一种基于单体原位聚合制备水下不分散海洋淤泥固化土的方法和固化组合物与流程

本发明属于土木工程材料及岩土工程交叉领域，涉及水下不分散海洋淤泥固化方法和固化组合物。

背景技术：

1、海上及港口工程在建设期或者运营期均面临着海洋潮流所引起的冲刷和一定压强的海水的渗透作用，最终导致基础稳定性下降和基础不均匀沉降等问题，严重时会导致海上或港口建筑提前破坏而无法继续使用，这将带来巨大的安全隐患和经济损失。早期主要采用以下措施来预防或减缓海上风机基础的局部冲刷，包括：(1)抛石(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，石材为不可再生资源导致成本高，抛填时易破坏桩的防腐涂层，且施工效率低，易引发二次冲刷；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易沉陷；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，并且铺设施工难度大、价格高；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，增加布缆难度，此方法在海上风电工程应用较少。因此，以上传统的防冲刷措施不仅无法彻底解决基础局部冲刷这一工程顽疾，还导致风机服役周期内的冲刷防护费用水涨船高，并造成不可再生资源浪费。

技术实现思路

1、为了低碳、环保、高效地解决海洋和港口工程的基础冲刷和稳定问题，降低因海洋潮流作用导致的基础冲刷风险和海水长期渗透导致基础变软而发生不均匀沉降等问题，本发明提出一种基于单体原位聚合制备水下不分散海洋淤泥固化土的方法，目的是使海洋淤泥在海洋环境中自然固化，形成一定强度和抗渗性，提高海洋和港口工程基础抗冲刷和抗渗性能，保证基础的长期稳定性。

2、为了达到上述目的，根据本发明的一个方面，本发明提供了一种基于单体原位聚合的水下不分散海洋淤泥固化组合物，其特征在于组分包括：自燃煤矸石粉、矿渣粉、激发剂、减水剂、单体溶液；所述的单体溶液为单体、引发剂、促进剂和交联剂混合溶解于水中的溶液，在常温下即可发生氧化还原反应生成凝胶物质，在使用时配置；其中，以海洋淤泥的质量为计算基准，每100份干的海洋淤泥，自燃煤矸石粉1-4份；矿渣粉12-20份；减水剂0.1-0.5份；激发剂1-3份；单体溶液0.1-0.5份，海水220-240份。

3、为了达到上述目的，根据本发明的第二个方面，本发明

4、一种基于单体原位聚合制备水下不分散海洋淤泥固化土的方法，其特征在于包括以下步骤：

5、(1)、将高含水率海洋淤泥、海水、自燃煤矸石粉、矿渣粉、减水剂、激发剂搅拌均匀；

6、(2)、将单体溶液加入第一步搅拌制得的浆体中继续搅拌均匀；

7、(3)、将第二步搅拌制得的拌合物采用导管法浇筑到海水下施工位置，拌合物在动水环境下自然固化；

8、其中，海洋淤泥、海水、自燃煤矸石粉、矿渣粉、减水剂；激发剂、单体溶液的比例按照前述的固化组合物的比例。

9、本发明的所述方法能够保证淤泥固化土拌合物在水下施工过程的抗分散性，固化后具有长期的抗冲刷性能和良好的抗渗性能。

10、所述的自燃煤矸石粉为自燃煤矸石经过长期自燃后，内部活性硅、铝成分不低于60％，进过破碎粉磨后粒度为400-800μm的粉末。

11、所述的矿渣粉是粒化高炉渣经粉磨到规定细度的一种粉体材料，粒径为400-800μm。

12、所述的海洋淤泥是沉积于海底的任意类型的淤泥。所述干的海洋淤泥是指将海洋淤泥在105℃的温度下烘干至恒重时的海洋淤泥，干的海洋淤泥中有机物含量低于5％。

13、所述的减水剂为聚羧酸系或者萘系高效减水剂。

14、所述的激发剂主要包含碱金属类碱性氢氧化物(也可用碱矿渣类、生石灰类等渣粉代替)，还包含硫酸盐类物质(包括硫酸钙、硫酸钠等)。

15、所述的所述的单体溶液为单体、引发剂、促进剂和交联剂等混合溶解于水中的溶液，在常温下即可发生氧化还原反应生成凝胶物质，单体主要包含：丙烯酰胺、羟甲基丙烯酰胺、丙烯酸盐(丙烯酸钠、镁、钙等)、甲基丙烯酸甲酯，引发剂包含：过硫酸铵、过硫酸钾、过硫酸钠、偶氮二异丁腈等，促进剂包含：三乙醇胺、硫酸亚铁、四甲基乙二胺等，交联剂包含：亚甲基双丙烯酰胺、硅烷偶联剂等。

16、上述原材料的质量允许误差：自燃煤矸石粉：±0.5％；矿渣粉：±0.5％；海洋淤泥：±2％；海水：±2％；减水剂：±0.02％；激发剂；±0.05％；单体溶液：±0.02％。

