CN114479787A - 一种箱涵顶进施工的减阻泥浆及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种箱涵顶进施工的减阻泥浆及其制备方法，按照质量份数计，所述减阻泥浆包括如下组分：膨润土60‑100份，羧甲基纤维素钠1‑2份，纯碱3‑4份，水894‑936份。制备方法包括如下步骤：S1，将所述膨润土加入搅拌容器中，加入水搅拌均匀，得到悬浮液；S2，将所述羧甲基纤维素钠和所述纯碱加入所述搅拌容器中，与所述悬浮液混合搅拌均匀，得到混合物；S3，将所述混合物静置膨化得到减阻泥浆。本发明的减阻泥浆可以在箱涵壁周围形成良好的泥浆套，在箱涵顶进过程中泥浆具有流动性，可以起到润滑减阻作用，减小箱涵顶推力；原材料简单，来源广泛，材料成本和制备成本较低，制备方法简单且耗时短，润滑减阻效果好。
Description
技术领域
本发明属于隧道工程材料技术领域，具体涉及一种箱涵顶进施工的减阻泥浆及其制备方法。
背景技术
随着城市现代化进程的加快，城市地上空间日益紧张，合理有效地开发地下空间成为迫切需求。管幕箱涵顶进法作为一种典型的非开挖技术，具有施工周期短、噪音小、对地表扰动小、对周围环境影响小等优点，在地下空间开发建设中具备显著的优势，应用前景广阔。
箱涵在封闭管幕保护下由千斤顶推入，顶进过程中在多种因素的综合作用下导致箱涵壁受到的阻力较大，包括开挖面前端的迎面阻力以及侧壁摩阻力。若没有控制好施工对土体变形的影响，会给周围环境和邻近建筑物造成威胁，故施工过程中的减阻措施尤为重要。减阻泥浆凭借减阻效果佳、制备使用方便等独有的优势被广泛用于顶管工程中，可以显著降低顶推力并节约中继间的投入。在箱涵与土体空隙之间注入减阻泥浆，不仅填补了箱涵与土体之间的空隙，成为箱涵与土体之间的支撑介质，起到支撑作用，形成的泥浆套可以减少地层扰动和土体沉降变形；还避免箱涵与土体直接接触，将箱涵-土体接触转化为箱涵-减阻泥浆-土体接触，将干摩擦转换为湿摩擦，起到润滑作用，极大地减小了箱涵顶进过程中的顶推力。
目前施工过程中的泥浆主要用于施工过程中支撑正面土体，主要作用是支撑作用，对于减阻效果不佳，缺少一种摩擦阻力较小的泥浆。
因此，需要提供一种针对上述现有技术不足的改进技术方案。
发明内容
本发明的目的在于提供一种箱涵顶进施工的减阻泥浆及其制备方法，用以解决目前箱涵顶进施工过程中泥浆摩擦阻力较大的问题。
为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种箱涵顶进施工的减阻泥浆，其特征在于，按照质量份数计，所述减阻泥浆包括如下组分：
膨润土60-100份，羧甲基纤维素钠1-2份，纯碱3-4份，水894-936份。
在如上所述的箱涵顶进施工的减阻泥浆，优选，所述膨润土含量占减阻泥浆的质量百分比为6-10％。
在如上所述的箱涵顶进施工的减阻泥浆，优选，所述羧甲基纤维素钠含量占减阻泥浆的质量百分比为0.1-0.2％。
在如上所述的箱涵顶进施工的减阻泥浆，优选，所述纯碱含量占减阻泥浆的质量百分比为0.3-0.4％。
在如上所述的箱涵顶进施工的减阻泥浆，优选，所述水占减阻泥浆的质量百分比为89.4-93.6％。
在如上所述的箱涵顶进施工的减阻泥浆，优选，所述减阻泥浆中的组分满足以下质量比，膨润土:羧甲基纤维素钠:纯碱:水＝8:0.1:0.3:91.6。
在如上所述的箱涵顶进施工的减阻泥浆，优选，所述膨润土为钙基膨润土或钠基膨润土。
在如上所述的箱涵顶进施工的减阻泥浆，优选，所述膨润土为钙基膨润土。
