一种高含水率抗冲刷淤泥固化注浆材料及制备方法和应用

1.本发明属于海洋土木工程材料技术领域，尤其涉及一种高含水率抗冲刷淤泥固化注浆材料及其制备方法和应用。


背景技术：

2.公开该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。
3.近年来，利用海上风力资源，建设海上风电场已成为我国在新能源应用领域的一个新趋势。然而，海上风电桩建成后，由于受海域自然环境(水文、地质)的影响，导致海床泥面会发生下降、桩基被掏空，使桩基础产生振动和倾斜，对桩基结构安全产生较大威胁，需采取必要的防冲刷措施，即在桩底部形成有效保护区域，予以保证桩基稳定，形成有效保护区域。目前传统桩基础抗冲刷防护方法大多利用物理方法进行防护，如石被/石笼、砂袋/砂被、混凝土连锁排等。但是目前采用的传统防护方法均存在一定的缺陷，已经难以满足实际工程的需要。石被/石笼防护方法，施工工艺及级配对防护效果影响很大；抛填时易对桩基础造成损伤；且抛投效率低，石笼的吊放次数多。砂袋/砂被的土工织物易破损，造成砂石漏空；砂袋和桩基接触面难以完全接触。混凝土连锁排边缘或间隙部位密封性较差，容易造成下部陶蚀而影响防护效果；作为硬质材料，混凝土易对桩基础造成二次伤害。因此，亟需研发一种具有较强的抗冲刷性能的注浆材料，使其能够满足稳定桩基础的需要。


