一種護(hù)壁性能穩(wěn)定的海水泥漿的配合比設(shè)計(jì)方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種護(hù)壁性能穩(wěn)定的海水泥漿的配合比設(shè)計(jì)方法，包括以下步驟：一、選擇原材料；二、設(shè)計(jì)三因素五水平正交試驗(yàn)方案；三、制備25組海水泥漿；四、對各組海水泥漿均進(jìn)行比重、粘度、酸堿度、失水率和泥皮厚度測試；五、對測試結(jié)果進(jìn)行分析，確定最優(yōu)因素水平組合，從而得到護(hù)壁性能穩(wěn)定的海水泥漿的最佳配合比。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明通過對原材料的選取和配合比的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了增強(qiáng)海水泥漿的穩(wěn)定性、尤其是穩(wěn)定海水泥漿的護(hù)壁性能的目的。此外，本發(fā)明通過對海水泥漿的比重、粘度、pH、失水量、泥皮厚度等指標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化，能夠有效地防止孔壁的坍塌與地下水的滲入，使海水泥漿的護(hù)壁性能具有顯著的穩(wěn)定性。
【專利說明】一種護(hù)壁性能穩(wěn)定的海水泥漿的配合比設(shè)計(jì)方法【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于海上橋梁樁基礎(chǔ)鉆孔灌注樁泥漿【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種護(hù)壁性能穩(wěn)定的海水泥漿的配合比設(shè)計(jì)方法。
【背景技術(shù)】
[0002]目前我國修建的跨海大橋越來越多，在海洋環(huán)境下樁基鉆孔施工需要制備大量的泥漿，優(yōu)質(zhì)泥漿是保證樁基質(zhì)量的關(guān)鍵因素，現(xiàn)行規(guī)范要求的淡水配置泥漿在海洋環(huán)境下的局限性:(1)淡水在儲存、運(yùn)輸過程中受場地的限制和運(yùn)輸能力的限制，影響施工進(jìn)度，增大了施工成本；(2)采用淡水制備的泥漿仍會受到海水的污染，影響泥漿的性能；(3)淡水制備泥漿過程中需要供應(yīng)大量的淡水，由此將大大降低施工效率，增加施工成本。因此，為方便就地取材、降低施工成本、提高施工效率，采用海水泥漿是海洋環(huán)境下大型橋梁樁基礎(chǔ)施工需要考慮的關(guān)鍵技術(shù)之一。
[0003]目前，傳統(tǒng)的海水泥漿配合比設(shè)計(jì)僅考慮了海水中存在大量的Ca2+、Mg2+、Na+、Cl—等離子，忽視了海水由于潮汐現(xiàn)象而導(dǎo)致的離子濃度的變化，當(dāng)采用不同階段的海水制備泥漿時(shí)，泥漿的性能指標(biāo)變形性很大。另外，傳統(tǒng)的海水泥漿配合比設(shè)計(jì)參考淡水泥漿性能指標(biāo)作為驗(yàn)證指標(biāo)，缺少針對海水中有關(guān)離子濃度變化對泥漿護(hù)壁性能的影響分析，缺乏一種護(hù)壁性能穩(wěn)定的落潮海水泥漿合比設(shè)計(jì)方法。因此，海水泥漿配合比設(shè)計(jì)過程中，必須考慮到海水中離子濃度及其變化規(guī)律對海水泥漿護(hù)壁性能指標(biāo)及其配合比的影響。
