同时增加了单碳酸盐和半碳酸盐的含量，促进了钙矾石的形成。同时通过巴氏芽孢杆菌产生的矿化沉积物具有一定的胶凝作用，生成的碳酸钙颗粒尺寸比石灰石粉(主要成分为碳酸钙)小很多，固化效果远大于单掺石灰石粉，对整体材料力学性能有所助益。

(3)本发明采用矿物掺合料粉煤灰和矿粉，在一定配合比例下，二者复掺效果优于单掺，具有一定缓凝作用且能在碱性/硫酸盐中激发产生胶凝作用，具有较高抗氯离子渗透性能、抗硫酸盐侵蚀性能，能够提高混凝土在海水环境的耐久性。此外，使用工业固废粉煤灰和矿粉减少了普通硅酸盐水泥的使用，降低了成本，粉煤灰的加入增加了固化土流动性，增强了抗海水侵蚀能力，具有良好的环境效应。

(4)本发明采用的外加剂包括减水剂和/或抗分散剂。其中，减水剂对水泥颗粒有分散作用，改善拌合物的流动性；抗分散剂抑制水下施工时胶凝材料和土颗粒分散，减小了施工水域污染面积。

(5)本发明提出的水工结构冲刷防护生物复合三元体系固化土利用了疏浚弃置的淤泥资源，具有流动性良好，水下抗分散、抗海水侵蚀能力强，力学性能良好，成本较低，制备工艺简易，环境友好等优点。

附图说明

图1是实施例1流动性测试结果示意图；

图2是本发明实施例3中实海服役固化土试样与室内海水浸泡试样对比示意图；

图3是本发明对比例2中流动性测试结果示意图；

图4是本发明对比例3中流动性测试结果示意图；

图5是本发明对比例5中试样软化模态示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。应当理解，以下描述仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

当量、浓度、或者其它值或参数以范围、优选范围、或一系列上限优选值和下限优选值限定的范围表示时，这应当被理解为具体公开了由任何范围上限或优选值与任何范围下限或优选值的任一配对所形成的所有范围，而不论该范围是否单独公开了。例如，当公开了范围“1至5”时，所描述的范围应被解释为包括范围“1至4”、“1至3”、“1至2”、“1至2和4至5”、“1至3和5”等。当数值范围在本文中被描述时，除非另外说明，否则该范围意图包括其端值和在该范围内的所有整数和分数。

本发明要素或组分前的不定冠词“一种”和“一个”对要素或组分的数量要求(即出现次数)无限制性。因此“一个”或“一种”应被解读为包括一个或至少一个，并且单数形式的要素或组分也包括复数形式，除非所述数量明显只指单数形式。

本发明所述水工结构防冲刷生物复合三元体系固化土的制备方法包含以下步骤：

(1)按照所需重量份数，取填充料、固化剂、生物稳定剂、矿粉、粉煤灰和外加剂备用：

(2)将填充料和生物稳定剂混合并调配至含水率80-120％，搅拌均匀，然后加入搅拌均匀的固化剂、矿粉、粉煤灰和外加剂，于搅拌器中混合，充分搅拌3-5min，即可获得一种水工结构冲刷防护生物复合三元体系固化土。

若无特别说明，所述填充料为含水率80-120％的淤泥，所述固化剂中按重量份数计包含硅酸盐水泥40-60份、硫铝酸盐水泥14-20份和石膏7-10份，所述生物稳定剂中按重量份数计包含巴氏芽孢杆菌泥1-2份和尿素3-5份，所述外加剂中按重量份数计包含聚羧酸高性能减水剂0.5-3份、聚丙烯酰胺抗分散剂0.3-1份。

本发明中对实施例和对比例所得固化土进行流动性能测试、无侧限抗压强度测试和实海服役测试，测试方法如下。

流动性能测试：将内径80mm、高80mm的光滑内壁圆筒放置在光滑的正方形板上，将固化土材料搅拌好后立即倒入圆筒至与筒上端齐平，将圆筒提起，固化土坍落，流动停止后测量两个垂直方向的直径平均值。