技术实现要素：

4.针对上述现有技术中存在的问题，本发明旨在提供一种高含水率抗冲刷淤泥固化注浆材料及制备方法和应用。该材料具有较强的抗冲刷性能，在水中保持不分散；较强的流动性，可以满足自流平要求；极低的泌水率，保证材料的结实率，较高的强度，满足稳定桩基础的需要。
5.为了实现上述目的，本发明的技术方案为：
6.第一方面，一种高含水率抗冲刷淤泥固化注浆材料，其特征是，按重量份计，包括水泥10～16份，淤泥35～42份，优化剂1～10份，水40～45份。
7.所述优化剂，按重量份计，包括：絮凝剂0.2～0.6份、消泡剂0.1～0.2份、速凝剂0～8份。
8.本发明通过水泥固化淤泥，利用水泥遇水产生的水化反应，生成一系列胶结性水化产物，包括氢氧化钙、硅酸钙水合物、铝酸钙水合物、硫铝酸钙水合物等，在淤泥土颗粒间提供胶结作用，使淤泥具有一定的强度。
9.本发明中优化剂采用絮凝剂显著提升浆液的抗水冲刷性能。消泡剂可以消除淤泥中及絮凝剂掺入导致的气泡，消除气泡对强度的影响。速凝剂加快水泥的反应速度，短时间内生成大量胶结水化产物，即可提高强度又可保证固化后的淤泥遇水不分散。
10.第二方面，一种高含水率抗冲刷淤泥固化注浆材料的制备方法，包括如下步骤：
11.将优化剂与水混合制成液体组分；
12.将液体组分与淤泥混合，搅拌至均匀；
13.将水泥与调匀后的淤泥溶液混合，继续搅拌至均匀。
14.第三方面，一种上述高含水率抗冲刷淤泥固化注浆材料在海上风电桩基础防冲刷保护中应用。
15.第四方面，一种海上风电桩基础防冲刷保护的方法，将上述高含水率抗冲刷淤泥固化注浆材料利用管道泵送至桩基础周边海床面，依靠可控的浆液流动性，自主流至需防护范围。
16.本发明的有益效果为：
17.(1)本发明的高含水率抗冲刷淤泥固化注浆材料，具有较高的抗分散性能，可以保证浆液在水流冲刷作用下到达海平面。本发明的注浆材料具备自流平特性，浆液可以自主流至需防护区域。
18.(2)本发明的注浆材料固化后大幅提高了淤泥的粘聚力与内摩擦角，可以保证淤泥固化后体积稳定。同时材料具备较高的抗压强度，可以防止桩基础振动、倾斜与沉降的需要。
19.(3)本发明利用少量水泥及优化剂固化海底淤泥，可以胶结淤泥内部的颗粒，提高淤泥的强度，以控制桩基础的稳定。不仅解决了淤泥难以利用的难题，也降低了材料成本。
附图说明
20.构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
21.图1为本发明的注浆材料实施例1与普通硅酸盐水泥浆液抗动水冲刷对比图，其中，图1(a)为普通硅酸盐水泥浆液，图1(b)为本发明的注浆材料。
22.图2为本发明的注浆材料实施例1与普通硅酸盐水泥浆液水下注浆对比图，其中，图2(a)为普通硅酸盐水泥浆液，图2(b)为本发明的注浆材料。
23.图3为本发明实施例1的注浆材料微观扫描电镜图。
具体实施方式
24.应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
25.需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
26.鉴于海上风电桩基础在波浪及洋流作用下易发生振动、倾斜及沉降，海底的淤泥由于高含水率、低强度、低渗透性，在波浪及洋流冲刷作用下难以保持体积稳定，是造成桩基础倾斜与沉降的主要原因。为此，本发明提出了一种高含水率抗冲刷淤泥固化注浆材料
及制备方法和应用，利用海底淤泥、采用化学固化方式，利用管道注浆的方法，将高含水率淤泥固化土直接注入桩基周围海床面，依靠可控的浆液流动性，自主流至需防护范围，保持桩基础的稳定性。
27.本发明的一种典型实施方式，提供了一种高含水率抗冲刷淤泥固化注浆材料，按重量份计，包括水泥10～16份，淤泥35～42份，优化剂1～10份，水40～45份；水泥掺量过少导致注浆材料强度降低、优化剂掺量低导致抗分散性能弱，难以满足性能要求；在满足基本性能的基础上，掺量过多导致成本提高，将水泥和优化剂的重量份控制在该范围内，能够保证注浆材料具体有较高的强度和较高的抗分散性能，同时还不会造成成本的增加。
28.所述优化剂，按重量份计，包括：絮凝剂0.2～0.6份、消泡剂0.1～0.2份、速凝剂0～8份，该重量份范围内的絮凝剂、消泡剂和速溶剂，可以保证制备的注浆材料具有良好的抗分散性能，絮凝剂和消泡剂含量少则影响注浆材料的抗分散性，含量多则影响注浆材料的流动性，同时也会造成成本的增加。
29.海底淤泥由于高含水率、低强度、低渗透性和低稳定性，是导致桩基础不稳定和沉降的原因。传统针对淤泥处理的方法包括倾倒和吹填，但存在施工周期长，对海洋环境造成污染等。水泥遇水产生的水化反应，可以生成一系列胶结性水化产物，包括氢氧化钙、硅酸钙水合物、铝酸钙水合物、硫铝酸钙水合物等，在淤泥土颗粒间提供胶结作用，使淤泥具有一定的强度。
30.絮凝剂显著提升浆液的抗水冲刷性能。消泡剂可以消除淤泥中及絮凝剂掺入导致的气泡，消除气泡对强度的影响。速凝剂加快水泥的反应速度，短时间内生成大量胶结水化产物，即可提高强度又可保证固化后的淤泥遇水不分散。
31.该实施方式的一些实施例中，所述絮凝剂为羟丙基甲基纤维素醚、羟丙基甲基纤维素、羟乙基甲基纤维素、羟甲基纤维素、羟乙基纤维素、羧甲基纤维素中的一种，优选为羟丙基甲基纤维素醚，粘度为200000mpa
·
s，羟丙基甲基纤维素醚与水泥颗粒相容性较好，絮凝效果强。
32.该实施方式的一些实施例中，所述消泡剂为矿物油类消泡剂、有机硅类消泡剂、聚醚类消泡剂中的一种，优选为矿物油类消泡剂，具体可以采用巴斯夫消泡剂a2190，类型为矿物油，该类型的消泡剂对海洋污染性小。
