水下土壤凝固剂的制作方法

[0001]
本发明涉及海上风电桩基础防冲刷的技术领域，更具体地涉及水下土壤凝固剂。


背景技术：

[0002]
海上风电机组基础建设后，桩基础使得此区域原来波浪、海流等水动力条件发生改变，打破原来已经建立的泥沙输运平衡，从而使桩基础周围海底发生冲刷。海流遇到桩基础的阻碍发生绕流，桩基础周围流速加大，在桩基础周围形成的马蹄形漩涡，以及桩基础后方的剥蚀漩涡是对桩基础形成冲刷的主要动力。根据冲刷原理可知，波流冲刷和海床侵蚀共同作用形成了基础桩周围的冲刷坑，桩径越大，冲刷越严重。
[0003]
当桩基础周围的土壤被冲刷之后，桩的摩擦长度减小，承载力下降，在结构重力作用下，对结构物的安全造成很大威胁，因此，技术措施桩基防冲刷围护工作必须及时有效。
[0004]
目前，海上风电做了一些防护措施，比如抛下护桩，由于块石抛入桩基坑内，石头之间缝隙仍然阻止不了潮汐抽流带走下面的沙土后导致块石下沉，由于块石有棱角沉至电缆后，电缆被潮汐抽空流荡使电缆受损，通过一年后扫测发现，块石下沉、基坑仍在增大，其防冲刷效果并不好。


技术实现要素：

[0005]
本发明的目的提供一种水下土壤凝固剂，解决上述现有技术问题中的一个或者多个。
[0006]
一方面，本发明提供水下土壤凝固剂，通过以下步骤制成：按重量百分比计，将70-75％的粉砂土和25-30％水泥进行混合，得到混合料，再加入早强剂、土壤粘固剂以及水，其中，所述早强剂加入量为所述水泥的3％-5％，所述土壤粘固剂加入量为所述水泥的18％至20％，所述水的加入量为混合料的12％至15％。
[0007]
该申请的水下土壤凝固剂在4小时内在有流速的水下将粉砂土和水泥中，加入早强剂、土壤粘固剂以及水后快速凝固。
[0008]
其中，粉砂土的含量为70-75％，使其不但水下流速不分散，且通过凝固剂搅拌后短时间内凝固。
[0009]
在一些实施方式中，水泥为强度等级≥52.5mpa的硅酸盐水泥。
[0010]
在一些实施方式中，早强剂选自sca早强剂、硅酸铝水早强剂、萘系或脂肪族早强剂中的一种或多种。
[0011]
在一些实施方式中，土壤粘固剂通过聚乙烯醇、尿素、甲醛、萘系和脂肪族复合研制而成。其中，按重量百分比计，将20-25％的聚乙烯醇溶于水、20-25％的尿素溶于水、20-25％的甲醛的水溶液，15-20％的萘系减水剂溶于水以及5-25％的脂肪族减水剂溶于水，并混合而成。
[0012]
在一些实施方式中，为了达到快速凝固并提高硬化强度的目的，还包括强化剂，所述强化剂通过环氧树脂、纳米无机填料以及硅酸铝水复合而成。其中，按重量百分比计，将
45-48％的环氧树脂，45-48％的纳米无机填料以及4-10％的硅酸铝水混合而成。
[0013]
在一些实施方式中，纳米无机填充剂包括长径比不小于10的长条状二氧化钛以及长径比小于2的颗粒状二氧化钛。
[0014]
在一些实施方式中，长条状二氧化钛与所述颗粒状二氧化钛的摩尔比为5:1至10：1。
[0015]
在一些实施方式中，长条状二氧化钛的直径为5-500nm,长度为25nm-50μm。
[0016]
在一些实施方式中，颗粒状二氧化钛通过激光衍射散射式粒度分布测定所测得的累积10％粒径(d10)与累积90％粒径(d90)的差值不小于50nm。
[0017]
再一方面，本发明提供水下土壤凝固剂的使用方法，包括以下步骤：
[0018]
通过扫测图了解桩基坑冲刷深度和面积以及形状，计算出所需填坑用量，根据天气情况，力争一根桩在一个平潮落潮时间内一次施工完毕，将所需原材料，水泥、早强剂、土壤粘固剂装入工程船上。采砂船用探沙仪离桩500m外探沙后去绞吸标准粉砂土运至施工船过滤后输入工程船拌和仓内刻度计量加入水泥搅拌，再加入早强剂、水下凝固剂拌和十分钟，快速用2台高压输送泵通过固定导管牵引传感器的控制，把拌和好的填充料输进桩基坑，其填高度要超出海床面12-20公分，由桩为中心向外留有一定的波比，在四小时内达到初凝效果，水下自然养护一周后达到一定的强度，起到防冲刷结果，使用过程中可以定期扫测查核受损情况和年限。
