頂管施工中新型聚合物添加劑對(duì)潤(rùn)滑減阻漿液性能的影響

(山西省東山供水工程建設(shè)管理局， 山西 太原 030001)

頂管施工中新型聚合物添加劑對(duì)潤(rùn)滑減阻漿液性能的影響

胡新

(山西省東山供水工程建設(shè)管理局， 山西 太原 030001)

本文選取聚丙烯酰胺、羥甲基淀粉、羥甲基纖維素、瓜爾膠、黃原膠和N-二甲基丙烯酰胺共聚物共6種聚合物，作為頂管施工潤(rùn)滑減阻漿液添加劑，通過(guò)對(duì)比和分析加入不同聚合物添加劑的漿液體系性能參數(shù)，得出以上六種聚合物適合用作頂管施工潤(rùn)滑減阻漿液添加劑的是羥甲基纖維素、黃原膠和N-二甲基丙烯酰胺共聚物。在此基礎(chǔ)上，再通過(guò)調(diào)節(jié)加入漿液體系添加劑的摻量來(lái)研究其摻量變化對(duì)漿液性能產(chǎn)生的影響，得到最為適宜作為頂管施工潤(rùn)滑減阻漿液添加劑的聚合物是N-二甲基丙烯酰胺共聚物的結(jié)論。

頂管；聚合物添加劑；潤(rùn)滑減阻漿液

以膨潤(rùn)土為主要成分的潤(rùn)滑減阻漿液目前廣泛運(yùn)用于長(zhǎng)距離頂管施工中[1]。潤(rùn)滑漿液在頂管施工過(guò)程中主要有兩種作用：一是潤(rùn)滑漿液可起到潤(rùn)滑作用,改變管道與土體之間摩擦特性,使其由干摩擦變?yōu)闈衲Σ?減小掘進(jìn)阻力；二是潤(rùn)滑漿液還有支撐土體和填補(bǔ)施工間隙的作用[2]，因此,在施工前準(zhǔn)確定潤(rùn)滑減阻漿液對(duì)頂管施工方法和管道材料的選擇有很大的幫助。

目前常用的潤(rùn)滑減阻漿液以膨潤(rùn)土為主，并添加多種聚合物從而改善其性能，達(dá)到潤(rùn)滑減阻以及護(hù)壁的目的。對(duì)于通過(guò)向潤(rùn)滑減阻漿液中加入添加劑來(lái)改善潤(rùn)滑減阻漿液的各項(xiàng)性能這一課題，國(guó)內(nèi)相關(guān)工程工作者做過(guò)不少探索。泮偉等人提出用羥甲基纖維素[3]，蔡偉華論證了聚丙烯酰胺的可行性[4]，李少華等人探索了多陰離子纖維素的作用[5]。綜合前人的研究成果，本文研究選取其中可行性較大的六種聚合物為添加劑進(jìn)行研究。

1 潤(rùn)滑減阻漿液設(shè)計(jì)

1.1 漿液及添加聚合物成分

結(jié)合潤(rùn)滑減阻漿液的應(yīng)用現(xiàn)狀和發(fā)展方向，本文采用以膨潤(rùn)土(800目)、聚丙烯酰胺(PAM，高分子分子量1400萬(wàn))、純堿(Na2CO3)、羥甲基淀粉(CMS)、羥甲基纖維素(CMC)、瓜爾膠、黃原膠、2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸-N、N-二甲基丙烯酰胺共聚物(AMPS-NNDMA)、水為主要原料成分的漿液進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)以70g膨潤(rùn)土、1g純堿加800g水組成固定的基本泥漿。然后再將六種聚合物(CMC、CMS、AMPS-NNDMA、PAM、黃原膠、瓜爾膠)分別按計(jì)劃摻量加入漿液，通過(guò)評(píng)價(jià)和分析不同聚合物對(duì)漿液性能的影響，得到性能最優(yōu)的聚合物漿液。在此基礎(chǔ)上，再改變優(yōu)選出的聚合物的摻量進(jìn)行結(jié)果對(duì)比，得出其最優(yōu)摻量。