[0004]此外，在用海水直接制備泥漿時(shí)，鈉基膨潤土與海水相溶會凝聚和沉淀分離，海水直接造漿膠體率低、穩(wěn)定性差、護(hù)壁性能差。因此用海水制備泥漿，必須選用適宜的泥漿增粘劑與分散劑，使海水泥漿的穩(wěn)定性滿足要求，實(shí)現(xiàn)其防止孔壁的坍塌與地下水的滲入，增強(qiáng)泥漿的護(hù)壁作用。
[0005]總體來說，淡水泥漿配合比設(shè)計(jì)方法費(fèi)時(shí)、費(fèi)力、投資大，海水泥漿就地取材，無需專門的造漿設(shè)備等優(yōu)點(diǎn)，但需要克服由于海水離子濃度變化導(dǎo)致的泥漿穩(wěn)定性差、膠體率低、護(hù)壁性能差等缺點(diǎn)。因此，亟需克服上述泥漿性能穩(wěn)定性差，尤其是護(hù)壁性能不良的缺點(diǎn)，提供一種護(hù)壁性能穩(wěn)定的落潮海水泥漿配合比設(shè)計(jì)方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題在于針對上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種護(hù)壁性能穩(wěn)定的海水泥漿的配合比設(shè)計(jì)方法。該方法根據(jù)實(shí)際工程中對泥漿護(hù)壁的要求，并結(jié)合施工條件和原材料的特點(diǎn)，通過正交試驗(yàn)確定落潮海、造漿粘土、增粘劑和分散劑的比例，設(shè)計(jì)制備出穩(wěn)定性強(qiáng)、護(hù)壁性能高的海水泥漿，并改善了控制泥漿護(hù)壁性能的指標(biāo)，在確保工程適用性的基礎(chǔ)上，具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益、社會效益、環(huán)境效益及技術(shù)效益。
[0007]為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是:一種護(hù)壁性能穩(wěn)定的海水泥漿的配合比設(shè)計(jì)方法，其特征在于，該方法包括以下步驟:
[0008] 步驟一、選擇原材料:[0009]a.海水:選用落潮期天然海水；
[0010]b.造衆(zhòng)粘土:選用鈉基膨潤土為造衆(zhòng)粘土 ；
[0011]c.增粘劑:選用聚丙烯酰胺為增粘劑；
[0012]d.分散劑:選用純堿為分散劑；
[0013]步驟二、對海水泥漿的配合比進(jìn)行正交試驗(yàn)設(shè)計(jì):
[0014]在海水、造漿粘土、增粘劑和分散劑的質(zhì)量比為1000: (110~190): (0.005~
0.025): (2~4)的工況條件下，選用造漿粘土、增粘劑和分散劑為可變因素，各可變因素均選取五個(gè)水平數(shù)，由此設(shè)計(jì)出三因素五水平正交試驗(yàn)方案；
[0015]步驟三、按照步驟二所述三因素五水平正交試驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)要求制備25組海水泥漿，25組所述海水泥漿均通過步驟301~304制備得到:
[0016]步驟301、分別稱取海水、造漿粘土、增粘劑和分散劑；
[0017]步驟302、將部分海水加熱至65°C~80°C，然后將步驟301中稱取后的增粘劑均勻分散于加熱后的部分海水中，得到混合溶液；所述部分海水的質(zhì)量為步驟301中稱取后的海水總質(zhì)量的30% ； [0018]步驟303、將步驟301中稱取后的造漿粘土干燥后粉碎，然后將粉碎后的造漿粘土與步驟301中稱取后的分散劑拌合均勻，得到土堿混合物；
[0019]步驟304、將步驟302中所述混合溶液、步驟303中所述土堿混合物與剩余海水混合均勻后靜置24h~30h,然后在攪拌速率為30r/min~40r/min的條件下攪拌40min,得到海水泥漿；
