一种有机无机杂化固结海底淤泥的方法及组合物与流程

1.本发明属于土木工程材料及岩土工程交叉领域，涉及一种通过有机无机杂化高效固结海底淤泥的方法及组合物。


背景技术：

2.由于能源资源的匮乏和环境污染问题日益严峻，世界范围内都在努力开发绿色环保型的新能源。海上风电项目应运而生，而且目前正在蓬勃发展阶段。随着海上风电工程项目投运的时间增长，风机桩基础出现被严重冲刷问题。在海底涌流作用下，桩基附近形成涡流，使桩周围的泥沙被冲走，严重时会导致桩附近的冲刷深度达到数米，同时桩上部还会受到海浪的作用，这将严重影响风电桩基的稳定性。目前工程中常用以下措施来预防或减缓冲刷对桩基础安全的影响：(1)抛石(包括抛沙袋、抛石、预制混凝土构件等)；(2)土工布压实(砂被、土工布压实、连锁块等)；(3)仿生水草治理；(4)预留冲刷长度等。但是，这些方法都有其局限性，抛石法适用于海水水质清澈的海域，否则会影响抛石精度，降低防冲刷效果；土工布压实法防冲刷的长期效果较差，泥沙在波流的反复冲刷下存在流失风险；仿生水草治理法用于海底流速较快，泥沙粒径较小的海域效果较差，无法形成有效沉积覆盖的仿生草区域；预留冲刷长度法需要增加钢桩长度，大大提高了成本，并且随钢桩引入风机的海缆无法固定，需要另行设计固定桩锚固，此方法在海上风电工程应用较少。据此，亟需一种能够有效预防风电基础淤泥冲刷措施，提高风电基础的稳定性，有利于推动海上风电项目的持续发展。


