本发明属于固化软土地基，特别涉及一种快速原位固化方法。
背景技术：
1、就地固化技术是一种利用固化剂(水泥、石灰、粉煤灰、工业废料等)与土体内部颗粒发生的物理、化学反应，就地对软土进行固化，快速形成硬壳层，使其强度满足一定要求，达到地基处理目的的方法。但对于大面积、高含水率的软土固化工程，传统的就地固化技术的固化强度增长较慢，无法快速达到承载相关设施的强度，不能满足快速固化推进的需求，显著延长了施工周期。
技术实现思路
1、本发明的目的在于提供一种固化强度增长快、能满足快速固化施工需求的快速原位固化方法。
2、为解决上述技术问题，本发明是通过以下技术方案实现的：
3、一种快速原位固化方法，搅拌装置对待固化区域的淤泥土进行搅拌的过程中，固化剂和速凝剂通过不同的输料管被同时送入搅拌装置中，二者混合后，被旋转喷射入待固化区域的淤泥土中。
4、速凝剂是一种可以使土快速失去流动性的化学外加剂，近年来越来越多地在运用于喷射混凝土施工中。但是现有技术中还未将速凝剂应用于淤泥土固化中，本技术人通过在实验室做实验，和在施工工地做大量的尝试，最终得到将速凝剂应用于淤泥土固化软基领域并取得有益效果的成果，在固化剂的共同作用下，它可以在短时间内达到支撑施工机械作业的强度和流动性要求，明显缩短施工周期。本技术人在施工工地实验过程中发现，提前将固化剂与速凝剂料筒中混合再通过传统输送固化剂的管道运送，混合浆料会在输料管中凝固，堵塞管道，使出料量达不到预期设定量甚至损坏设备，为此，申请人还研发了分别输送固化剂与速凝剂，再在短距离混料管中混合后喷射而出的搅拌装置，这样的搅拌装置不会堵塞输料管。市面上的速凝剂有三种：第一种是偏铝酸钠、硅酸钠等为主要成分的高碱性液体速凝剂，存在后期强度损失大、腐蚀性强、污染环境、对工人危害大的缺点；第二种以无机含氟酸作为主要成分的无碱液体速凝剂，其促凝效果明显，实际施工效果良好，但引入的f-不仅对身体有害，同时极大程度降低了1d抗压强度；第三种是以有机酸为主要络合组分的无碱无氟液体速凝剂，不引入有毒原料，但早期强度发展缓慢，所以申请人改进了速凝剂的配方。本发明速凝剂为低碱速凝剂，具有污染小、腐蚀性低、后期强度高的特点，同时原料组分中不含f-，对工人的危害小，1d抗压强度高，早期强度发展迅速。本发明速凝剂是针对固化土工程提出的，传统速凝剂基本用于喷射混凝土工程。
5、优选地，本发明所述速凝剂的配方按质量百分比包括以下原料：十八水合硫酸铝45％-50％、活性氢氧化铝6％-10％、二乙醇单异丙醇胺2％-4％、三乙醇胺0.5％-1.5％、有机酸1％-3％，其余为水。
6、十八水合硫酸铝，为白色粒状，其中al2(so4)3·18h2o的质量分数≥99.00％，fe的质量分数≤0.01％，水不溶物的质量分数≤0.10％，ph值(1％水溶)≥3.0。
7、活性氢氧化铝，为白色结晶粉末，其中al(oh)3的质量分数≥99.60％，比白度≥93.00％，灼碱34.5±0.5％。
8、二乙醇单异丙醇胺，为浅黄色透明黏稠性液体，deipa含量≥99.00％，熔点为31.5-36℃，密度为1.079-1.083g/ml，折射率为1.473-1.477，闪点>230°f。
9、三乙醇胺，为无色透明黏稠性液体，三乙醇胺含量≥99.00％，水分≤0.30％，二乙醇胺≤0.50％，乙醇胺≤0.50％，灼烧残渣(以硫酸盐计)≤0.10％，密度为1.122-1.125g/ml。
10、有机酸，为甲酸、醋酸、乙二酸、丁二酸其中的一种或多种混合。
11、各组分的作用：
12、十八水合硫酸铝为速凝组分，腐蚀性小，不呈碱性，能在固化土搅拌浆体中引入大量的so42-和al3+，一方面硫酸铝自身与氢氧化钙反应能快速生成大量钙矾石，另一方面速凝组分中的al3+水解为al(oh)4-，也能够与氢氧化钙反应生成钙矾石。此外，so42-和ca2+反应得到次生石膏与铝酸三钙，两者继续反应生成钙矾石，大量快速生成的钙矾石呈网状结构分布在水泥浆体中起到促凝的效果。
13、活性氢氧化铝为铝离子补充剂。硫酸铝在水中的溶解度不高，在25℃下其溶解度为28.29％，加入活性氢氧化铝可以补充al3+，高浓度的al3+能够促进生成钙矾石。
14、二乙醇单异丙醇胺为络合剂，能溶于水，其分子中的n原子能够作为配位原子与al3+络合为稳定可溶于水的络合物，可以提高速凝剂的稳定性。
