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与流程

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：

1、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。

2、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。

3、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。

技术实现思路

1、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。

2、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。

3、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。

4、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。

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。

6、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。

7、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。

8、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。

9、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。

10、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：

11、(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：

12、(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。

13、与现有技术相比，本发明的优点如下：

14、(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。

15、(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。

16、(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。

17、(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。

18、(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。

技术特征：

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：

技术总结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。技术研发人员：黄小卫,蔡晔,张维佳,李晓骏,蒋道宇,胡轶璘,岳鹏,国振,朱永强受保护的技术使用者：中国南方电网有限责任公司超高压输电公司广州局海口分局技术研发日：技术公布日：2024/6/2