CN111269702B - 韧性环保泥浆及其制备方法和施工工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种韧性环保泥浆及其制备方法和施工工艺，所述韧性环保泥浆包括水、粘土、砂和干海带，所述水、粘土、砂和干海带的质量比为100～120:7～10:3～5:2～3；所述干海带为面积小于或等于15mm×15mm的片状。本发明避免海域中钻孔灌注桩成孔过程中泥皮被地层中贝壳割裂导致漏浆，提高泥浆对大孔隙地质适应性，保证桩基施工质量，防止造成污染海域环境，提高泥皮的韧性。

Description

韧性环保泥浆及其制备方法和施工工艺
技术领域
本发明涉及桥梁材料领域。更具体地说，本发明涉及一种韧性环保泥浆及其制备方法和施工工艺。
背景技术
目前国内钻孔灌注桩施工，多采用化学聚合物添加剂泥浆或膨润土泥浆作为护壁。在沿海地区位于富含贝壳类覆盖层地质的桥梁工程中，由于地层的孔隙率大，桩基钻进过程中泥浆极易穿透地层直接渗出，且孔壁上贝壳类易割裂泥皮，所以孔壁上形成的泥皮性能不稳定，在海洋环境涨落潮期间，泥水压力无法保持，普通泥浆在该情况下大量滤失，从而诱发孔壁坍塌、漏浆等问题，甚至造成环境污染。
发明内容
本发明的目的是为了避免海域中钻孔灌注桩成孔过程中泥皮被地层中贝壳割裂导致漏浆，提高泥浆对大孔隙地质适应性，保证桩基施工质量，防止造成污染海域环境，提高泥皮的韧性，遵循资源节约、因地制宜的理念，本发明提出一种韧性环保泥浆。
为了实现根据本发明的这些目的和其它优点，提供了一种韧性环保泥浆，所述韧性环保泥浆包括水、粘土、砂和干海带，所述水、粘土、砂和干海带的质量比为100～120:7～10:3～5:2～3；
所述粘土优选的是天然含水量接近塑限，塑性指数大于17的粘性土。
所述砂优选为细砂。
所述干海带为面积小于或等于15mm×15mm的片状。
优选的是，所述韧性环保泥浆由如下质量比的原料组成：100:10:5:2的水、粘土、砂和干海带，所述水为海水或淡水。
优选的是，所述干海带在加入原料前进行了预处理，包括以下步骤：
步骤S1、将湿海带洗净后浸泡于质量分数为5％的氢氧化钠溶液中30～40min；
步骤S2、将海带捞出烘干至含水量为40％～50％后浸泡于质量分数为0.5％的阴离子型聚丙烯酰胺水溶液中12～16小时；
步骤S3、将海带烘干为干海带，干海带的含水量≤13％。
本发明还提供了一种韧性环保泥浆的制备方法，包括：
将干海带切碎成面积小于或等于15mm×15mm方片状，与粘土、砂和水进行混合造浆，泥浆比重范围为1.25～1.3，泥浆最终pH为7～9；
其中，水、粘土、砂和干海带的质量比为100～120:7～10:3～5:2～3。
优选的是，所述干海带在与其他原料混合造浆前进行了预处理，包括以下步骤：
步骤S1、将湿海带洗净后浸泡于质量分数为5％的氢氧化钠溶液中30～40min；
步骤S2、将海带捞出烘干至含水量为40％～50％后浸泡于质量分数为0.5％的阴离子型聚丙烯酰胺水溶液中12～16小时；
步骤S3、将海带烘干为干海带，干海带的含水量≤13％。
本发明还提供了一种利用韧性环保泥浆的施工工艺，其特征在于，包括以下步骤：
步骤a、钢护筒内钻进过程：将韧性环保泥浆注入钢护筒内，同时采用冲击钻进行钻进，钢护筒内采用大冲程3～4m；
步骤b、钢护筒外钻进过程：在冲锤将要出护筒底口前，改为小冲程钻进约0.5m，钻孔过程中勤循环泥浆除渣，保持一直在循环清渣状态即可，及时调控泥浆参数，保持泥浆比重范围在1.25～1.3，穿过富含贝壳的覆盖层后，恢复正常冲程，直至成孔。
本发明至少包括以下有益效果：本申请的韧性环保泥浆所形成的泥皮失水量较小，且泥皮更为致密轻薄，能有效地防止滨海地区钻孔灌注桩在深厚贝壳覆盖层易出现的漏浆及塌孔问题，在绿色环保的前提下保证了钻孔桩的施工质量。
本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。
附图说明
图1是海带填堵贝壳孔隙效果图；
图2是深厚贝壳类地层示意图；
图3是地层粒径分布曲线；
图4是泥浆渗透试验装置。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。
需要说明的是，下述实施方案中所述实验方法，如无特殊说明，均为常规方法，所述试剂和材料，如无特殊说明，均可从商业途径获得。
实施例1
