壓樁用新型減阻固化泥漿配制及性能研究

駱晚玥，汪華文，沈爾卜，程書凱

（1.中交武漢港灣工程設(shè)計(jì)研究院有限公司，湖北 武漢 430040；2.海工結(jié)構(gòu)新材料及維護(hù)加固技術(shù)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430040）

0 引言

在壓樁施工過程中，為減小沉樁時(shí)樁外壁所受的摩擦阻力需進(jìn)行注漿減阻。其理是在樁基周圍注入注漿潤滑材料以減小樁身與土體之間的摩擦阻力[1-3]；同時(shí)漿液固化后形成膠凝體，能夠有效填充樁身結(jié)構(gòu)與外圍土體之間的空隙，維持沉樁過程樁體周圍泥水、土壓平衡[4-6]。目前常用注漿潤滑材料有兩類：一類以膨潤土為主，另一類為人工合成的高分子材料，而膨潤土至今仍是頂管施工中的主要潤滑材料[7]。但是目前不論是膨潤土亦或是高分子材料配制的減阻泥漿均強(qiáng)度不足，且不易排出，容易在樁土之間形成一層泥皮，降低樁土間的摩阻力，導(dǎo)致樁基承載力不足[8-9]。

針對以上問題，本文以水泥、粉煤灰、膨潤土為基礎(chǔ)料，引入無機(jī)礦物摻和料、高分子增稠劑、納米材料，配制出了一種新型水泥基減阻固化泥漿，可大幅降低壓樁時(shí)的摩阻系數(shù)，提高施工效率，同時(shí)對砂地層具有半滲透能力，可維持沉樁過程中樁體周圍泥水、土壓平衡，固化后強(qiáng)度與土體強(qiáng)度相當(dāng)，填充樁基與土體間的間隙，整體提升樁基礎(chǔ)在傳荷過程中的穩(wěn)定性。

1 試驗(yàn)方案及測試方法

1.1 材料

減阻泥漿主要包含水、膨潤土、水泥、粉煤灰等，其中，水泥為普通硅酸鹽42.5級水泥，粉煤灰為二級粉煤灰，膨潤土為玉級鈉基膨潤土，微珠為粒徑800滋m的球狀超細(xì)粉煤灰，高分子增稠劑：聚丙烯酰胺（PAM）黏度范圍為500耀1 000 mPa·s、羧甲基纖維素（CMC）黏度范圍為800耀1 200 mPa·s，納米材料為晶粒平均尺寸為20耀60 nm的納米二氧化硅。

1.2 泥漿配制試驗(yàn)

選用水泥+惰性摻和料+膨潤土+有機(jī)高分子的膠材體系，引入無機(jī)礦物摻和料（微珠）、高分子增稠劑、納米材料，研究對減阻固化泥漿的潤滑性、滲透性、封堵性的優(yōu)化作用。

研究各材料摻量對泥漿力學(xué)性能和潤滑性能的影響規(guī)律，選取泥漿三大關(guān)鍵參數(shù)，即水膠比（實(shí)驗(yàn)用水與膠凝材料的質(zhì)量比）、粉灰比（粉煤灰與水泥的質(zhì)量比）、膨水比（膨潤土與實(shí)驗(yàn)用水的質(zhì)量比）為主要變量進(jìn)行配合比試驗(yàn)。

1.3 泥漿效果模擬試驗(yàn)

進(jìn)行砂土地層工況模擬，通過泥漿添加前后摩擦系數(shù)的減小率值來評價(jià)泥漿的減阻效果，通過對砂黏土地層的滲透量評價(jià)泥漿的滲透性能。

1.4 測試方法和裝置

1）泥漿基本性能：減阻泥漿的凝結(jié)時(shí)間、抗壓強(qiáng)度參考JGJ/T 70—2009《建筑砂漿基本性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行試驗(yàn)；流動(dòng)度測試參考GB/T 2419—2016《水泥膠砂流動(dòng)度測定方法》。