[0020]步驟四、根據(jù)公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范要求，對25組所述海水泥漿的比重、粘度、酸堿度、失水率和泥皮厚度均進(jìn)行測試，以評價(jià)各組海水泥漿的護(hù)壁性能；
[0021]步驟五、對步驟四所得到的測試結(jié)果進(jìn)行分析，得到造漿粘土、增粘劑和分散劑對于海水泥漿的護(hù)壁性能的影響，最終確定最優(yōu)因素水平組合，從而得到護(hù)壁性能穩(wěn)定的海水泥漿的最佳配合比。
[0022]上述的一種護(hù)壁性能穩(wěn)定的海水泥漿的配合比設(shè)計(jì)方法，其特征在于，步驟一中所述鈉基膨潤土的膠體率不小于95%，含砂率不大于0.3%。
[0023]上述的一種護(hù)壁性能穩(wěn)定的海水泥漿的配合比設(shè)計(jì)方法，其特征在于，步驟303中所述干燥的溫度為65°C~80°C，所述干燥的時(shí)間為20min。
[0024]本發(fā)明的設(shè)計(jì)原理為:本發(fā)明海水泥漿的成分包括鈉基膨潤土，鈉基膨潤土的主要成分是蒙脫石。蒙脫石是由S1-Al-Si三層結(jié)構(gòu)重疊而成，它的不定形的板狀表面極易吸附陽離子。鈉基膨潤土具有觸變性能、濕脹性能和膠體性能。鈉基膨潤土和海水混合后，由于鈉基膨潤土的膨脹而使液體粘度增大，在靜置狀態(tài)下，鈉基膨潤土懸浮液流動(dòng)性變小，但攪動(dòng)后，又會恢復(fù)原來的流動(dòng)性(觸變性)。鈉基膨潤土加海水混合后，海水很快就會進(jìn)入蒙脫石的晶格之間，產(chǎn)生顯著的濕脹。濕脹程度依蒙脫石表面吸附的不同離子而異。鈉基膨潤土顆粒在水中濕脹后，就變成一種帶負(fù)電荷的親水膠體，從而使鈉基膨潤土顆粒保持分散的懸浮狀態(tài)，形成泥漿。
[0025]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下優(yōu)點(diǎn):
[0026]1、本發(fā)明通過選取落潮海水作為海水泥漿制備原料，充分利用落潮海水較漲潮海水的離子濃度相對穩(wěn)定的特性，且海水落潮歷時(shí)更長，更方便原材料的選取。此外，落潮海水的密度與淡水密度較為接近，更易控制海水泥漿的性能。
[0027]2、本發(fā)明通過選取鈉基膨潤土作為落潮海水泥漿制備原料，鈉基膨潤土是泥漿膠體質(zhì)的主要來源，鈉基膨潤土泥皮薄、穩(wěn)定性好、造漿率高。為了增大泥漿的膠體率，優(yōu)選膠體率不小于95%，含砂率不大于0.3%的鈉基膨潤土。
[0028]3、本發(fā)明通過在落潮海水泥漿中添加聚丙烯酰胺(PAM)，可改變原有泥漿失水量大、易分離、可靠性差、護(hù)壁性能不好，形成的泥皮較厚等缺點(diǎn)，使泥漿具有較好的觸變性、保水性、抗鹽性及較薄的泥皮，保持不分散、低固相的性能，提高泥漿的比重、粘度、PH值，降低泥漿的失水量，可起到防止鉆孔坍塌與地下水的滲入的作用，增強(qiáng)泥漿的護(hù)壁作用，克服海水離子濃度對泥漿性能的影響。
[0029]4、本發(fā)明通過在落潮海水泥漿中添加純堿(Na2CO3),使鈉基膨潤土與海水相溶會凝聚和沉淀分離的現(xiàn)象不再發(fā)生，可以將鈉基膨潤土的顆粒進(jìn)行分散，使海水與鈉基膨潤土顆粒接觸更加充分，提高泥漿的膠體率、PH值、粘度，克服海水離子濃度對泥漿性能的影響，增強(qiáng)泥漿護(hù)壁、防止塌孔的作用。此外，添加Na2CO3可以將鈉基膨潤土顆粒進(jìn)行分散，增加泥漿表面負(fù)電荷，以吸附帶正電荷的鉆屑，改善泥漿懸浮鉆屑性能。
