一种适配低温动水冲刷的水下不分散流态固化土及其制备方法与流程

本发明涉及水下工程建筑材料及岩土工程固化，具体涉及一种适配低温动水冲刷环境的水下不分散流态固化土及其制备方法。

背景技术：

1、水下不分散材料能够在流动水体中直接浇筑而不发生显著的颗粒分散与离析，是水利工程、河道堤防加固、桥梁水下基础防护、水下管道覆盖保护及城市地下工程等关键领域的重要材料。水下不分散材料的技术核心是在普通混凝土拌合物中掺入水溶性高分子抗分散剂，通过高分子长链的“桥架”与吸附作用大幅增加水泥浆体的黏性，使水泥颗粒和骨料在水中浇筑时能有效抵抗水流的冲刷与稀释，从而减少水泥流失，保障最终结构的强度和耐久性。

2、近年来，流态固化土凭借其良好的流动性、自密实性以及可利用工程废弃土的优势，逐渐成为水下回填与防护工程的重要技术路径。然而，在冬季低温环境或高寒地区的水利工程中，水下施工面临5℃以下甚至接近0℃的低温环境，同时往往伴随较强的动水冲刷（流速0.3～1.0m/s）。低温与动水冲刷的耦合作用对水下不分散流态固化土提出了极为严苛的性能要求。

3、目前，水下不分散材料普遍采用羟丙基甲基纤维素（hpmc）作为抗分散剂的核心组分。hpmc通过增稠和物理缠绕作用提高浆体粘度，从而限制水泥和土颗粒的分散。然而，实践表明hpmc在低温条件下存在显著缺陷：一是低温下hpmc水合速度变慢，溶解性下降，需长时间搅拌或热水预溶，现场施工不便；二是hpmc溶液在低温下粘度激增，导致固化土浆体流动性急剧降低，影响泵送和浇筑；三是hpmc形成的线性网络结构在动水冲刷过程中易被破坏，抗分散效果大幅削弱。与此同时，现有技术中的早强组分（如甲酸钙、硅酸锂等）在低温下的促进效果有限，难以使材料在浇筑后2～4小时内形成足够的抗冲刷强度。

4、现有少量建筑渣土基水下固化土技术，未针对建筑渣土颗粒混杂、孔隙率高、表面亲水、吸水率大的特性进行定向改性，渣土颗粒在低温水环境中易吸水崩解，出现骨料离析、浆料分层流失等问题。现有水下不分散流态材料多以纯水泥、天然砂石为基材，仅适配常温静水环境施工与服役，存在三大核心技术短板：（1）基材局限性：传统水工材料依托天然砂石骨料，固废消纳率低、工程成本偏高。而现有少量建筑渣土基水下固化材料，未针对渣土砖块、砂浆块混杂、孔隙率高、表面亲水、吸水率大的固有特性做定向改性处理，在低温水环境下极易出现颗粒吸水崩解、骨料离析、浆料分层流失等问题；（2）工况适配性差：市面绝大多数水下不分散材料仅适配常温静水工况，在0～5℃低温、动态水流冲刷耦合严苛工况下，普通水泥水化反应近乎停滞，常规hpmc+阴离子pam抗分散体系低温活性大幅衰减、快速失效；（3）助剂体系缺陷：传统抗分散助剂无低温适配设计，低温环境下高分子助剂分子链活性降低、包裹锁聚能力失效，无法形成连续稳定的颗粒包裹网络，且无法抵抗低温动水持续涌动产生的微冲刷剪切应力。

5、因此，亟需开发一种能够替代hpmc、在低温动水耦合环境下具有优异抗冲刷性能且绿色低碳的水下不分散流态固化土及其制备方法。

技术实现思路

1、为解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种适配低温动水冲刷的水下不分散流态固化土及其制备方法。

2、本发明技术方案如下：

3、一种适配低温动水冲刷的水下不分散流态固化土，其特征在于，生产原料包括如下质量份数比例的各组分：预处理建筑渣土70～85份，低温复合胶凝体系12～25份，低温抗分散一体化助剂1.5～3.0份；

4、所述低温复合胶凝体系由快硬硫铝酸盐水泥、矿渣粉、电石渣粉按照4～8:5～10:3～8的质量比组成；

5、所述低温抗分散一体化助剂由两性离子聚丙烯酰胺、疏水改性凹凸棒土、纳米纤维素、无氯低温水化促凝剂按照0.04～0.12:1.0～2.2:0.1～0.35:0.3～0.5的质量比组成。

6、本领域技术人员能够理解，所述预处理建筑渣土指经过破碎、筛分、除杂和干燥处理的建筑废弃物（主要包括废弃混凝土块、砖瓦块、砂浆块等）。经预处理后，渣土颗粒的表面亲水性和孔隙率得到一定程度的改善，为本发明的低温抗分散一体化助剂提供了可稳定包裹的骨料基底。技术人员可以直接按照上述方法对建筑渣土进行预处理，也可直接采购满足粒径和含水率要求的建筑渣土。