1.3 漿液性能參數(shù)

潤(rùn)滑減阻漿液的性能直接影響頂管施工能否順利進(jìn)行，目前的頂管施工一般對(duì)減阻潤(rùn)滑漿液有以下性能要求：能穩(wěn)定和支撐土體，防止塌方；減少頂進(jìn)過(guò)程中產(chǎn)生的摩擦阻力；降低腐蝕以及改善施工人員的工作環(huán)境。在頂管施工中，潤(rùn)滑減阻漿液的黏度、靜切力及失水量為最基本的三個(gè)參數(shù)，它們直接影響整個(gè)工作漿液的性能，就黏度來(lái)說(shuō)，當(dāng)黏度過(guò)小時(shí)無(wú)法形成泥漿套，過(guò)大又會(huì)增加摩擦阻力。為找出最優(yōu)聚合物和最優(yōu)摻量，選取等量的不同組成漿液加入水中，混合均勻充分?jǐn)嚢璋胄r(shí)，并密封靜置24h后對(duì)以下漿液性能參數(shù)進(jìn)行檢測(cè)：泥漿失水量；漏斗年度；塑性黏度、靜切力、流性指數(shù)及黏度系數(shù)。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 不同聚合物對(duì)漿液性能的影響

經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)檢測(cè)，我們得出當(dāng)各聚合物摻量為1.50g時(shí)，其對(duì)漿液的性能影響(見表1)。

表1 加入不同聚合物的漿液性能參數(shù)

從表1可以看出，與基礎(chǔ)漿液相比，這六種聚合物都能使體系漿液黏度明顯提升，而其中又以聚合物PAM最為顯著，黏度提升超過(guò)了7倍；其次依次是AMPS-NNDMA、CMC和瓜爾膠。黃原膠和CMS對(duì)漿液黏度的提升效果并不突出，究其原因，應(yīng)是PAM的高吸水性所致[6]，因其在漿液中吸水溶脹，從而使體系黏度劇增，而這會(huì)使得頂管施工過(guò)程中的阻力大大增強(qiáng)，對(duì)施工不利，因此PAM不可作為潤(rùn)滑減阻漿液的添加劑，其余五種則待進(jìn)一步研究。

靜切力的大小是體系結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的最明顯體現(xiàn)。高分子聚合物因其獨(dú)特的鏈狀分子結(jié)構(gòu)，分子與分子之間可交錯(cuò)形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，膨潤(rùn)土顆粒正好可以進(jìn)入網(wǎng)格之中，添堵土體孔隙，從而顯著提高體系的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度[7]。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，AMPS-NNDMA對(duì)體系漿液的靜切力提升作用最為明顯，其次時(shí)CMC、瓜爾膠和PAM，黃原膠效果較差，而CMS對(duì)體系靜切力則幾乎沒(méi)有提升?？紤]到各聚合物的分子結(jié)構(gòu)，是因?yàn)锳MPS-NNDMA、瓜爾膠和CMC的分子鏈長(zhǎng)度較長(zhǎng)，形成了交聯(lián)的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，使得體系靜切力顯著增強(qiáng)。為滿足漿液能穩(wěn)定支撐土體的施工要求，因此排除對(duì)體系靜切力毫無(wú)提升的CMS聚合物，選取剩余的AMPS-NNDMA、CMC、瓜爾膠和黃原膠再進(jìn)行比對(duì)。

漿液體系的抗濾失性通過(guò)泥餅的失水量來(lái)體現(xiàn)。通常情況下，泥餅在同等形狀下失水量越小則漿液的抗濾失性即護(hù)壁性越好。從表1可以看出，摻加了CMC、PAM、黃原膠和AMPS-NNDMA的漿液失水量有明顯降低，而CMS和瓜爾膠的失水量與原漿液無(wú)明顯變化，因此瓜爾膠對(duì)提升漿液抗濾失性沒(méi)有良好的效果。

