用于橋梁基樁的化學(xué)聚合物泥漿的性能研究

秦 楠

(陜西省交通廳基本建設(shè)工程質(zhì)量監(jiān)督站，陜西 西安 710075)

0 引 言

化學(xué)聚合物泥漿屬于有機(jī)高分子聚合物材料，是由多種材料與共聚物通過人工合成的聚合電解質(zhì)。常見的化學(xué)泥漿產(chǎn)品形式有固體和液體2種[1-5]。固體形式又可細(xì)分為顆粒狀和粉末狀，液體形式主要為反相乳液材料，根據(jù)溶解速度又可劃分為速溶型和普通型[6-10]。由于化學(xué)泥漿充分溶解在水環(huán)境中后會(huì)形成膠體狀或者半透明的糊狀物體，具有黏度高、滲透性強(qiáng)的特點(diǎn)，故能夠很好地對(duì)泥漿的流變性進(jìn)行調(diào)整；此外，化學(xué)泥漿溶解之后孔內(nèi)沉淀鉆屑速度較快，進(jìn)一步通過膠聯(lián)與滲透作用在孔壁四周形成糊狀保護(hù)層[11-15]?；瘜W(xué)泥漿的優(yōu)勢(shì)主要包括：對(duì)鉆進(jìn)速度的提高、對(duì)孔壁坍塌與井漏現(xiàn)象的防止以及對(duì)井徑規(guī)則度的保持[16-18]。

截止目前，在橋梁樁基礎(chǔ)施工中，化學(xué)聚合物已被大量應(yīng)用。趙孔坤研究了化學(xué)聚合物泥漿在滲水鉆孔樁中的應(yīng)用，表明泥漿濃度不高的情況有利于制造黏稠度較高的鉆孔環(huán)境，并對(duì)鉆孔現(xiàn)場(chǎng)的環(huán)境提出了一些指導(dǎo)和建議[19]。侯韶軍利用化學(xué)聚合物泥漿技術(shù)在集寧至通遼鐵路的樁基礎(chǔ)工程中進(jìn)行旋挖成孔施工操作，化學(xué)聚合物泥漿在成孔過程中具有顯著的優(yōu)越性，有效確保了成孔的質(zhì)量與施工環(huán)境，明顯擴(kuò)大了化學(xué)聚合物泥漿在橋梁樁基礎(chǔ)中的應(yīng)用范圍[20]。羅成恒借助化學(xué)聚合物與上海地區(qū)膨潤(rùn)土制備了化學(xué)聚合物泥漿，主要用于解決在鉆孔灌注樁中常見的坍孔與擴(kuò)徑問題，實(shí)踐結(jié)果表明該方法取得良好的經(jīng)濟(jì)技術(shù)效果，為該類型施工環(huán)境提供了有價(jià)值的參考[21]。劉川將化學(xué)聚合物泥漿應(yīng)用到拉沐河大橋的旋挖鉆孔灌注樁成型，為樁孔成型提供了強(qiáng)有力的黏度環(huán)境，保證了周圍地層環(huán)境的穩(wěn)定，提高了樁孔鉆進(jìn)的效率。

基于化學(xué)聚合物泥漿在橋梁樁基礎(chǔ)中的應(yīng)用，本文以奈普頓化學(xué)泥漿專用高效聚合物為添加劑，研究其摻量對(duì)化學(xué)聚合物泥漿基本性能的影響，確定添加劑最佳摻量。借助聚合物泥漿比重試驗(yàn)、黏度試驗(yàn)、含砂率試驗(yàn)，研究不同添加劑摻量下的化學(xué)聚合物泥漿的比重、黏度與含砂率等指標(biāo)。最終對(duì)化學(xué)聚合物進(jìn)行配合比試驗(yàn)，將其應(yīng)用于橋梁樁基施工過程中。

1 化學(xué)聚合物泥漿的制備

1.1 原材料

本研究選取斯珞瑞聚合物泥漿、奈普頓化學(xué)泥漿專用高效聚合物添加劑、水與燒堿作為化學(xué)聚合物泥漿的原材料。其中，奈普頓化學(xué)泥漿專用高效聚合物添加劑主要用來增強(qiáng)化學(xué)聚合物泥漿的黏度，有效提高聚合物泥漿的稀釋性，用量為1%～12%。水是化學(xué)聚合物泥漿的主要組成部分。燒堿主要用于改善水體質(zhì)量，加速聚合物的水解過程，配比為20%。不同原材料的技術(shù)性能指標(biāo)見表1。

