CN107382128B

CN107382128B - 一种防塌型聚合物泥浆粉及其制备方法与用途

Info

Publication number: CN107382128B
Application number: CN201710677131.7A
Authority: CN
Inventors: 黄海; 陈钱宝; 陈雷; 唐洁; 马腾飞; 梅晓君; 李芳芳
Original assignee: Anjui Engineering Material Technology Co Ltd of CTCE Group
Current assignee: Anjui Engineering Material Technology Co Ltd of CTCE Group
Priority date: 2017-08-09
Filing date: 2017-08-09
Publication date: 2020-03-17
Anticipated expiration: 2037-08-09
Also published as: CN107382128A

Abstract

本发明公开了一种防塌型聚合物泥浆粉及其制备方法，其由增粘剂、降滤失剂、固相成膜剂、分散剂、润滑剂复配而成，各组分重量份为：增粘剂2.5～5份，降滤失剂5～10份，固相成膜剂85～90份，分散剂0.05～0.1份，润滑剂0.1～0.2份。本发明提供一种防塌型聚合物泥浆粉，用其制备的泥浆具有匀质性好、泥膜薄而致密、滤失量低、沉渣量少、掺量低、循环利用次数多、无环境污染等优点，很好地解决了水敏性地质桩基施工存在的缩径和塌孔技术难题，提升摩擦桩桩基承载力30%以上，节约大量施工成本，具有广泛的应用前景。

Description

一种防塌型聚合物泥浆粉及其制备方法与用途

技术领域

本发明涉及一种桩基护壁泥浆材料，尤其适合用于制备水敏性地质旋挖和反循环工艺施工用护壁泥浆，具体是一种防塌型聚合物泥浆粉及其制备方法与用途。

背景技术

随着旋挖钻和反循环等施工工艺在我国铁路建设中广泛应用，水敏性地质(强风化岩层和淤泥层地质)桩基施工易出现缩径和塌孔等技术难题，不仅造成了大量的经济损失，而且严重影响施工质量、先进成桩工艺推广和现场施工人员的安危。引起水敏性地质桩孔缩径和塌孔主要是因水敏性地质结构松散、支撑力小、土质可塑性差、土体遇水易膨胀，施工过程当泥浆液中的水大量进入钻孔土层，同时伴随提钻和下钻的扰动，极易造成孔壁表层土体的膨胀，甚至缓慢逐层侵蚀脱落，最终表现为桩孔的缩径和塌孔等质量问题，易发生卡钻或钻机被埋事故，对现场施工安全构成严重威胁。因此，通过提升护壁泥浆抑制性和泥膜致密性，减小泥浆滤失量，成为增强水敏性地质桩基施工桩孔稳定性和桩基承载力的重要研究方向。目前，常用的护壁泥浆主要包括膨润土泥浆和聚合物泥浆。膨润土泥浆作为大面积应用的泥浆护壁材料，可快速形成泥膜，泥浆滤失量较低，一定程度解决了水敏性地质桩基施工出现的缩径和塌孔难题，但膨润土泥浆因携砂能力强，循环利用时比重上升快、易分层、泥膜变厚、且滤失量激增，无法避免水敏性地质桩基缩径和塌孔现象的出现，同时也无法满足文明施工需求。而市场常见聚合物泥浆为无固相清水泥浆，虽然环保性能优异，且具备一定的页岩抑制功能，但因其无法形成致密泥膜，滤失量过大，仍然无法有效地解决水敏性地质桩基施工出现的缩径和塌孔技术难题。为此针对现有泥浆产品存在的以上不足，发明制备出一种泥膜致密、抑制性强、滤失量低和环保性好的防塌型聚合物泥浆粉，成为解决水敏性地质桩基施工缩径和塌孔问题的有效途径。

