一种水下抗冲刷环保复合材料及制备方法和施工工艺

1.本发明涉及水下桩基技术领域,具体为一种水下抗冲刷环保复合材料及制备方法和施工工艺。


背景技术：

2.我国拥有较长海岸线，具有丰富的海底淤泥资源，同时沿海海岸各类码头、航道的水域中，储积了成堆的淤泥；目前，政府采取多项减淤措施，从海底吸出大量的淤泥，挖泥船采出的大量的海底淤泥被运至远洋深水域中倾倒或堆积在海岸形成滩涂，浪费了海底淤泥的潜在应用价值；因此，如何合理充分利用海底淤泥是一个重要问题。
3.如今在国家的大力扶持下，新能源产业迅速发展起来，如海上光伏发电、海上风机等。但海上风电建成后，桩基础改变了此区域原来的水动力条件，致使桩基受到强烈的冲刷作用，最终导致桩基周围形成冲刷坑，进而影响桩基稳定性，所以需采取必要的防冲刷保护措施。
4.目前主要的防冲刷保护形式有抛石、抛砂袋、砂被袋、仿生水草等物理防护方法，但是从冲刷结果来看，这些方法的抗冲刷效果不是很理想。


技术实现要素：

5.有鉴于此，本发明提供一种水下抗冲刷环保复合材料及制备方法和施工工艺，充分利用了海里的高含水率淤泥，既保证了冲刷、强度指标，又达到了环保的目的，解决了水下平台基础遭受波浪流冲刷腐蚀问题。
6.为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：
7.一种水下抗冲刷复合材料，包括组分a和组分b，所述组分a包括以下原料，按重量分数为：
8.无机凝胶组分50～60份；
9.有机凝胶组分0.5～1份；
10.抗分散剂组分30～40份；
11.纳米填充组分2～4份；
12.粉煤灰7～10份；
13.所述组分b为海洋高含水率淤泥。
14.本发明还具有以下附加技术特征：
15.优选的，所述无机胶凝组份为普通硅酸盐水泥，具体为p.0 42.5普通硅酸盐水泥。
16.优选的，所述有机凝胶组分为环氧树脂，具体为聚乙烯醇-甘氨酸缩聚物环氧树脂。
17.环氧树脂是一种很常见的涂料材料，应用十分广泛，它的耐久性和防护性使之可适用于多种不同应用。
18.优选的，所述的抗分散剂组分为硅灰。
19.优选的，所述的纳米填充组分为纳米级sio2，且比表面积≥25000
㎡
/
㎏
。
20.优选的，所述的粉煤灰技术要求不低于ⅱ级，且比表面积≥400m2/kg。
21.优选的，所述组分a与组分b的重量比为9～15：100。
22.本发明还提供一种水下抗冲刷复合材料的制备方法：将上述的组分a和组分b一同投入强制性搅拌釜，充分搅拌240s～480s混合后，即可制得抗冲刷复合材料。
23.本发明的复合材料通过一系列的水解和水化反应，产生大量的凝胶物质和结晶物质，凝胶物质可胶结、包裹淤泥中的土颗粒，而结晶物质可以填充颗粒之间的空隙。环氧树脂有着固化方便，附着力强，收缩性低，化学性稳定，工艺简单，无需施加过高的压力，具有良好的绝缘性，耐化学腐蚀，具有较好的耐油性和耐溶剂性的优点。用制备出的复合材料28d无侧限抗压强度可达500kpa左右、粘聚力c值可达102kpa，并且具有良好的抗冲刷性能，能抵抗实验室单向条件下固化土冲刷试验装置最大4m/s 的水流冲刷。本发明不但可用于水下平台基础加固处理，起到防冲刷作用，还可以用作港口填海造地，应用范围广，且绿色无污染。
24.另外本发明还提供一种水下抗冲刷复合材料的施工工艺，包括以下步骤：
25.(1)施工勘察：施工船到达施工地点并对相关区域进行扫描检测；
26.(2)就地取淤：根据施工要求进行淤泥开挖，并控制桩基周围坑的深度，对淤泥进行含水率、有机质成分等分析；
27.具体的，所述淤泥的含水率为80％～100％，有机质成分低于3％。
28.(3)就地制备复合材料：将挖取的淤泥与上述的组分a于船上进行搅拌后混合，所述混合为按照上述的制备方法；
