泥水盾構(gòu)用海水泥漿的配制試驗研究

譚嘯峰，余以明，李志龍

[中交（廣州）建設(shè)有限公司，廣東 廣州 511458]

沿江高速前海段與南坪快速銜接工程盾構(gòu)分部施工區(qū)域位于深圳市前海灣，其中CD匝道擬采用一臺直徑16.06m的泥水盾構(gòu)進(jìn)行掘進(jìn)施工，為目前國內(nèi)已建及在建工程中最大盾構(gòu)尺寸。由于匝道線路上部分巖層裂隙較發(fā)育，盾構(gòu)掘進(jìn)時，地層中海水容易發(fā)生滲漏情況，采用傳統(tǒng)淡水泥漿時，在海水環(huán)境或鹽分含量高的地層中使用時會受到污染，泥漿會產(chǎn)生凝聚和沉淀分離現(xiàn)象，使泥漿攜渣和維持開挖面穩(wěn)定的性能下降甚至喪失[1]。為保證泥漿在海水環(huán)境下施工時具有穩(wěn)定的性能，擬采用海水直接造漿，目前國內(nèi)外學(xué)者對泥水盾構(gòu)用海水泥漿的性質(zhì)與成膜質(zhì)量研究極少，關(guān)于海水泥漿的性質(zhì)與應(yīng)用多見于海上定向鉆或海域鉆孔灌注樁樁基施工中。

1 試驗

1.1 原材料

造漿劑：海水。造漿黏土：鈉基膨潤土，四川仁壽興大工貿(mào)有限公司產(chǎn)；海泡石粉，匯福800，連云港匯福納米新材料；抗鹽膨潤土，華濰牌，濰坊遠(yuǎn)東膨潤土有限公司。降失水劑：聚陰離子纖維素（PAC-LV），任丘市高科化工有限公司產(chǎn)低黏型。絮凝增稠劑：陰離子聚丙烯酰胺（PAM），相對分子質(zhì)量1800萬，河南清泉牌。分散劑：純堿（無水碳酸鈉），市售，分析純。

根據(jù)深圳市計量質(zhì)量檢測研究院對前海灣沿線水質(zhì)的檢測結(jié)果，前海海域海水中的前6種主要離子成分含量見表1。

表1 海水中主要離子成分含量 mg/L

由于潮汐上升減緩淡水流量，相比落潮海水，漲潮海水的鹽度有所增大，使用漲潮海水配制同性能指標(biāo)的海水泥漿時，需要的改性添加劑用量更多，不利于降低施工成本，因此配制海水泥漿宜選用落潮海水。

1.2 儀器設(shè)備及試驗方法

BTE-SDJ酸堿度pH檢測筆，電子秤，標(biāo)準(zhǔn)漏斗黏度計，φ125mm×125 mm濾紙，燒杯、量筒、滴管若干。泥漿的各項性能參照J(rèn)TG/TF50—2011《公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范》附錄C1～C4進(jìn)行測試。

1.3 海水泥漿的質(zhì)量控制指標(biāo)

相對密度1.05～1.25，黏度20～35 s，膠體率≥97%，失水量≤30 ml/30min，pH值8.0～10.0，泥皮厚度1.0～3.0 mm。

1.4 各材料初步用量

參考有關(guān)文獻(xiàn)[2-5]，提出海水泥漿中各原材料用量范圍，初步配合比見表2。

表2 海水泥漿初步配合比 kg

1.5 制備方式

先在落潮海水中加入純堿充分?jǐn)嚢?，以去除落潮海水中大量的鈣、鎂離子，減輕其對膨潤土的聚結(jié)、沉淀作用；然后加入預(yù)先水解的PAM（PAM與落潮海水按質(zhì)量比1∶25水解30～60 min），其將加速粒子下沉，并進(jìn)一步去除海水中部分鈣、鎂離子[6]；再加入預(yù)先溶解充分的降失水劑（PAC-LV與落潮海水按質(zhì)量比1∶40充分溶解24 h），最后加入造漿黏土，也可將降失水劑干粉與造漿黏土混合均勻后一起加入落潮海水中，待造漿黏土溶解水化24 h后備用。

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 各原材料用量對鈉基膨潤土海水泥漿性能的影響

由于各原材料用量對鈉基膨潤土海水泥漿性能的影響程度不同，為簡化試驗量，以1000 kg落潮海水用量為基準(zhǔn)，以鈉基膨潤土、PAC-LV、PAM、純堿用量為因素設(shè)計5因素4水平正交試驗，正交試驗因素水平見表3。