[0019]
有益效果：本发明的水下土壤凝固剂成本低、初凝速度快、效果好且达到环保的要求，该水下土壤凝固剂回填冲刷坑后，能有效解决海上风机桩基础防冲刷问题。
附图说明
[0020]
图1为本发明水下土壤凝固剂拌和料施工示意图。
具体实施方式
[0021]
下面将结合本发明实施例中的附图，对发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0022]
本申请提供水下土壤凝固剂，提供水下土壤凝固剂，通过以下步骤制成：按重量百分比计，将70-75％的粉砂土和25-30％水泥进行混合，得到混合料，再加入早强剂、土壤粘固剂以及水，其中，所述早强剂加入量为所述水泥的3％-5％，所述土壤粘固剂加入量为所述水泥的18％至20％，所述水的加入量为混合料的12％至15％。
[0023]
该申请的水下土壤凝固剂在4小时内在有流速的水下将粉砂土和水泥中，加入早强剂、土壤粘固剂以及水后快速凝固。
[0024]
其中，粉砂土的含量为70-75％，使其不但水下流速不分散，且通过凝固剂搅拌后短时间内凝固。
[0025]
本申请的水下土壤凝固剂的各种实施例中，水泥为强度等级≥52.5mpa的硅酸盐水泥。水泥可以选择52.5r、62.5、62.5r这三个等级。
[0026]
本申请的水下土壤凝固剂的各种实施例中，早强剂选自sca早强剂、硅酸铝水早强
剂、萘系或脂肪族早强剂中的一种或多种。早强剂的主要作用在于加速水泥水化速度，促进混凝土早期强度的发展；既具有早强功能，又具有一定减水增强功能。
[0027]
本申请的水下土壤凝固剂的各种实施例中，土壤粘固剂通过聚乙烯醇、尿素、甲醛、萘系和脂肪族复合研制而成。其中，按重量百分比计，将20-25％的聚乙烯醇溶于水、20-25％的尿素溶于水、20-25％的甲醛的水溶液，15-20％的萘系减水剂溶于水以及5-25％的脂肪族减水剂溶于水，并混合而成。
[0028]
本申请的水下土壤凝固剂的各种实施例中，为了达到快速凝固并提高硬化强度的目的，还包括强化剂，所述强化剂通过环氧树脂、纳米无机填料以及硅酸铝水复合而成。其中，按重量百分比计，将45-48％的环氧树脂，45-48％的纳米无机填料以及4-10％的硅酸铝水混合而成，强化剂的加入了量为混合料的3-5％。
[0029]
环氧树脂选优阴离子交换树脂，可以选用201
×
7阴离子树脂，该阴离子树脂能吸附海水中侵入水下土壤的氯离子和硫酸根离子，减少氯离子和硫酸根离子对水下土壤的侵蚀，提高水下土壤材料的填充寿命。
[0030]
本申请的水下土壤凝固剂的各种实施例中，纳米无机填充剂包括长径比不小于10的长条状二氧化钛以及长径比小于2的颗粒状二氧化钛。
[0031]
纳米无机填充剂可以填充和堵塞水下土壤孔隙，降低孔隙率，提高水下土壤密实度；其中，长条状二氧化钛可以互相缠绕形成编制结构，既能提高填充剂的内聚力，防止填充剂中单独的颗粒、纤维掉落，又提高了水下土壤的致密度，提高其抗海水侵蚀的耐受性，提高水下土壤材料的填充寿命。颗粒状二氧化钛的存在可以通过颗粒物的粒径、形貌控制内部堆积空隙率，来弥补水下土壤因海水侵蚀产生的微裂缝。
[0032]
本申请的水下土壤凝固剂的各种实施例中，长条状二氧化钛与所述颗粒状二氧化钛的摩尔比为5:1至10：1。
[0033]
本申请的水下土壤凝固剂的各种实施例中，长条状二氧化钛的直径为5-500nm,长度为25nm-50μm。
[0034]