2）黏滯系數(shù)測試：采用泥漿黏滯系數(shù)測試儀（山東美科儀器NZ-3A）測得。

3）減阻試驗(yàn)：通過測試砂土地層面上混凝土試塊動(dòng)摩擦系數(shù)來評價(jià)泥漿的減阻性能，試驗(yàn)裝置如圖1所示。

圖1 摩擦阻力模擬試驗(yàn)及理Fig.1 Friction resistance simulation test and principle

4）封堵性能試驗(yàn)：采用自制設(shè)備“一種模擬地層泥漿滲透裝置”評價(jià)漿液在砂地層中的封堵性能。以相同壓力下的濾水量（滲透量）評價(jià)泥漿的封堵性能，試驗(yàn)裝置如圖2所示。依次裝入高5 cm、粒徑為2耀5 mm的瓜米石、高度30 cm的砂以模擬地層，然后注入一定高度的泥漿，密封法蘭盤；通過空壓機(jī)和穩(wěn)壓閥向滲透柱中施加所需的氣壓后，所選氣壓為模擬壓樁過程中樁身通過泥漿傳遞給地層的側(cè)壓力。

圖2 泥漿滲透模擬裝置Fig.2 Mud infiltration simulation device

2 結(jié)果與討論

2.1 多體系對泥漿性能優(yōu)化的影響

2.1.1 礦物摻合料體系

基于工程經(jīng)驗(yàn)以水膠比為1.3，膨水比1/4，粉灰比4做為基礎(chǔ)配比，試驗(yàn)不同比例微珠替代粉煤灰對泥漿性能的影響，試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1 礦物摻合料體系配合比方案及試驗(yàn)結(jié)果Table 1 Mix proportion scheme and test results of mineral admixture system

結(jié)果表明微珠摻入后泥漿流動(dòng)性有明顯改善，20%微珠替代量的配比流動(dòng)度最大，但力學(xué)性能與體積穩(wěn)定性較差。隨著漿液中固體顆粒的數(shù)量增多，填補(bǔ)了顆?？障叮行Ц纳屏藵{液固化后的力學(xué)性能及體積收縮現(xiàn)象。綜合考慮泥漿應(yīng)用場景需求以及收縮率控制，選擇微珠替代70%粉煤灰B-3配比方案。

2.1.2 高分子材料體系

根據(jù)上節(jié)摻合料體系優(yōu)化實(shí)驗(yàn)結(jié)果，以B-3實(shí)驗(yàn)配合比作為基礎(chǔ)漿液，選用CMC、PAM作為增稠劑進(jìn)行對比研究。通常CMC摻量一般為干粉料質(zhì)量的0.2%，而PAM的摻量一般為0.02%，在此基礎(chǔ)上對摻量做相應(yīng)調(diào)整，試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2 高分子材料體系配合比方案及試驗(yàn)結(jié)果Table 2 Mix proportion scheme and test results of polymer material system

可以看出，摻入PAM的泥漿較摻入CMC表現(xiàn)出更小的黏滯系數(shù)，泥漿的潤滑效果更佳，因在于兩者由于分子結(jié)構(gòu)不同引起其在混凝土中的增稠機(jī)理不同。纖維素類增稠劑的分子結(jié)構(gòu)中存在疏水主鏈，可與周圍水分子通過氫鍵結(jié)合，減少顆粒自由活動(dòng)的空間，從而提高體系黏度。聚丙烯酸類增稠劑是由其分子結(jié)構(gòu)中的同性靜電斥力，把分子鏈由螺旋狀結(jié)構(gòu)伸展為棒狀結(jié)構(gòu)，從而提高了液相的黏度。

CMC與PAM均可改善泥漿的工作性能，兩者對于泥漿強(qiáng)度、體積收縮率無明顯影響，PAM增稠劑的潤滑性能優(yōu)于CMC，當(dāng)PAM摻量為泥漿粉料總質(zhì)量的0.02%時(shí)，潤滑效果最佳。

2.1.3 納米材料體系

本研究中選用納米二氧化硅、納米苯丙乳液兩種不同種類納米材料對漿液潤滑性進(jìn)行優(yōu)化，以優(yōu)選出的C-4配比方案為基礎(chǔ)配合比進(jìn)行泥漿減阻性能實(shí)驗(yàn)，配合比方案及試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

