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顶管工程聚合物改性膨润土泥浆配比优化研究

雷华阳, 刘旭, 施福硕, 许英刚

雷华阳, 刘旭, 施福硕, 许英刚. 顶管工程聚合物改性膨润土泥浆配比优化研究[J]. 岩土工程学报, 2021, 43(S2): 51-55. DOI: 10.11779/CJGE2021S2012
引用本文: 雷华阳, 刘旭, 施福硕, 许英刚. 顶管工程聚合物改性膨润土泥浆配比优化研究[J]. 岩土工程学报, 2021, 43(S2): 51-55. DOI: 10.11779/CJGE2021S2012
LEI Hua-yang, LIU Xu, SHI Fu-shuo, XU Ying-gang. Proportional optimization of polymer-modified bentonite slurry in pipe jacking[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2021, 43(S2): 51-55. DOI: 10.11779/CJGE2021S2012
Citation: LEI Hua-yang, LIU Xu, SHI Fu-shuo, XU Ying-gang. Proportional optimization of polymer-modified bentonite slurry in pipe jacking[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2021, 43(S2): 51-55. DOI: 10.11779/CJGE2021S2012

顶管工程聚合物改性膨润土泥浆配比优化研究  English Version

基金项目: 

国家自然科学基金面上项目 52078334

天津市研究生科研创新项目 2020YJSB088

详细信息
    作者简介:

    雷华阳(1974— ),女,博士,教授,博士生导师,主要从事岩土工程等方面的教学和科研工作。E-mail:leihuayang74@163.com

  • 中图分类号: TU411

Proportional optimization of polymer-modified bentonite slurry in pipe jacking

  • 摘要: 聚合物改性膨润土泥浆具有良好的流变性和触变性,能充分发挥其在顶管施工过程中润滑和支撑的作用,进而有效提高工程的施工效率,并得到了广泛应用。针对不同的施工环境和地质条件,目前难以形成统一的泥浆配比方案。基于工程中对泥浆特性的基本要求,在合适的漏斗黏度和滤失量取值范围内,探究了羧甲基纤维素钠(CMC),聚丙烯酰胺(PAM)和瓜尔胶3种聚合物在不同膨润土和纯碱用量下对泥浆工程特性的影响,提出了相应指标的预测计算公式,并进行了关联性分析,可为工程应用中泥浆的制备提供参考。
    Abstract: The polymer-modified bentonite slurry has good rheological and thixotropic properties, which can adequately perform its functions of lubrication and support in pipe jacking construction. Therefore, it is widely used in construction due to its high efficiency. For different construction environments and geological conditions, it is difficult to form a unified slurry proportioning. Based on the requirements of slurry characteristics, the effects of sodium carboxymethyl cellulose (CMC), polyacrylamide (PAM) and guar gum on slurry characteristics are investigated. Within the suitable range of funnel viscosity and filtration loss, the prediction formula is proposed, and the correlation analysis is conducted, which can provide a reference for the preparation of slurry proportioning in engineering applications.
  • 膨润土是一种以蒙脱石为主要矿物成分的层状硅铝酸盐矿物,遇水膨胀,具有良好的吸附性和造浆性,被广泛应用于软土地基处理及建设工程当中[1-3]。膨润土泥浆主要可分为钠基膨润土泥浆和钙基膨润土泥浆,膨润土泥浆中的钠离子的离子交换能力远高于钙离子[4],钠基膨润土泥浆具有更高的吸附性、触变性和胶凝性,更适用于工程的应用。

    在顶管工程当中,管体侧壁与土体之间会生成较大的摩阻力,故需要注浆以降低管壁侧摩阻力,提高施工效率[5-7]。膨润土泥浆经搅拌后形成悬浮液,当浆液注入土层中的超挖间隙,其是具有黏性和流动性的胶体,使得管体侧壁的摩擦转化为湿摩擦[8];当渗入土层的浆液不再运动时,浆液又会发生絮凝,形成凝胶体,起到支撑作用[9]。由于膨润土泥浆的流变性和触变性,能充分发挥其在顶管施工过程中润滑和支撑的作用。顶管施工过程中膨润土泥浆注入土层后,先与周围土体发生渗透形成稳定的泥浆套后,再填补管体与土体之间的空隙。滤失量通常作为一项重要指标反映浆体形成泥饼形成的质量,滤失量越大则泥饼越厚且疏松,滤失量越小则泥饼的形态越薄且致密。低滤失量的泥浆在顶管工程中所形成的泥浆套不透水性更好,结构致密强度高,能够有效阻止地下水的侵入和泥浆的失水和渗透作用。泥浆良好的流动性有利于泥浆的泵送和流动,能够有效降低管壁的摩阻力,提高施工效率。漏斗黏度作为一项简单易测的指标,虽然不能反映泥浆的流变特性,但可反映泥浆的流动性,通常在施工现场作为一种便捷的泥浆控制指标。

    膨润土泥浆通常是由膨润土、水和添加剂按一定比例配置而成的,顶管施工中的膨润土泥浆通常选用纯碱和聚合物组合的方式来提高浆液的性能[10,11]。本文探究了羧甲基纤维素钠(CMC),聚丙烯酰胺(PAM)和瓜尔胶三种聚合物在不同膨润土和纯碱用量下对泥浆工程特性的影响,并提出了相应的预测公式,在此基础之上进行关联度分析,为工程应用中泥浆的制备提供参考。