一种如上所述的箱涵顶进施工的减阻泥浆的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：
S1，将所述膨润土加入搅拌容器中，加入水搅拌均匀，得到悬浮液；
S2，将所述羧甲基纤维素钠和所述纯碱加入所述搅拌容器中，与所述悬浮液混合搅拌均匀，得到混合物；
S3，将所述混合物静置膨化得到减阻泥浆。
在如上所述的箱涵顶进施工的减阻泥浆的制备方法；优选，步骤S2中，所述混合搅拌时间超过10min；
步骤S3中，所述混合物静置膨化12-48h。
有益效果：
本发明的箱涵顶进施工的减阻泥浆可以在箱涵壁周围形成良好的泥浆套，在箱涵顶进过程中泥浆具有流动性，可以起到润滑减阻作用，减小箱涵顶推力；顶进完成后呈现凝胶状态，起到填充支撑作用。本发明的减阻泥浆还具有以下优点：
1.减阻泥浆原材料简单，来源广泛，材料成本和制备成本较低，有利于节约施工成本；
2.减阻泥浆制备方法简单，耗时短，有利于节约人力物力，缩短工期；
3.减阻泥浆能够起到良好的润滑减阻作用，减小箱涵推顶力，具备填充支撑作用，减小上覆土体沉降，进而降低施工人员面临坍塌的风险。
具体实施方式
下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
下面将结合实施例来详细说明本发明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
本发明提供的一种箱涵顶进施工的减阻泥浆，减阻泥浆的成分中采用膨润土，膨润土具有较好的膨胀性，可吸附8-15倍自身体积的水量，体积膨胀可达数倍至30倍；在水介质中能分散成胶凝状和悬浮状，这种介质溶液具有一定的粘结性、触变性和润滑性。羧甲基纤维素钠(简称CMC)的水溶液具有粘性，其溶于水后能显著增加溶液粘度，具有增稠、分散作用，能够降低泥浆的失水量。CMC是一种高分子聚合物，一种重要的水溶性阴离子表面活性剂，具有粘合、增稠、增强、乳化、保水、悬浮等作用。CMC能使泥浆稳定，延长其存在期，还能抗各种可溶性盐类的污染。
本发明的减阻泥浆采用钙基膨润土，泥浆中含有大量的Ca2+。纯碱易溶于水，可以加速与减阻泥浆中的的Ca2+发生离子交换，增大其水化能力，促进溶液稳定，降低失水量。纯碱含量控制在3-4份，能够使得泥浆的失水量达到最小，纯碱含量过多会有部分多余的纯碱溶解在泥浆中，这反而会增大其失水量，由此影响减阻泥浆的性能；纯碱含量降低，析水率会升高，在纯碱含量为3份时，析水率为零，因此纯碱的含量控制在3-4份为最佳。
本发明提供的一种箱涵顶进施工的减阻泥浆，按照质量份数计，减阻泥浆包括如下组分：
膨润土60-100份(比如65份、70份、75份、80份、85份、90份、95份、100份)，羧甲基纤维素钠1-2份(比如1.2份、1.4份、1.6份、1.8份)，纯碱3-4份(比如3.2份、3.4份、3.6份、3.8份)，水894-936份(比如895份、900份、915份、920份、925份、930份)。
本发明的具体实施例中，膨润土含量占减阻泥浆的质量百分比为6-10％(比如7％、7.5％、8％、8.5％、9％、9.5％)。
本发明的具体实施例中，羧甲基纤维素钠含量占减阻泥浆的质量百分比为0.1-0.2％(比如0.12％、0.14％、0.16％、0.18％)。
本发明的具体实施例中，纯碱含量占减阻泥浆的质量百分比为0.3-0.4％(比如0.32％、0.34％、0.36％、0.38％)。