本申请的水下土壤凝固剂的各种实施例中，颗粒状二氧化钛通过激光衍射散射式粒度分布测定所测得的累积10％粒径(d10)与累积90％粒径(d90)的差值不小于50nm。通过大小颗粒的复配中的合理参数搭配区间，可以弥补水下土壤因海水侵蚀产生的不同微裂缝，增加水下土壤的密实度。
[0035]
相应地另一方面，本申请还要去保护水下土壤凝固剂的使用方法，包括：
[0036]
通过扫测图了解桩基坑冲刷深度和面积以及形状，计算出所需填坑用量，根据天气情况，力争一根桩在一个平潮落潮时间内一次施工完毕，将所需原材料，水泥、早强剂、土壤粘固剂装入工程船上。采砂船用探沙仪离桩500m外探沙后去绞吸标准粉砂土运至施工船过滤后输入工程船拌和仓内刻度计量加入水泥搅拌，再加入早强剂、水下凝固剂以及强化剂拌和十分钟，快速用2台高压输送泵通过固定导管牵引传感器的控制，把拌和好的填充料输进桩基坑，其填高度要超出海床面12-20公分，由桩为中心向外留有一定的波比，在四小时内达到初凝效果，水下自然养护一周后达到一定的强度，起到防冲刷结果，使用过程中可以定期扫测查核受损情况和年限。
[0037]
以下，提供本发明的实施例：
[0038]
先将粉砂土和水泥进行一次拌和10至20分钟，然后加入早强剂和土壤粘固剂二次
搅拌5至10分钟，接着加入环氧树脂、纳米无机填料以及硅酸铝水进行三次搅拌5至10分钟，最后加入适量的水洗，进行搅拌，得到水下土壤凝固剂备用。
[0039]
实施例1-3：
[0040][0041]
将实施例1制备的样品，送至武汉港湾工程质量检测有限公司进行检测，具体数据如下：
[0042][0043]
本发明实施例的水下土壤凝固剂成本低、初凝速度快、抗压强度高、使用寿命长且达到环保的要求。
[0044]
对比例1至3：
[0045]
[0046]
对比例1与实施例相比，没有添加早强剂，导致对比例1制备的水下土壤凝固剂无法在4h内完成初凝，其充填如桩根部后，很容易被潮水冲刷损坏；
[0047]
对比例2与实施例相比，没有添加土壤凝固剂，导致对比例2制备的水下土壤凝固剂凝固强度不过，其(7d)无侧限抗压强度试验(kpa)不合格(＜50)；
[0048]
对比例3与实施例相比，没有添加强化剂，虽然对比例3的初凝时间和(7d)无侧限抗压强度试验(kpa))达到要求，但是(28d)无侧限抗压强度试验(kpa)明显低于实施例1，说明其在海水中浸泡后，受到海水中氯离子和硫酸根离子的侵蚀，使得水下土壤凝固剂强度受损。
[0049]
本申请实施例加入该水下土壤凝固剂回填冲刷坑，具有以下优点：
[0050]
1、抗冲刷能力强：材料整体匀质性好，粘聚力指标高，抗冲刷能力强；
[0051]
2、与桩基粘合性好：自流性可控，施工中的液态状与桩基贴合紧密，没有缝隙，不易产生冲刷点，边界可形成缓坡，不易产生冲刷启动。
[0052]
3、结构整体性好：底部贴合且融合于海床形成紧密的大整版结构，表面光洁，底部不渗水，潜在的抵御涌浪破坏作用效果显见。
[0053]
4、施工便捷、高效：利用水下土壤凝固剂较高流动性，采用船上拌和直接泵送的工艺，可将水下土壤凝固剂泵送至指定部位，全面覆盖，且吸沙、泵送工作船抢抓时间可以穿插施工；
[0054]
5、施工安全、可靠：采用管道泵送工艺，施工作用时，输浆工作船导管牵引传感器固定后和桩基没有任何碰撞，安全防护可靠有保障；
[0055]
6、水稳定性号及耐久性好：使用稳定，修复量很少，彻底的解决了风电桩基础防护及修复中的众多难题，大大减少了工程后期的维护费用，使用寿命优势明显；
[0056]
7、环保价值高：水下土壤凝固剂材料符合国家的各项环保要求，同时减少了对砂石等不可再生资源的消耗，极大的响应了环境保护及生态文明建设的国策号召。
[0057]
针对某项目的具体工况进行防冲刷施工：
[0058]
