不同外加劑對頂管施工用減阻泥漿的性能影響

胡 凱 李 文 李 勝 游 峰 樊賽飛 張澤勇 周強(qiáng)新 方宇軒

1. 中建三局第三建設(shè)工程有限責(zé)任公司 湖北 武漢 430074；

2. 中建三局城市投資運(yùn)營有限公司 湖北 武漢 430074

1 研究背景

非開挖工程技術(shù)是利用巖土挖掘設(shè)備，通過導(dǎo)向、定向鉆進(jìn)等方式在地表少開挖的情況下，對地下管道進(jìn)行鋪設(shè)、維修和更換的施工新技術(shù)[1]。在當(dāng)今快節(jié)奏的城市發(fā)展步伐下，如何不影響繁忙道路交通的市政工程實(shí)施是一個(gè)重要的問題，而非開挖技術(shù)因具有經(jīng)濟(jì)效益高、不影響施工場地附近正常的交通生活、適用性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，提供了一種很好的解決方法[2-4]。頂管施工技術(shù)作為一種非開挖技術(shù)在電力工程、排水管道工程中都得到了廣泛的應(yīng)用[5-6]，但是頂進(jìn)力過大以及對周圍地質(zhì)環(huán)境的影響是困擾頂管施工技術(shù)的重要問題。

解決上述問題的方法有利用減阻泥漿減阻、設(shè)置中繼間等。其中，減阻泥漿因其經(jīng)濟(jì)成本低、效果顯著等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用[7]。頂管施工過程中減阻泥漿一方面需要起到潤滑作用，減少頂管施工過程中的頂進(jìn)力；另一方面作為管道和土地之間的支撐材質(zhì)，盡可能小地減少施工過程中對周圍地質(zhì)環(huán)境產(chǎn)生的影響[8]。

目前常用的減阻泥漿以鈉基膨潤土為主要組成，同時(shí)添加多種外加劑，從而達(dá)到支撐、護(hù)壁以及潤滑的目的。外加劑的作用主要是增加泥漿的黏度、降低泥漿的失水，提高減阻泥漿的懸浮攜帶能力，更好地保護(hù)孔壁。目前常用的減阻泥漿外加劑主要有水解聚丙烯酰胺（PHP）[9]、羥甲基纖維素（CMC）[10]、聚丙烯酰胺（PAM）[11]等，這些聚合物的長鏈分子類似增強(qiáng)纖維一樣，形成一張網(wǎng)兜住膨潤土顆粒，達(dá)到增稠、提高黏度的作用。

2 原材料和試驗(yàn)方法

2.1 原材料

頂管注漿的所用主要原材料為：鈉基膨潤土，產(chǎn)自四川省仁壽興大工貿(mào)有限公司；純堿，產(chǎn)自國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司，分析純試劑；溫輪膠，產(chǎn)自河北鑫合生物化工有限公司；聚丙烯酰胺，分子量300萬，陰離子型，固含量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同）≥85%。羥甲基纖維素鈉，25 ℃、20 g/L下黏度800～1 200 mPa·s，鈉含量6.5%～8.5%；水為自來水。

鈉基膨潤土的化學(xué)組成為：Al2O3占13.47%、SiO2占60.81%、CaO＋MgO占4.29%、K2O＋Na2O占2.41%、燒失量占17.36%、其他占1.66%。鈉基膨潤土粒徑分析如表1與圖1所示。

表1 鈉基膨潤土的粒徑分布

圖1 鈉基膨潤土的粒徑分布

2.2 樣品制備

首先按照原料配比選取原材料；其次將鈉基膨潤土、碳酸鈉和外加劑加入攪拌桶內(nèi)，攪拌3 min，使其混合均勻；然后在攪拌的過程加入水，攪拌5 min；最后將所得的泥漿儲(chǔ)存24 h，使泥漿中的膨潤土充分膨化，之后進(jìn)行性能檢測。40 ℃下膨潤土、外加劑以及水按照上述過程混合均勻后，在40 ℃的溫度下進(jìn)行水化24 h再進(jìn)行性能測試。樣品的配合比如表2所示。