技术实现要素：

3.本发明的目的是为了维持风电桩基附近的海底淤泥在海底涌流等力的作用下的稳定性，防止被涡流冲刷走，并结合海底淤泥的自身性质和所处的环境情况，提出一种有机无机杂化固结海底淤泥的方法，固结海上风电桩基附近的淤泥，使海上风电桩基附近淤泥长久固结，不被桩基附近涡流冲刷走，提高海上风电桩基的稳定性。
4.为了达到上述目的，根据本发明的第一个方面，本发明的技术方案如下：
5.一种有机无机杂化固结海底淤泥的方法，其特征在于，在取出的海底含水淤泥中添加以下材料组分：无机固体废弃物粉末、珊瑚骨料、激发剂和有机成分，所述激发剂包括碱性激发剂和盐类激发剂，所述有机成分包括硅烷偶联剂、吸水性树脂以及聚合物。
6.作为一种优选的实施方式，无机固体废弃物粉末包括自燃煤矸石粉、煤泥灰和贝壳粉。
7.作为一种优选的实施方式，所述珊瑚骨料可经过酸处理，其方法可以采用弱酸，如醋酸、磷酸处理。
8.作为一种优选的实施方式，所述材料组分在每立方米所述海底含水淤泥的投加份数为：
9.自燃煤矸石粉12-35kg；
10.煤泥灰8-21kg；
11.贝壳粉3-9kg；
12.珊瑚骨料100-300kg；
13.激发剂1-5kg；
14.有机成分2-7kg。
15.所述的有机成分为硅烷偶联剂、高吸水性树脂以及聚合物，依据海底淤泥的化学组成及含水率等基本性能可以采用以下选用方式：高吸水性树脂主要是降低从海底抽取的淤泥中的含水率，促进外掺无机胶凝材料的凝结硬化，提高整体的抗冲刷以及力学性能，其掺量不仅与高吸水树脂的自身吸水能力有关，还与淤泥的含水率呈正相关关系；聚合物主要是提高淤泥与无机胶凝材料的抗分散性，防止处理后的淤泥泵送回海底时会发生严重溃散，影响后期力学性能和抗冲刷性能，其掺量主要依据淤泥固结体所需的抗分散性；硅烷偶联剂是促进有机物和无机材料之间的结合性，提高处理后淤泥的整体性和抗冲刷性能，其掺量与聚合物掺量呈正相关关系。
16.上述原材料的质量允许误差：自燃煤矸石粉：
±
1％；煤泥灰：
±
1％；贝壳粉：
±
1％；珊瑚骨料：
±
3％；激发剂：
±
0.5％；有机成分；
±
0.5％。
17.作为一种优选的实施方式，所述碱性激发剂和盐类激发剂的投加比例为7:1-5:1。
18.作为一种优选的实施方式，碱性激发剂采用模数为1.8的钠水玻璃(na2o
·
nsio2)，盐类激发剂采用磷酸钠(na3po4)。
19.作为一种优选的实施方式，所述聚合物包括pva粉末、丙烯酸乳液、丙烯酸单体、丁苯橡胶、氯丁橡胶、羧甲基纤维素、聚丙烯酰胺类高分子、多聚糖类高分子中的一种或多种。
20.作为一种优选的实施方式，所述自燃煤矸石粉为自燃煤矸石经过长期自燃后，内部的碳和硫含量较少且游离氧化钙和氧化镁的总量小于3.5％，进过破碎粉磨后粒径为2000-4000目的粉末；所述煤泥灰是由酒厂加热工艺所产生燃烧程度不均匀的固体废弃物，粒径为400-1000目；所述贝壳粉是海洋贝类生物的壳磨成的粉末，粒径为1000-2000目；所述珊瑚骨料为海中珊瑚经简单破碎及酸处理后得到的粒径小于30mm的粗细按比例搭配的骨料，其中，小于5mm的占30％、5-小于15mm的占40％、15-小于30mm的占30％。
21.所用原材料的基本性能如下表
[0022][0023]
作为一种优选的实施方式，所述有机无机杂化固结海底淤泥的施工方法包括以下步骤：
[0024]
第一步，将待处理范围内的海底淤泥抽到取样船中，将海底淤泥与无机粉末材料一起搅拌均匀，无机粉末材料包括自燃煤矸石粉、贝壳粉、煤泥灰；
[0025]
第二步，将珊瑚骨料加入第一步搅拌制得的浆体中继续搅拌均匀；
[0026]
第三步，将激发剂和固化剂以及高吸水性树脂加入到第二步搅拌制得拌合物中搅拌均匀；
[0027]
第四步，将聚合物加入到第三步搅拌制得的拌合物中继续搅拌均匀；
[0028]
第五步，将第四步搅拌制得的拌合物采用导管法浇筑到海底原抽取淤泥的区域。自浇筑到60天时，通过取芯法取样，并测试固结体的力学相关性能。
[0029]
作为一种优选的实施方式，所述聚合物包括pva粉末、丙烯酸乳液、丙烯酸单体、丁苯橡胶、氯丁橡胶中的2-3种，以及羧甲基纤维素、聚丙烯酰胺类高分子、多聚糖类高分子中的2-3种
[0030]
为了达到上述目的，根据本发明的第二个方面，本发明的技术方案如下：
[0031]
一种有机无机杂化固结海底淤泥组合物，其特征在于包括自燃煤矸石粉、煤泥灰、贝壳粉、珊瑚骨料、激发剂和有机成分，所述述激发剂包括碱性激发剂和盐类激发剂，所述有机成分包括硅烷偶联剂、吸水性树脂以及聚合物，其中：
[0032]
自燃煤矸石粉12-35份；煤泥灰8-21份；贝壳粉3-9份；珊瑚骨料100-300份；激发剂1-5份；有机成分2-7份。
[0033]
本发明采用有机无机杂化方法固结海底淤泥，在海底取出的高含水淤泥中掺入无机固体废弃物粉末(自燃煤矸石粉、煤泥灰和贝壳粉)，通过掺入激发剂(碱性激发剂和盐激发剂)使海底淤泥以及固体废物粉末中的活性成分发生化学反应，生成胶凝性物质达到固化淤泥颗粒的效果；掺入酸处理的珊瑚骨料能够充分利用珊瑚骨料表面孔隙的吸附作用，吸收拌合物中的水分增加拌合物的稠度，并且珊瑚骨料表面粗糙程度较高，有利于增加骨料与拌合物浆体之间的物理作用；掺入高吸水性树脂是为了进一步吸收拌合物中的水分，提高拌合物的稠度；掺入硅烷偶联剂的作用是起到桥连作用，促进无机与有机材料之间的整体性，进一步提高对淤泥的固结效果；掺入羧甲基纤维素、聚丙烯酰胺类高分子、多聚糖类高分子具有絮凝作用，防止水下浇筑过程中拌合物发生溃散。