綜上所述，CMC、AMPS-NNDMA和黃原膠三種聚合物能有效提升潤(rùn)滑減阻漿液的各種性能，可以用于改善頂管施工體系中。

2.2 不同聚合物摻量對(duì)漿液性能的影響

分別用CMC、AMPS-NNDMA和黃原膠三種聚合物為漿液添加劑，按梯度改變其摻量，然后對(duì)比漿液的漏斗黏度和失水量，研究不同聚合物摻量下漿液性能變化。

2.2.1 CMC不同摻量對(duì)漿液性能的影響

在固定基本泥漿中從1.10g起按0.2g的梯度分別加入1.10g、1.30g、1.50g、1.70g、1.90g摻量的CMC聚合物，其性能參數(shù)變化和分布見表2和圖1。

表2 CMC不同摻量下的漿液性能參數(shù)

圖1 不同CMC摻量下的漿液性能變化

從表2和圖1可看出，與基本泥漿相比，加入了CMC聚合物的漿液漏斗黏度普遍明顯增大，同時(shí)，失水量也比不加CMC的基本漿液降低。隨著CMC摻量從1.10g到1.90g的遞增，漿液的黏度是同比線性增加的，而漿液的失水量隨著CMC摻量的增加呈現(xiàn)先減小后增大再減小的波狀變化，失水量最低時(shí)所對(duì)應(yīng)的CMC摻量為1.50g。但波動(dòng)范圍并不大，說(shuō)明在1.10g到1.90g范圍內(nèi)，改變CMC摻量對(duì)漿液抗濾失性能的影響并不明顯。

2.2.2 AMPS-NNDMA不同摻量對(duì)漿液性能的影響

在70g膨潤(rùn)土+800g水+1g純堿所制成的固定基本泥漿中，分別加入1.10g、1.30g、1.50g、1.70g、1.90g摻量的AMPS-NNDMA聚合物，其性能參數(shù)變化和分布見表3和圖2。

表3 AMPS-NNDMA不同摻量下的漿液性能參數(shù)

圖2 不同AMPS-NNDMA摻量下漿液的性能變化

從表3和圖2可以看出，同CMC聚合物一樣，在基礎(chǔ)漿液中個(gè)加入AMPS-NNDMA可以顯著增大漿液的漏斗黏度，且增加程度也比同等摻量的CMC聚合物更大，這說(shuō)明同等摻量下，AMPS-NNDMA比CMC具有更強(qiáng)的增加體系漿液漏斗黏度的特性。漿液漏斗黏度隨著加入AMPS-NNDMA聚合物摻量的增加呈現(xiàn)線性遞增的趨勢(shì)。加入AMPS-NNDMA也使得基礎(chǔ)漿液的失水量大大降低，且失水量隨著AMPS-NNDMA摻量的增加先降低再升高繼而降低呈現(xiàn)波動(dòng)變化，不論與基礎(chǔ)漿液還是與加入了CMC聚合物的漿液相比，加入AMPS-NNDMA的漿液失水量更小，具有更好的抗濾失性。

2.2.3 黃原膠不同摻量對(duì)漿液性能的影響

同前兩種聚合物類似方法，在基礎(chǔ)漿液中按照1.50g、1.70g、1.90g、2.10g、2.30g的遞增摻量加入黃原膠，分別測(cè)量所得到的漿液性能參數(shù)，結(jié)果見表4和圖3。

表4 黃原膠不同摻量下的漿液性能參數(shù)