表2 膨潤土泥漿配合比（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）單位：%

2.3 試驗(yàn)方法

對配制好的觸變泥漿進(jìn)行失水量、漏斗黏度、吸水率等工作性能和視黏度、動(dòng)塑比、流性指數(shù)等流變性能的測試，利用觸變環(huán)法表示泥漿的觸變性能。

1）泥漿失水量的測定使用ZNS-2A泥漿失水量測定器，在0.69 MPa下持續(xù)30 min，所流出量筒的濾液量即為該泥漿的30 min失水量，單位為mL。

2）漏斗黏度使用塑料馬氏漏斗黏度計(jì)，流出946 mL泥漿所經(jīng)歷的時(shí)間即為漏斗黏度，一般用“s”（秒）來表示黏度的大小。

3）析水率的測定使用1 000 mL具塞量筒，24 h后泥漿析出水的比例即為泥漿的失水率。

4）視黏度、動(dòng)塑比以及流性指數(shù)使用ZNN-D6B型六速旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)測試并計(jì)算得出。

從表3可以看出，不同育肥方式對母羊小腸淀粉酶活性無顯著性影響，但對于胰腺淀粉酶活性有顯著的影響。TMR組母羊胰腺淀粉酶活性顯著高于NG組母羊（P=0.02）；十二指腸、空腸及回腸淀粉酶活性略高于NG組，但是差異不顯著（P=0.48、P=0.65、P=0.77）。

5）觸變性采用觸變環(huán)法又稱為滯后環(huán)法，用ZNND6B型六速旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)從最低速擋開始，逐步提高轉(zhuǎn)速，達(dá)到最大值后，再逐步降低至最小值，同時(shí)記錄各轉(zhuǎn)速下的切力值。切力值出現(xiàn)2條不重合的曲線，曲線所圍成的面積可表示觸變性的相對大小。若2條曲線重合，則體系無觸變性。

3 結(jié)果與討論

3.1 PAM摻量對泥漿性能的影響

由表3中PAM摻量對減阻泥漿工作性能的影響可以看到，隨著PAM摻量的增加，泥漿的失水量逐漸減小，摻量為0.20%時(shí)，失水量相較于對照組降低43.2%。但同時(shí)其漏斗黏度迅速增大，在PAM摻量為0.10%時(shí)，其漏斗黏度為150.32 s，相比于對照組增加3.2倍。PAM摻量為0.20%時(shí)，其漏斗黏度為563.19 s，相對于對照組增加15.7倍。同時(shí)，加入PAM后，泥漿析水率先增加，并且隨著PAM含量的增加而降低，在PAM摻量為0.20%時(shí)，析水率降至0。

表3 不同PAM摻量對泥漿性能的影響

由表3中不同PAM摻量下泥漿的流變性能可以看出，PAM摻量由0增加到0.20%，視黏度由6.40 mPa·s增加至73.30 mPa·s。PAM加入泥漿后會(huì)大幅度增加泥漿的視黏度。但是使動(dòng)塑比先增高后降低，高的動(dòng)塑比代表泥漿具有良好的剪切稀釋能力。流性指數(shù)也反映了泥漿的剪切稀釋效應(yīng)，流性指數(shù)越小，剪切稀釋效應(yīng)越強(qiáng)。PAM摻量為0.05%時(shí)，其動(dòng)塑比為0.46，流性指數(shù)為0.61，相比于對照組分別增加48.39%和降低12.86%，說明PAM在低摻量時(shí)，會(huì)提高泥漿的剪切稀釋能力；但隨著摻量繼續(xù)增加，動(dòng)塑比減小，流性指數(shù)增加，表明剪切稀釋能力降低。

圖2為不同PAM摻量對泥漿觸變性能的影響。可以看到隨著PAM摻量的增加，觸變環(huán)面積逐漸增加，在0.2%時(shí)，面積增加尤為顯著，表現(xiàn)出良好的觸變性。