目前，CN105860942A中公开了一种井壁成膜钻井液的制备方法，该钻井液封堵页岩地层裂痕效果较好，但对淤泥层类水敏性地质防塌效果较差；CN104927813A中公开了一种钻井用保护防塌剂的制备方法，该发明以石油沥青作为主要防塌功能原材料，开发的泥浆产品对于水敏性地质防塌效用明显，但因石油沥青环境污染大，不符合文明施工要求，所以推广应用价值有限；CN103965842B中公开了一种防垮塌钻井液的制备方法，该泥浆虽然对水敏性地质具备较强抑制防塌能力，但该发明以氯化钾作为主要防塌和抑制组分，大量引入Cl^-离子，存在影响钢筋混凝土桩基结构耐久性的潜在隐患，制约了其在桩基钻孔施工中的应用。以上发明为解决水敏性地质桩基施工出现的缩径和塌孔技术难题提供了部分解决方案，但因分别存在适用范围较小、产品环境污染严重和对钢筋混凝土桩基结构耐久性影响大等不足，而无法全面推广应用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种防塌型聚合物泥浆粉及其制备方法与用途。本发明提供的防塌型聚合物泥浆粉，可制备出旋挖和反循环工艺施工用低固相清水护壁泥浆，泥浆具有匀质性好(稳定性保持时长大于70h)、泥膜薄而致密(泥膜厚度1mm～2mm)、滤失量低(30min滤失量低为10mL～20mL)、匀质性沉渣量少、掺量低、循环利用次数多(至少达8次)、无环境污染等技术优势，有效解决了水敏性地质桩基施工存在的缩径和塌孔技术难题，提升摩擦桩桩基承载力30％以上(较膨润土泥浆)，废浆各项指标满足城市二级污水排放要求，呈现出巨大环保、经济和质量优势。

本发明的一种防塌型聚合物泥浆粉，由增粘剂、降滤失剂、固相成膜剂、分散剂、润滑剂复配而成，各组分所占重量份为：增粘剂2.5～5份，降滤失剂5～10份，固相成膜剂85～90份，分散剂0.05～0.1份，润滑剂0.1～0.2份。

上述所述的防塌型聚合物泥浆粉中，优选的，所述的增粘剂为植物胶和聚氧化乙烯中的一种或两种。

上述所述的防塌型聚合物泥浆粉中，优选的，所述植物胶分子量为20万～200万，中粘型；所述聚氧化乙烯分子量为100万～300万，中粘型。

上述所述的防塌型聚合物泥浆粉中，优选的，所述的降滤失剂为腐植酸盐、聚丙烯酸盐和磺酸盐共聚物中的一种或多种。

上述所述的防塌型聚合物泥浆粉中，优选的，所述的固相成膜剂为木质纤维粉和草本植物纤维粉中的一种或两种。

上述所述的防塌型聚合物泥浆粉中，优选的，所述固相成膜剂粒径小于20μm。

上述所述的防塌型聚合物泥浆粉中，优选的，所述的分散剂为聚乙二醇200和聚乙二醇400中的一种或两种。

上述所述的防塌型聚合物泥浆粉中，优选的，所述的润滑剂为纤维素衍生物和低分子量聚丙烯酰胺中的一种或两种。纤维素衍生物可以为甲基纤维素、羟丙基甲基纤维素、羧甲基纤维素等。低分子量聚丙烯酰胺分子量在300万以下。

本发明还提供了该防塌型聚合物泥浆粉的制备方法，其是将所有原材料组分按重量比例计量后投入密封型搅拌混匀釜，控制搅拌釜搅拌速度为20～30r/min，搅拌混匀900s即可获得防塌型聚合物泥浆粉。

本发明还提供了该防塌型聚合物泥浆粉，作为水敏性地质旋挖和反循环工艺施工用护壁泥浆的用途。本发明的防塌型聚合物泥浆粉在使用时，将其混于水中形成泥浆，然后即可用于桩基护壁。

本发明的有益效果在于：

(1)本发明以植物胶和/或聚氧化乙烯作为防塌型聚合物泥浆粉的增粘组分，因其具有低掺量和高粘度的特性。制备出的泥浆粘度适中，极大地提升了泥浆的匀质性，泥浆静置稳定性时长大于70h；

(2)本发明引木质纤维粉和草本植物纤维粉中的一种或两种作为固相成膜材料，基于以下两点因素：纤维粉快速吸水溶胀形成不同粒径颗粒，所形成的泥膜空隙缺陷较少；溶胀后的纤维颗粒易于与增粘剂分子协同发挥桥联，泥浆可在钻孔壁快速形成致密泥膜，将泥浆30min滤失量降低至10mL～20mL。克服了膨润土泥浆呈现的泥膜厚和普通聚合物泥浆呈现的滤失量大两项技术难题，配制出的泥浆具备泥膜薄而致密和滤失量低双重特性，有效控制了水敏性地质桩基施工存在的缩径和塌孔技术问题，提升摩擦桩桩基承载力30％以上；

