CN104844062A - 一种适合于海洋岩土环境的纳米改性水泥搅拌桩添加剂及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明的适合于海洋岩土环境的纳米改性水泥搅拌桩添加剂，其组分及其质量分数如下：纳米SiO₂ 25%~35%；超分散剂15%~20%；三乙醇胺2~3%；消泡剂0.5%~0.8%；氯化钙5~10%；其余为水，上述组分之和为100%。其制备方法：按质量分数配比取各组分，首先将超分散剂、消泡剂和氯化钙加入到拌合水中搅拌溶解，过滤除去不溶物得到溶液A；接着，将纳米SiO₂和三乙醇胺加入到溶液A中，搅拌混合均匀。本发明的纳米改性水泥搅拌桩添加剂可以大幅度改善海洋岩土环境下水泥搅拌桩的早期力学性能并优化其力学性能发展规律，提高水泥搅拌桩对海洋腐蚀环境的抵抗能力。

Description

一种适合于海洋岩土环境的纳米改性水泥搅拌桩添加剂及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种水泥搅拌桩添加剂及其制备方法，尤其适用于海洋、海岸和滨海环境的水泥搅拌桩工程。

背景技术

水泥搅拌桩是工程中常用的一种简便而有效的地基处理方法。随着我国海洋和沿海地区开发的不断深入，众多海洋、海岸和滨海工程兴建，作为地基处理的主要形式之一，水泥搅拌桩在海洋岩土工程中也开始大量应用。

然而，海洋岩土环境中有大量的Cl^-、SO₄ ^2-和Na⁺、Mg²⁺等腐蚀性介质，有些环境土壤地下水中Cl^-浓度超过10000mg/L、Mg²⁺和SO₄ ^2-浓度也常常会达到1000mg/L，这些腐蚀性介质的叠加作用十分不利于水泥搅拌桩的成桩和桩身的耐久性，甚至危害到工程的安全和正常使用；在这种情况下，采用大幅度增加水泥用量等常规手段也无法达到令人满意的技术效果。因此，如何改善海洋岩土环境下水泥搅拌桩的力学性能发展规律和显著提高其耐久性能已经成为海洋、海岸和滨海工程地基处理面临的迫切问题。

虽然，目前有一些针对滨海环境水泥搅拌桩的改良方法，例如采用硅粉、偏高岭土或粉煤灰、石灰等矿物掺合料改善水泥水化产物组成提高盐蚀环境水泥搅拌桩的耐久性能，采用聚丙烯纤维、天然纤维等改善的水泥搅拌桩收缩性能，采用石膏、小苏打和磷酸氢钠等激发剂提高水泥搅拌桩早期的力学性能，采用聚丙烯酰胺等吸水性材料改善水泥搅拌桩的抗渗性能，也有采用纳米材料和纤维与干燥土混合后制备适合地基基础用的高性能水泥土的方法。然而，这些方法都未能从改善整个龄期下的力学性能发展规律和微结构的综合角度出发，因此难以大幅度提高海洋岩土环境水泥搅拌桩的力学和耐久性能。

发明內容

本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种适合于海洋岩土环境的纳米改性水泥搅拌桩添加剂及其制备方法。

本发明的海洋岩土环境的纳米改性水泥搅拌桩添加剂，它的组分及其质量分数如下：

纳米SiO₂  25%~35%；

超分散剂  15%~20%；

三乙醇胺  2~3%；

消泡剂    0.5%~0.8%；

氯化钙    5~10%；

其余为水，上述组分之和为100%。

本发明中，所述的纳米SiO₂的粒径为30-50nm。

本发明中，所述的超分散剂是聚羧酸减水剂。

本发明中，所述的消泡剂为有机硅聚醚复合消泡剂。

本发明的适合于海洋岩土环境的纳米改性水泥搅拌桩添加剂的制备方法，包括以下步骤：

1）按权利要求1配比取各组分，将超分散剂、消泡剂和氯化钙加入到拌合水中搅拌溶解，过滤除去不溶物，得到溶液A；

2）将纳米SiO₂和三乙醇胺加入到溶液A中，搅拌混合均匀，得到适合于海洋岩土环境的纳米改性水泥搅拌桩添加剂。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明制备工艺简单，由于纳米SiO₂的晶核、活性和超细填充作用、三乙醇胺和氯化钙的复合早强作用以及超分散剂的吸附分散和润湿润滑作用，极大地优化了水泥的水化进程和水泥搅拌桩的力学性能及密实程度，同时由于纳米SiO₂和消泡剂细化水泥的水化产物和优化水泥搅拌桩的孔隙结构，使得海洋岩土环境下整个水泥搅拌桩的微结构更加密实合理，从而显著提高其对滨海腐蚀环境的抵抗能力，保证工程安全和正常使用，适合于海洋、海岸和滨海环境的水泥搅拌桩工程。

