用于桥梁基桩的化学聚合物泥浆的性能研究

秦 楠

(陕西省交通厅基本建设工程质量监督站，陕西 西安 710075)

0 引 言

化学聚合物泥浆属于有机高分子聚合物材料，是由多种材料与共聚物通过人工合成的聚合电解质。常见的化学泥浆产品形式有固体和液体2种[1-5]。固体形式又可细分为颗粒状和粉末状，液体形式主要为反相乳液材料，根据溶解速度又可划分为速溶型和普通型[6-10]。由于化学泥浆充分溶解在水环境中后会形成胶体状或者半透明的糊状物体，具有黏度高、渗透性强的特点，故能够很好地对泥浆的流变性进行调整；此外，化学泥浆溶解之后孔内沉淀钻屑速度较快，进一步通过胶联与渗透作用在孔壁四周形成糊状保护层[11-15]。化学泥浆的优势主要包括：对钻进速度的提高、对孔壁坍塌与井漏现象的防止以及对井径规则度的保持[16-18]。

截止目前，在桥梁桩基础施工中，化学聚合物已被大量应用。赵孔坤研究了化学聚合物泥浆在渗水钻孔桩中的应用，表明泥浆浓度不高的情况有利于制造黏稠度较高的钻孔环境，并对钻孔现场的环境提出了一些指导和建议[19]。侯韶军利用化学聚合物泥浆技术在集宁至通辽铁路的桩基础工程中进行旋挖成孔施工操作，化学聚合物泥浆在成孔过程中具有显著的优越性，有效确保了成孔的质量与施工环境，明显扩大了化学聚合物泥浆在桥梁桩基础中的应用范围[20]。罗成恒借助化学聚合物与上海地区膨润土制备了化学聚合物泥浆，主要用于解决在钻孔灌注桩中常见的坍孔与扩径问题，实践结果表明该方法取得良好的经济技术效果，为该类型施工环境提供了有价值的参考[21]。刘川将化学聚合物泥浆应用到拉沐河大桥的旋挖钻孔灌注桩成型，为桩孔成型提供了强有力的黏度环境，保证了周围地层环境的稳定，提高了桩孔钻进的效率。

基于化学聚合物泥浆在桥梁桩基础中的应用，本文以奈普顿化学泥浆专用高效聚合物为添加剂，研究其掺量对化学聚合物泥浆基本性能的影响，确定添加剂最佳掺量。借助聚合物泥浆比重试验、黏度试验、含砂率试验，研究不同添加剂掺量下的化学聚合物泥浆的比重、黏度与含砂率等指标。最终对化学聚合物进行配合比试验，将其应用于桥梁桩基施工过程中。

1 化学聚合物泥浆的制备

1.1 原材料

本研究选取斯珞瑞聚合物泥浆、奈普顿化学泥浆专用高效聚合物添加剂、水与烧碱作为化学聚合物泥浆的原材料。其中，奈普顿化学泥浆专用高效聚合物添加剂主要用来增强化学聚合物泥浆的黏度，有效提高聚合物泥浆的稀释性，用量为1%～12%。水是化学聚合物泥浆的主要组成部分。烧碱主要用于改善水体质量，加速聚合物的水解过程，配比为20%。不同原材料的技术性能指标见表1。

1.2 试验方案

对于化学聚合物泥浆的比重、黏度与含砂率，本研究采用《粘土及膨润土造孔泥浆试验规程》(Q/J/

表1 原材料的技术性能指标

11/1999-04)中的泥浆比重试验方法、泥浆黏度试验方法与泥浆含砂率试验方法。本研究以奈普顿化学泥浆专用高效聚合物为添加剂，选取3%、5%、7%、9%四种不同比例研究高效聚合物添加剂掺量对化学聚合物泥浆性能的影响，每组试验3个平行试件。

2 化学聚合物泥浆的基本性能

2.1 高效聚合物添加剂掺量对泥浆比重的影响

具有不同高效聚合物添加剂掺量的化学聚合物泥浆比重试验结果如图1所示。

图1 化学聚合物泥浆比重试验结果

由图1可知，化学聚合物泥浆的比重随着添加剂掺量的增加先增后降。具体而言，以7%为分界点，当添加剂掺量为7%时聚合物泥浆的比重最大；当添加剂掺量低于7%时，高效聚合物泥浆的比重随着添加剂掺量的增加而增加，当添加剂掺量高于7%时，高效聚合物泥浆的比重则随着添加剂掺量的增加而降低。当添加剂掺量较小(如3%与5%)时，聚合物泥浆比重相差较小，二者之间的差距仅为0.06 g·cm-3；对于5%与7%掺量，二者聚合物泥浆比重之间相差1.14 g·cm-3；9%掺量对应的聚合物泥浆比重较7%掺量小0.03 g·cm-3。