[0030]5、本發(fā)明通過在落潮海水泥漿中添加PAM和Na2CO3,可使該泥漿具有如下特點(diǎn):
(I)粘度高。該泥漿粘度很高，因此相應(yīng)的膠體率大。這樣，泥漿膠體在粉細(xì)砂、粗砂礫石土體中形成一層化學(xué)膜，封閉孔壁，保持孔壁穩(wěn)定。(2)失水量小。一般而言，泥皮厚度與泥漿過濾失水率成正比，該泥漿的低失水率使其具有泥皮薄的特點(diǎn)。(3)成孔后泥皮薄。這是該泥漿的一個(gè)重要特點(diǎn)。采用這種泥漿后，孔壁泥皮厚度小于1mm，這是淡水泥漿難以辦到的。(4)不分散。該性能使鉆孔后泥漿發(fā)生絮凝作用，從而使泥漿中的細(xì)顆粒鉆屑進(jìn)一步變成較大顆粒沉渣，進(jìn)而易被機(jī)械除砂裝置清除。該泥漿的這種保留優(yōu)質(zhì)的造漿粘土、絮凝去除劣質(zhì)鉆屑的特殊功能十分有利于泥漿循環(huán)、凈化。
[0031]6、為了達(dá)到增強(qiáng)泥漿的護(hù)壁性能的目的，本發(fā)明優(yōu)化了一系列海水泥漿指標(biāo)，其指標(biāo)包括:比重、粘度、pH、失水量、泥皮厚。海水泥漿比重增大可以增大孔壁的側(cè)壓力，孔壁也趨于穩(wěn)定，然而海水泥漿比重過大，會導(dǎo)致失水量增大，泥皮厚也會增加，增加清孔和灌漿的困難；海水泥漿比重減小會減小孔壁側(cè)壓力，造成孔壁坍塌的現(xiàn)象。海水泥漿粘度增大會導(dǎo)致泥皮厚度增加，對阻止地下水滲透有利，然而海水泥漿過大會導(dǎo)致“糊鉆”，影響鉆進(jìn)速度，增加海水泥漿凈化的困難；海水泥漿粘度過小會導(dǎo)致泥皮厚度過薄，對阻止地下水滲透不利。海水泥漿的pH值與樁周海水及泥土中的鹽分相關(guān)，pH上升會使孔壁表面軟化，造成孔壁坍塌。海水泥漿失水量增大可以增加泥皮厚度，對阻止地下水滲透有利，然而海水泥漿失水量過大形成的孔壁海水泥漿皮過厚，容易引發(fā)塌孔；海水泥漿失水量減小則反之。海水泥漿泥皮厚度增加容易形成縮孔及塌孔現(xiàn)象；海水泥漿泥皮過薄，則不能起到護(hù)壁的作用。
[0032]7、本發(fā)明在海水泥漿配合比設(shè)計(jì)過程中，通過選用落潮海水作為泥漿制備的原材料，并在其中添加增 粘劑PAM和分散劑Na2CO3,實(shí)現(xiàn)了增強(qiáng)泥漿的穩(wěn)定性，提高泥漿的護(hù)壁性能的目的。此外，本發(fā)明著重考慮了落潮海水泥漿的護(hù)壁性能，優(yōu)化了落潮海水泥漿的比重、粘度、pH、失水量、泥皮厚指標(biāo)，有效地防止孔壁的坍塌與地下水的滲入，增強(qiáng)泥漿的護(hù)壁作用，并且能夠保證懸浮鉆渣和攜帶鉆渣的能力，降低海洋鉆孔施工成本，減少海洋鉆孔施工中斷，減少海洋鉆孔事故發(fā)生率。具有操作方便、保證施工質(zhì)量、縮短施工工期的特點(diǎn)，在確保工程適用性的基礎(chǔ)上，具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益、社會效益、環(huán)境效益及技術(shù)效益。
[0033]下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0034]圖1為本發(fā)明護(hù)壁性能穩(wěn)定的海水泥漿的配合比設(shè)計(jì)流程圖。
[0035]圖2為本發(fā)明海水泥漿的制備工藝流程圖。
[0036]圖3為本發(fā)明鈉基膨潤土含量-海水泥漿比重曲線。
[0037]圖4為本發(fā)明鈉基膨潤土含量-海水泥漿粘度曲線。
[0038]圖5為本發(fā)明鈉基膨潤土含量-海水泥漿失水量曲線。
[0039]圖6為本發(fā)明鈉基膨潤土含量-海水泥漿泥皮厚度曲線。