29.(4)复合材料吹填：利用制备固化土的高流动性直接利用管道泵送至施工地点，并在海水下养护；
30.(5)后期质量检测：水下扫描养护成型的淤泥固化复合材料，定期检查复合材料冲刷情况。
31.优选的，复合材料施工工艺可按两种实际工程情况来考虑：
32.(1)桩基周围未加固、已形成冲刷坑的情况：
33.对于桩基周围未加固、已形成冲刷坑的情况，在冲刷坑中先填入一层普通抗分散淤泥固化土，随后在此层的基础上吹填上述的抗冲刷复合材料，分层浇筑复合材料于冲刷坑内，可以防止冲刷坑处基础的二次冲刷；
34.(2)新建水下桩基础未形成冲刷坑的情况：
35.对于新建水下桩基础，在不影响其承载力的基础上，在周围挖取一定深度的坑，在冲刷坑中先填入一层普通抗分散淤泥固化土，随后在此层的基础上吹填上述的抗冲刷淤泥复合材料，在浇筑复合材料自流平后的坡度较小，难以造成桩基周围表层复合材料的冲刷启动。
36.具体的，普通抗分散淤泥固化土取自深海处淤泥。
37.复合材料施工工艺在第一种工况下的具体施工方法表现为，施工船于桩基施工处附近挖取周围高含水率淤泥，分为两组分别搅拌形成两组不同强度的固化复合材料，一组为底层浇筑的强度不如上层的抗分散淤泥固化土，一组为上层浇筑的具有接近 500kpa强度、高抗分散性、高流动性的淤泥固化复合材料，待其在水下养护一定时日 (14～28天强度
基本稳定)并于桩基形成整体后，可有效提高桩基周围土的无侧限抗压强度、密度等抗冲刷指标，进而避免桩基周围由于冲刷出现裂缝而导致的冲刷坑，使海上风机等建筑物能够长久运行。
38.复合材料施工工艺在第二种工况下的具体施工方法表现为，将新建桩基周围掏空一定深度后，在冲刷坑中先填入一层普通抗分散淤泥固化土，随后在此层的基础上吹填与本复合材料相搅拌形成的抗冲刷淤泥复合材料。
39.本发明施工工艺的一个突出特点是分两层浇筑不同强度与抗冲刷性能的淤泥固化复合材料，减少了因浇筑同一淤泥固化复合材料而导致的高昂施工成本。
40.本发明的技术原理为：无机凝胶组分水化产物主要为c-s(a)-h凝胶，淤泥黏土颗粒之间提供基本的胶凝粘结作用，使分散体系变为一个具备较高力学强度的整体。
41.纳米填充材料可填充淤泥固化过程中形成的微孔隙，特别是淤泥粘性颗粒和 c-s-h凝胶界面工作区的微缺陷，强化界面工作区，提升复合材料强度。
42.有机凝胶组分主要是弥补无机凝胶组分早期凝胶作用弱的缺陷，提高复合材料早期强度。
43.抗分散剂组分主要是水溶性高分子聚合物，与材料反应提高淤泥复合材料拌合物的贴合性，从而达到抗冲刷的目的。
44.本发明和现有技术相比，其优点在于：
45.抗冲刷能力强：复合材料抗渗性优异，冲刷难以导致出现孔隙裂缝，具有高粘聚性，抗冲刷能力强(可抵抗4m/s以上流速的水流冲刷)，对于已投产未进行加固处理的桩基基础可以防止基础边缘位置二次冲刷。
46.施工便捷、高效：利用复合材料的较高流动性，采用船上搅拌后管道直接泵送的工艺，可将复合材料直接泵送至冲刷坑内，冲刷范围内全面覆盖。
47.水稳定性及耐久性好：复合材料水下抗分散性强，泵送至水下不会因水流而冲散，在施工中能很好的与桩基贴合，解决了风电桩基础防护及后期修复困难的问题，大大减少海上工程后期的维护费用，桩基使用寿命优势明显。
48.环保价值高：复合材料利用废弃淤泥、有机材料可降解环氧树脂等材料制备而成，符合国家环境保护要求，同时减少了桩基防护需求对不可再生资源的消耗，极大的响应了环境保护及生态文明建设的国策号召。
49.市场竞争优势：目前水泥等无机建筑材料成本高昂，在制备、运输过程中的成本不可忽视，而且废弃淤泥虽然资源量多但在我国使用率低，成本极低，相比其他抛石等物理防护来说复合材料更为经济且使用寿命长，具有一定的市场竞争力。
