泥水盾構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分部施工區域位于深圳市前海灣，其中CD匝道擬采用一臺直徑16.06m的泥水盾構進行掘進施工，為目前國內已建及在建工程中最大盾構尺寸。由于匝道線路上部分巖層裂隙較發育，盾構掘進時，地層中海水容易發生滲漏情況，采用傳統淡水泥漿時，在海水環境或鹽分含量高的地層中使用時會受到污染，泥漿會產生凝聚和沉淀分離現象，使泥漿攜渣和維持開挖面穩定的性能下降甚至喪失[1]。為保證泥漿在海水環境下施工時具有穩定的性能，擬采用海水直接造漿，目前國內外學者對泥水盾構用海水泥漿的性質與成膜質量研究極少，關于海水泥漿的性質與應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，四川仁壽興大工貿有限公司產；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低黏型。絮凝增稠劑：陰離子聚丙烯酰胺（PAM），相對分子質量1800萬，河南清泉牌。分散劑：純堿（無水碳酸鈉），市售，分析純。

根據深圳市計量質量檢測研究院對前海灣沿線水質的檢測結果，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 儀器設備及試驗方法

BTE-SDJ酸堿度pH檢測筆，電子秤，標準漏斗黏度計，φ125mm×125 mm濾紙，燒杯、量筒、滴管若干。泥漿的各項性能參照JTG/TF50—2011《公路橋涵施工技術規范》附錄C1～C4進行測試。

1.3 海水泥漿的質量控制指標

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

參考有關文獻[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攪拌，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、沉淀作用；然后加入預先水解的PAM（PAM與落潮海水按質量比1∶25水解30～60 min），其將加速粒子下沉，并進一步去除海水中部分鈣、鎂離子[6]；再加入預先溶解充分的降失水劑（PAC-LV與落潮海水按質量比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，以鈉基膨潤土、PAC-LV、PAM、純堿用量為因素設計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，正交試驗設計及性能測試結果見表4。

表4 正交試驗設計及性能測試結果

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為黏度、失水量和泥皮厚度，其正交試驗結果的極差分析見表5。

表5 正交試驗結果極差分析

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、改善泥皮質量，在4%鹽水及飽和鹽水中的降濾失能力與淡水環境中相近[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定的帶負電荷擴散雙電層，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。通過進一步優化試驗，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、抗電解質能力，使泥漿具有較高的凝結強度和抗剪切能力[10]，在正交試驗分析結果的基礎上，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泥水分層現象，懸浮性較差，沉淀的海泡石粉抗剪切能力強，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域濾失量過大甚至出現無法造漿的缺陷，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，觀察發現K1、K2海水泥漿有泥水分層現象，經過輕微攪拌后，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，K3～K5泥漿的懸浮性較好，未出現明顯分層現象。測試上述泥漿的各項性能指標，結果見表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。此外，不摻加任何改性劑，當抗鹽膨潤土用量為海水質量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，當抗鹽膨潤土用量為海水質量5%時，K5泥漿除黏度過大外，其它各項性能指標均較好，表明抗鹽膨潤土在海水環境中適應性較好。

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，以使海水泥漿適應不同的地層工況，通過對K2配合比進行優化試驗，得到抗鹽膨潤土與鈉基膨潤土復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，經測試該泥漿的各項性能均較好，結果見表10。

表10 復合土海水泥漿最佳配比性能測試結果

3 結論

（1）海水泥漿制備時，材料的加入順序對泥漿性能影響很大，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分層現象，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分層現象，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行正交試驗分析及配合比優化試驗，得到了基本滿足施工要求的鈉基膨潤土海水泥漿。

（3）當抗鹽膨潤土用量為落潮海水質量的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合，可以提高海水泥漿使用范圍，通過試驗得到復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，均滿足施工質量要求。