无侧限抗压强度测试：将新拌固化土装入Φ39.1饱和器试模中，在室内模拟海水箱水下全浸养护，养护龄期自试样浇筑完成之日起算，养护1d、7d、28d后在压力试验机完成无侧限抗压强度测试。

实海服役测试：将室内养护7d脱模的试样放置于某海域(最大水流流速0.5m/s)进行实海服役14d，服役期结束后观察试样冲蚀情况。

实施例1

一种水工结构防冲刷生物复合三元体系固化土，采用填充料为含水率90％的淤泥1000份，固化剂为普通硅酸盐水泥48份、硫铝酸盐水泥14份、石膏7份，巴氏芽孢杆菌泥2份，尿素3份，矿粉16份，粉煤灰8份，聚羧酸高性能减水剂2份，聚丙烯酰胺抗分散剂0.3。

经测试，如图1所示，上述固化土在拌合完成后流动性表现良好，流动度超过18.0cm，能够实现冲刷防护的泵送施工要求；测量其1天强度为33.9kPa，7天抗压强度为203.9kPa，28天强度为408.79kPa。

实施例2

一种水工结构防冲刷生物复合三元体系固化土，采用填充料为含水率120％的淤泥1000份，固化剂为普通硅酸盐水泥40份、硫铝酸盐水泥20份、石膏10份，巴氏芽孢杆菌泥1份，尿素3份，矿粉10份，粉煤灰8份，聚羧酸高性能减水剂1份，聚丙烯酰胺抗分散剂0.3份。

经测试，上述固化土在拌合完成后流动性表现良好，流动度达到19cm；测量其1天强度为36.3kPa，7天抗压强度为172.2kPa，28天强度为388.9kPa；实海服役试样外观完整，与室内试样差别不大。

实施例3

一种水工结构防冲刷生物复合三元体系固化土，采用填充料为含水率80％的淤泥1000份，固化剂为普通硅酸盐水泥60份、硫铝酸盐水泥16份、石膏8份，巴氏芽孢杆菌泥2份，尿素5份，矿粉12份，粉煤灰8份，聚羧酸高性能减水剂3份，聚丙烯酰胺抗分散剂0.3份。

经测试，上述固化土在拌合完成后流动性表现良好，流动度达到16.5cm，；测量其1天强度为46.5kPa，7天抗压强度为241.8kPa，28天强度为472.5kPa；实海服役试样外观完整，与室内试样差别不大，如图2所示。

对比例1

固化土采用的填充料为含水率90％的淤泥1000份，固化剂为普通硅酸盐水泥48份、硫铝酸盐水泥14份、石膏7份，石灰石粉5份(替换生物稳定剂)，矿粉16份，粉煤灰8份，聚羧酸高性能减水剂2份，聚丙烯酰胺抗分散剂0.3份。

经测试，上述固化土在拌合完成后流动性表现良好，流动度超过18.0cm，测量其1天强度为27.1kPa，7天抗压强度为143.5kPa，28天强度为288.9kPa，固化效果弱于有生物稳定剂的配方。

对比例2

与实施例不同的是固化剂为普通硅酸盐水泥30份、硫铝酸盐水泥30份、石膏8份，其他都与实施例1相同。

经测试，如图3所示，上述固化土在拌合完成后流动度下降至15.8cm，无法达到泵送要求，过多地掺入硫铝酸盐水泥使凝结速度增加，导致胶凝体系下降。

对比例3

固化土采用的填充料为含水率70％的淤泥1000份，其他都与实施例1相同。

经测试，如图4所示，上述固化土流动度低于10.0cm，由于水量减少，固化土在拌合完成后流动度下降至9.0cm左右，无法达到泵送要求，流动性不满足要求。

对比例4

固化土采用的填充料为含水率140％的淤泥1000份，其他都与实施例1相同。

经测试，上述固化土由于水量减少，强度损失增加较大，测量其1天强度为13.1kPa，7天抗压强度为64.6kPa，28天强度为210.1kPa。

对比例5

与实施例1不同之处在于缺少矿粉，其他都与实施例1相同。

经测试，新拌固化土流动度为18.0cm，但很不稳定，1h后流动度降至16.0cm以下，无法达到泵送最低要求，且使用上述固化土在海水浸泡过程中试样外表面出现明显软化现象，如图5所示。