具体实施方式

以下通过实例进一步对本发明进行描述。

实施例1

1）按质量分数配比取各组分：粒径为30-50nm的纳米SiO₂  25%；聚羧酸减水剂15%；三乙醇胺2%；有机硅聚醚复合消泡剂0.5%；氯化钙5%，其余为水，上述组分之和为100%。

2）将聚羧酸减水剂、有机硅聚醚复合消泡剂和氯化钙加入到拌合水中搅拌溶解，过滤除去不溶物，得到溶液A；接着将纳米SiO₂和三乙醇胺加入到溶液A中，搅拌混合均匀，得到适合于海洋岩土环境的纳米改性水泥搅拌桩添加剂。

滨海环境塘泥，塘泥呈灰黑色，流塑，主要由粘性土组成，韧性及干强度低，含水量为48%；该环境地下水中含有大量腐蚀性介质，其中Na⁺、Ca²⁺、Mg²⁺、Cl^-、SO₄ ^2-等主要离子浓度分别为6030、805、1295、9005、1250mg/L。

按照纳米改性水泥搅拌桩添加剂：42.5级普通硅酸盐水泥：水：塘泥=2:15:7.5:100的配比进行拌合6分钟得到掺有纳米改性水泥搅拌桩添加剂的水泥搅拌桩材料。

通过上述方法得到的水泥搅拌桩材料浇筑成70.7*70.7*70.7mm试件，拆模后放置在滨海地下水中进行养护。根据《水泥土配合比设计规程》测试30天、90天和180天的无侧限抗压强度，同时与未掺纳米改性水泥搅拌桩添加剂的试件进行对比：30天无侧限抗压强度从2.25MPa提升至2.57MPa，升幅为14.2%；90天无侧限抗压强度从3.47MPa提升至4.12MPa，升幅为18.7%；180天无侧限抗压强度从3.81MPa提升至4.68MPa，升幅为18.6%。

实施例2

纳米改性水泥搅拌桩添加剂及其制备同实施例1。

滨海环境塘泥，塘泥呈灰黑色，流塑，主要由粘性土组成，韧性及干强度低，含水量为48%；该环境地下水中含有大量腐蚀性介质，其中Na⁺、Ca²⁺、Mg²⁺、Cl^-、SO₄ ^2-等主要离子浓度分别为6030、805、1295、9005、1250mg/L。

按照纳米改性水泥搅拌桩添加剂：42.5级普通硅酸盐水泥：水：塘泥=2:22:7.5:100的配比进行拌合6分钟得到掺有纳米改性水泥搅拌桩添加剂的水泥搅拌桩材料。

通过上述方法得到的水泥搅拌桩材料浇筑成70.7*70.7*70.7mm试件，拆模后放置在滨海地下水中进行养护。根据《水泥土配合比设计规程》测试30天、90天和180天的无侧限抗压强度，同时与未掺纳米改性水泥搅拌桩添加剂的试件进行对比：30天无侧限抗压强度从3.31MPa提升至3.57MPa，升幅为7.9%；90天无侧限抗压强度从4.24MPa提升至5.03MPa，升幅为18.6%；180天无侧限抗压强度从4.38MPa提升至5.25MPa，升幅为19.9%。

实施例3

1）按质量分数配比取各组分：粒径为30-50nm的纳米SiO₂35%；聚羧酸减水剂20%；三乙醇胺3%；有机硅聚醚复合消泡剂0.8%；氯化钙10%；其余为水，上述组分之和为100%。

2）将聚羧酸减水剂、有机硅聚醚复合消泡剂和氯化钙加入到拌合水中搅拌溶解，过滤除去不溶物得到溶液A；接着将纳米SiO₂和三乙醇胺加入到溶液A中，搅拌混合均匀，得到适合于海洋岩土环境的纳米改性水泥搅拌桩添加剂。

滨海环境塘泥，塘泥呈灰黑色，流塑，主要由粘性土组成，韧性及干强度低，含水量为48%；该环境地下水中含有大量腐蚀性介质，其中Na⁺、Ca²⁺、Mg²⁺、Cl^-、SO₄ ^2-等主要离子浓度分别为6030、805、1295、9005、1250mg/L。