圖2 PAM含量對泥漿觸變性能的影響

3.2 CMC摻量對泥漿性能的影響

表4顯示了不同CMC摻量對減阻泥漿失水量和漏斗黏度的影響，可以看到，隨著CMC摻量的增加，泥漿的失水量逐漸減小，摻量為0.20%時(shí)，30 min失水量為5.5 ml，相較于對照組降低56%。說明CMC的加入可以有效改善泥漿的抗濾失性能。但同時(shí)其漏斗黏度增大，在CMC摻量為0.1%與0.2%時(shí)，漏斗黏度分別為67.80 s與221.17 s。CMC的加入可以有效地降低泥漿的失水量，小幅度增加泥漿的黏度以及析水率保持為0，對泥漿工作性能影響較小，因此可作為泥漿的外加劑。

表4 不同CMC摻量對泥漿觸變性能的影響

由表4中不同CMC摻量對泥漿流變性能的影響可以看到，CMC摻量由0增加到0.20%，視黏度由6.40 mPa·s增加至29.75 mPa·s。同時(shí)可以較大幅度地提高泥漿動(dòng)塑比和降低泥漿流性指數(shù)。CMC摻量為0.10%時(shí)，其動(dòng)塑比為0.58，流性指數(shù)為0.56；CMC摻量為0.20%時(shí)，其動(dòng)塑比為0.94，流性指數(shù)為0.44，具有較高的動(dòng)塑比和較低的流性指數(shù)，說明CMC加入泥漿后可以有效地改善試樣的流變性能，提高其剪切稀釋能力。

圖3為不同CMC摻量對泥漿觸變性能的影響。隨著CMC摻量的增加，泥漿的觸變環(huán)面積增加，觸變性能提升。當(dāng)CMC摻量為0.10%和0.15%時(shí)，觸變性的提升并不明顯，綜合工作性能以及流變性能考慮，建議CMC摻量為0.10%。

圖3 CMC含量對泥漿觸變性能的影響

3.3 WG摻量對泥漿性能的影響

由表5中不同WG摻量對減阻泥漿工作性能的影響可以看到，隨著WG摻量的增加，泥漿的失水量逐漸減小，摻量為0.2%時(shí)，30 min失水量為7.2 mL，相較于對照組降低43%。說明WG的加入可以有效改善泥漿的抗濾失性能。同時(shí)其漏斗黏度增大，在WG摻量為0.10%與0.20%時(shí)，其漏斗黏度小幅增加至50.58 s與76.72 s，同時(shí)保持泥漿的析水率為0，同時(shí)表現(xiàn)出良好的工作性能與穩(wěn)定性。

由表5中不同WG摻量下泥漿的流變性能結(jié)果可以看到，WG摻量由0增加到0.20%，視黏度由6.40 mPa·s增加至25.90 mPa·s。WG加入泥漿后會(huì)大幅度增加泥漿的視黏度。同時(shí)緩慢提高泥漿動(dòng)塑比和降低泥漿流性指數(shù)。WG摻量為0.10%時(shí)，其動(dòng)塑比為0.47，流性指數(shù)為0.61；WG摻量為0.20%時(shí)，其動(dòng)塑比為0.59，流性指數(shù)為0.54，也表現(xiàn)出較好的剪切稀釋能力。

表5 不同WG摻量對泥漿性能的影響

圖4為不同WG摻量對泥漿觸變性能的影響。隨著WG摻量的增加，泥漿的觸變環(huán)面積增加，觸變性能提升，但提升幅度不明顯。當(dāng)WG摻量為0.20%時(shí)，泥漿觸變性提高較大，同時(shí)結(jié)合考慮其工作性能以及流變性能，建議溫輪膠的摻量為0.20%。