(3)采用木质纤维粉和草本植物纤维粉中的一种或两种作为主要成膜成分，其携砂能力适中，避免了泥浆比重的快速上升，促使泥浆循环利用次数至少达8次，从而节约大量人工和材料成本；

(4)本发明以腐植酸盐、聚丙烯酸盐、磺酸盐共聚物作为防塌型聚合物泥浆粉的降滤失剂，其对植物粉颗粒桥联作用显著，增大了泥浆致密性，避免了淤泥层地质的缩径现象，同时其可有效抑制强风化岩层的吸水膨胀，克服了强风化岩层的溶胀脱落，扩大了泥浆在常见水敏性地质桩基施工的应用范围；

(5)本发明以纤维素衍生物和/或低分子量聚丙烯酰胺作为防塌型聚合物泥浆粉的润滑剂，首先减少了提钻和下钻过程钻头与孔壁泥膜的摩擦碰撞，有助于保持孔壁泥膜的完整性，提升泥浆防塌效果；其次润滑剂有效地降低了钻头与钻面的摩擦阻力，避免了小颗粒钻屑的产生，有助于减少沉渣量，同时增大钻孔效率。

(6)本发明所述原材料环保性强，制备出的防塌型聚合物泥浆为低固相清水泥浆，应用后的废弃泥浆通过简单絮凝沉淀即可实现泥水分离，上层清液已完成排放标准检测，化学需氧量满足《污水综合排放标准》规定的2级排放标准，pH、氨氮、铜、锌、铅、镉、铬和汞满足《污水综合排放标准》规定的1级排放标准，实现了废弃泥浆环保排放。

具体实施方式

下述实施例是对于本发明内容的进一步说明，以作为对本发明技术内容的阐释，但本发明的实质内容并不仅限于下述实施例所述，本领域的普通技术人员可以且应当知晓任何基于本发明实质精神的简单变化或替换均应属于本发明所要求的保护范围。

以下实施例1～13所用原材料生产厂家及其型号如下：植物胶购自河南兴源化工产品有限公司生产，中粘型；聚氧化乙烯为美国陶氏化学生产，冷水速溶中粘型；腐植酸盐为腐植酸钾，济南源茂化工有限公司生产；聚丙烯酸盐为聚丙烯酸钠，青岛首科新材料有限公司生产；磺酸盐共聚物为山东得顺源石油科技有限公司生产DSP-1型；木质纤维粉和草本植物纤维粉为杭州高科复合材料有限公司生产；聚乙二醇200购自南通德信化工有限公司；低分子量聚丙烯酰胺购自合肥梓承环保科技有限公司。

实施例1

应用工程：新建连镇铁路(淮安段)，桩基施工工艺为旋挖钻孔水下灌注，桩长50～60米，桩径1米，水敏性地质集中于15m～25m米，主要为淤泥层。第三方检测显示，较膨润土泥浆，应用本发明防塌型聚合物泥浆护壁成桩，摩擦桩桩基承载力提升30％以上，成桩质量满足设计要求。

防塌型聚合物泥浆粉配制组成如表1，制备的泥浆应用性能见表2。

表1 防塌型聚合物泥浆材料重量组成(单位：份)

表2 制备出的泥浆应用性能

泥浆粉掺量(吨/100m<sup>3</sup>水)	1.2	沉渣厚度(cm)	≤10
				泥浆三件套漏斗粘度(s)	21	匀质性时长(h)	76
最后一次循环前含砂率(％)	0.4	循环次数(次)	9
				30min滤失量(mL)	14	泥膜厚度(mm)	1～2

实施例2

应用工程：新建连镇铁路(淮安段)，桩基施工工艺为反循环钻孔水下灌注，桩长51～55米，桩径1.5米，水敏性地质集中于10m～22m米，主要为淤泥层。第三方检测显示，较膨润土泥浆，应用防塌型聚合物泥浆护壁成桩，摩擦桩桩基承载力提升30％以上，成桩质量满足设计要求。

防塌型聚合物泥浆粉配制组成如表3，制备的泥浆应用性能见表4。

表3 防塌型聚合物泥浆材料组成(单位：份)

表4 制备出的泥浆应用性能

泥浆粉掺量(吨/100m<sup>3</sup>水)	1.5	沉渣厚度(cm)	≤10
				泥浆三件套漏斗粘度(s)	20	匀质性时长(h)	75
最后一次循环前含砂率(％)	0.3	循环次数(次)	8
				30min滤失量(mL)	15	泥膜厚度(mm)	1～2