所述韧性环保泥浆由以下克数的原料组成：1000:100:50:20的海水、粘土、砂和干海带。所述粘土为天然含水量接近塑限，塑性指数大于17的粘性土；所述砂为细砂；所述干海带为面积小于或等于15mm×15mm的片状。
韧性环保泥浆的制备方法为：将干海带切碎成面积小于或等于15mm×15mm方片状，与粘土、砂和水进行混合造浆，泥浆比重范围为1.3。如图1所示，海带填堵贝壳孔隙效果图。
实施例2
所述韧性环保泥浆由以下克数的原料组成：1000:100:50:20的海水、粘土、砂和干海带。所述粘土为天然含水量接近塑限，塑性指数大于17的粘性土；所述砂优为细砂；所述干海带为面积小于或等于15mm×15mm的片状。
在本实施例2中干海带在与其他原料混合造浆前进行了预处理，包括以下步骤：
步骤S1、将湿海带洗净后浸泡于质量分数为5％的氢氧化钠溶液中30min；
步骤S2、将海带捞出烘干至含水量为40％后浸泡于质量分数为0.5％的阴离子型聚丙烯酰胺水溶液中12小时；
步骤S3、将海带烘干为干海带，干海带的含水量≤13％。
韧性环保泥浆的制备方法为：将干海带切碎成面积小于或等于15mm×15mm方片状，与粘土、砂和水进行混合造浆，泥浆比重范围为1.3。
将实施例2的海水泥浆性能试验检测中，其粘度为15.8(η/s)，pH值为9，24h胶体率为95％，相对密度为1.154(ρx/g·cm-3)，失水量为23ml·(30min)-1，泥皮厚为0.75mm。
性能测试
研制的韧性环保泥浆在淡水、海水中的性能进行系统研究，并与膨润土泥浆和掺加聚合物的泥浆性能进行对比，具体配合比和性能参数见表1～表4，在下表中干海带均未进行预处理。
表1淡水泥浆配合比(g)
Figure BDA0002377475190000041
表2淡水泥浆性能试验结果
Figure BDA0002377475190000042
表3海水泥浆配合比(g)
Figure BDA0002377475190000043
表4海水泥浆性能试验结果
Figure BDA0002377475190000051
影响泥浆性能的关键因素是添加剂的选择。其性能应当满足：(1)具有相对高的分子质量，水溶性好，有很好的抗剪切效果和较好的增粘性能；(2)泥浆应具有良好的化学稳定性和耐盐性，能够适用于海水环境条件；(3)形成的泥皮致密轻薄稳定，并有较好的抗滤失效果；(4)添加剂取材方便、价格便宜、用量少且绿色环保。目前在国内钻孔灌注桩施工中常用的泥浆添加剂产品主要有部分水解聚丙烯酰胺(HPAM)、羧甲基纤维素(CMC)等。这些聚合物在实际应用中存在用量大、溶液粘度对盐度非常敏感等不足，在海水环境中的应用受到很大限制。
由上表可看出，在淡水中，使用韧性环保泥浆较膨润土泥浆有明显优势，其粘度和胶体率均比膨润土泥浆大，与CMC加膨润土泥浆、聚丙烯酰胺泥浆加膨润土泥浆的性能相近，但密度明显偏大，主要原因为海带添加量较大，其性能参数均能满足施工要求。采用海水进行泥浆配制时，膨润土泥浆和聚合物泥浆的性能显著下降，而韧性环保泥浆的性能参数变化相对较小，说明韧性环保泥浆对海水的适应性较好，采用研制的韧性环保泥浆胶体率达到95％，失水量为25ml·(30min)-1，泥皮厚度为0.8mm。确定了按照水：普通土：砂：海带＝100：10：5：2的配合比进行调制，可以用于现场施工。
环境模拟试验
试验过程
试验采用模拟地层泥浆渗透试验装置，通过加压装置可以设置不同深度特定土层所受到的压力。在施工当地采集的地层原土250kg、海水500kg、海带100kg，使实验室模拟的土层条件较好的符合实际情况，泥浆按照表3中所确定配比进行配制。地层颗粒情况见图3，实验装置见图4。
首先在泥浆渗透试验装置容器的最底层装入粒径为2-5mm的砂石至5cm高度处位置作为过滤层；然后装入试验地层土至51cm高度处；再从容器下部注水使地层饱和；注入已配制好的试验泥浆至105cm高度处；将泥浆渗透试验柱完全密封后，打开气压阀门，分级依次施加泥浆压力(0.05MPa、0.1MPa、0.15MPa、0.2MPa、0.25MPa及0.3MPa)；然后打开排水阀门开始静待泥浆渗透；读取不同压力下泥浆的失水情况，直至读数稳定。最后取出泥皮，测量厚度。
分别以韧性环保泥浆、膨润土泥浆及添加CMC的膨润土所配制的泥浆三种泥浆进行泥皮厚度试验，统计以上三种类型的海水泥浆在不同的压力下地层的失水情况及最终形成的泥皮厚度，经试验得到如下试验数据：
表5泥浆在各压力下失水量(mL/min)
Figure BDA0002377475190000061