2.2 高效聚合物添加剂掺量对泥浆黏度的影响

具有不同高效聚合物添加剂掺量的化学聚合物泥浆黏度试验结果如图2所示。

图2 化学聚合物泥浆黏度试验结果

由图2可知，化学聚合物泥浆的黏度随着添加剂掺量的增加呈线性增加。具体而言，当添加剂掺量为3%时，其对应的化学聚合物泥浆的黏度最小，为12 Pa·s；当添加剂掺量为9%时，其对应的化学聚合物泥浆的黏度最大，为34 Pa·s。由此可见，高效聚合物添加剂显著影响了化学聚合物泥浆的黏度。一般而言，化学聚合物泥浆的黏度在19～23 Pa·s的范围内。这是因为：当泥浆黏度过小时，可能导致坍孔或者堵塞等危害；当泥浆黏度过大时，孔壁保护层厚度增加，会对施工造成极大的不便。因此根据实践，以聚合物泥浆的黏度在20 Pa·s时的添加剂掺量为最佳，此时的添加剂掺量为5%。

2.3 添加剂掺量对泥浆含砂率的影响

具有不同高效聚合物添加剂掺量的化学聚合物泥浆含砂率试验结果如图3所示。

图3 化学聚合物泥浆含砂率试验结果

由图3可知，化学聚合物泥浆的含砂率随着添加剂掺量的增加线性增加。当添加剂掺量为1%时，聚合物泥浆的含砂率最小，仅为2.2%；当添加剂掺量为9%时，聚合物泥浆的含砂率达到最大，为5.8%。由《公路桥涵施工质量检验评定与验收标准规范》关于泥浆含砂率的规定可知，化学聚合物泥浆的含砂率应不大于4%，因为泥浆含砂率过大会导致施工过程中出现塌孔现象。基于添加剂掺量与泥浆含砂率的关系，即添加剂掺量5%对应的化学聚合物泥浆含砂率为3.1%，添加剂掺量7%对应的化学聚合物泥浆含砂率为4.5%，最终选取5%为化学聚合物泥浆含砂率对应的最佳添加剂掺量。

综上所述，基于不同指标、泥浆的性能及施工可靠性的考虑，结合化学聚合物泥浆的比重、黏度与含砂率三大指标试验结果，确定5%为化学聚合物泥浆中添加剂的最佳掺量。

3 化学聚合物泥浆配合比的应用

3.1 配合比试验

选取添加剂掺量为5%的化学聚合物泥浆进行配合比试验，具体见图4～7。

图4 化学聚合物泥浆比重试验

图5 化学聚合物泥浆黏度试验

图6 化学聚合物泥浆含砂率试验

图7 化学聚合物泥浆配合比试验现场照片

图4～7所示的化学聚合物泥浆中中砂、细砂、黏土、细小卵石之间的比例为1∶1∶1∶1，其中添加剂的掺量为5%。将其充分混合沉淀5 min后依据《粘土及膨润土造孔泥浆试验规程》(Q/J/11/1999-04)进行化学聚合物泥浆比重、黏度与含砂率试验。试验结果如表2所示。

表2 化学聚合物泥浆指标试验结果

由表2可知，添加剂掺量为5%的化学聚合物泥浆配合比的比重、表观黏度与含砂率均符合技术要求，表明本研究选取的添加剂最佳掺量较为可靠、合理。

3.2 化学聚合物泥浆的应用

化学聚合物泥浆形成的浆液不仅有很好的护壁防塌效果，而且能吸附钻屑，孔里的沉渣厚度一般不超过10 cm，根据实际情况，可不进行二次清孔，且泥浆体中不含钻屑，可以增强孔壁的摩擦力层，最终有效提高桥梁桩基的摩擦承载力。