1.2 試驗(yàn)方案

對(duì)于化學(xué)聚合物泥漿的比重、黏度與含砂率，本研究采用《粘土及膨潤(rùn)土造孔泥漿試驗(yàn)規(guī)程》(Q/J/

表1 原材料的技術(shù)性能指標(biāo)

11/1999-04)中的泥漿比重試驗(yàn)方法、泥漿黏度試驗(yàn)方法與泥漿含砂率試驗(yàn)方法。本研究以奈普頓化學(xué)泥漿專用高效聚合物為添加劑，選取3%、5%、7%、9%四種不同比例研究高效聚合物添加劑摻量對(duì)化學(xué)聚合物泥漿性能的影響，每組試驗(yàn)3個(gè)平行試件。

2 化學(xué)聚合物泥漿的基本性能

2.1 高效聚合物添加劑摻量對(duì)泥漿比重的影響

具有不同高效聚合物添加劑摻量的化學(xué)聚合物泥漿比重試驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。

圖1 化學(xué)聚合物泥漿比重試驗(yàn)結(jié)果

由圖1可知，化學(xué)聚合物泥漿的比重隨著添加劑摻量的增加先增后降。具體而言，以7%為分界點(diǎn)，當(dāng)添加劑摻量為7%時(shí)聚合物泥漿的比重最大；當(dāng)添加劑摻量低于7%時(shí)，高效聚合物泥漿的比重隨著添加劑摻量的增加而增加，當(dāng)添加劑摻量高于7%時(shí)，高效聚合物泥漿的比重則隨著添加劑摻量的增加而降低。當(dāng)添加劑摻量較小(如3%與5%)時(shí)，聚合物泥漿比重相差較小，二者之間的差距僅為0.06 g·cm-3；對(duì)于5%與7%摻量，二者聚合物泥漿比重之間相差1.14 g·cm-3；9%摻量對(duì)應(yīng)的聚合物泥漿比重較7%摻量小0.03 g·cm-3。

2.2 高效聚合物添加劑摻量對(duì)泥漿黏度的影響

具有不同高效聚合物添加劑摻量的化學(xué)聚合物泥漿黏度試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。

圖2 化學(xué)聚合物泥漿黏度試驗(yàn)結(jié)果

由圖2可知，化學(xué)聚合物泥漿的黏度隨著添加劑摻量的增加呈線性增加。具體而言，當(dāng)添加劑摻量為3%時(shí)，其對(duì)應(yīng)的化學(xué)聚合物泥漿的黏度最小，為12 Pa·s；當(dāng)添加劑摻量為9%時(shí)，其對(duì)應(yīng)的化學(xué)聚合物泥漿的黏度最大，為34 Pa·s。由此可見，高效聚合物添加劑顯著影響了化學(xué)聚合物泥漿的黏度。一般而言，化學(xué)聚合物泥漿的黏度在19～23 Pa·s的范圍內(nèi)。這是因?yàn)椋寒?dāng)泥漿黏度過小時(shí)，可能導(dǎo)致坍孔或者堵塞等危害；當(dāng)泥漿黏度過大時(shí)，孔壁保護(hù)層厚度增加，會(huì)對(duì)施工造成極大的不便。因此根據(jù)實(shí)踐，以聚合物泥漿的黏度在20 Pa·s時(shí)的添加劑摻量為最佳，此時(shí)的添加劑摻量為5%。

2.3 添加劑摻量對(duì)泥漿含砂率的影響

具有不同高效聚合物添加劑摻量的化學(xué)聚合物泥漿含砂率試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

圖3 化學(xué)聚合物泥漿含砂率試驗(yàn)結(jié)果

由圖3可知，化學(xué)聚合物泥漿的含砂率隨著添加劑摻量的增加線性增加。當(dāng)添加劑摻量為1%時(shí)，聚合物泥漿的含砂率最小，僅為2.2%；當(dāng)添加劑摻量為9%時(shí)，聚合物泥漿的含砂率達(dá)到最大，為5.8%。由《公路橋涵施工質(zhì)量檢驗(yàn)評(píng)定與驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范》關(guān)于泥漿含砂率的規(guī)定可知，化學(xué)聚合物泥漿的含砂率應(yīng)不大于4%，因?yàn)槟酀{含砂率過大會(huì)導(dǎo)致施工過程中出現(xiàn)塌孔現(xiàn)象?；谔砑觿搅颗c泥漿含砂率的關(guān)系，即添加劑摻量5%對(duì)應(yīng)的化學(xué)聚合物泥漿含砂率為3.1%，添加劑摻量7%對(duì)應(yīng)的化學(xué)聚合物泥漿含砂率為4.5%，最終選取5%為化學(xué)聚合物泥漿含砂率對(duì)應(yīng)的最佳添加劑摻量。