实施例3

应用工程：商合杭铁路(安徽段)，桩基施工工艺为旋挖钻孔水下灌注，桩长52～56米，桩径1米，水敏性地质集中于15m～20m和26m～33m米，主要为强风化岩层和淤泥层，成桩质量满足设计要求。

防塌型聚合物泥浆粉配制组成如表5，制备的泥浆应用性能见表6。

表5 防塌型聚合物泥浆材料组成(单位：份)

表6 制备出的泥浆应用性能

泥浆粉掺量(吨/100m<sup>3</sup>水)	1.5	沉渣厚度(cm)	≤10
				泥浆三件套漏斗粘度(s)	22	匀质性时长(h)	72
最后一次循环前含砂率(％)	0.4	循环次数(次)	8
				30min滤失量(mL)	12.5	泥膜厚度(mm)	1～2

对比例1

防塌型聚合物泥浆粉配制组成如表7，增粘剂重量份低于本发明专利要求范围，泥浆稳定性差，静置5小时即出现分层，无法用于施工。

表7 防塌型聚合物泥浆材料组成(单位：份)

对比例2

应用工程：新建连镇铁路(淮安段)，桩基施工工艺为旋挖钻孔水下灌注，桩长33.5米，桩径1.0米，水敏性地质集中于10m～18m米，主要为淤泥层。

防塌型聚合物泥浆粉配制组成如表8，增粘剂重量份高于本发明专利要求范围，泥浆粘度陡增，成桩后沉渣厚度过大，泥浆循环利用一次即为废浆，泥浆性能无法满足施工要求，具体见表9。

表8 防塌型聚合物泥浆材料组成(单位：份)

表9 制备出的泥浆应用性能

泥浆粉掺量(吨/100m<sup>3</sup>水)	1.0	沉渣厚度(cm)	50
				泥浆三件套漏斗粘度(s)	41	匀质性时长(h)	\
最后一次循环前含砂率(％)	8.0	循环次数(次)	1
				30min滤失量(mL)	12.5	泥膜厚度(mm)	1～2

对比例3

应用工程：新建连镇铁路(淮安段)，桩基施工工艺为旋挖钻孔水下灌注，桩长40.1米，桩径1.0米，水敏性地质集中于11m～15m米，主要为淤泥层。

防塌型聚合物泥浆粉配制组成如表10，降滤失剂重量份低于本发明专利要求范围，泥浆滤30min失量为40mL，超过20mL，旋挖至31米时出现塌孔，成桩失败。

表10 防塌型聚合物泥浆材料组成(单位：份)

对比例4

防塌型聚合物泥浆粉配制组成如表11，降滤失剂重量份高于本发明专利要求范围，泥浆滤30min失量同样为12.5mL，介于10mL～20mL之间，泥浆防塌性能未提升。

表11 防塌型聚合物泥浆材料组成(单位：份)

对比例5

应用工程：新建连镇铁路(淮安段)，桩基施工工艺为旋挖钻孔水下灌注，桩长38.7米，桩径1.0米，水敏性地质集中于10m～15m米。

防塌型聚合物泥浆粉配制组成如表12，固相成膜剂重量份低于本发明专利要求范围，泥浆滤30min失量为31mL，高于20mL，旋挖至29米时出现塌孔，成桩失败。

表12 防塌型聚合物泥浆材料组成(单位：份)

对比例6

应用工程：新建连镇铁路(淮安段)，桩基施工工艺为旋挖钻孔水下灌注，桩长33～37米，桩径1.0米，水敏性地质集中于10m～15m米，主要为淤泥层。

防塌型聚合物泥浆粉配制组成如表13，固相成膜剂重量份高于本发明专利要求范围，表现为泥浆泥膜厚度大，循环利用率低(仅为3次)，泥浆应用性能见表14。

表13 防塌型聚合物泥浆材料组成(单位：份)

表14 制备出的泥浆应用性能

泥浆粉掺量(吨/100m<sup>3</sup>水)	1.0	沉渣厚度(cm)	20
				泥浆三件套漏斗粘度(s)	25	匀质性时长(h)	\
最后一次循环前含砂率(％)	7.0	循环次数(次)	3
				30min滤失量(mL)	12.0	泥膜厚度(mm)	3～5