33.该实施方式的一些实施例中，所述速凝剂为液体水玻璃、硅酸钠、硫酸铝、偏铝酸钠中的一种，优选为液体水玻璃，模数为3.3，波美度为38，液体水玻璃速凝性强，可在几十秒内大幅提高浆液的黏度。
34.本发明的另一种实施方式，提供了一种上述高含水率抗冲刷淤泥固化注浆材料的制备方法，包括如下步骤：
35.将优化剂与水混合制成液体组分；
36.将液体组分与淤泥混合，搅拌至均匀；
37.将水泥与调匀后的淤泥溶液混合，继续搅拌至均匀；水泥遇水产生的水化反应，生成一系列胶结性水化产物，在淤泥土颗粒间提供胶结作用，使淤泥具有一定的强度。
38.该实施方式的一些实施例中，将絮凝剂、消泡剂、速凝剂按比例混合，并搅拌均匀，得到优化剂。
39.该实施方式的一些实施例中，加入水泥后，搅拌3分钟，使得浆液具备良好的流动
性和适宜的粘聚性，并具备极好的抗分散性。
40.本发明的第三种实施方式，提供了一种上述高含水率抗冲刷淤泥固化注浆材料在海上风电桩基础防冲刷保护中应用。
41.本发明的第四种实施方式，提供了一种海上风电桩基础防冲刷保护的方法，将上述高含水率抗冲刷淤泥固化注浆材料利用管道泵送至桩基础周边海床面，依靠可控的浆液流动性，自主流至需防护范围。
42.该实施方式的一些实施例中，在水下进行养护，养护温度为15～25℃。
43.以下实施例中，絮凝剂为羟丙基甲基纤维素，消泡剂为巴斯夫消泡剂，速凝剂为液体水玻璃。
44.实施例1
45.一种高含水率抗冲刷淤泥固化注浆材料及制备方法，包括如下步骤：
46.步骤一：按质量份计配置性能优化剂，包括以下组分：絮凝剂0.5份，消泡剂0.15份，速凝剂5.5份。
47.步骤二：按质量份计称取原材料，包括水泥10.5份，淤泥41.35份，优化剂6.15份，水42份。
48.步骤三：将上述称取的原材料按复合材料的制备方法顺序充分搅拌。
49.步骤四：将搅拌之后的材料成型，置于20℃水环境下养护至28天。
50.将本实施例的注浆材料与普通硅酸盐水泥浆液进行对比，如图1和图2所示，可以看出，本实施例的注浆材料比普通硅酸盐水泥浆液具有更好的抗分散性和抗动水冲刷性，可以满足在海水中的注浆。
51.本实施例的注浆材料微观扫描电镜图如图3所示，可以看出，水泥水化产生了致密的水化产物，可以连接淤泥土颗粒，提高了注浆材料整体强度。
52.对本实施例制备的高含水率抗冲刷淤泥固化注浆材料的流动度、抗分散性、抗压强度和成本表1所示：
53.表1产品性能
[0054][0055]
实施例2
[0056]
一种高含水率抗冲刷淤泥固化注浆材料及制备方法，包括如下步骤：
[0057]
步骤一：按质量份计配置性能优化剂，包括以下组分：絮凝剂0.5份，消泡剂0.15份，速凝剂5.5份。
[0058]
步骤二：按136质量份计称取原材料，包括水泥15.5份，淤泥36.35份，优化剂6.15份，水42份。
[0059]
步骤三：将上述称取的原材料按复合材料的制备方法顺序充分搅拌。
[0060]
步骤四：将搅拌之后的材料成型，置于20℃水环境下养护至28天。
[0061]
对本实施例制备的高含水率抗冲刷淤泥固化注浆材料的流动度、抗分散性、抗压
强度和成本表2所示：
[0062]
表2产品性能
[0063][0064]
实施例3
[0065]
一种高含水率抗冲刷淤泥固化注浆材料及制备方法，包括如下步骤：
[0066]
步骤一：按质量份计配置性能优化剂，包括以下组分：絮凝剂0.25份，消泡剂0.15份，速凝剂5.5份。
[0067]
步骤二：按质量份计称取原材料，包括水泥15.5份，淤泥36.6份，优化剂5.9份，水42份。
[0068]
步骤三：将上述称取的原材料按复合材料的制备方法顺序充分搅拌。
[0069]
步骤四：将搅拌之后的材料成型，置于20℃水环境下养护至28天。
[0070]
对本实施例制备的高含水率抗冲刷淤泥固化注浆材料的流动度、抗分散性、抗压强度和成本表3所示：
[0071]
表3产品性能
[0072][0073]
实施例4
[0074]
一种高含水率抗冲刷淤泥固化注浆材料及制备方法，包括如下步骤：
[0075]
步骤一：按质量份计配置性能优化剂，包括以下组分：絮凝剂0.35份，消泡剂0.15份，速凝剂5.5份。
[0076]
步骤二：按质量份计称取原材料，包括水泥15.5份，淤泥36.5份，优化剂6份，水42份。
[0077]
步骤三：将上述称取的原材料按复合材料的制备方法顺序充分搅拌。
[0078]
步骤四：将搅拌之后的材料成型，置于20℃水环境下养护至28天。
[0079]
对本实施例制备的高含水率抗冲刷淤泥固化注浆材料的流动度、抗分散性、抗压强度和成本表4所示：
[0080]
表4产品性能
[0081]
[0082]
实施例5
[0083]
一种高含水率抗冲刷淤泥固化注浆材料及制备方法，包括如下步骤：
[0084]
步骤一：按质量份计配置性能优化剂，包括以下组分：絮凝剂0.5份，消泡剂0.15份，速凝剂2.5份。
[0085]
步骤二：按质量份计称取原材料，包括水泥15.5份，淤泥39.35份，优化剂3.15份，水42份。
[0086]
步骤三：将上述称取的原材料按复合材料的制备方法顺序充分搅拌。
[0087]
步骤四：将搅拌之后的材料成型，置于20℃水环境下养护至28天。
[0088]
对本实施例制备的高含水率抗冲刷淤泥固化注浆材料的流动度、抗分散性、抗压强度和成本表5所示：
[0089]
表5产品性能
[0090][0091]
由实施例1-5可知，水泥含量对抗压强度具有很大影响，絮凝剂和速凝剂对材料的成本影响极大。小幅度降低絮凝剂和速凝剂可以提高材料的流动性，抗分散性略有降低。综上所述，本发明的修复材料具有较好的性能，可以作为注浆材料。
[0092]
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。