綜上所述，基于不同指標(biāo)、泥漿的性能及施工可靠性的考慮，結(jié)合化學(xué)聚合物泥漿的比重、黏度與含砂率三大指標(biāo)試驗(yàn)結(jié)果，確定5%為化學(xué)聚合物泥漿中添加劑的最佳摻量。

3 化學(xué)聚合物泥漿配合比的應(yīng)用

3.1 配合比試驗(yàn)

選取添加劑摻量為5%的化學(xué)聚合物泥漿進(jìn)行配合比試驗(yàn)，具體見圖4～7。

圖4 化學(xué)聚合物泥漿比重試驗(yàn)

圖5 化學(xué)聚合物泥漿黏度試驗(yàn)

圖6 化學(xué)聚合物泥漿含砂率試驗(yàn)

圖7 化學(xué)聚合物泥漿配合比試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)照片

圖4～7所示的化學(xué)聚合物泥漿中中砂、細(xì)砂、黏土、細(xì)小卵石之間的比例為1∶1∶1∶1，其中添加劑的摻量為5%。將其充分混合沉淀5 min后依據(jù)《粘土及膨潤(rùn)土造孔泥漿試驗(yàn)規(guī)程》(Q/J/11/1999-04)進(jìn)行化學(xué)聚合物泥漿比重、黏度與含砂率試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2 化學(xué)聚合物泥漿指標(biāo)試驗(yàn)結(jié)果

由表2可知，添加劑摻量為5%的化學(xué)聚合物泥漿配合比的比重、表觀黏度與含砂率均符合技術(shù)要求，表明本研究選取的添加劑最佳摻量較為可靠、合理。

3.2 化學(xué)聚合物泥漿的應(yīng)用

化學(xué)聚合物泥漿形成的漿液不僅有很好的護(hù)壁防塌效果，而且能吸附鉆屑，孔里的沉渣厚度一般不超過10 cm，根據(jù)實(shí)際情況，可不進(jìn)行二次清孔，且泥漿體中不含鉆屑，可以增強(qiáng)孔壁的摩擦力層，最終有效提高橋梁樁基的摩擦承載力。

配制泥漿時(shí)可直接把泥漿粉沖入孔中，泥漿粉會(huì)迅速溶解，形成較高黏度的漿液。也可把泥漿粉順著噴射的水流沖入泥漿池內(nèi)，用泥漿循環(huán)泵抽出和泵入使其溶解，然后注入孔中。根據(jù)當(dāng)?shù)氐乃|(zhì)及實(shí)際使用情況，采用燒堿(或純堿)水溶液調(diào)整pH值，一般燒堿添加量為泥漿粉的一半，建議pH值在8～10的范圍內(nèi)。

在最后階段即可成孔時(shí)的一兩鉆，需要使儀器靜置約20 min之后再進(jìn)行成孔操作，在這一過程中，泥漿面應(yīng)高于地表1 m以上。不能采取半孔漿成孔，因?yàn)榘肟诐{成孔壓強(qiáng)降低，護(hù)壁能力也低；同時(shí)灌注混凝土?xí)r，沒經(jīng)過漿液浸泡的地層極有可能塌方。為了防止鋼筋籠對(duì)孔壁造成破壞，在其下孔過程中應(yīng)盡量居中；不能與膨潤(rùn)土泥漿混用。

3.3 化學(xué)聚合物泥漿在橋梁樁基施工中的應(yīng)用

在樁基施工過程中，由于地質(zhì)條件不同，常會(huì)遇到孔壁坍塌、漏漿等問題，這里以流砂層旋挖鉆機(jī)施工中化學(xué)聚合物泥漿的應(yīng)用為例，說明施工過程中應(yīng)注意的事項(xiàng)。