配制泥浆时可直接把泥浆粉冲入孔中，泥浆粉会迅速溶解，形成较高黏度的浆液。也可把泥浆粉顺着喷射的水流冲入泥浆池内，用泥浆循环泵抽出和泵入使其溶解，然后注入孔中。根据当地的水质及实际使用情况，采用烧碱(或纯碱)水溶液调整pH值，一般烧碱添加量为泥浆粉的一半，建议pH值在8～10的范围内。

在最后阶段即可成孔时的一两钻，需要使仪器静置约20 min之后再进行成孔操作，在这一过程中，泥浆面应高于地表1 m以上。不能采取半孔浆成孔，因为半孔浆成孔压强降低，护壁能力也低；同时灌注混凝土时，没经过浆液浸泡的地层极有可能塌方。为了防止钢筋笼对孔壁造成破坏，在其下孔过程中应尽量居中；不能与膨润土泥浆混用。

3.3 化学聚合物泥浆在桥梁桩基施工中的应用

在桩基施工过程中，由于地质条件不同，常会遇到孔壁坍塌、漏浆等问题，这里以流砂层旋挖钻机施工中化学聚合物泥浆的应用为例，说明施工过程中应注意的事项。

流砂层多为接近于流体状态的沙粒土层，沙粒土的矿物成分以石英、长石、云母等原生残余矿物为主，塑性极低或无塑性。相比之下，砂类土多表现为单粒形态且其内摩擦角较大，黏性与可压缩性较低，但压缩过程快，承载能力相对较高。

对于流塑性地层，需要对泥浆进行合理的调配，且中等容重、高黏度的泥浆应优先考虑。由于国内的膨润土质量参差不齐且泥浆黏度要求较高，推荐泥浆配比方案为：水、膨润土、CMC、纯碱之比为1 000∶140∶2.5∶4。掺入少许黏土并将其搅拌均匀，泥浆容重控制在1.2左右，与此同时pH应高于8.0且黏度不小于45 s。在此应指出，膨润土、纯碱与纤维素等掺入泥浆池后应静置约24 h，待膨润土彻底水合之后再将黏土倒入泥浆池充分拌合。在开钻前2 h再次搅拌，并在开钻前检测泥浆是否符合要求。

为保证提钻过程中钻头上下的泥浆流动，并防止真空现象的出现，钻头上方应设置通气孔；通过在孔壁四周设置黏土坝或者提高护筒来保证泥浆液面高出地下水表面2～3 m。

在桩基的钻孔施工过程中，应控制泥浆液面位置并使其与护筒上缘的距离保持在30～40 cm。当钻孔至易坍塌地层时，如砂层与软土层，应放慢提、放钻与钻进的速度，并严格控制钻具的运动速度，以减少对孔壁的扰动与冲刷，同时为泥浆皮的形成预留足够的时间。

除此之外，工作人员应实时地对泥浆液面进行监控，若有大量泡沫涌现且泥浆液面突然下降，其原因可初步判定为局部塌方。此时，需要立即终止钻进并缓慢提升钻头，此过程应严防由于对周边环境的扰动而引起的二次塌方。若已确定存在局部塌方，应在提出钻头的同时向孔内注入泥浆；此外，借助挖掘机向孔内部倒入黏土；将钻头放下并反转以压实倒入的黏土，地层稳定之后再继续采用前述方法进行钻进。

施工过程中的注意事项如下。

(1)时刻监控泥浆液面位置，在发现有塌方迹象的第一时间采取有效措施。

(2)频繁注浆以保证泥浆液面的高度。

(3)钻进过程中的提、放钻头要非常缓慢。

(4)关注钻机的沉降，若发现异常，立即安排钻机离场，现场人员及时撤离。

4 结 语

(1)化学聚合物泥浆的比重随添加剂掺量的增加呈抛物线趋势变化，当添加剂掺量达到7%时，聚合物泥浆的比重达到最大。

(2)化学聚合物泥浆的黏度随添加剂掺量的增加而线性增加，当添加剂掺量为3%时黏度最低，黏度最高时对应的添加剂掺入量为9%。

(3)化学聚合物泥浆的含砂率随添加剂掺量的增加而线性增加。结合实际施工需求与化学聚合物泥浆特性，选取5%作为化学聚合物泥浆中添加剂的最佳掺量。

(4)提出化学聚合物泥浆在施工中的应用前景，并指出施工过程中应该注意的事项。