按照纳米改性水泥搅拌桩添加剂：42.5级普通硅酸盐水泥：水：塘泥=2:22:7.5:100的配比进行拌合6分钟得到掺有纳米改性水泥搅拌桩添加剂的水泥搅拌桩材料。

通过上述方法得到的水泥搅拌桩材料浇筑成70.7*70.7*70.7mm试件，拆模后放置在滨海地下水中进行养护。根据《水泥土配合比设计规程》测试30天、90天和180天的无侧限抗压强度，同时与未掺纳米改性水泥搅拌桩添加剂的试件进行对比：30天无侧限抗压强度从3.31MPa提升至3.98MPa，升幅为20.2%；90天无侧限抗压强度从4.24MPa提升至5.54MPa，升幅为30.7%；180天无侧限抗压强度从4.38MPa提升至5.97MPa，升幅为36.3%。

实施例4

纳米改性水泥搅拌桩添加剂及其制备同实施例3。

海岸环境淤填土，淤填土呈灰黄色，流塑，主要由粘性土组成，韧性及干强度低，含水量为51%；该环境地下水中含有大量腐蚀性介质，其中Na⁺、Ca²⁺、Mg²⁺、Cl^-、SO₄ ^2-等主要离子浓度分别为7150、1215、1680、11015、1460mg/L。

按照纳米改性水泥搅拌桩添加剂：42.5级普通硅酸盐水泥：水：淤填土=2:22:7.5:100的配比进行拌合6分钟得到掺有纳米改性水泥搅拌桩添加剂的水泥搅拌桩材料。

通过上述方法得到的水泥搅拌桩材料浇筑成70.7*70.7*70.7mm试件，拆模后放置在滨海地下水中进行养护。根据《水泥土配合比设计规程》测试30天、90天和180天的无侧限抗压强度，同时与未掺纳米改性水泥搅拌桩添加剂的试件进行对比：30天无侧限抗压强度从2.23MPa提升至3.06MPa，升幅为37.2%；90天无侧限抗压强度从3.16MPa提升至4.53MPa，升幅为43.4%；180天无侧限抗压强度从3.18MPa提升至4.89MPa，升幅为53.8%。

本发明所述的方法，一方面通过纳米SiO₂的晶核、活性和超细填充作用，显著提高水泥早期的水化速率和改善中后期水泥搅拌桩的密实度，同时通过三乙醇胺和氯化钙的复合早强作用以及超分散剂的吸附分散和润湿润滑作用，大幅度改善海洋岩土环境下水泥搅拌桩的早期力学性能并优化其力学性能发展规律，从而提高水泥搅拌桩对海洋腐蚀环境的抵抗能力；另一方面通过纳米SiO₂和消泡剂细化水泥的水化产物和优化水泥搅拌桩的孔隙结构，使得海洋岩土环境下整个水泥搅拌桩的微结构更加密实合理，从而进一步提高其对海洋腐蚀环境的抵抗能力。这种海洋岩土环境的纳米改性水泥搅拌桩添加剂特别适用于海洋、海岸和滨海环境的水泥搅拌桩工程。

以上列举的仅是本发明的具体实施例子。显然，本发明不限于以上实施例子，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，均应认为是本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种适合于海洋岩土环境的纳米改性水泥搅拌桩添加剂，其特征在于它的组分及其质量分数如下：

纳米SiO₂  25%~35%；

超分散剂  15%~20%；

三乙醇胺  2~3%；

消泡剂    0.5%~0.8%；

氯化钙    5~10%；

其余为水，上述组分之和为100%。

2.根据权利要求1所述的适合于海洋岩土环境的纳米改性水泥搅拌桩添加剂，其特征在于所述的纳米SiO₂的粒径为30-50nm。

3.根据权利要求1所述的适合于海洋岩土环境的纳米改性水泥搅拌桩添加剂，其特征在于所述的超分散剂是聚羧酸减水剂。

4.根据权利要求1所述的适合于海洋岩土环境的纳米改性水泥搅拌桩添加剂，其特征在于所述的消泡剂为有机硅聚醚复合消泡剂。

5.制备权利要求1所述的适合于海洋岩土环境的纳米改性水泥搅拌桩添加剂的方法，其特征在于包括以下步骤：

1）按权利要求1配比取各组分，将超分散剂、消泡剂和氯化钙加入到拌合水中搅拌溶解，过滤除去不溶物，得到溶液A；

2）将纳米SiO₂和三乙醇胺加入到溶液A中，搅拌混合均匀，得到适合于海洋岩土环境的纳米改性水泥搅拌桩添加剂。