[0034]
综上，本发明设计了一种有机无机杂化高效固结海底淤泥的方法，该方法能够充分利用海底淤泥自身的活性成分，使活性成分与外掺的无机粉末材料在激发剂的作用下生成凝胶类物质，使淤泥颗粒能够固结在一起，同时掺入有机成分，促进淤泥及无机粉末材料的固结，并且使无机与有机材料发生化学反应增强整体性。除此之外，掺入的有机成分还能保证拌合物在海水下浇筑过程中不溃散，直至产生足够的强度使硬化后的复合材料具有较好的力学性能还耐久性。按照本发明的方法对海底淤泥具有较好的固结效果，同时环保低碳，具有显著的创新意义和工程应用前景。对于提高海上风电桩基稳定性以及推动海上风电项目的持续发展具有重要意义。
具体实施方式
[0035]
以下结合具体实施案例对本发明做进一步说明：
[0036]
实施例一：淤泥样品取自某海域海上风电项目桩基础周围，淤泥含水率约98％，有机质含量1.9％，主要成分是sio2、al2o3和caco3等，偏淤泥质粉质黏土。选择碱性激发剂为主，激发内部活性硅质矿物和铝质矿物，同时辅以含有较高活性的自燃煤矸石粉、煤泥粉和贝壳粉，促进淤泥颗粒固结，由于是偏淤泥质粉质黏土，因此辅助粉质材料用量较少，珊瑚骨料用量较多。利用高吸水性树脂减低淤泥内部水分，与聚合物同时使用，提高淤泥固结体的抗分散性和整体性，硅烷偶联剂促进有机和无机物质之间的结合，进一步提高淤泥固结体的整体性和力学性能。
[0037]
以每立方米海底淤泥所需掺入的其他组分及用量：
[0038]
自燃煤矸石粉18kg；
[0039]
煤泥灰10kg；
[0040]
贝壳粉3.5kg；
[0041]
珊瑚骨料290kg；
[0042]
激发剂2kg(碱性激发剂1.7kg、盐类激发剂0.3kg)；
[0043]
有机成分3kg(硅烷偶联剂0.3kg、高吸水性树脂0.2kg、聚合物a(pva粉末、丙烯酸乳液、丙烯酸单体、丁苯橡胶、氯丁橡胶、羧甲基纤维素中任意2-3种)1.5kg，聚合物b(羧甲基纤维素、聚丙烯酰胺类高分子、多聚糖类高分子中任意2-3种)1kg)。
[0044]
实施例二：淤泥样品取自某海域海上风电项目桩基础周围，淤泥含水率约102％，有机质含量约1.5％，主要成分是sio2、al2o3和caco3等，偏淤泥质粉质黏土，并夹杂较多大颗粒石子，掺入辅助粉质材料较少，珊瑚骨料掺量也较少，其他原材料选择理由与实施例一一致，根据活性硅质和铝质矿物含量的差别，以及淤泥颗粒粗细程度差别进行调整。
[0045]
以每立方米海底淤泥所需掺入的其他组分及用量：
[0046]
自燃煤矸石粉24kg；
[0047]
煤泥灰9kg；
[0048]
贝壳粉8kg；
[0049]
珊瑚骨料188kg；
[0050]
激发剂3.2kg(碱性激发剂2.7kg、盐类激发剂0.5kg)；
[0051]
有机成分3.6kg(硅烷偶联剂0.35kg、高吸水性树脂0.3kg、聚合物a(pva粉末、丙烯酸乳液、丙烯酸单体、丁苯橡胶、氯丁橡胶、羧甲基纤维素中任意2-3种)1.9kg，聚合物b(羧甲基纤维素、聚丙烯酰胺类高分子、多聚糖类高分子中任意2-3种)0.95kg)。
[0052]
实施例三：淤泥样品取自某海域海上风电项目桩基础周围，淤泥含水率约120％，有机质含量约2.2％，主要成分是sio2、al2o3和caco3等，篇粉砂，掺入辅助粉质材料较多，珊瑚骨料也较多，其他原材料选择理由与实施例一一致，根据活性硅质和铝质矿物含量的差别，以及淤泥颗粒粗细程度差别进行调整。
[0053]
以每立方米海底淤泥所需掺入的其他组分及用量：
[0054]
自燃煤矸石粉35kg；
[0055]
煤泥灰20kg；
[0056]
贝壳粉8kg；
[0057]
珊瑚骨料280kg；
[0058]
激发剂4kg(碱性激发剂3.4kg、盐类激发剂0.6kg)；
[0059]
有机成分3.9kg(硅烷偶联剂0.35kg、高吸水性树脂0.4kg、聚合物a(pva粉末、丙烯酸乳液、丙烯酸单体、丁苯橡胶、氯丁橡胶、羧甲基纤维素中任意2-3种)2.05kg，聚合物b(羧甲基纤维素、聚丙烯酰胺类高分子、多聚糖类高分子中任意2-3种)1.1kg)。
[0060]
按照以上三组案例的有机无机杂化固结海底淤泥的施工方法包括以下步骤：
[0061]
第一步，将待处理范围内的海底淤泥抽到取样船中，将海底淤泥与无机粉末材料一起搅拌均匀；
[0062]
第二步，将珊瑚骨料加入第一步搅拌制得的浆体中继续搅拌均匀；
[0063]
第三步，将激发剂和固化剂以及高吸水性树脂加入到第二步搅拌制得拌合物中搅拌均匀；
[0064]
第四步，将聚合物加入到第三步搅拌制得的拌合物中继续搅拌均匀；
[0065]
第五步，第四步搅拌制得的拌合物采用导管法浇筑到海底原抽取淤泥的区域。
[0066]
按照以上三组案例的配合比制备的试样，在海水环境中养护到60天时钻芯取样分别测试抗压强度和抗折强度，抗压强度达到0.5-3mpa，抗折强度0.08-0.39mpa，能够抵抗周围海水流速4m/s以上的长久冲刷作用，能保证风电桩基周围淤泥稳固存在，从而保证桩基长久稳定性。
[0067]
以所述的实施例仅为本发明几个具体实施方式，只是基于本发明整体构思下的某种实现方式，并不用来限定本发明的保护范围。任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明展现的技术范围内做出的的任何修改、改进或替换，均应涵盖在本发明的保护范围之内。