7、本领域技术人员能够理解，所述42.5级快硬硫铝酸盐水泥指符合国家标准gb/t20472-2006中相应标准的快硬硫铝酸盐水泥。该类水泥以无水硫铝酸钙和硅酸二钙为主要矿物成分，在低温下水化反应速率快，可在5℃条件下提供早期强度。技术人员可以从市场直接购买满足上述指标的市售产品。

8、本领域技术人员能够理解，所述s95级矿渣粉指符合国家标准《用于水泥、砂浆和混凝土中的粒化高炉矿渣粉》（gb/t 18046）的s95级矿渣粉。矿渣粉在本发明中一方面与水泥水化产物发生二次水化反应，改善后期强度和密实性；另一方面与电石渣粉协同，利用电石渣粉的碱性激发其火山灰活性。技术人员可直接从市场购买。

9、本领域技术人员能够理解，所述电石渣粉为电石水解生产乙炔过程中产生的工业废渣，经烘干、粉磨后制得。电石渣粉在本发明中作为碱性激发剂，提高浆体ph值，激发矿渣粉的火山灰活性，同时部分替代水泥，降低成本和碳排放。技术人员可自行制备，或从电石渣综合利用企业购买满足细度和纯度要求的商品。

10、在本发明中，所述两性离子聚丙烯酰胺为丙烯酰胺与含阳离子基团和阴离子基团的单体共聚而成的两性高分子聚合物，其分子链上同时带有正电荷和负电荷。该材料在碱性水泥浆体（ph≈12）中能够保持稳定的构型，通过电性中和与吸附架桥作用将带负电的渣土和水泥颗粒快速絮凝。技术人员可直接从市场购买，例如北京恒聚化工集团生产的相应规格两性离子聚丙烯酰胺，或根据公知的溶液聚合法自行制备。

11、在本发明中，所述疏水改性凹凸棒土为通过硅烷偶联剂对天然凹凸棒土进行表面疏水改性制得的产品。未经改性的天然凹凸棒土虽具有大比表面积和吸附能力，但其表面富含亲水性硅羟基，在动水冲刷下抗水浸润能力不足。本发明通过硅烷偶联剂（如十六烷基三甲氧基硅烷、辛基三乙氧基硅烷等）对其进行疏水改性，使颗粒表面形成疏水层，从而显著增强其在动水中的抗冲刷能力。技术人员可按照常规的湿法或干法改性工艺自行制备，也可委托专业厂家定制生产或从市面购买。

12、在本发明中，所述纳米纤维素为纤维素纳米纤丝或纤维素纳米晶。纳米纤维素具有极高的长径比和丰富的表面羟基，能在浆体中通过氢键和物理缠结形成三维纳米网络。技术人员可以直接从市场购买，例如美国celluforce公司、天津木精灵生物科技有限公司等生产的cnf或cnc产品，或者采用tempo氧化结合高压均质的方法自行制备。

13、在本发明中，所述无氯低温水化促凝剂为由三乙醇胺与硫酸铝组成的复合物，或由甲酸钙与碳酸锂组成的复合物。该促凝剂在5℃低温下能加速硫铝酸盐水泥的水化进程，促进钙矾石等水化产物的快速生成。技术人员可直接将三乙醇胺与硫酸铝（或甲酸钙与碳酸锂）按比例物理混合并研磨即可使用，或从外加剂生产商处定制或购买现成产品。

14、上述技术方案中，预处理建筑渣土作为流态固化土的主骨料和填充材料，实现建筑固废的资源化利用。低温复合胶凝体系中，快硬硫铝酸盐水泥提供低温环境下的快速水化和早期强度；矿渣粉提供火山灰活性，与水泥水化产物发生二次水化反应，改善后期强度和密实性；电石渣粉提供碱性激发环境，激发矿渣粉的火山灰活性，改善低温下的水化动力学。各组分协同形成低温快硬-长期强度-成本控制的胶凝体系。

15、作为本发明的进一步改进，所述预处理建筑渣土的粒径≤4.75mm，含水率≤10%；所述快硬硫铝酸盐水泥为42.5级快硬硫铝酸盐水泥，比表面积≥350m²/kg，初凝时间≤25min；所述矿渣粉为s95级矿渣粉，比表面积≥400m²/kg，28d活性指数≥95%；所述电石渣粉经烘干处理、粉磨后过200目筛，ca(oh)2含量≥85%。

16、该限定确保建筑渣土颗粒尺寸与流态固化土浆体的均匀性和流动性要求相匹配。若建筑渣土粒径过大，则难以在浆体中均匀分散，易导致骨料离析；若含水率过高，则会影响固化土浆料的最终固结性能。同时，满足上述指标的胶凝材料能够确保低温复合胶凝体系在5℃以下仍保持较高的水化反应速率和强度发展水平。

17、作为本发明的进一步改进，所述两性离子聚丙烯酰胺为丙烯酰胺的共聚物，其分子链上同时含有阳离子基团和阴离子基团，分子量800万～1200万，阳离子度10%～30%，阴离子度5%～15%，固含量≥90%。上述参数范围是发明人通过大量实验筛选得到的最佳工艺参数区间。分子量和阴阳离子度影响其吸附絮凝效果，合适的分子量范围既能保证絮凝效果又不会导致浆体粘度过高。

