创新有机复合材料固化海工土的孔蚀行为增强机制及抗冲刷性能研究

为提升海洋软土的抗冲刷性能并保障近海基础设施稳定性，本研究开发了一种新型有机复合固化材料(OCM)，通过孔蚀试验系统揭示了固化土在温度调控、线性侵蚀和加速冲刷等阶段的完整侵蚀过程，建立了水力剪切应力(τt)与侵蚀率(ε)的定量关系。研究发现OCM通过水化产物(C-S-H、AFt等)的填充粘结作用显著提升临界剪切应力(τc)和侵蚀率指数(ERI)，在10%掺量下ERI增幅达24.5%，较传统水泥(OPC)更具海洋环境适应性，为近海工程防护提供了创新解决方案。

　　

随着全球近海风电项目的快速发展，风力发电机基础周围的局部冲刷问题日益凸显。当水流遇到基础结构时，会形成下冲流、马蹄形涡流等复杂流态，这些水力作用不断侵蚀海床土壤，形成典型的冲刷坑。这种冲刷会减少基础的埋置深度，改变结构的固有振动频率，严重威胁近海基础设施的安全稳定。虽然土壤固化技术被视为有效的防护措施，但现有固化剂多针对陆地环境设计，对海洋特殊工况（如盐度、温度变化）的适应性不足，且传统水泥基材料存在污染风险、成本高、水下稳定性差等问题。

针对这些挑战，Power China Huadong Engineering Corporation Limited的研究团队在《Applied Ocean Research》发表论文，开发了一种创新有机复合固化材料(OCM)。该材料通过优化配比实现了分散性、流动性和粘结强度的协同平衡，其核心固化剂由波特兰水泥、硫铝酸盐水泥、石灰和聚丙烯酸酯按16:4:1:1组成，添加剂包含羟丙基甲基纤维素(HPMC)和聚羧酸等。研究人员采用自主研发的孔蚀试验装置，系统考察了固化剂掺量(5%-15%)、养护时间(2-6h)和温度(4-28°C)对海洋淤泥固化土抗冲刷性能的影响，通过3D扫描和SEM等技术揭示了侵蚀机制。

关键技术包括：(1)搭建具备温度调控功能的孔蚀试验系统，可模拟2.2m水头冲刷并实时监测浊度(0-1000NTU)和流量；(2)采用石膏铸模结合3D扫描定量分析侵蚀孔形态；(3)基于湍流条件下水力剪切应力(τ_t=ρ_wgi_tφ_t/4)与侵蚀率(ε=ρ_ddφ_t/2dt)的线性模型计算关键参数；(4)通过SEM观察水化产物的微观结构特征。

3.1 侵蚀过程

试验完整记录了四个特征阶段：温度调节阶段（系统水温稳定至设定值）、储水孔清洁阶段（初始杂质冲刷）、线性侵蚀阶段（τ_t接近τ_c时稳定侵蚀）和加速侵蚀阶段（τ_t>τ_c后流量与浊度骤增）。数据显示OCM组在15%掺量下，6h养护后能承受470Pa剪切应力而不发生溃决，显著优于OPC组。

3.2 侵蚀孔形态

石膏铸模显示侵蚀孔呈喇叭形扩张，入口区侵蚀最严重。3D扫描表明OCM组孔壁更平整，而OPC组易出现局部塌落（图10e），这与SEM观察到的OCM组更致密的水化产物网络结构相符（图14a）。

4.1 土壤侵蚀系数

建立ε=Ce(τ_t-τ_c)的线性关系模型发现，OCM使ERI提升至5（相当于Ce降低5个数量级），且温度从4°C升至28°C时，τ_c下降38.1%（图15）。这种温度敏感性源于双电层力减弱——高温导致水介电常数降低，削弱了土壤胶粒间的静电引力（图16）。

4.2 固化土侵蚀机制

微观分析揭示OCM的优越性源于三重机制：(1)钙矾石(AFt)和C-S-H凝胶的物理填充作用；(2)聚丙烯酸酯的分子桥接效应；(3)纤维素醚形成的空间位阻。当掺量从5%增至10%时，OCM组的τ_c和ERI分别提升86%和24.5%，而OPC组仅提升87%和15.9%（图13）。

这项研究证实OCM通过多尺度协同作用显著提升海洋土的抗冲刷性能，其创新性体现在：(1)首次量化了温度对固化土τ_c的影响规律；(2)开发的环境友好型复合材料成本较传统水泥降低30%；(3)建立的孔蚀预测模型可为近海工程设计提供理论依据。该成果不仅适用于风电基础防护，还可推广至海底管线、跨海桥墩等场景，对推动海洋可再生能源开发具有重要工程价值。