对比例6

与实施例1不同之处在于缺少粉煤灰，其他都与实施例1相同。

经测试，新拌固化土流动度下降至16.6cm，且使用上述固化土在海水浸泡过程中试样外表面出现软化现象。

对比例7

与实施例1不同之处在于缺少普通硅酸盐水泥，其他都与实施例1相同。

经测试，测量其1天强度为12.9kPa，7天抗压强度为60.8kPa，28天强度为176.9kPa，由于缺少普通硅酸盐水泥产生的氢氧化钙，水化产物钙矾石大量减少，强度损失严重。

对比例8

与实施例1不同之处在于缺少硫铝酸盐水泥，其他都与实施例1相同。

测量其1天强度为17.5kPa，7天抗压强度为141.8kPa，28天强度为272.5kPa；使用上述固化土在海水浸泡过程中试样外表面出现软化现象。

对比例9

与实施例1不同之处在于缺少石膏，其他都与实施例1相同。

经测试，测得其1天强度为21.2kPa，7天抗压强度为153.4kPa，28天强度为309.7kPa，强度相较于实例1明显下降。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的实例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种水工结构防冲刷生物复合三元体系固化土，其特征在于，所述水工结构防冲刷生物复合三元体系固化土按照重量份数计包含填充料1000份、固化剂61-90份、生物稳定剂4-7份、矿粉10-14份、粉煤灰6-8份和外加剂0.8-4份；其中，所述填充料为淤泥，所述固化剂中包含硅酸盐水泥、硫铝酸盐水泥和石膏，所述生物稳定剂中包含巴氏芽孢杆菌泥和尿素，所述外加剂选自减水剂和抗分散剂中的一种或多种。

2.根据权利要求1所述的水工结构防冲刷生物复合三元体系固化土，其特征在于，所述外加剂为减水剂和抗分散剂。

3.根据权利要求2所述的水工结构防冲刷生物复合三元体系固化土，其特征在于，所述减水剂和抗分散剂的质量比为0.5-3：0.2-0.5。

4.根据权利要求1所述的水工结构防冲刷生物复合三元体系固化土，其特征在于，所述减水剂为聚羧酸高性能减水剂。

5.根据权利要求1所述的水工结构防冲刷生物复合三元体系固化土，其特征在于，所述抗分散剂为聚丙烯酰胺抗分散剂。

6.根据权利要求2所述的水工结构防冲刷生物复合三元体系固化土，其特征在于，所述外加剂为聚羧酸高性能减水剂和聚丙烯酰胺抗分散剂。

7.根据权利要求1所述的水工结构防冲刷生物复合三元体系固化土，其特征在于，所述固化剂中按重量份数计包含硅酸盐水泥40-60份、硫铝酸盐水泥14-20份和石膏7-10份。

8.根据权利要求1所述的水工结构防冲刷生物复合三元体系固化土，其特征在于，所述生物稳定剂中按重量份数计包含巴氏芽孢杆菌泥1-2份和尿素3-5份。

9.根据权利要求1所述的水工结构防冲刷生物复合三元体系固化土，其特征在于，所述填充料为含水率80-120％的淤泥。

10.权利要求1-9任一项所述水工结构防冲刷生物复合三元体系固化土的制备方法，其特征在于，所述方法包含以下步骤：

(1)按照所需重量份数，取填充料、固化剂、生物稳定剂、矿粉、粉煤灰和外加剂备用：

(2)将填充料和生物稳定剂混合并调配至含水率80-120％，搅拌均匀，然后加入搅拌均匀的固化剂、矿粉、粉煤灰和外加剂，于搅拌器中混合，充分搅拌3-5min，即可获得一种水工结构冲刷防护生物复合三元体系固化土。