本发明的具体实施例中，水占减阻泥浆的质量百分比为89.4-93.6％(比如89.5％、90％、90.5％、91％、91.5％、92％、92.5％、93％、93.5％)。
本发明的具体实施例中，减阻泥浆中的组分满足以下质量比，膨润土:羧甲基纤维素钠:纯碱:水＝8:0.1:0.3:91.6，优选地，膨润土在减阻泥浆中的质量百分比为8％，羧甲基纤维素钠在减阻泥浆中的质量百分比为0.1％，纯碱在减阻泥浆中的质量百分比为0.3％，水在减阻泥浆中的质量百分比为91.6％。
本发明的具体实施例中，膨润土为钙基膨润土或钠基膨润土。
优选地，膨润土为钙基膨润土。钙基膨润土分布更广泛，成本较低，且通过加入少量纯碱可极大改善钙基膨润土性质，所以选择钙基膨润土对于指导实际施工更有意义。
为了进一步理解本发明的箱涵顶进施工的减阻泥浆，本发明还提供了一种箱涵顶进施工的减阻泥浆的制备方法，制备方法包括如下步骤：
S1，将膨润土加入搅拌容器中，加入水搅拌均匀，得到悬浮液；
S2，将羧甲基纤维素钠和纯碱加入搅拌容器中，与悬浮液混合搅拌均匀，得到混合物；
S3，将混合物静置膨化得到减阻泥浆。
本发明的具体实施例中，步骤S2中，混合搅拌时间超过10min；搅拌时间过短则减阻泥浆中各原料反应不充分，导致减阻泥浆性能不佳；搅拌时间过长则浪费人力，增加施工成本，对于泥浆性能的改善没有意义。
本发明的具体实施例中，步骤S3中，混合物静置膨化12-48h(比如15h、20h、25h、30h、35h、40h、45h)。
本发明下述实施例中使用的膨润土为市售，购自巩义市金丰净水材料有限公司；羧甲基纤维素钠(CMC)为市售；购自上海国药化学试剂集团有限公司；纯碱为市售，购自上海国药化学试剂集团有限公司；水为自来水。
实施例1
本实施例提供的一种箱涵顶进施工的减阻泥浆，按重量份数计，原料包括：钙基膨润土60份，羧甲基纤维素钠1份，纯碱3份，水936份。
该减阻泥浆的制备方法，包括以下步骤：
S1，将钙基膨润土放入搅拌容器中，加水搅拌均匀，得到悬浮液；
S2，将羧甲基纤维素钠、纯碱放入搅拌容器中，与悬浮液混合搅拌均匀，搅拌时间应15min，得到混合物；
S3，将混合物静置膨化12h即得减阻泥浆成品。
对该实施例中制备的减阻泥浆进行性能测试，测试了减阻泥浆的失水量、粘度、析水率、动切力、初始静切力、最终静切力。各项性能测试结果如下表1所示。
本发明制备的触变减阻泥浆对于润滑性能影响较大的性能主要有失水量、粘度和析水率。减阻泥浆应用在箱涵顶进施工过程，要求减阻泥浆的粘度大于30s，失水量需要小于25ml/min，析水率越小越好。
实施例2
本实施例提供的一种箱涵顶进施工的减阻泥浆，按重量份数计，原料包括：钙基膨润土80份，羧甲基纤维素钠1份，纯碱3份，水916份。
该减阻泥浆的制备方法，包括以下步骤：
S1，将钙基膨润土放入搅拌容器中，加水搅拌均匀，得到悬浮液；
S2，将羧甲基纤维素钠、纯碱放入搅拌容器中，与悬浮液混合搅拌均匀，搅拌时间应12min，得到混合物；
S3，将混合物静置膨化12h即得减阻泥浆成品。
对该实施例中制备的减阻泥浆进行性能测试，性能测试的步骤和方法与实施例1中相同，在此不再赘述。测试结果如下表1所示。
实施例3
本实施例提供的一种箱涵顶进施工的减阻泥浆，按重量份数计，原料包括：钙基膨润土100份，羧甲基纤维素钠1份，纯碱3份，水896份。
该减阻泥浆的制备方法，包括以下步骤：
S1，将钙基膨润土放入搅拌容器中，加水搅拌均匀，得到悬浮液；
S2，将羧甲基纤维素钠、纯碱放入搅拌容器中，与悬浮液混合搅拌均匀，搅拌时间应20min，得到混合物；