由上表可得，当泥浆压力达到0.2MPa时，对于添加了CMC的膨润土所配制的海水泥浆，其失水量稳定在3.9mL/min，测量得最终泥皮的厚度为8毫米。对于采用普通膨润土配制的泥浆，当泥浆压力加至0.25MPa时，泥皮的失水量为4.8mL/min，高于添加CMC膨润土所配制的泥浆失水量，该泥浆的最终泥皮厚度为9毫米。采用本申请研制的韧性环保泥浆，当泥浆压力加至0.2MPa时，泥皮的失水量为4.1mL/min，与添加CMC膨润土所配制的泥浆数据接近，韧性泥浆最终的泥皮厚度为2.2毫米，干海带经过预处理的韧性环保泥浆，当泥浆压力加至0.2MPa时，泥皮的失水量为3.6mL/min，略低于添加CMC膨润土所配制的泥浆数据，预处理后的韧性环保泥浆最终的泥皮厚度为1.9mm，无论海带是否进行过预处理，本申请的韧性环保泥浆相对前面两种泥浆所形成的泥皮更薄。
从试验结果可看出，采用韧性环保泥浆所形成的泥皮失水量较小，且泥皮更为致密轻薄。通过试验得，韧性环保泥浆的粘度、胶体率、滤失水量和泥皮厚度等各项性能指标均可以满足现场设计和施工需求，可以投入使用。
经试验后，将韧性环保泥浆(干海带未经过预处理)依托漳江湾特大桥及连接线工程中进行了现场应用，该工程位于福建省东南沿海，为国省道干线公路纵一线的重要组成路段，贯通漳州沿海大通道，为双向六车道一级公路标准，主要的施工段漳江湾跨海大桥为海上预制梁桥，漳江湾大桥全长3.6公里，海上钻孔灌注桩直径为2-2.2m，采用冲击钻进行施工，具体施工过程为：
步骤a、钢护筒内钻进过程：将韧性环保泥浆注入钢护筒内，同时采用冲击钻进行钻进，钢护筒内采用大冲程3～4m。
步骤b、钢护筒外钻进过程：在冲锤将要出护筒底口前，改为小冲程钻进约0.5m，钻孔过程中勤循环泥浆除渣，保持一直在循环清渣状态即可，及时调控泥浆参数，保持泥浆比重范围在1.25～1.3，穿过富含贝壳的覆盖层后，恢复正常冲程，直至成孔。
该工程地质为典型冲海积地貌，覆盖层深厚，淤泥厚度达20米，地层内富含贝壳类(寻氏肌蛤壳)，部分桩基墩位有中风化花岗岩孤石分布，数量多且硬度大。地质概况如图2所示。
经现场应用，采用干海带配制的韧性环保泥浆能有效地防止滨海地区钻孔灌注桩在深厚贝壳覆盖层易出现的漏浆及塌孔问题，在绿色环保的前提下保证了钻孔桩的施工质量。
尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的实施例。

Claims (4)

1.一种韧性环保泥浆，其特征在于，所述韧性环保泥浆包括水、粘土、砂和干海带，所述水、粘土、砂和干海带的质量比为100～120:7～10:3～5:2～3；
所述干海带为面积小于或等于15mm×15mm的片状；
所述干海带在加入原料前进行了预处理，包括以下步骤：
步骤S1、将湿海带洗净后浸泡于质量分数为5％的氢氧化钠溶液中30～40min；
步骤S2、将海带捞出烘干至含水量为40％～50％后浸泡于质量分数为0.5％的阴离子型聚丙烯酰胺水溶液中12～16小时；
步骤S3、将海带烘干为干海带，干海带的含水量≤13％。
2.如权利要求1所述的韧性环保泥浆，其特征在于，所述韧性环保泥浆由如下质量比的原料组成：100:10:5:2的水、粘土、砂和干海带，所述水为海水或淡水。
3.一种韧性环保泥浆的制备方法，其特征在于，包括：
将干海带切碎成面积小于或等于15mm×15mm方片状，与粘土、砂和水进行混合造浆，泥浆比重范围为1.25～1.3，泥浆最终pH为7～9；
其中，水、粘土、砂和干海带的质量比为100～120:7～10:3～5:2～3；
所述干海带在与其他原料混合造浆前进行了预处理，包括以下步骤：
步骤S1、将湿海带洗净后浸泡于质量分数为5％的氢氧化钠溶液中30～40min；
步骤S2、将海带捞出烘干至含水量为40％～50％后浸泡于质量分数为0.5％的阴离子型聚丙烯酰胺水溶液中12～16小时；
步骤S3、将海带烘干为干海带，干海带的含水量≤13％。
4.一种利用权利要求1～2任一所述的韧性环保泥浆的施工工艺，其特征在于，包括以下步骤：
步骤a、钢护筒内钻进过程：将韧性环保泥浆注入钢护筒内，同时采用冲击钻进行钻进，钢护筒内采用大冲程3～4m；
步骤b、钢护筒外钻进过程：在冲锤将要出护筒底口前，改为小冲程钻进约0.5m，钻孔过程中勤循环泥浆除渣，及时调控泥浆参数，保持泥浆比重范围在1.25～1.3，穿过富含贝壳的覆盖层后，恢复正常冲程，直至成孔。
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