15、有机酸也为络合剂，一方面可以与al3+络合为稳定可溶于水的络合物，提高速凝剂的稳定性，另一方面可以提高十八水合硫酸铝在水中的溶解度。
16、三乙醇胺为早强剂和络合剂，三乙醇胺反应过程中可以与固化土搅拌浆体中的ca2+和fe3+等离子络合，促进铝酸三钙的溶解，加速其生成钙矾石的反应，从而促进早期强度增长。同时，三乙醇胺作为醇胺类物质，也能起到络合al3+的作用。但是，当三乙醇胺掺量过高时会对固化土的凝结时间与早期强度产生负面效果，其原因是过多的三乙醇胺会与水化产物生成络合物，这些络合物过多会影响水化产物的进一步水化。
17、淤泥土中掺入本发明所述速凝剂之后的反应原理：
18、掺入速凝剂之后，使得淤泥土和固化剂搅拌浆体中so42-和al3+的浓度急剧增大；al3+在固化土搅拌浆体的碱性环境中首先会转化成al(oh)4-，然后al(oh)4-在碱性环境下继续与固化土搅拌浆体中的ca2+反应生成3cao·al2o3·6h2o；同时速凝剂提供的so42-也会与ca2+发生反应生成活性较高的次生石膏；最后3cao·al2o3·6h2o与次生石膏发生反应在固化土搅拌浆体中生成大量钙矾石(aft)。而且这种从液相中析出的aft并不会对铝酸三钙(c3a)形成薄膜包裹层，同时由于生成的次生石膏的活性比固化土搅拌浆体中原有石膏的活性高，因此使得c3a的水化也得以快速进行，从而生成aft晶体。短时间内大量针棒状的aft填充在固化土搅拌浆体空隙中形成一个空间网络结构，同时由于浆体中的水分参与反应被消耗，使固化土搅拌浆体迅速失去流动性，得以快速凝结硬化。同时，由于在aft的生成过程中，由于固化土搅拌浆体中ca2+被大量消耗，而固化剂中硅酸三钙(c3s)表面的ca2+浓度较高，这种浓度差引起较大的渗透压促使c3s不断向浆体中溶出ca2+，促进了c3s的溶解与水化，生成c-s-h凝胶，填充在浆体孔隙中，进而使得整个浆体结构更为致密，降低了硬化浆体孔隙率，从而获得较高的抗压强度。
19、涉及的反应方程式有：
20、al2(so4)3＝so42-+al3+
21、al3++4oh-＝al(oh)4-
22、2al(oh)4-+3ca2++4oh-＝3cao·al2o3·6h2o
23、so42-+ca2++2h2o＝caso4·2h2o
24、3cao·al2o3·6h2o+3(caso4·2h2o)＝3cao·al2o3·3caso4·32h2o
25、c3a+3caso4·2h2o+26h2o＝3cao·al2o3·3caso4·32h2o
26、3cao·sio2+nh2o＝xcao·sio2·(n-3+x)h2o(c-s-h凝胶)+(3-x)ca(oh)2
27、进一步地，本发明所述速凝剂的制备方法具体包括：
28、按质量比称取十八水合硫酸铝、活性氢氧化铝、二乙醇单异丙醇胺、三乙醇胺、有机酸和水，备用；
29、将十八水合硫酸铝和活性氢氧化铝粉末混合均匀，之后依次倒入二乙醇单异丙醇胺、三乙醇胺、有机酸，搅拌均匀后再加入适量水，即得到速凝剂。
30、本发明所述搅拌装置的搅拌臂外侧连接有固化剂输料管，固化剂输料管一端与装有固化剂的料筒连通，另一端与混料管连接；混料管具有两个连接端，一端与固化剂输料管连接，为固化剂输料端，另一端与喷头连通，两个连接端之间的管道内壁设置有若干个圆锥结构的阻隔器，阻隔器上还设置有螺旋状的凸起；两个连接端之间的管道外壁向外沿伸出一个用于连接速凝剂输料管的连接端，为速凝剂输料端，速凝剂输料管的一端与速凝剂输料端连接，速凝剂输料管的另一端与装有速凝剂的料筒连通；固化剂和速凝剂分别通过固化剂输料管和速凝剂输料管被同时送入混料管中，二者在混料管内混合后被喷射入待固化区域的淤泥土中。
31、申请人先将固化剂和速凝剂混合好后，通过现有搅拌装置中的固化剂输料管(如申请号为202220041062.7专利中搅拌装置和固化剂输料管)使提前混合好的混合浆料喷出，但发现混合浆料会在固化剂输料管中凝固，堵塞管道，使出料量达不到预期设定量甚至损坏设备，所以对搅拌装置进行改进，使固化剂和速凝剂分别通过两个输送管输送，由于固化剂和速凝剂输料管的流速不同，同一时刻进入混料管的固化剂和速凝剂在交汇处发生碰撞，开始混合，并在混料管内壁阻隔器的阻挡作用下发生多次碰撞，管内液体变为紊流状态，不会凝固且混合均匀。输料管道的流速和直径等参数都能根据所需固化剂和速凝剂掺量做进一步设计。