S3，将混合物静置膨化48h即得减阻泥浆成品。
对该实施例中制备的减阻泥浆进行性能测试，性能测试的步骤和方法与实施例1中相同，在此不再赘述。测试结果如下表1所示。
实施例4
本实施例提供的一种箱涵顶进施工的减阻泥浆，按重量份数计，原料包括：钙基膨润土80份，羧甲基纤维素钠2份，纯碱3份，水915份。
该减阻泥浆的制备方法，包括以下步骤：
S1，将钙基膨润土放入搅拌容器中，加水搅拌均匀，得到悬浮液；
S2，将羧甲基纤维素钠、纯碱放入搅拌容器中，与悬浮液混合搅拌均匀，搅拌时间应30min，得到混合物；
S3，将混合物静置膨化15h即得减阻泥浆成品。
对该实施例中制备的减阻泥浆进行性能测试，性能测试的步骤和方法与实施例1中相同，在此不再赘述。测试结果如下表1所示。
实施例5
本实施例提供的一种箱涵顶进施工的减阻泥浆，按重量份数计，原料包括：钙基膨润土80份，羧甲基纤维素钠1份，纯碱4份，水915份。
该减阻泥浆的制备方法，包括以下步骤：
S1，将钙基膨润土放入搅拌容器中，加水搅拌均匀，得到悬浮液；
S2，将羧甲基纤维素钠、纯碱放入搅拌容器中，与悬浮液混合搅拌均匀，搅拌时间应15min，得到混合物；
S3，将混合物静置膨化20h即得减阻泥浆成品。
对该实施例中制备的减阻泥浆进行性能测试，性能测试的步骤和方法与实施例1中相同，在此不再赘述。测试结果如下表1所示。
对照例1
本对照例和实施例2的区别在于，将羧甲基纤维素钠CMC的份数更改为0.5份，其他步骤和方法与实施例2相同。
对该实施例中制备的减阻泥浆进行性能测试，性能测试的步骤和方法与实施例1中相同，在此不再赘述。测试结果如下表1所示，以D1表示。
对照例2
本对照例和实施例2的区别在于，将纯碱的份数更改为2份，其他步骤和方法与实施例2相同。
对该实施例中制备的减阻泥浆进行性能测试，性能测试的步骤和方法与实施例1中相同，在此不再赘述。测试结果如下表1所示，以D2表示。
对照例3
本对照例和实施例2的区别在于，将钙基膨润土的份数更改为120份，其他步骤和方法与实施例2相同。
该实施例中制备的减阻泥浆液体状态发生改变，泥浆由减阻状态变成流塑状态，不再满足使用要求，以D3表示。
表1实施例和对照例中制备的减阻泥浆主要性能指标表
通过表1中可知，实施例1、实施例2、实施例3和对照例3对比，当减阻泥浆中羧甲基纤维素钠CMC和纯碱含量一定时，随着钙基膨润土含量增加，减阻泥浆的失水量不断降低，主要是因为钙基膨润土质量份数增大时，减阻泥浆中固相会占绝对优势，从而影响到减阻泥浆粘度，使失水量降低；随着钙基膨润土质量份数的增大，减阻泥浆粘度不断增大，特别是当钙基膨润土质量份数大于80份时，粘度的增加将非常显著，但当钙基膨润土质量份数过多后，减阻泥浆由减阻状态变成流塑状态，不再满足使用要求；钙基膨润土含量会影响减阻泥浆的析水率大小，钙基膨润土含量越大，析水率越低，当钙基膨润土质量份数达到60份时，减阻泥浆析水率为0，再增大膨润土质量份数对减阻泥浆析水率影响较小。
通过对比实施例2、实施例4和对照例1对比可知，当减阻泥浆中钙基膨润土和纯碱含量一定时，随着羧甲基纤维素钠CMC含量增加，减阻泥浆的失水量逐渐减小，当质量份数增大至1份之后，失水量变化不明显，几乎可以不用考虑；随着羧甲基纤维素钠CMC含量的增大，减阻泥浆粘度大体上呈增加趋势，当质量份数超过2份之后，增大趋势愈发明显，这主要是羧甲基纤维素钠CMC起到了增稠作用，显然，羧甲基纤维素钠CMC可以明显改善减阻泥浆的稠度；随着羧甲基纤维素钠CMC含量的增大，减阻泥浆的析水率几乎没有变化，当其质量份数达到1份后，减阻泥浆析水率变为0。