18、作为本发明的进一步改进，所述疏水改性凹凸棒土为通过硅烷偶联剂对天然凹凸棒土进行表面疏水改性制得，疏水接触角≥120°，比表面积≥150m²/g。疏水改性凹凸棒土的疏水接触角决定其疏水屏蔽效应的强度，高比表面积提供充足的物理吸附位点，两者协同增强抗分散效果。

19、作为本发明的进一步改进，所述纳米纤维素为纤维素纳米纤丝或纤维素纳米晶，直径5～20nm，长度200～2000nm，结晶度≥70%。纳米纤维素的尺寸和结晶度影响其在浆体中的分散性和三维网络的构筑效果，纳米尺度和高长径比是形成稳定纳米网络的关键。

20、作为本发明的进一步改进，所述无氯低温水化促凝剂为由三乙醇胺与硫酸铝按质量比1:2～3组成的复合物，或由甲酸钙与碳酸锂按质量比5～10:1组成的复合物。上述两种复合物均不含氯离子，避免钢筋腐蚀风险，同时能够在低温下有效促进硫铝酸盐水泥的水化反应。

21、本发明的适配低温动水冲刷的水下不分散流态固化土可以按照如下方法制备：

22、s1、按照生产原料量取各原料；

23、s2、将快硬硫铝酸盐水泥、矿渣粉、电石渣粉投入干粉混合机中，以140～200r/min低速搅拌5～10min，使各干粉组分均匀分散，制得预混干料；

24、s3、将疏水改性凹凸棒土和纳米纤维素混合，加入拌和用水中，在高速分散机中以1000～2000r/min搅拌10～15min，使其充分分散形成稳定悬浮液；然后加入两性离子聚丙烯酰胺和无氯低温水化促凝剂，继续搅拌5～10min，制得抗分散助剂预分散液；

25、s4、将步骤s2制得的预混干料投入强制式搅拌机中，先加入步骤s3制得的抗分散助剂预分散液以及拌和用水，以120～180r/min低速搅拌2～4min，形成固化剂浆液，再缓慢加入预处理建筑渣土，低速搅拌5～10min，使其所有组分充分混合均匀，制得固含量65%～75%的流态固化土浆料；

26、s5、将步骤s4制备的流态固化土浆料注入模具中并养护至龄期后得到流态固化土。

27、步骤s2中将胶凝材料各组分进行干粉预混，有利于各组分在后续湿混过程中充分均匀分散。步骤s3将疏水改性凹凸棒土和纳米纤维素在高速分散条件下预分散于水中，确保两种组分形成均匀稳定的悬浮体系，然后再加入两性离子聚丙烯酰胺和无氯低温水化促凝剂，避免高分子聚合物过早接触导致的团聚问题。步骤s4先混合固化剂浆液再加建筑渣土的顺序，能够确保胶凝材料先形成均匀稳定的浆体网络，再通过该网络均匀包裹和分散建筑渣土颗粒，实现最优的颗粒包裹效果。通过控制拌和用水的使用量将制得的流态固化土浆料固含量为65%～75%，在此范围内能够兼顾良好的流动性、自密实性和抗分散性能。

28、作为本发明的进一步改进，当施工水温低于5℃时，步骤s3和步骤s4中的拌和用水预先加热至18～22℃。在施工水温低于5℃的极端条件下，对拌和用水进行适度预热能够有效改善疏水改性凹凸棒土和纳米纤维素的分散效果，同时减少低温对水泥水化的抑制。

29、需要说明的是，步骤s4制得的流态固化土浆料最好在30min内完成水下浇筑作业，以确保材料在最佳流动性和抗分散性能窗口期内完成施工。

30、本发明还公开了该适配低温动水冲刷的水下不分散流态固化土在水利工程、河道堤防加固、桥梁水下基础防护或水下管道覆盖保护中的应用。

31、有益效果：

32、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

33、（1）本发明采用的低温抗分散一体化助剂由两性离子聚丙烯酰胺、疏水改性凹凸棒土、纳米纤维素和无氯低温水化促凝剂按特定比例复配而成，构建了抗冲刷新机制，配合无氯低温水化促凝剂的快速固化作用，在5℃低温、0.5m/s动水冲刷工况下悬浊物含量低至86mg/l、水泥流失量低至4.4%，显著优于传统hpmc体系。

34、（2）试验表明，采用本发明的方法制得的流态固化土在低温（5℃）下的早期强度发展快，4h抗压强度达0.30mpa以上，动水与静水条件下28d强度比维持在95%以上，使得流态固化土及其制备方法突破了季节和地域温度限制，施工窗口期得到显著延长。

35、（3）本发明的方法能够大量消纳建筑渣土、矿渣粉和电石渣粉等工业固废，水泥用量大幅降低，碳排放显著减少，具有优良的环境效益和经济效益。