32、进一步地，为了混合地更均匀，在混料管另一端通过连接件与套筒的内管相对转动连接，内管内壁设置有若干个圆锥结构的阻隔器，阻隔器上还设置有螺旋状的凸起；内管另一端连接喷头，固化剂和速凝剂的混合浆料经混料管初步混合后进入内管内转动混合后被旋转喷射入待固化区域的淤泥土中。
33、固化剂和速凝剂进入混料管内，在混料管内阻隔器的阻挡作用下发生碰撞混合，紧接着进入内管中，随着内管的旋转，内管内液体流动状态更加不稳定，不断碰撞混合，内管的旋转速度宜控制在10～20r/min，使固化剂和速凝剂在喷出之前混合更均匀。
34、一种快速原位固化方法，具体包括如下步骤：
35、步骤1、施工前清除表面杂草，用定位杆确定待固化区域的四个顶点，按照设计方案对待固化区域进行分块；
36、步骤2、根据每个区块的淤泥土工程量，计算该区块的固化剂用量，采用固化剂自动定量供料系统设置固化剂喷料速率；
37、步骤3、根据固化剂的用量确定速凝剂的用量，所需速凝剂的质量是固化剂质量的10％-15％，采用速凝剂供料系统设置速凝剂喷料速率；
38、步骤4、将固化剂和速凝剂分别倒入不同料桶，然后将搅拌装置的固化剂输料管与固化剂料桶连接，将搅拌装置的速凝剂输料管与速凝剂料桶连接，通过挖掘机上的液压系统对搅拌装置的搅拌鼓进行驱动，通过挖掘机的机械臂带动搅拌装置向土壤内部移动，与此同时固化剂和速凝剂通过各自的输料管进入搅拌装置的混料管内被混合后喷射而出，在搅拌装置的作用下使混合浆料和土壤进行混合。
39、进一步地步骤4中，首先将搅拌装置安装在挖掘机的机械臂上，开启注浆压力泵，将固化剂和速凝剂分别通过各自的输料管道送入混料管，同时开启电机带动内管旋转，内管的旋转速度控制在10～20r/min；混合浆料从喷头雾状喷射而出，喷浆压力设为不大于1.0mpa；
40、搅拌鼓的旋转速度控制在15～25r/min，挖掘机带动搅拌装置向土壤内部移动，搅拌下沉速度控制在0.6～0.8m/min，搅拌下沉的过程中持续喷浆；喷浆30s后，匀速提升搅拌装置，提升速度控制在1.0m/min以内，提升搅拌过程中同时喷浆，提至设计高程以上0.5m；重复搅拌下沉、提升至设计深度，直至固化剂和速凝剂注入量达到设计需求量，停止喷浆后提升至地面，施工完毕。
41、优选地，本发明套筒的结构包括外管和内管，内管圆周外侧壁上套设有轴承，轴承的内圈与内管外壁相对固定连接，轴承的外圈与外管的内壁之间相对固定连接，通过轴承使外管套设在内管外，外管内壁上固连有电机，电机的输出轴上固连有主动齿轮，与主动齿轮相应的内管圆周外侧壁上固连有从动齿轮，电机带动主动齿轮驱动从动齿轮转动，使内管相对外管转动。
42、进一步地，混料管的套筒连接端和固化剂输料端的圆周外侧壁上固连有法兰盘，混料管的套筒连接端通过连接件与套筒的内管连通；连接件内部具有与混料管、内管贯通、供固化剂和速凝剂混合浆料流通的通孔，连接件圆周外侧壁具有一个台阶，形成两个连接端，其中第一个连接端用于通过螺栓或螺钉连接混料管的法兰盘，第二个连接端用于通过螺栓或螺钉连接套筒的外管；内管用于和连接件连接的端面套设有环形连接件，相应地连接件上开设有用于安装环形连接件的安装槽，内管的出料端连接有伞状喷头；外管用于和连接件连接的一端具有连接端，连接端下边缘与环形连接件外周连接。
43、进一步地，环形连接件与内管之间设置有与环形连接件形状相同的动密封垫圈，可以减少内管转动时与环形连接件之间的摩擦，也能起到密封作用，防止混合浆料从环形连接件和内管之间的缝隙中渗出。
44、本发明具有以下有益效果：
45、本发明将固化剂和速凝剂应用于淤泥固化，能提高固化效率、加速施工进度、缩短工期，且本发明速凝剂为低碱速凝剂，具有污染小、腐蚀性低、后期强度高的特点，同时原料组分中不含f-，对工人的危害小，1d抗压强度高，早期强度发展迅速。
46、本发明通过两个输料管道分别输送固化剂和速凝剂，并设计了混料管和旋转内管，使流速不同的固化剂和速凝剂在同一时刻进入混料管内发生碰撞、汇合，再进入内管中旋转混合，有效防止混合浆料在输料管道中提前凝固堵塞管道的现象。