50.成本较低：本发明施工工艺冲刷坑内分两层分别浇筑低成本淤泥固化土和复合材料，相比较全部浇筑复合材料而言价格更低。
51.本发明提供一种淤泥改良用复合材料，具有掺量少、强度指标高、抗冲刷效果优异、环保性强等优点，制备出的复合材料无侧限抗压强度达500kpa左右，粘聚力c 值超过100kpa，抗分散性好。本发明提供一种复合材料的施工工艺，具体表现为在冲刷坑内先填充一层普通抗分散淤泥固化土，随后在此层的基础上吹填与本复合材料相搅拌形成的抗冲刷淤泥复合材料，即分层浇筑淤泥固化土于冲刷坑内，同时复合材料中加入了有机高分子材料环氧树脂，充分利用了废弃的高含水率淤泥，既保证了冲刷、强度指标，又达到了环保的
目的，解决了水下平台基础遭受波浪流冲刷腐蚀问题。
具体实施方式
52.以下公开本发明的一些实施例，本领域技术人员可以根据本文内容，适当改进工艺参数实现。特别需要指出的是，所有类似的替换和改动对本领域技术人员来说是显而易见的，它们都被视为包括在本发明。本发明的方法及应用已经通过较佳实施例进行了描述，相关人员明显能在不脱离本发明内容、精神和范围内对本文所述的方法和应用进行改动或适当变更与组合，来实现和应用本发明技术。
53.实施材料：
54.普通硅酸盐水泥购于诸城市杨春水泥有限公司，型号为42.5普通硅酸盐水泥；
55.环氧树脂购于天津华昌源化工贸易有限公司，型号为b18hx；
56.硅灰购于河南义项新材料科技公司，型号为wgf-6018；
57.纳米级sio2购于邦瑞新材料科技有限公司，型号为vk-sp20s；
58.粉煤灰购于荣昌盛环保材料，型号为rcs-fmh；
59.淤泥取自福建沿海深海海床平面高含水率淤泥。
60.实施例1
61.本实施例组分a包括以下重量份的原料：水泥：53份；环氧树脂：0.69份；硅灰： 32份；纳米级sio2：4份；粉煤灰：9份。制出的组分a用于海底淤泥的固结，淤泥的含水率为90％，每公斤淤泥掺入120g本组分a搅拌均匀，制备出的复合材料性能指标见表2，原位海底淤泥物理性质见表1。
62.表1原位海底淤泥物理性质
63.指标含水率/％密度/g/cm3有机质含量/％液限/％塑限/％结果901.531.0953.126.8
64.3h流动度检测方法为：将有机玻璃筒内壁涂抹凡士林，放置于透明玻璃板中央，将加入复合材料的固化土搅拌均匀等待3h，倒入有机玻璃筒中至端口固化土齐平，将空心圆筒垂直向上提起，使固化土塌落在透明玻璃板上，等待流动完毕后用直尺测量固化土的直径。
65.粘聚力c检测方法为：利用直剪仪测量环刀试样的抗剪强度，绘制抗剪强度直线，直线与y轴的截距为粘聚力c。
66.28d抗压强度检测方法为：将搅拌好的复合材料固化土倒入定制的玻璃筒中养护 28天，利用将试样放置无侧限抗压仪平台上，直接对试样进行试验。
67.复合材料流失量检测方法为：在桶底部放一容积1500ml的容器，桶内装水至高度500mm。拌制2kg复合材料固化土，从水面自由落下倒入水中的容器内，使之全部进入水下容器，不得洒漏，静置5min。将容器从水中提起，排掉固化土上面积留的水，称其重量。
68.悬浊物含量检测方法为：在1000ml烧杯中加入800ml水，然后将500g固化土分成10等份，用手铲将每一份固化土从水面缓慢地自由落下，该操作在10s～20s内完成，将烧杯静置3min。用吸管在1min内将烧杯中的水轻轻吸取600ml，注意不要吸入浇人的固化土，吸出的水作为试验样品，迅速进行测试。
69.表2制备出的复合材料固化土性能指标
[0070][0071]
实施例2
[0072]
本实施例组分a包括以下重量份的原料：水泥：53份；环氧树脂：0份；硅灰： 35份；纳米级sio2：4份；粉煤灰：9份。制出的组分a用于海底淤泥的固结，淤泥的含水率为90％，每公斤淤泥掺入120g本组分a搅拌均匀，制备出的复合材料性能指标见表2。
