壓樁用新型減阻固化泥漿配制及性能研究

駱晚玥，汪華文，沈爾卜，程書凱

（1.中交武漢港灣工程設計研究院有限公司，湖北 武漢 430040；2.海工結構新材料及維護加固技術湖北省重點實驗室，湖北 武漢 430040）

0 引言

在壓樁施工過程中，為減小沉樁時樁外壁所受的摩擦阻力需進行注漿減阻。其理是在樁基周圍注入注漿潤滑材料以減小樁身與土體之間的摩擦阻力[1-3]；同時漿液固化后形成膠凝體，能夠有效填充樁身結構與外圍土體之間的空隙，維持沉樁過程樁體周圍泥水、土壓平衡[4-6]。目前常用注漿潤滑材料有兩類：一類以膨潤土為主，另一類為人工合成的高分子材料，而膨潤土至今仍是頂管施工中的主要潤滑材料[7]。但是目前不論是膨潤土亦或是高分子材料配制的減阻泥漿均強度不足，且不易排出，容易在樁土之間形成一層泥皮，降低樁土間的摩阻力，導致樁基承載力不足[8-9]。

針對以上問題，本文以水泥、粉煤灰、膨潤土為基礎料，引入無機礦物摻和料、高分子增稠劑、納米材料，配制出了一種新型水泥基減阻固化泥漿，可大幅降低壓樁時的摩阻系數，提高施工效率，同時對砂地層具有半滲透能力，可維持沉樁過程中樁體周圍泥水、土壓平衡，固化后強度與土體強度相當，填充樁基與土體間的間隙，整體提升樁基礎在傳荷過程中的穩定性。

1 試驗方案及測試方法

1.1 材料

減阻泥漿主要包含水、膨潤土、水泥、粉煤灰等，其中，水泥為普通硅酸鹽42.5級水泥，粉煤灰為二級粉煤灰，膨潤土為玉級鈉基膨潤土，微珠為粒徑800滋m的球狀超細粉煤灰，高分子增稠劑：聚丙烯酰胺（PAM）黏度范圍為500耀1 000 mPa·s、羧甲基纖維素（CMC）黏度范圍為800耀1 200 mPa·s，納米材料為晶粒平均尺寸為20耀60 nm的納米二氧化硅。

1.2 泥漿配制試驗

選用水泥+惰性摻和料+膨潤土+有機高分子的膠材體系，引入無機礦物摻和料（微珠）、高分子增稠劑、納米材料，研究對減阻固化泥漿的潤滑性、滲透性、封堵性的優化作用。

研究各材料摻量對泥漿力學性能和潤滑性能的影響規律，選取泥漿三大關鍵參數，即水膠比（實驗用水與膠凝材料的質量比）、粉灰比（粉煤灰與水泥的質量比）、膨水比（膨潤土與實驗用水的質量比）為主要變量進行配合比試驗。

1.3 泥漿效果模擬試驗

進行砂土地層工況模擬，通過泥漿添加前后摩擦系數的減小率值來評價泥漿的減阻效果，通過對砂黏土地層的滲透量評價泥漿的滲透性能。

1.4 測試方法和裝置

1）泥漿基本性能：減阻泥漿的凝結時間、抗壓強度參考JGJ/T 70—2009《建筑砂漿基本性能試驗方法標準》進行試驗；流動度測試參考GB/T 2419—2016《水泥膠砂流動度測定方法》。

2）黏滯系數測試：采用泥漿黏滯系數測試儀（山東美科儀器NZ-3A）測得。

3）減阻試驗：通過測試砂土地層面上混凝土試塊動摩擦系數來評價泥漿的減阻性能，試驗裝置如圖1所示。

圖1 摩擦阻力模擬試驗及理Fig.1 Friction resistance simulation test and principle

4）封堵性能試驗：采用自制設備“一種模擬地層泥漿滲透裝置”評價漿液在砂地層中的封堵性能。以相同壓力下的濾水量（滲透量）評價泥漿的封堵性能，試驗裝置如圖2所示。依次裝入高5 cm、粒徑為2耀5 mm的瓜米石、高度30 cm的砂以模擬地層，然后注入一定高度的泥漿，密封法蘭盤；通過空壓機和穩壓閥向滲透柱中施加所需的氣壓后，所選氣壓為模擬壓樁過程中樁身通過泥漿傳遞給地層的側壓力。

圖2 泥漿滲透模擬裝置Fig.2 Mud infiltration simulation device

2 結果與討論

2.1 多體系對泥漿性能優化的影響

2.1.1 礦物摻合料體系

基于工程經驗以水膠比為1.3，膨水比1/4，粉灰比4做為基礎配比，試驗不同比例微珠替代粉煤灰對泥漿性能的影響，試驗結果如表1所示。

表1 礦物摻合料體系配合比方案及試驗結果Table 1 Mix proportion scheme and test results of mineral admixture system