圖4 WG含量對泥漿觸變性能的影響

3.4 PAM、CMC和WG對泥漿性能的影響總結(jié)

對于頂管施工用泥漿，失水量、漏斗黏度和析水率三者代表了泥漿的工作性能，是泥漿質(zhì)量好壞的重要參數(shù)。泥漿失水量過大，則無法形成泥漿套，起不到潤滑以及支撐的作用，并且會(huì)對周圍地質(zhì)環(huán)境造成嚴(yán)重影響；泥漿黏度過大，則會(huì)增加施工的阻力，不能夠起到良好的潤滑作用。而析水率代表了所用泥漿的穩(wěn)定性，在工作環(huán)境中要求施工用泥漿的析水率為0。PAM加入泥漿后，會(huì)使泥漿產(chǎn)生析水現(xiàn)象，雖然在0.20%摻量下，析水率為0，30 min失水量為7.1 mL，但是其漏斗黏度為563.19 s，黏度過大不利于施工；CMC和WG加入泥漿后，兩者不會(huì)使泥漿產(chǎn)生泌水現(xiàn)象，同時(shí)在降低失水量的同時(shí)，其漏斗黏度增加幅度較PAM要小，更適合作為頂管泥漿用外加劑。WG與CMC相比，其黏度的增長幅度隨摻量變化更小，但同時(shí)，動(dòng)塑比、流性指數(shù)以及觸變性的變化幅度也小于CMC，剪切稀釋能力要弱于CMC。為更好地對比CMC與WG的性能，選擇40 ℃高溫環(huán)境對比頂管泥漿的性能。

3.5 高溫環(huán)境下CMC和WG的工作性能

40 ℃下CMC和WG對減阻泥漿性能的影響如圖5所示，可以看到在40 ℃下靜置24 h，CMC作為外加劑的泥漿出現(xiàn)析水現(xiàn)象，而WG作為外加劑的泥漿則保持完好，表現(xiàn)出更好的穩(wěn)定性。

圖5 CMC（左）和WG（右）在40 ℃下靜置24 h后

表6列出了不同外加劑在40 ℃下對泥漿失水量、黏度以及動(dòng)塑比的影響。從表6中可以得到，CMC作為外加劑，在40 ℃下的30 min失水量為5.1 mL，視黏度為46.75 mPa·s，動(dòng)塑比為0.77。相比于常溫下水化試樣，其失水率降低7.2%，黏度增加57.1%，動(dòng)塑比降低18.1%；WG作為外加劑，在40 ℃下的30 min失水量為6.1 mL，視黏度為39.25 mPa·s，動(dòng)塑比為0.49。相比于常溫下水化試樣，其失水率降低15.3%，黏度增加51.5%，動(dòng)塑比降低16.9%；可以看到WG作為外加劑，其失水量降低大，黏度增加小，動(dòng)塑比下降小。這一規(guī)律一方面與高溫促進(jìn)了膨潤土的膨化效果降低失水量和增加黏度有關(guān)，另一方面可能與外加劑的穩(wěn)定性有關(guān)。

表6 40 ℃下CMC和WG對泥漿性能的影響

圖6為CMC和WG在40 ℃下對泥漿觸變性能的影響，從圖6中可以看出，CMC和WG在40 ℃下泥漿的觸變環(huán)面積要大于常溫下的泥漿。說明40 ℃下，對于摻外加劑泥漿的觸變性基本沒有產(chǎn)生不利影響。

圖6 CMC和WG在40 ℃下對泥漿觸變性能的影響

4 結(jié)語

1）室內(nèi)試驗(yàn)表明，CMC與WG相對于PAM更加適合做減阻泥漿的外加劑，可以滿足減阻泥漿的工作性能與穩(wěn)定性要求。

2）CMC作為外加劑，加入泥漿體系后，使體系黏度明顯增加，失水量減小。隨著CMC用量的增加，其體系黏度呈直線上升趨勢，但是失水量降低數(shù)值較小，且CMC摻量的增加對泥漿的剪切稀釋性能與流變性能有較好的改善作用。

3）溫輪膠作為外加劑，可以在提高體系黏度的同時(shí)降低失水量，兩者呈現(xiàn)出良好的協(xié)調(diào)性，使得泥漿的工作性能達(dá)到最佳，但對泥漿的剪切吸釋性能與流變性能改善不如CMC明顯。

4）40 ℃的高溫有利于膨潤土水化，但是高溫將會(huì)影響外加劑的穩(wěn)定性，WG相比于CMC，在高溫下的穩(wěn)定性更高。