表3 正交試驗因素水平

待鈉基膨潤土膨化24 h后，測試海水泥漿的各項性能，正交試驗設(shè)計及性能測試結(jié)果見表4。

表4 正交試驗設(shè)計及性能測試結(jié)果

由表4可知，鈉基膨潤土海水泥漿的膠體率、pH值、相對密度均滿足施工要求，且泥漿的相對密度與膨潤土的摻量成正比，對泥漿性能影響較大的指標(biāo)為黏度、失水量和泥皮厚度，其正交試驗結(jié)果的極差分析見表5。

表5 正交試驗結(jié)果極差分析

由表4、表5可見：

（1）各因素對鈉基膨潤土海水泥漿黏度的影響順序為：C＞A＞D＞B。相對分子質(zhì)量為1800萬的陰離子聚丙烯酰胺通過其分子骨架的水化，水動力學(xué)體積增大而對水溶液起到增黏的作用[7]；鈉基膨潤土的膨脹性及分散性能好，可增加泥漿的黏度和相對密度，純堿可使黏土顆粒分散，提高泥漿的黏度和切力；低黏型PAC加入到溶液中后，能立即吸收大量的水分，使其本身體積膨脹，分子鏈之間互相纏繞，從而使溶液的黏度增大[8]。

（2）各因素對鈉基膨潤土海水泥漿失水量的影響順序為：B＞C=A＞D，對泥皮厚度的影響順序為：B＞C＞A＞D。一般情況下，失水量越大，泥皮厚度越薄，低黏型PAC的保水性好，可降低失水率、改善泥皮質(zhì)量，在4%鹽水及飽和鹽水中的降濾失能力與淡水環(huán)境中相近[5]；陰離子型聚丙烯酰胺通過增加泥漿溶液黏度來降低泥漿的失水量，增加泥皮厚度；鈉基膨潤土在pH值為8～10的堿性溶液中可形成穩(wěn)定的帶負(fù)電荷擴(kuò)散雙電層，增加了水化膜的厚度，有利于減小失水量，增加泥皮厚度；純堿可使膨潤土表面負(fù)電荷增加，提高水化膜的厚度，有利于降低泥漿失水量，提高泥皮厚度[9]。

在鈉基膨潤土海水泥漿膠體率變化不大情況下，為使泥漿既具有一定的相對密度、適宜的pH值和黏度，又具有一定的泥皮厚度和較低的失水量，初步確定原材料組合為：A3B4C2D2。通過進(jìn)一步優(yōu)化試驗，得到鈉基膨潤土海水泥漿的最佳配比（kg）為：m（落潮海水）∶m（鈉基膨潤土）∶m（PAC-LV）∶m（PAM）∶m（純堿）=1000∶140∶1.6∶0.2∶3.0，性能測試結(jié)果見表6。

表6 按最佳制備配比制備的鈉基膨潤土海水泥漿性能

2.2 PAC-LV用量對海泡石海水泥漿性能的影響

由于鈉基膨潤土海水泥漿的失水量偏大，而海泡石粉的抗鹽性能好，熱穩(wěn)定性較高，在配制海水泥漿時能增加泥漿的流變性能、抗電解質(zhì)能力，使泥漿具有較高的凝結(jié)強(qiáng)度和抗剪切能力[10]，在正交試驗分析結(jié)果的基礎(chǔ)上，以海泡石粉完全取代鈉基膨潤土，并保持落潮海水、PAM、純堿用量不變，PACLV用量對海泡石海水泥漿性能的影響見表7。

表7 PAC-LV用量對海泡石海水泥漿性能的影響

由表7可知，當(dāng)其它材料用量不變時，隨著PAC-LV用量的增加，泥漿的相對密度、膠體率、pH值、泥皮厚度保持不變，黏度略有增加，但失水量明顯降低。因此，在泥漿黏度適宜的情況下，為使泥漿的失水量較低，PAC-LV最佳用量為1.1 kg，即為落潮海水質(zhì)量的0.11%。相比鈉基膨潤土海水泥漿，海泡石粉海水泥漿更容易出現(xiàn)泥水分層現(xiàn)象，懸浮性較差，沉淀的海泡石粉抗剪切能力強(qiáng)，不易攪拌均勻，工作性較差。