对比例7

防塌型聚合物泥浆粉配制组成如表15，分散剂重量份为0，远低于本发明专利要求范围，其他原材料重量份同实施例2，制浆后泥浆固相成膜剂在水中大量结团，泥浆无法应用于施工。

表15 防塌型聚合物泥浆材料组成(单位：份)

对比例8

防塌型聚合物泥浆粉配制组成如表16，分散剂重量份高于本发明专利要求范围，其他原材料重量份同实施例2，制备出的泥浆性能相较实施例2未见提升，泥浆应用性能见表17。

表16 防塌型聚合物泥浆材料组成(单位：份)

表17 制备出的泥浆应用性能

泥浆粉掺量(吨/100m<sup>3</sup>水)	1.5	沉渣厚度(cm)	≤10
				泥浆三件套漏斗粘度(s)	20	匀质性时长(h)	75
最后一次循环前含砂率(％)	0.3	循环次数(次)	8
				30min滤失量(mL)	14.5	泥膜厚度(mm)	1～2

对比例9

应用工程：新建连镇铁路(淮安段)，桩基施工工艺为旋挖钻孔水下灌注，桩长33.6米，桩径1.0米，水敏性地质集中于11m～15m米，主要为淤泥层。

防塌型聚合物泥浆粉配制组成如表18，润滑剂重量份低于本发明专利要求范围，其他原材料重量份同实施例2，制备出的泥浆用于施工，沉渣量为40cm，无法满足施工要求。

表18 防塌型聚合物泥浆材料组成(单位：份)

对比例10

应用工程：新建连镇铁路(淮安段)，桩基施工工艺为旋挖钻孔水下灌注，桩长30～50米，桩径1.0米，水敏性地质集中于10m～20m米，主要为淤泥层。

防塌型聚合物泥浆粉配制组成如表19，润滑剂重量份高于本发明专利要求范围，其他原材料重量份同实施例2，制备出的泥浆应用性能相较实施例2未见明显提升，具体见表20。

表19 防塌型聚合物泥浆材料组成(单位：份)

表20制备出的泥浆应用性能

泥浆粉掺量(吨/100m<sup>3</sup>水)	1.5	沉渣厚度(cm)	≤10
				泥浆三件套漏斗粘度(s)	22	匀质性时长(h)	73
最后一次循环前含砂率(％)	0.3	循环次数(次)	8
				30min滤失量(mL)	14.5	泥膜厚度(mm)	1～2

上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对实施案例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于这里的实施案例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种防塌型聚合物泥浆粉，由增粘剂、降滤失剂、固相成膜剂、分散剂、润滑剂复配而成，各组分所占重量份为：增粘剂2.5～5份，降滤失剂5～10份，固相成膜剂85～90份，分散剂0.05～0.1份，润滑剂0.1～0.2份；所述固相成膜剂为木质纤维粉和草本植物纤维粉中的一种或两种；所述分散剂为聚乙二醇200和聚乙二醇400中的一种或两种。

2.如权利要求1所述的防塌型聚合物泥浆粉，其特征在于，所述的增粘剂为植物胶和聚氧化乙烯中的一种或两种。

3.如权利要求2所述的防塌型聚合物泥浆粉，其特征在于，所述植物胶分子量为20万～200万，中粘型；所述聚氧化乙烯分子量为100万～300万，中粘型。

4.如权利要求1所述的防塌型聚合物泥浆粉，其特征在于，所述的降滤失剂为腐植酸盐、聚丙烯酸盐和磺酸盐共聚物中的一种或多种。

5.如权利要求1所述的防塌型聚合物泥浆粉，其特征在于，所述固相成膜剂粒径小于20μm。

6.如权利要求1所述的防塌型聚合物泥浆粉，其特征在于，所述的润滑剂为纤维素衍生物和低分子量聚丙烯酰胺中的一种或两种。

7.权利要求1～6任一项所述的一种防塌型聚合物泥浆粉的制备方法，其特征在于，将所有原材料组分按重量比例计量后投入密封型搅拌混匀釜，控制搅拌釜搅拌速度为20～30r/min，搅拌混匀900s即可获得防塌型聚合物泥浆粉。

8.权利要求1～6任一项所述的一种防塌型聚合物泥浆粉作为水敏性地质旋挖和反循环工艺施工用护壁泥浆的用途。