表3 納米材料體系配合比方案及試驗(yàn)結(jié)果Table 3 Mix proportion scheme and test results of nano material system

從試驗(yàn)結(jié)果看，加入含量相同的2種納米材料，其黏滯系數(shù)、抗壓強(qiáng)度等多項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)無明顯差異，還需進(jìn)行室內(nèi)模擬試驗(yàn)進(jìn)一步驗(yàn)證其減阻效果。

2.2 泥漿減阻性能模擬試驗(yàn)

通過摩擦力測試試驗(yàn)，測試有無減阻泥漿時(shí)的滑動(dòng)摩擦力，計(jì)算對應(yīng)工況下的摩擦系數(shù)，以摩擦系數(shù)的變化值評價(jià)泥漿減少摩擦程度，試驗(yàn)選擇了4組配合比方案進(jìn)行摩擦力測試試驗(yàn)，試驗(yàn)配比及結(jié)果如表4所示。

表4 阻力模擬試驗(yàn)?zāi)酀{配合比方案及減阻率Table 4 Mud mix proportion scheme and drag-reducing rate for resistance simulation test

分析試驗(yàn)結(jié)果可知：納米乳液對于泥漿的減阻效果優(yōu)于納米二氧化硅，這是由于納米二氧化硅與高分子聚合物相容性良好，且顆粒之間作用力對泥漿體系增稠作用更明顯，導(dǎo)致摩擦阻力增大。綜合比較，D-2組泥漿綜合減阻效果最佳，減阻率為59.01%。

2.3 泥漿半滲透封堵成膜性能試驗(yàn)

基于前期摩擦阻力模擬試驗(yàn)結(jié)果，試驗(yàn)選取3組減阻固化泥漿配合比進(jìn)行封堵性能試驗(yàn)，對比不同高分子聚合物對泥漿成膜性能、納米材料對泥漿封堵性能的影響，配合比見表5所示。采用0.05 MPa、0.1 MPa、0.15 MPa、0.2 MPa、0.25 MPa及0.3 MPa分級加載的形式施加泥漿壓力進(jìn)行滲透試驗(yàn)，測試排出水體的質(zhì)量作為滲透量的評定，結(jié)果如圖3所示。

表5 封堵性能模擬試驗(yàn)?zāi)酀{配合比設(shè)計(jì)方案Table 5 Design scheme of mud mix proportion for plugging performance simulation test

圖3 不同配比泥漿對砂地層隨滲透壓力增加的累計(jì)排水量Fig.3 Cumulative displacement of different proportions of mud to sand formation with increasing seepage pressure

由圖3可知，B-3、C-4、D-1組試驗(yàn)?zāi)酀{均在氣壓值為0.1 MPa、0.15 MPa、0.2 MPa時(shí)被擊穿，隨著高分子聚合物的增稠作用、納米材料對泥漿顆粒體系的單摻和雙摻，均能對泥漿的封堵性能進(jìn)行不同程度優(yōu)化，其中PMA的成膜效果優(yōu)于CMC。D-2配合比展示了最佳封堵性能，說明高分子聚合物與納米材料的同時(shí)引入，可有效提升泥漿的半滲透與封堵成膜性能。

3 結(jié)語

1）采用膨潤土、水泥、粉煤灰、水為材料，采用微珠替代粉煤灰占比70%，添加PAM與納米苯丙乳液作為性能調(diào)節(jié)劑，使泥漿達(dá)到最佳潤滑效果，且泥漿28 d體積收縮率小于0.15%，泥漿呈半固體膏狀。

2）通過高分子增稠劑、優(yōu)質(zhì)礦物摻合料以及納米材料的復(fù)合作用可較大程度改善漿液在樁土間的潤滑性能，泥漿充盈狀態(tài)下的減阻率最佳可達(dá)到59.01%。

3）高分子聚合物的增稠作用、納米材料對泥漿顆粒體系的優(yōu)化作用對泥漿的封堵效果均有積極作用，納米材料的引入能有效增加泥漿的半滲透與封堵成膜性能。