[0040]圖7為本發(fā)明鈉基膨潤土含量-海水泥漿pH值曲線。
[0041]圖8為本發(fā)明鈉基膨潤土含量-海水泥漿膠體率曲線。
[0042]圖9為本發(fā)明鈉基膨潤土含量-海水泥漿含砂率曲線。
[0043]圖10為本發(fā)明PAM含量-海水泥漿粘度曲線。
[0044]圖11為本發(fā)明PAM含量-海水泥漿失水量曲線。
[0045]圖12為本發(fā)明PAM含量-海水泥漿泥皮厚度曲線。
[0046]圖13為本發(fā)明PAM含量-海水泥漿pH值曲線。
[0047]圖14為本發(fā)明PAM含量-海水泥漿膠體率曲線。
[0048]圖15為本發(fā)明純堿含量-海水泥漿粘度曲線。
[0049]圖16為本發(fā)明純堿含量-海水泥漿失水量曲線。
[0050]圖17為本發(fā)明純堿含量-海水泥漿泥皮厚曲線。
[0051]圖18為本發(fā)明純堿含量-海水泥漿pH值曲線。
[0052]圖19為本發(fā)明純堿含量-海水泥漿膠體率曲線。
【具體實(shí)施方式】
[0053] 申請人:在福建省瑯岐閩江大橋橋址處進(jìn)行超長樁基礎(chǔ)鉆孔施工的過程中，提出了一種適用于瑯岐閩江大橋工況、護(hù)壁性能穩(wěn)定的海水泥漿的配合比設(shè)計(jì)方法，其設(shè)計(jì)流程如圖1所示。具體過程如下:
[0054]步驟一、選擇海水泥衆(zhòng)的原材料
[0055]a.海水的選擇:利用瑯岐閩江大橋橋址處的天然海水進(jìn)行試驗(yàn)，取漲潮期天然海水和落潮期天然海水用來制備海水泥漿?，樶}江大橋橋址處的天然海水的物理化學(xué)指標(biāo)見表1。
[0056]表1瑯岐閩江大橋橋址處的天然海水理化指標(biāo)
[0057]
^目I密度I H I不溶物可溶物氯化物硫酸鹽~堿含量~ 類別(g/cm3) P (mg/L) (mg/L) (mg/L) (mg/L) (mg/L)
漲潮海水 1.01 7 IOl86 97.61 48.041133
落潮海水 1.003 6.6 121105 1375.35 81.671180[0058]b.造漿粘土的選擇:現(xiàn)場試驗(yàn)研究選用以蒙脫石含量高的山東鈉基膨潤土 ；其膠體率不小于95%,含砂率不大于0.3%。
[0059]c.增粘劑的選擇:現(xiàn)場試驗(yàn)研究選用聚丙烯酰胺(PAM)作為增粘劑。
[0060]d.分散劑的選擇:現(xiàn)場試驗(yàn)研究選用純堿(Na2CO3)作為分散劑。
[0061]步驟二、對海水泥漿的配合比進(jìn)行正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)
[0062]在海水、鈉基膨潤土、PAM和Na2CO3的質(zhì)量比為1000: (110~190): (0.005~
0.025): (2~4)的工況條件下，設(shè)定工況I為:漲潮海水+鈉基膨潤土 +PAM+Na2C03 ;限定工況2為:落潮海水+鈉基膨潤土 +PAM+Na2C03。其中，試驗(yàn)海水用量均按1000g計(jì)算，落潮海水的密度按1.000g/cm3進(jìn)行計(jì)算。
[0063]選取鈉基膨潤土、PAM和Na2CO3作為可變因素，鈉基膨潤土選取110g、130g、150g、170g 和 190g 五個(gè)水平數(shù)，PAM 選取 0.005g、0.01g、0.015g、0.02g 和 0.025g 五個(gè)水平數(shù)，Na2CO3選取28、2.58、38、3.58和48五個(gè)水平數(shù)，設(shè)計(jì)出三因素五水平即L25 (53)正交試驗(yàn)方案，對海水泥漿的工程適用性展開研究。兩種工況條件下的正交試驗(yàn)因素水平見表2。漲潮海水泥漿的三因素五水平正交試驗(yàn)方案和試驗(yàn)結(jié)果見表3。落潮海水泥漿的三因素五水平正交試驗(yàn)方案和試驗(yàn)結(jié)果見表4。