圖3 不同黃原膠摻量下漿液的性能變化

從表4和圖3可以看出，與基礎(chǔ)漿液相比，加入黃原膠的漿液體系漏斗黏度明顯增大，且漏斗黏度也隨黃原膠摻量的增大呈現(xiàn)線性增加，但增大幅度遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒(méi)有CMC和AMPS-NNDMA體系那么明顯，說(shuō)明黃原膠對(duì)漿液的增稠效果較CMC和AMPS-NNDMA要弱不少。在失水量方面，黃原膠卻表現(xiàn)最優(yōu)，使得基礎(chǔ)漿液的失水量下降了1/3以上，且隨著黃原膠摻量的增加先降低，1.50g之后能基本穩(wěn)定保持在10g左右。說(shuō)明在測(cè)試的三種聚合物中，黃原膠能使?jié){液具備最優(yōu)的抗濾失性能。

3 結(jié) 論

經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)得到以下結(jié)論：一是通過(guò)對(duì)各種聚合物漿液體系的黏度、靜切力和失水量特性的對(duì)比分析，得出能有效提升潤(rùn)滑減阻漿液各類性能，符合頂管施工漿液體系工作要求的添加劑有CMC、AMPS-NNDMA和黃原膠三種聚合物。二是CMC聚合物對(duì)漿液體系的黏度提升效果明顯，且其作用隨著CMC的摻量增加而線性增加。CMC能降低工作漿液的失水量，使體系的抗濾失性能有一定提高，但隨著CMC摻量的變化，體系漿液的失水量變化趨勢(shì)不明朗，因此CMC摻量對(duì)漿液的失水量的影響很難把控。三是AMPS-NNDMA聚合物對(duì)提高漿液體系的黏度有著比CMC更顯著的效果。而且隨著AMPS-NNDMA摻量的增加漿液黏度呈線性趨勢(shì)增加。同時(shí)AMPS-NNDMA聚合物對(duì)降低漿液失水量有著比CMC更突出的效果，使?jié){液體系擁有更為出色的抗濾失性。因此相對(duì)于CMC來(lái)說(shuō)，AMPS-NNDMA聚合物是更好的潤(rùn)滑減阻漿液添加劑。四是黃原膠對(duì)降低漿液體系失水量有著不遜于AMPS-NNDMA聚合物甚至更好的效果，且其對(duì)漿液抗濾失性能的提升較為穩(wěn)定，不會(huì)隨著黃原膠摻量的變化而大幅變化，不像AMPS-NNDMA和CMC聚合物那樣，因此比較好把控。但就提升漿液體系的黏度方面來(lái)說(shuō)，黃原膠與后兩者有很大的差距，雖也能使?jié){液黏度隨著摻量增加而線性遞增，但增加幅度遠(yuǎn)沒(méi)有AMPS-NNDMA和CMC聚合物明顯，因此在對(duì)土體支撐要求不高的施工中，可以考慮選取黃原膠作為工作漿液的添加劑，其他情況下則原則上以AMPS-NNDMA作為潤(rùn)滑減阻漿液添加劑。

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InfluenceofNewTypePolymerAdditivesonthePerformanceofLubricantAnti-dragSlurryintheConstructionofPipe-jacking

HU Xin

(ShanxiDongshanWaterSupplyEngineeringConstructionManagementBureau;Taiyuan030001,China)

In the paper, six polymers are selected, including polyacrylamide, hydroxymethyl starch, hydroxymethyl cellulose, guar gum, xanthan gum and N-dimethyl acrylamide copolymer, and they are used as lubricant anti-drag slurry in the construction of pipe jacking. The slurry system performance parameter of adding different polymer additives are compared and analyzed, and it is concluded that the lubricant anti-drag slurry additives suitable for construction of pipe jacking include hydroxymethyl cellulose, xanthan gum and N-dimethyl acrylamide copolymer among six polymers. On the basis, the influence of proportion on the slurry performance is studied through adjusting the proportion of the slurry system additive, thereby it is concluded that the most suitable polymer as the lubricant anti-drag slurry in the construction of pipe jacking is N-dimethyl acrylamide copolymer.

pipe jacking; polymer additives; lubricant anti-drag slurry

10.16617/j.cnki.11-5543/TK.2017.08.012

TV990.3

：A

：1673-8241(2017)08-0046-05