一种高稳定性流态固化土及其制备方法与流程

本发明涉及岩土工程与建筑材料，具体为一种高稳定性流态固化土及其制备方法。

背景技术：

1、流态固化土由工程废弃土或淤泥、胶凝材料以及水等混合拌合而成，由于其具备较好的自流平、自密实特性，在基坑回填、管沟填筑及采空区充填等工程中得到了广泛应用；然而，当流态固化土应用于水下浇筑或面临富水动水环境时，常规配比的浆体往往难以满足施工与成型要求。

2、在水下环境中，常规流态固化土由于自身流动性较大且初始凝聚力偏低，在接触水体的初期很会受到周围水流的侵入与稀释；这种动水干扰会造成浆体发生严重的分散离析，其中的水泥等有效胶凝组分和细微土颗粒会随水流失，这不仅会引起周边水体浑浊污染，还会导致最终成型的固化土内部结构疏松、早期强度低下，甚至在水流持续冲刷下根本无法原位成型。

3、为应对水下分散问题，工程中常规的改进思路是在浆液中大量增加水泥掺量，或者直接向体系内预先添加水下抗分散剂与增稠剂；但这种单组分直接混合的改性方式会使得浆体的初始黏度急剧上升，导致其在长距离管道泵送过程中沿程摩阻显著增大，会引发泵送设备超载或管路堵塞；如果在单组分浆体中加入速凝类材料以期望缩短固结时间，则往往会压缩浆体的可操作时间，增加在输送管路内部提前凝结的施工风险；此外，即便借鉴传统的双液混合注浆工艺，常规的水泥与水玻璃等双液体系在混合后虽然能较快失去流动性，但其固结体在早期往往偏脆，缺乏足够的内部柔韧交联结构，在遭遇持续动水冲刷时仍会发生局部碎裂和剥落流失，难以构建出抗冲刷防分散的高稳定性结构。

4、因此，如何解决流态固化土在长距离泵送输送与水下原位快速定型之间的技术矛盾，使其在接触动水环境时能够迅速丧失流动性并抵抗冲刷分散，是目前水下固化土浇筑领域需要解决的技术问题。

技术实现思路

1、针对现有技术的不足，本发明提供了一种高稳定性流态固化土及其制备方法，解决了现有流态固化土难以兼顾长距离管道泵送与水下原位快速抗冲刷定型的问题。

2、为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：

3、第一方面，本发明提供一种高稳定性流态固化土，采用如下的技术方案：

4、一种高稳定性流态固化土，由双组分接触反应制成，所述双组分包括富硫流态基浆和富铝促凝液；所述富铝促凝液为至少包含聚氯化铝的水溶液；按重量份计，所述富硫流态基浆由包含以下组分的原料制成：淤泥质粉质黏土80.0至120.0份，普通硅酸盐水泥15.0至30.0份，二水硫酸钙0.75至2.4份，黄原胶0.015至0.06份，水45.0至85.0份；所述富铝促凝液的注入体积为所述富硫流态基浆体积的3.0%至5.0%；其中，所述二水硫酸钙作为潜伏型硫酸根激发剂预埋于所述富硫流态基浆中，用于在所述富硫流态基浆与所述富铝促凝液空间界面接触的瞬态，进行化学触发生成钙矾石无机刚性网络，并与所述黄原胶有机大分子长链发生物理缠结，以使流态土快速失去流动性并构建微介观抗冲刷防分散结构。

5、通过采用上述技术方案，由于双组分隔离反应体系结合预埋的硫酸钙激发剂，同时在流态基浆里引入长链聚合物黄原胶，这种配伍方式能够较好地应对水下原位成型时的环境干扰；在具体反应过程中，富铝促凝液内的聚氯化铝会解离出游离的铝离子以及活性多核羟基铝聚合物，同时基浆里的普通硅酸盐水泥发生水解，向体系内释放钙离子与氢氧根离子以客观营造出高碱性环境，二水硫酸钙也随之解离提供硫酸根离子；当富硫流态基浆与富铝促凝液发生空间界面接触时，促凝液里的铝离子在上述碱性环境的配合下，会与游离的钙离子及硫酸根离子迅速结合，进而发生化学反应生成大量的钙矾石晶体；随着反应进行，新生成的针棒状晶体在浆体内部交叉堆叠，逐步构建出无机刚性的空间网络；与此同时，黄原胶的大分子长链由于在碱性环境中链段趋于舒展，会穿插进刚生成的无机网络里发生一定程度的物理缠结；借由这种机制，体系内形成无机与有机复合的骨架结构，其不仅在微介观尺度上对自由水起到锁闭作用，同时也固结较细的黏土颗粒，最终使得流态浆体在较短时间内失去流动性，从而具备抵抗动水稀释与冲刷的物理结构基础。

6、优选的，所述原料的物理化学参数满足以下条件：所述淤泥质粉质黏土的含水率为2.0wt%至5.0wt%，液限为35%至40%，塑性指数为12至15；所述黄原胶的重均分子量为2×106da至1.5×107da，其1.0wt%水溶液在常温下的布氏黏度大于等于1200cps；所述聚氯化铝中氧化铝质量分数大于等于28.0wt%，盐基度为40.0%至90.0%。

