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(shū)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(guò)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(rùn)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(guò)程樁體周圍泥水、土壓平衡[4-6]。目前常用注漿潤(rùn)滑材料有兩類：一類以膨潤(rùn)土為主，另一類為人工合成的高分子材料，而膨潤(rùn)土至今仍是頂管施工中的主要潤(rùn)滑材料[7]。但是目前不論是膨潤(rùn)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(duì)以上問(wèn)題，本文以水泥、粉煤灰、膨潤(rùn)土為基礎(chǔ)料，引入無(wú)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(duì)砂地層具有半滲透能力，可維持沉樁過(guò)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(guò)程中的穩(wěn)定性。

1 試驗(yàn)方案及測(cè)試方法

1.1 材料

減阻泥漿主要包含水、膨潤(rùn)土、水泥、粉煤灰等，其中，水泥為普通硅酸鹽42.5級(jí)水泥，粉煤灰為二級(jí)粉煤灰，膨潤(rùn)土為玉級(jí)鈉基膨潤(rùn)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(rùn)土+有機(jī)高分子的膠材體系，引入無(wú)機(jī)礦物摻和料（微珠）、高分子增稠劑、納米材料，研究對(duì)減阻固化泥漿的潤(rùn)滑性、滲透性、封堵性的優(yōu)化作用。

研究各材料摻量對(duì)泥漿力學(xué)性能和潤(rùn)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(rùn)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(guò)泥漿添加前后摩擦系數(shù)的減小率值來(lái)評(píng)價(jià)泥漿的減阻效果，通過(guò)對(duì)砂黏土地層的滲透量評(píng)價(jià)泥漿的滲透性能。

1.4 測(cè)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(cè)試參考GB/T 2419—2016《水泥膠砂流動(dòng)度測(cè)定方法》。

2）黏滯系數(shù)測(cè)試：采用泥漿黏滯系數(shù)測(cè)試儀（山東美科儀器NZ-3A）測(cè)得。

3）減阻試驗(yàn)：通過(guò)測(cè)試砂土地層面上混凝土試塊動(dòng)摩擦系數(shù)來(lái)評(píng)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(píng)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(píng)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(guò)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(guò)程中樁身通過(guò)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(duì)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(duì)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)了顆粒空隙，有效改善了漿液固化后的力學(xué)性能及體積收縮現(xiàn)象。綜合考慮泥漿應(yīng)用場(chǎng)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(duì)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(duì)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(rùn)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(guò)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(duì)于泥漿強(qiáng)度、體積收縮率無(wú)明顯影響，PAM增稠劑的潤(rùn)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(rùn)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(duì)漿液潤(rùn)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(wú)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(guò)摩擦力測(cè)試試驗(yàn)，測(cè)試有無(wú)減阻泥漿時(shí)的滑動(dòng)摩擦力，計(jì)算對(duì)應(yīng)工況下的摩擦系數(shù)，以摩擦系數(shù)的變化值評(píng)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(cè)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(duì)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(duì)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(duì)比不同高分子聚合物對(duì)泥漿成膜性能、納米材料對(duì)泥漿封堵性能的影響，配合比見(jiàn)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(jí)加載的形式施加泥漿壓力進(jìn)行滲透試驗(yàn)，測(cè)試排出水體的質(zhì)量作為滲透量的評(píng)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(duì)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(duì)泥漿顆粒體系的單摻和雙摻，均能對(duì)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(shuō)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(yǔ)

1）采用膨潤(rùn)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(rùn)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(guò)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(rùn)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(duì)泥漿顆粒體系的優(yōu)化作用對(duì)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。