[0073]
表3制备出的复合材料固化土性能指标
[0074][0075]
实施例3
[0076]
本实施例组分a包括以下重量份的原料：水泥：53份；环氧树脂：0.69份；硅灰： 35份；纳米级sio2：4份；粉煤灰：9份。制出的组分a用于海底淤泥的固结，淤泥的含水率为90％，每公斤淤泥掺入120g本组分a搅拌均匀，制备出的复合材料性能指标见表3。
[0077]
表4制备出的复合材料固化土性能指标
[0078][0079]
实施例1对比实施例3，抗分散剂硅灰的掺量减少后，复合材料固化土的抗分散性指标流失量与浑浊物也相对降低了，且其他抗冲刷指标也低于实施例3；实施例2 对比实施例3，减掉了有机胶凝组环氧树脂的含量，粘聚力和无侧限抗压强度明显降低，且抗分散性指标也相较于实施例3有所下降；实施例3添加了环氧树脂，复合材料流失量与悬浊物含量都降低了，也说明了本发明的抗分散性较好。
[0080]
实施例4复合材料在海水中抗冲刷强度效果实施例
[0081]
本实施例组分a包括以下重量份的原料：水泥：56份；环氧树脂：0.8份；硅灰： 32份；纳米级sio2：1份；粉煤灰：7份。制出的组分a用于海底淤泥的固结，淤泥的含水率为90％，每公斤淤泥掺入120g本组分a搅拌均匀。
[0082]
实施例5复合材料在海水中抗冲刷强度效果实施例
[0083]
本实施例组分a包括以下重量份的原料：水泥：58份；环氧树脂：0.5份；硅灰： 36份；纳米级sio2：3份；粉煤灰：7份。制出的组分a用于海底淤泥的固结，淤泥的含水率为90％，每公斤淤泥掺入120g本组分a搅拌均匀。
[0084]
实施例6复合材料在海水中抗冲刷强度效果实施例
[0085]
本实施例组分a包括以下重量份的原料：水泥：53份；环氧树脂：0.69份；硅灰： 36份；纳米级sio2：4份；粉煤灰：9份。制出的组分a用于海底淤泥的固结，淤泥的含水率为90％，每公斤淤泥掺入120g本组分a搅拌均匀。
[0086]
实施例7复合材料在海水中抗冲刷强度效果实施例
[0087]
本实施例组分a包括以下重量份的原料：水泥：51份；环氧树脂：0.7份；硅灰： 39份；纳米级sio2：2份；粉煤灰：9份。制出的组分a用于海底淤泥的固结，淤泥的含水率为90％，每公斤淤泥掺入120g本组分a搅拌均匀。
[0088]
表5抗冲刷指标比较
[0089][0090]
本发明的冲刷试验在实验室内通过缩尺模型进行试验，将复合材料固化土利用管道浇筑于冲刷试验箱中，箱口一端连接水泵进水口，另一端连接蓄水池，进水口与管道连接处采用扇形设计，保证水流冲刷时对复合材料固化土的全面冲刷。利用水泵控制水流速度，当水流速超过3.8m/s时，实施例4固化土表面的切应力大于启动切应力，导致固化土表面开始出现轻微泥沙启动；当水流速超过3.7m/s时，实施例5固化土表面的切应力大于启动切应力，导致固化土表面开始出现轻微泥沙启动；当水流流速达到4.1m/s左右时，实施例6固化土表面的切应力大于启动切应力，导致固化土表面开始出现轻微泥沙启动；当水流速超过3.8m/s时，实施例7固化土表面的切应力大于启动切应力，导致固化土表面开始出现轻微泥沙启动。试验表明本发明有能力抵抗4m/s 左右的水流冲刷而不出现大量的泥土流失，具有较好的抗冲刷性能。
[0091]
本发明利用有机胶凝组环氧树脂对于淤泥固化抗冲刷方面有很好的促进作用，同时抗分散性指标满足dlt 5117-2000水下不分散混凝土试验规程，就地抽取施工处海水搅拌仍可满足工程要求，分层施工浇筑淤泥固化复合材料可大幅度降低施工成本，且利用了海底淤泥，具有经济与环保的实际工程应用价值。
[0092]
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。