7、通过采用上述技术方案，限定淤泥质粉质黏土的含水率、液限及塑性指数，可以确保黏土颗粒在浆体中具有适宜的悬浮与分散活性，避免成浆后过度黏稠或离析；限定黄原胶的高重均分子量与高布氏黏度，能保证其在水化环境中提供足够的网状缠结约束力，增强大分子的物理锁水能力；限定聚氯化铝的氧化铝质量分数与盐基度，则是为了保障其在与富硫流态基浆接触时能稳定提供高浓度的活性多核羟基铝聚合物及游离铝离子，确保瞬间成核与化学中和反应的极高效率。

8、优选的，所述富铝促凝液中还包含化学助剂，所述化学助剂为异戊烯醇聚氧乙烯醚类聚羧酸减水剂或葡萄糖酸钠中的任意一种。

9、通过采用上述技术方案，加入异戊烯醇聚氧乙烯醚类聚羧酸减水剂能够改善促凝液在流态基浆表面的润湿分散性能，有利于提高铝离子的扩散和渗透效率；而采用葡萄糖酸钠则可以发挥一定的延缓水解作用，借此调节铝聚合物的反应节奏，减少因局部浓度过高而在浆体表面过早形成封闭壳层的现象，有助于提升双液反应的空间深度与均匀度。

10、优选的，按重量份计，所述富铝促凝液由包含以下组分的原料制成：去离子水66.7至73.3份，聚氯化铝固体26.7至33.3份，化学助剂0.2至1.2份。

11、通过采用上述技术方案，此配比在保留富铝促凝液中铝离子有效反应浓度的基础上，利用适量比例的化学助剂来维持高浓度聚氯化铝溶液的稳定性及流动状态；这在实际工程操作中能抑制溶液在长时间储存或压注时发生结晶沉淀，进而为微小流量泵入条件下的计量精确度提供保障。

12、第二方面，本发明提供一种高稳定性流态固化土的制备与施工方法，用于制备并施工作业上述的高稳定性流态固化土，包括以下步骤：

13、将除预留0.5至2.0重量份外的所述淤泥质粉质黏土、所述普通硅酸盐水泥和所述二水硫酸钙干拌混合；再加入预先混合均匀的所述黄原胶与预留的0.5至2.0重量份淤泥质粉质黏土继续干拌；最后注入所述水进行强制拌合，制得高流动性的所述富硫流态基浆；

14、利用泵送设备将制得的所述富硫流态基浆压入主输送管道进行独立输送；

15、在所述主输送管道的水下浇筑末端出料口处，当所述富硫流态基浆从同轴环隙射流喷嘴的中心主通道挤出时，采用注浆泵抽取所述富铝促凝液，通过所述同轴环隙射流喷嘴外围的微细射流孔阵列射出，使所述富铝促凝液包覆并切入所述富硫流态基浆中，完成管外原位混合并在水下固化。

16、通过采用上述技术方案，预留区间内定量的黏土进行干拌预混的工艺配合末端同轴射流机制，很好地兼顾流态土的长距离输送以及出管后的快速混合定型；前期将黄原胶与少量预留黏土进行干拌，旨在减轻黄原胶粉末遇水直接溶胀并抱团结块的情况，促使长链高分子在基浆内能够分散得更为均匀；另外，管道末端采用的同轴射流混合方式，使得促凝液在挤出瞬间于基浆外层形成包裹并向内渗透，这带动界面上的化学反应在脱离管口接触外部水体的原位点即刻开展，彻底规避了管内混合易堵管的风险，同时有助于减轻外部水流对内部未完全反应浆液的早期冲刷损耗。

17、优选的，所述制备富硫流态基浆的步骤包括：

18、在强制式搅拌机中加入干拌物料，以40至60rpm的转速干拌60至90s；

19、加入所述黄原胶与预留淤泥质粉质黏土的混合物后，维持40至60rpm转速继续干拌25至45s；

20、向搅拌机中注入水，将转速提升至80至120rpm进行强制拌合180至300s。

21、通过采用上述技术方案，设定的分段转速与时间控制手段旨在适配多组分干粉材料的均化过程；前期的低速干拌有利于减少细粉颗粒在搅拌初期的飞散损失；而在加水后相应提高转速，能够提供所需的剪切应力以打散水泥与黏土颗粒在水中会形成的初始絮凝结构；水分在此工况下得以更均匀地分布，进而改善流态基浆微观层面的均一状态与存放稳定性。

22、优选的，在所述主输送管道的水下浇筑末端出料口处安装有所述同轴环隙射流喷嘴；所述同轴环隙射流喷嘴外围的所述微细射流孔阵列具有向内倾斜的角度，所述向内倾斜的角度设定为15度至45度。

23、通过采用上述技术方案，喷嘴外围孔洞设定的向内倾斜角度，主要作用是引导排出的促凝液形成带有内聚趋势的锥状流束；这种结构除使流体在基浆外表面铺展成环形包裹层外，还会附带产生指向轴心方向的径向动量；借由该动量，促凝液相对更好地克服界面间的黏滞阻力切入黏稠的基浆内部，从而改善这两种流变特性存在差异的浆体在管成交汇初期的动量传递与混合效果。