[0064]表2正交試驗(yàn)因素水平表
[0065]
【權(quán)利要求】
1.一種護(hù)壁性能穩(wěn)定的海水泥漿的配合比設(shè)計(jì)方法，其特征在于，該方法包括以下步驟: 步驟一、選擇原材料: a.海水:選用落潮期天然海水； b.造衆(zhòng)粘土:選用鈉基膨潤土為造衆(zhòng)粘土 ； c.增粘劑:選用聚丙烯酰胺為增粘劑； d.分散劑:選用純堿為分散劑； 步驟二、對海水泥漿的配合比進(jìn)行正交試驗(yàn)設(shè)計(jì): 在海水、造漿粘土、增粘劑和分散劑的質(zhì)量比為1000: (110~190): (0.005~0.025): (2~4)的工況條件下，選用造漿粘土、增粘劑和分散劑為可變因素，各可變因素均選取五個(gè)水平數(shù)，由此設(shè)計(jì)出三因素五水平正交試驗(yàn)方案； 步驟三、按照步驟二所述三因素五水平正交試驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)要求制備25組海水泥漿，25組所述海水泥漿均通過步驟301~304制備得到: 步驟301、分別稱取海水、造漿粘土、增粘劑和分散劑； 步驟302、將部分海水加熱至65°C~80°C，然后將步驟301中稱取后的增粘劑均勻分散于加熱后的部分海水中，得到混合溶液；所述部分海水的質(zhì)量為步驟301中稱取后的海水總質(zhì)量的30% ； 步驟303、將步驟301中稱取后的造漿粘土干燥后粉碎，然后將粉碎后的造漿粘土與步驟301中稱取后的分散劑拌合均勻，得到土堿混合物； 步驟304、將步驟302中所述混合溶液、步驟303中所述土堿混合物與剩余海水混合均勻后靜置24h~30h,然后在攪拌速率為30r/min~40r/min的條件下攪拌40min,得到海水泥漿； 步驟四、根據(jù)公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范要求，對25組所述海水泥漿的比重、粘度、酸堿度、失水率和泥皮厚度均進(jìn)行測試，以評價(jià)各組海水泥漿的護(hù)壁性能； 步驟五、對步驟四所得到的測試結(jié)果進(jìn)行分析，得到造漿粘土、增粘劑和分散劑對于海水泥漿的護(hù)壁性能的影響，確定最優(yōu)因素水平組合，從而得到護(hù)壁性能穩(wěn)定的海水泥漿的最佳配合比。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種護(hù)壁性能穩(wěn)定的海水泥漿的配合比設(shè)計(jì)方法，其特征在于，步驟一中所述鈉基膨潤土的膠體率不小于95%，含砂率不大于0.3%。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種護(hù)壁性能穩(wěn)定的海水泥漿的配合比設(shè)計(jì)方法，其特征在于，步驟303中所述干燥的溫度為65°C~80°C，所述干燥的時(shí)間為20min。
【文檔編號】C04B14/10GK103951320SQ201410153113
【公開日】2014年7月30日 申請日期:2014年4月16日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月16日
【發(fā)明者】馮忠居, 王增賢, 梁勇旗, 李維洲, 陳思曉, 林伯章, 程立平, 蔡杰, 張建忠, 聶錦雄, 賀健軍, 殷坤宇, 王坤, 馮云鶴 申請人:長安大學(xué)