流砂層多為接近于流體狀態(tài)的沙粒土層，沙粒土的礦物成分以石英、長(zhǎng)石、云母等原生殘余礦物為主，塑性極低或無塑性。相比之下，砂類土多表現(xiàn)為單粒形態(tài)且其內(nèi)摩擦角較大，黏性與可壓縮性較低，但壓縮過程快，承載能力相對(duì)較高。

對(duì)于流塑性地層，需要對(duì)泥漿進(jìn)行合理的調(diào)配，且中等容重、高黏度的泥漿應(yīng)優(yōu)先考慮。由于國(guó)內(nèi)的膨潤(rùn)土質(zhì)量參差不齊且泥漿黏度要求較高，推薦泥漿配比方案為：水、膨潤(rùn)土、CMC、純堿之比為1 000∶140∶2.5∶4。摻入少許黏土并將其攪拌均勻，泥漿容重控制在1.2左右，與此同時(shí)pH應(yīng)高于8.0且黏度不小于45 s。在此應(yīng)指出，膨潤(rùn)土、純堿與纖維素等摻入泥漿池后應(yīng)靜置約24 h，待膨潤(rùn)土徹底水合之后再將黏土倒入泥漿池充分拌合。在開鉆前2 h再次攪拌，并在開鉆前檢測(cè)泥漿是否符合要求。

為保證提鉆過程中鉆頭上下的泥漿流動(dòng)，并防止真空現(xiàn)象的出現(xiàn)，鉆頭上方應(yīng)設(shè)置通氣孔；通過在孔壁四周設(shè)置黏土壩或者提高護(hù)筒來保證泥漿液面高出地下水表面2～3 m。

在樁基的鉆孔施工過程中，應(yīng)控制泥漿液面位置并使其與護(hù)筒上緣的距離保持在30～40 cm。當(dāng)鉆孔至易坍塌地層時(shí)，如砂層與軟土層，應(yīng)放慢提、放鉆與鉆進(jìn)的速度，并嚴(yán)格控制鉆具的運(yùn)動(dòng)速度，以減少對(duì)孔壁的擾動(dòng)與沖刷，同時(shí)為泥漿皮的形成預(yù)留足夠的時(shí)間。

除此之外，工作人員應(yīng)實(shí)時(shí)地對(duì)泥漿液面進(jìn)行監(jiān)控，若有大量泡沫涌現(xiàn)且泥漿液面突然下降，其原因可初步判定為局部塌方。此時(shí)，需要立即終止鉆進(jìn)并緩慢提升鉆頭，此過程應(yīng)嚴(yán)防由于對(duì)周邊環(huán)境的擾動(dòng)而引起的二次塌方。若已確定存在局部塌方，應(yīng)在提出鉆頭的同時(shí)向孔內(nèi)注入泥漿；此外，借助挖掘機(jī)向孔內(nèi)部倒入黏土；將鉆頭放下并反轉(zhuǎn)以壓實(shí)倒入的黏土，地層穩(wěn)定之后再繼續(xù)采用前述方法進(jìn)行鉆進(jìn)。

施工過程中的注意事項(xiàng)如下。

(1)時(shí)刻監(jiān)控泥漿液面位置，在發(fā)現(xiàn)有塌方跡象的第一時(shí)間采取有效措施。

(2)頻繁注漿以保證泥漿液面的高度。

(3)鉆進(jìn)過程中的提、放鉆頭要非常緩慢。

(4)關(guān)注鉆機(jī)的沉降，若發(fā)現(xiàn)異常，立即安排鉆機(jī)離場(chǎng)，現(xiàn)場(chǎng)人員及時(shí)撤離。

4 結(jié) 語

(1)化學(xué)聚合物泥漿的比重隨添加劑摻量的增加呈拋物線趨勢(shì)變化，當(dāng)添加劑摻量達(dá)到7%時(shí)，聚合物泥漿的比重達(dá)到最大。

(2)化學(xué)聚合物泥漿的黏度隨添加劑摻量的增加而線性增加，當(dāng)添加劑摻量為3%時(shí)黏度最低，黏度最高時(shí)對(duì)應(yīng)的添加劑摻入量為9%。

(3)化學(xué)聚合物泥漿的含砂率隨添加劑摻量的增加而線性增加。結(jié)合實(shí)際施工需求與化學(xué)聚合物泥漿特性，選取5%作為化學(xué)聚合物泥漿中添加劑的最佳摻量。

(4)提出化學(xué)聚合物泥漿在施工中的應(yīng)用前景，并指出施工過程中應(yīng)該注意的事項(xiàng)。