24、优选的，所述使所述富铝促凝液包覆并切入所述富硫流态基浆中的步骤包括：采用高压计量注浆泵作为所述注浆泵，控制所述微细射流孔阵列的射流压力设定为5.0至12.0mpa；并控制所述富铝促凝液在完全脱离管口的0.1至0.5s内完成对所述富硫流态基浆的全表面包覆与切入。

25、通过采用上述技术方案，采用5.0至12.0mpa的射流压力赋予了促凝液较高的出口初始动能，有助于其突破流态基浆的表层阻力；通过将两相浆液的流体全表面包覆与切入动作控制在脱离管口后极短的时间窗口内完成，使得初步的物理接触与化学激发过程基本限定在出料管口外部极近的空间范围内；这样有利于浆体在接触外部动水的初期以极快速度形成外围固化层，大幅提升成型体早期的整体结构保留率。

26、优选的，在所述采用注浆泵抽取所述富铝促凝液的步骤之前，还包括预先制备所述富铝促凝液的步骤，具体包括：

27、在带有温控系统的反应釜中加入去离子水，开启搅拌，在8至15min内均匀加入聚氯化铝固体，控制反应液温度在25至35℃并持续搅拌直至固体完全溶解，制得聚氯化铝水溶液；

28、保持搅拌状态，向釜内加入化学助剂维持搅拌20至40min，控制反应液降温或维持在20至25℃，静置陈化2至4h；

29、通过滤网在加压条件下过滤去除未溶解杂质，即得所述富铝促凝液。

30、通过采用上述技术方案，将反应液温度及固体加入时间控制在合理区间内进行溶解，能在一定程度上加快聚氯化铝固体的溶解进程，同时避免温度过高引起聚合物降解；加入化学助剂后安排搅拌及静置陈化环节，是为让溶液体系内的多核羟基络合物有时间进行结构重排，以稳定内部的水解平衡及活性铝离子的配位状态；最终的加压过滤处理旨在滤除溶液中残存的未溶固体杂质，以此降低后续施工时微细孔阵列发生物理堵塞的可能性。

31、优选的，控制所述泵送设备的泵送出口压力设定为2.0至5.0mpa；所述富铝促凝液包覆并切入所述富硫流态基浆后，在挤出物表层原位析出无定形氢氧化铝凝胶形成物理隔离膜，以抑制内部液相向外部水体扩散。

32、通过采用上述技术方案，将泵送出口压力控制在2.0至5.0mpa，既能提供足够动力克服独立输送管道的沿程摩阻，又往往能避免因压力过高所引发的基浆内部水分离析，或因压力过低导致的重力沉降风险；更重要的是，利用富铝促凝液包覆切入后，接触界面发生的瞬时酸碱中和反应，能在挤出物表层原位快速析出无定形氢氧化铝凝胶。这层凝胶膜作为一道微观的物理隔离屏障，抑制内部液相，包括有害碱性物质及尚未反应的离子；向外部自由水体的扩散，从而在保护外部水环境免受污染的同时，将核心反应物料牢牢锁在内部，提升了固化土本体的抗动水冲刷能力。

33、本发明提供了一种高稳定性流态固化土及其制备方法。具备以下有益效果：

34、1、本发明提供了一种双组分隔离的反应体系，通过在流态基浆中预埋二水硫酸钙作为潜伏型激发剂并引入黄原胶，使得基浆与富铝促凝液在水下出料端接触的瞬间即可发生化学触发；上述过程中生成的钙矾石晶体网络与黄原胶大分子长链发生物理穿插，在浆体内部构建出无机与有机复合的骨架；这种结构设计使得流态土在接触外部水体的初期就能快速丧失流动性并锁闭内部水分，从而具备较好的抗动水冲刷及防分散能力，改善水下或富水环境中的原位成型质量。

35、2、本发明的制备工艺能兼顾流态浆体的长距离输送与原位快速定型要求；通过将核心反应物分置于两种流体中，在输送阶段仅对高碱富硫流态基浆进行主管道泵送，维持物料的常规流动状态；而在出料末端利用带有微细射流孔阵列的同轴环隙射流喷嘴，让促凝液在管口挤出瞬间以包覆并向内切入的方式与基浆进行物理接触；这种管外空间混合的机制规避管路内部提前凝结引发的堵管风险，保障施工作业的连续性与安全性。

36、3、本发明在前端物料混合阶段采取针对性的均化与稳定控制措施，有助于保障固化土成型后的整体性能均匀度；采用预留少量粉质黏土与黄原胶先行干拌的工艺，缓解长链高分子材料遇水直接表面溶胀抱团的问题，改善在基浆体系内的分散状态；同时在富铝促凝液的制备中配合使用相应的化学助剂，调节高浓度聚氯化铝溶液的流变状态，减少溶液在静置或压注时的结晶沉淀现象，为微量高压射流条件下的精确计量提供物料基础。