根据水文观测数据，该项目海上风电场海底地势平坦，水深6～13m，测区夏季潮流可能最大流速在0.91～1.33m/s之间。可能最大流速最大值为1.33m/s根据潮流理论，圆形构造物设置后的流速可达到未设置前流速的1.5倍。
[0059]
根据邻近场区勘察成果，场区地层自上而下分述如下：
[0060]
①-
2层粉砂，为新近沉积土，灰黄色，松散～稍密，局部夹粉土，含有机质及云母碎屑。该层全场分布，层顶标高-14.45～-12.30m，层厚2.40～3.00m。
[0061]
②-
1层淤泥质粉质粘土，灰色，流塑，局部夹薄层状粉砂，含少量云母、贝壳碎屑。该层全场分布，层顶埋深2.40～3.00m，层顶标高-17.45～-14.70m，层厚11.00～13.70m。
[0062]
②-
2层粉质粘土夹粉砂，灰、灰褐色，软塑，局部流塑，局部夹团块状粉砂，含少量云母、贝壳碎屑。该层全场分布，层顶埋深13.40～16.50m，层顶标高-29.10～-25.70m，层厚3.90～7.60m。
[0063]
③-
1层粉砂，灰色，中密，局部稍密，局部夹层状淤泥质粉质粘土，含云母、贝壳残体。该层全场分布，层顶埋深19.00～30.00m，层顶标高-42.60～-33.00m，层厚4.60～12.30m。
[0064]
③-
夹层粉质粘土夹粉土，灰色，流塑～软塑，粉质粘土单层厚度3～6cm，粉土单层
厚度0.3～1cm，层厚比约为4:1。该层全场分布，层顶埋深24.20～35.30m，层顶标高-47.60～-37.60m，层厚1.70～14.80m。
[0065]
④-
1层粉质粘土，灰色，可塑，局部夹粉土。该层全场分布，层顶埋深37.00～40.00m，层顶标高-53.45～-47.30m，层厚1.00～2.00m。
[0066]
④-
2层粉质粘土夹粉土，灰色，软塑，夹层状、团块状粉土，偶见结核物。该层全场分布，层顶埋深39.00～41.00m，层顶标高-54.45～-51.30m，层厚4.80～5.50m。
[0067]
⑥-
1层粉砂夹粉土，灰色，中密～密实，局部夹软塑状粉质粘土薄层，含云母、贝壳碎屑。该层全场分布，层顶埋深44.00～45.80m，层顶标高-59.95～-56.30m，层厚8.00～15.20m。
[0068]
⑥-
3层中砂，灰色，密实，夹薄层状粉土，局部夹少量薄层状粉质粘土，含少量有机质及云母碎屑。该层全场分布，层顶埋深52.00～64.00m，层顶标高-76.60～-64.30m，揭露层厚14.50～24.00m。
[0069]
⑦-
1层粉质粘土(q32)：灰色，可塑，夹粉土及少量粉砂，偶夹贝壳碎屑。该层局部分布，层顶埋深74.00m，层顶标高-86.30m，未揭穿，揭露最大层厚4.50m。
[0070]
根据多波束扫测的桩基周围水深图，桩基防冲刷断面图，从扫测图可知，运营一年后桩基周围形成稳定形状的冲刷坑。
[0071]
本申请的水下土壤凝固剂试验方案为：填充一个有效宽度20m，高度约0.8m的固化土圆环覆盖层，压覆在桩基础四周淤泥层上方。
[0072]
为保证水下土壤凝固剂与钢管桩之间紧密连接，利用调配好的水下土壤凝固剂初期具有较高的流动性，通过泵送的方式直接打入管桩根部，慢慢流散至指定位置并逐渐硬化成型，形成填充层边缘的缓坡，避免形成直立的陡壁，产生2次冲刷。水下土壤凝固剂拌和料施工示意图如下附图1所示，附图1中1为管桩，2为水下土壤凝固剂拌和料输出管，3为海床自然地面线，4为填充后的水下土壤凝固剂拌和料。
[0073]
本申请的水下凝固剂覆盖后有效半径≥20m，且水下土壤凝固剂强度≥200kpa，即可以抵抗海底流速约4.0m/s的长久冲刷。
[0074]
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。