結果表明微珠摻入后泥漿流動性有明顯改善，20%微珠替代量的配比流動度最大，但力學性能與體積穩定性較差。隨著漿液中固體顆粒的數量增多，填補了顆粒空隙，有效改善了漿液固化后的力學性能及體積收縮現象。綜合考慮泥漿應用場景需求以及收縮率控制，選擇微珠替代70%粉煤灰B-3配比方案。

2.1.2 高分子材料體系

根據上節摻合料體系優化實驗結果，以B-3實驗配合比作為基礎漿液，選用CMC、PAM作為增稠劑進行對比研究。通常CMC摻量一般為干粉料質量的0.2%，而PAM的摻量一般為0.02%，在此基礎上對摻量做相應調整，試驗結果如表2所示。

表2 高分子材料體系配合比方案及試驗結果Table 2 Mix proportion scheme and test results of polymer material system

可以看出，摻入PAM的泥漿較摻入CMC表現出更小的黏滯系數，泥漿的潤滑效果更佳，因在于兩者由于分子結構不同引起其在混凝土中的增稠機理不同。纖維素類增稠劑的分子結構中存在疏水主鏈，可與周圍水分子通過氫鍵結合，減少顆粒自由活動的空間，從而提高體系黏度。聚丙烯酸類增稠劑是由其分子結構中的同性靜電斥力，把分子鏈由螺旋狀結構伸展為棒狀結構，從而提高了液相的黏度。

CMC與PAM均可改善泥漿的工作性能，兩者對于泥漿強度、體積收縮率無明顯影響，PAM增稠劑的潤滑性能優于CMC，當PAM摻量為泥漿粉料總質量的0.02%時，潤滑效果最佳。

2.1.3 納米材料體系

本研究中選用納米二氧化硅、納米苯丙乳液兩種不同種類納米材料對漿液潤滑性進行優化，以優選出的C-4配比方案為基礎配合比進行泥漿減阻性能實驗，配合比方案及試驗結果如表3所示。

表3 納米材料體系配合比方案及試驗結果Table 3 Mix proportion scheme and test results of nano material system

從試驗結果看，加入含量相同的2種納米材料，其黏滯系數、抗壓強度等多項技術指標無明顯差異，還需進行室內模擬試驗進一步驗證其減阻效果。

2.2 泥漿減阻性能模擬試驗

通過摩擦力測試試驗，測試有無減阻泥漿時的滑動摩擦力，計算對應工況下的摩擦系數，以摩擦系數的變化值評價泥漿減少摩擦程度，試驗選擇了4組配合比方案進行摩擦力測試試驗，試驗配比及結果如表4所示。

表4 阻力模擬試驗泥漿配合比方案及減阻率Table 4 Mud mix proportion scheme and drag-reducing rate for resistance simulation test

分析試驗結果可知：納米乳液對于泥漿的減阻效果優于納米二氧化硅，這是由于納米二氧化硅與高分子聚合物相容性良好，且顆粒之間作用力對泥漿體系增稠作用更明顯，導致摩擦阻力增大。綜合比較，D-2組泥漿綜合減阻效果最佳，減阻率為59.01%。

2.3 泥漿半滲透封堵成膜性能試驗

基于前期摩擦阻力模擬試驗結果，試驗選取3組減阻固化泥漿配合比進行封堵性能試驗，對比不同高分子聚合物對泥漿成膜性能、納米材料對泥漿封堵性能的影響，配合比見表5所示。采用0.05 MPa、0.1 MPa、0.15 MPa、0.2 MPa、0.25 MPa及0.3 MPa分級加載的形式施加泥漿壓力進行滲透試驗，測試排出水體的質量作為滲透量的評定，結果如圖3所示。

表5 封堵性能模擬試驗泥漿配合比設計方案Table 5 Design scheme of mud mix proportion for plugging performance simulation test

圖3 不同配比泥漿對砂地層隨滲透壓力增加的累計排水量Fig.3 Cumulative displacement of different proportions of mud to sand formation with increasing seepage pressure

由圖3可知，B-3、C-4、D-1組試驗泥漿均在氣壓值為0.1 MPa、0.15 MPa、0.2 MPa時被擊穿，隨著高分子聚合物的增稠作用、納米材料對泥漿顆粒體系的單摻和雙摻，均能對泥漿的封堵性能進行不同程度優化，其中PMA的成膜效果優于CMC。D-2配合比展示了最佳封堵性能，說明高分子聚合物與納米材料的同時引入，可有效提升泥漿的半滲透與封堵成膜性能。

3 結語

1）采用膨潤土、水泥、粉煤灰、水為材料，采用微珠替代粉煤灰占比70%，添加PAM與納米苯丙乳液作為性能調節劑，使泥漿達到最佳潤滑效果，且泥漿28 d體積收縮率小于0.15%，泥漿呈半固體膏狀。

2）通過高分子增稠劑、優質礦物摻合料以及納米材料的復合作用可較大程度改善漿液在樁土間的潤滑性能，泥漿充盈狀態下的減阻率最佳可達到59.01%。

3）高分子聚合物的增稠作用、納米材料對泥漿顆粒體系的優化作用對泥漿的封堵效果均有積極作用，納米材料的引入能有效增加泥漿的半滲透與封堵成膜性能。