2.3 抗鹽膨潤土用量對海水泥漿性能的影響

抗鹽膨潤土為通過選礦、改良、鈉化、復(fù)合、制粉等工藝加工而成，具有良好的抗鹽造漿效果，能解決鈉基膨潤土在海水區(qū)域濾失量過大甚至出現(xiàn)無法造漿的缺陷，用抗鹽膨潤土取代鈉基膨潤土，抗鹽膨潤土摻量分別為落潮海水質(zhì)量的1%～5%，且不添加任何改性組分，其中K4、K5配比不使用鈉基膨潤土，試驗配合比見表8。

表8 不同摻量抗鹽膨潤土海水泥漿的配合比

待造漿黏土膨化24 h后，觀察發(fā)現(xiàn)K1、K2海水泥漿有泥水分層現(xiàn)象，經(jīng)過輕微攪拌后，混合均勻性較好，靜止放置后，K2泥漿也能保持較長時間的懸浮狀態(tài)，K3～K5泥漿的懸浮性較好，未出現(xiàn)明顯分層現(xiàn)象。測試上述泥漿的各項性能指標(biāo)，結(jié)果見表9。

由表9可知，隨著抗鹽膨潤土取代鈉基膨潤土比例的增加，混合泥漿的黏度和膠體率逐漸增大，泥皮厚度先增大后保持不變，失水量逐漸減小，pH變化不大，相對密度與造漿黏土的用量正相關(guān)。此外，不摻加任何改性劑，當(dāng)抗鹽膨潤土用量為海水質(zhì)量4%時，K4泥漿除相對密度略低外，其它各項性能均滿足施工要求，當(dāng)抗鹽膨潤土用量為海水質(zhì)量5%時，K5泥漿除黏度過大外，其它各項性能指標(biāo)均較好，表明抗鹽膨潤土在海水環(huán)境中適應(yīng)性較好。

由于抗鹽膨潤土價格昂貴，為降低成本，并保證泥漿具有一定的相對密度，以使海水泥漿適應(yīng)不同的地層工況，通過對K2配合比進(jìn)行優(yōu)化試驗，得到抗鹽膨潤土與鈉基膨潤土復(fù)合土海水泥漿的最佳配比（kg）為：m（落潮海水）∶m（抗鹽膨潤土）∶m（鈉基膨潤土）∶m（PAC-LV）∶m（純堿）=1000∶20∶120∶1.2∶2.5，經(jīng)測試該泥漿的各項性能均較好，結(jié)果見表10。

表10 復(fù)合土海水泥漿最佳配比性能測試結(jié)果

3 結(jié)論

（1）海水泥漿制備時，材料的加入順序?qū)δ酀{性能影響很大，通過先加入純堿和PAM可除去海水中大量鈣、鎂離子對泥漿性能的劣化作用；相比落潮海水，由于潮汐上升減緩淡水流量，漲潮海水的鹽度急劇增大，為減少改性添加劑用量，降低成本，宜使用落潮海水。

（2）雖然海泡石粉具有較好的抗鹽性，配制的海水泥漿其各項性能均滿足施工要求，但海泡石粉海水泥漿極易出現(xiàn)分層現(xiàn)象，且沉淀的海泡石粉不易攪拌均勻，工作性較差，不宜采用；鈉基膨潤土海水泥漿雖然也容易出現(xiàn)分層現(xiàn)象，但沉淀的鈉基膨潤土較易攪拌均勻，工作性較好，通過對鈉基膨潤土海水泥漿進(jìn)行正交試驗分析及配合比優(yōu)化試驗，得到了基本滿足施工要求的鈉基膨潤土海水泥漿。

（3）當(dāng)抗鹽膨潤土用量為落潮海水質(zhì)量的4%，且不摻加任何改性添加劑時，配制的海水泥漿除相對密度偏低外，其它各項性能均滿足施工要求；通過將抗鹽膨潤土與鈉基膨潤土復(fù)合，可以提高海水泥漿使用范圍，通過試驗得到復(fù)合土海水泥漿的最佳配比（kg）為：m（落潮海水）∶m（抗鹽膨潤土）∶m（鈉基膨潤土）∶m（PAC-LV）∶m（純堿）=1000∶20∶120∶1.2∶2.5；該復(fù)合土海水泥漿的相對密度為1.10，黏度26 s，膠體率98%，失水量27 ml/30 min，pH值9.3，泥皮厚度2.0 mm，均滿足施工質(zhì)量要求。