17、为了降低运营期间海上风机和跨海大桥桥墩基础所遭受的水流冲刷影响，以及提高填海造陆期的海上机场等工程的基础稳定性和抗渗性，本发明提供了一种基于单体原位聚合固化海洋淤泥的方法，并且制备的海洋淤泥固化材料具有优异的水下抗分散性、抗冲刷和抗渗性，能够用于海洋和港口工程的海水下的基础防护和加固，提高基础的稳定性，保证上层建筑的安全性和稳定性。该方法利用单体在淤泥固化浆体中发生聚合反应，生成高分子凝胶，高分子凝胶不仅具有胶凝性能，还呈现网络结构，并能与固废粉末在激发剂的作用下生成凝胶类物质形成互穿网络结构，不仅增加淤泥固化体的整体性，还能显著提高淤泥固化浆体的水下抗分散性，实现水下施工的要求；该方法还充分利用海洋淤泥自身的活性成分，同样生成凝胶物质，进一步提高固化体的内聚力和力学性能。除此之外，相比于采用水泥固化淤泥的方法，本方法也可以充分利用海水中的离子成分提高固化体的强度，把相对于水泥水化产物具有腐蚀性的离子转变成有利于提高强度的离子组分，因此能够显著提高海洋淤泥固化土的耐久性。这对于提高海洋和港口工程基础长期抗冲刷、抗渗和稳定性具有重要意义，并且这种新型水下不分散海洋淤泥固化土材料可以推广应用于各种工程的水下基础加固和抗渗防护。

18、本发明研发的水下不分散淤泥固化土材料，具有低碳环保、造价低廉的优点。将取自海底的高含水率淤泥中掺入无机固废粉末(自燃煤矸石粉和矿渣粉)，通过掺入激发剂(碱性激发剂和盐激发剂)使海洋淤泥以及无机固废粉末中的活性成分发生化学反应，生成硅铝质胶凝物质，提高淤泥固化土材料的内聚力和力学性能；掺入少量高效减水剂可显著提高淤泥固化土拌合物的流动性，实现大流动性或自流平的性能；掺入单体溶液能够在淤泥固化材料拌合物内发生聚合反应，生成高分子材料，并与淤泥和无机粉末生成的胶凝性物质之间产生化学键合作用，提高淤泥固化拌合物的粘聚性和水下抗分散性；发明中采用了大量的海洋淤泥和海水(占90％左右)，可有效降低成本，并且更加低碳环保。

技术特征：

1.一种基于单体原位聚合的水下不分散海洋淤泥固化组合物，其特征在于组分包括：自燃煤矸石粉、矿渣粉、激发剂、减水剂、单体溶液；所述的单体溶液为单体、引发剂、促进剂和交联剂混合溶解于水中的溶液，在常温下即可发生氧化还原反应生成高分子凝胶物质，在使用时配置；其中，以海洋淤泥的质量为计算基准，每100份干的海洋淤泥，自燃煤矸石粉1-4份；矿渣粉12-20份；减水剂0.1-0.5份；激发剂1-3份；单体溶液0.1-0.5份，海水220-240份。

2.一种基于单体原位聚合制备水下不分散海洋淤泥固化土的方法，其特征在于包括以下步骤：

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于所述海洋淤泥取自于所述施工位置的海底淤泥。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于步骤(3)中，到28天时通过钻心机，从海底将淤泥固结体取样，并将样品切割成无侧限抗压强度、直剪和渗透系数试验所需的尺寸，测试其各项性能。

5.如权利要求2所述的方法，其特征在于所述的自燃煤矸石粉为自燃煤矸石经过长期自燃后，内部活性硅、铝成分不低于60％，进过破碎粉磨后粒度为400-800μm的粉末。

6.如权利要求2所述的方法，其特征在于所述的矿渣粉是粒化高炉渣经粉磨到规定细度的一种粉体材料，粒径为400-800μm。

7.如权利要求2所述的方法，其特征在于所述的海洋淤泥是沉积于海底的任意类型的淤泥，有机物含量低于5％。

8.如权利要求2所述的方法，其特征在于所述的减水剂为聚羧酸系或者萘系高效减水剂。

9.如权利要求2所述的方法，其特征在于所述的激发剂主要包含碱金属类碱性氢氧化物，还包含硫酸盐类物质。

10.如权利要求2所述的方法，其特征在于单体包含丙烯酰胺、羟甲基丙烯酰胺、丙烯酸盐、甲基丙烯酸甲酯中的至少一种，引发剂包含过硫酸铵、过硫酸钾、过硫酸钠、偶氮二异丁腈中的至少一种，促进剂包含三乙醇胺、硫酸亚铁、四甲基乙二胺中的至少一种，交联剂包含亚甲基双丙烯酰胺、硅烷偶联剂中的至少一种。

技术总结
本发明提供了一种基于单体原位聚合制备水下不分散海洋淤泥固化土的方法和固化组合物，该方法采用以下组合物进行海洋淤泥固化，以海洋淤泥的质量为计算基准，每100份干的海洋淤泥，自燃煤矸石粉1‑4份；矿渣粉12‑20份；减水剂0.1‑0.5份；激发剂1‑3份；单体溶液0.1‑0.5份，海水220‑240份。本发明是一种新型低碳环保水下不分散海洋淤泥固化方法，海洋淤泥固化后具有优异的抗冲刷和抗渗性能，保证海上工程，如海上风机、跨海大桥等基础抗冲刷和稳定性，以及海上机场等工程在填海造陆时提升基础的抗渗性能。

技术研发人员：李高年,陈乔,许淼,杨宇,王振红,吴启民,林忠华
受保护的技术使用者：杭州国电大坝安全工程有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15