通过对比实施例2、实施例5和对照例2对比可知，当减阻泥浆中钙基膨润土和羧甲基纤维素钠CMC含量一定时，随着纯碱含量增加，减阻泥浆的失水量减小，在纯碱质量份数为4份时，减阻泥浆的失水量达到最小，其值为8.3ml/30min，这是因为纯碱加入减阻减阻泥浆中可与减阻泥浆中的部分钙离子发生交换，增大了减阻泥浆的水化能力，从而降低减阻泥浆的失水量，但加入过多的纯碱后，会有多余的纯碱溶解在减阻泥浆中，这反而会增大其失水量，由此影响减阻泥浆的性能；随着纯碱含量的增大，减阻泥浆的粘度减小，在减阻泥浆中纯碱质量份数达到3份时，减阻泥浆的粘度达到最大，其值为42.24s；随着纯碱含量的增大，减阻泥浆的析水率会不断降低，在其质量份数达到3份时，析水率变为零。
综上，实施例2是本发明的最佳实施例配比，由实施例2制取的减阻泥浆在流动性、粘度、保水性、制备时间、原料成本、触变性等要素中综合达到箱涵顶进施工最优的配比。
本发明的减阻泥浆可以在箱涵壁周围形成良好的泥浆套，在箱涵顶进过程中泥浆具有流动性，可以起到润滑减阻作用，减小箱涵顶推力；顶进完成后呈现凝胶状态，起到填充支撑作用。此外，原材料简单，来源广泛，材料成本和制备成本较低，有利于节约施工成本；减阻泥浆制备方法简单，耗时短，有利于节约人力物力，缩短工期；减阻泥浆能够起到良好的润滑减阻作用，减小箱涵推顶力，具备填充支撑作用，减小上覆土体沉降，进而降低施工人员面临坍塌的风险。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种箱涵顶进施工的减阻泥浆，其特征在于，按照质量份数计，所述减阻泥浆包括如下组分：
膨润土60-100份，羧甲基纤维素钠1-2份，纯碱3-4份，水894-936份。
2.如权利要求1所述的箱涵顶进施工的减阻泥浆，其特征在于，所述膨润土含量占减阻泥浆的质量百分比为6-10％。
3.如权利要求1或2所述的箱涵顶进施工的减阻泥浆，其特征在于，所述羧甲基纤维素钠含量占减阻泥浆的质量百分比为0.1-0.2％。
4.如权利要求1或2所述的箱涵顶进施工的减阻泥浆，其特征在于，所述纯碱含量占减阻泥浆的质量百分比为0.3-0.4％。
5.如权利要求1或2所述的箱涵顶进施工的减阻泥浆，其特征在于，所述水占减阻泥浆的质量百分比为89.4-93.6％。
6.如权利要求1所述的箱涵顶进施工的减阻泥浆，其特征在于，所述减阻泥浆中的组分满足以下质量比，膨润土:羧甲基纤维素钠:纯碱:水＝8:0.1:0.3:91.6。
7.如权利要求1所述的箱涵顶进施工的减阻泥浆，其特征在于，所述膨润土为钙基膨润土或钠基膨润土。
8.如权利要求1所述的箱涵顶进施工的减阻泥浆，其特征在于，所述膨润土为钙基膨润土。
9.一种如权利要求1～8任一项所述的箱涵顶进施工的减阻泥浆的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括如下步骤：
S1，将所述膨润土加入搅拌容器中，加入水搅拌均匀，得到悬浮液；
S2，将所述羧甲基纤维素钠和所述纯碱加入所述搅拌容器中，与所述悬浮液混合搅拌均匀，得到混合物；
S3，将所述混合物静置膨化得到减阻泥浆。
10.如权利要求9所述的箱涵顶进施工的减阻泥浆的制备方法；其特征在于，步骤S2中，所述混合搅拌时间超过10min；
步骤S3中，所述混合物静置膨化12-48h。
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