    膨润土中的主要矿物成分为蒙脱石,蒙脱石的微观结构是由中间夹有一层铝氧八面体,上下两层各为硅氧四面体组成的三层片状结构,属于典型的2∶1型单斜晶细结构,具有较高的离子交换能力、吸附能力[4,12]。本文所选用膨润土的主要矿物成分:高岭石为0.2%,伊利石为16.1%,绿泥石为0.4%,蒙脱石含量达到83.3%。

    顶管工程中膨润土改性泥浆中的添加剂主要分为两类,一类为纯碱,能增强泥浆中离子交换作用,使得晶体结构带负电产生斥力,增强膨润土的分散效应,提高悬浮性;另一类为聚合物,能通过其自身的分子链吸附在膨润土晶体结构的表面,进而形成立体网状结构,提高泥浆工程特性。试验分别设置纯膨润土泥浆(A组)、纯碱膨润土泥浆(B组)、纯碱CMC膨润土泥浆(C组)、纯碱PAM膨润土泥浆(D组)和纯碱瓜尔胶膨润土泥浆(E组)进行对比分析研究,具体组别参见表15。其中,水的用量各组试验均选用1000 g的水进行泥浆的配置,纯碱的用量使泥浆中的纯碱浓度分别为0.4,0.8 mol/L。

    表  1  纯膨润土泥浆试验分组
    Table  1.  Grouping of bentonite slurry
    组别水/g纯碱/(mol·L-1)膨润土/g
    A11000050
    A275
    A3100
    A4150
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    表  2  纯碱膨润土泥浆试验分组
    Table  2.  Grouping of bentonite slurry with sodium carbonate
    组别水/g纯碱/(mol·L-1)膨润土/g
    B110000.450
    B275
    B3100
    B4150
    B50.850
    B675
    B7100
    B875
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    表  3  纯碱CMC膨润土泥浆试验分组
    Table  3.  Grouping of bentonite slurry with sodium carbonate and CMC
    组别水/g膨润土/g纯碱/(mol·L-1)CMC/g
    C1 500.42
    C2 3
    C3 4
    C4 5
    C5 750.81
    C610002
    C7 3
    C8 4
    C9 1000.81
    C10 2
    C11 3
    C12 4
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    表  4  纯碱PAM膨润土泥浆试验分组
    Table  4.  Grouping of bentonite slurry with sodium carbonate and PAM
    组别水/g膨润土/g纯碱/(mol·L-1)PAM/g
    D1 500.41
    D2 1.5
    D3 2
    D41000750.81
    D51.5
    D62
    D7 1000.81
    D8 1.5
    D9 2
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    表  5  纯碱瓜尔胶膨润土泥浆试验分组
    Table  5.  Grouping of bentonite slurry with sodium carbonate and guar gum
    组别水/g膨润土/g纯碱/(mol·L-1)瓜尔胶/g
    E11000750.40.2
    E20.3
    E30.4
    E41000.40.1
    E50.2
    E60.3
    E71500.80.1
    E80.2
    E90.3
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    在相同室温(20℃)、搅拌速率(1000 r/min)和搅拌时间(1 h)条件下,泥浆配置完成后静置30 min,再进行漏斗黏度和滤失量的测试。漏斗黏度采用漏斗黏度计进行测量,将700 mL浆液放入锥形漏斗当中,记录其流出500 mL泥浆所需的时间,即为漏斗黏度,通常建议取值范围为25~45 s[8]。滤失量可由中压滤失仪进行测量,在0.69 MPa的压力下,记录30 min通过滤失仪所渗出的液体量,即为滤失量,通常滤失量不宜超过25 mL[13]

    由于现场施工条件复杂,目前难以形成统一的泥浆配比方案。基于实际工程对泥浆特性的基本要求,开展了膨润土改性泥浆各主要成分用量与泥浆特性的量化分析,提出了相应的优化计算公式,为工程的泥浆应用选取提供了参考。

    A组是纯膨润土泥浆的试验组,其试验结果如图1所示,给出了膨润土含量为50,75,100,150 g的泥浆滤失量和漏斗黏度值,其拟合回归曲线为

    yo1=12.57+47.28e0.01x , (1)
    yo2=15+0.88x0.43  (2)
    图  1  纯膨润土泥浆指标特征曲线图
    Figure  1.  Characteristic curves of bentonite slurry

    B组试验是在膨润土泥浆中加入了纯碱,其试验结果如表6所示。为了更清晰地反映纯碱与泥浆特性间的联系,引入滤失量比η1和漏斗黏度比λ1分别来表示纯碱添加量与泥浆滤失量和漏斗黏度的影响:

    η1=Vn/Vo, (3)
    λ1=Fn/Vo (4)
    表  6  纯碱膨润土泥浆试验结果
    Table  6.  Results of bentonite slurry with sodium carbonate
    指标B1B2B3B4B5B6B7B8
    滤失量/(m·L-1)47.838.631.52449.740.232.424.6
    漏斗黏度/s19.520.4212318.519.319.921.8
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    式中VnFn为添加纯碱后的滤失量和漏斗黏度;VoFo为纯膨润土泥浆的滤失量和漏斗黏度。滤失量比η1和漏斗黏度比λ1与纯碱浓度x1之间的关系(见图2)可表示为

    η1=1.330.33ex10.22  (5)
    λ1=0.92+0.08ex10.47  (6)
    图  2  纯碱膨润土泥浆指标特征曲线图
    Figure  2.  Characteristic curves of bentonite slurry with sodium carbonate

    C组、D组、E组探究了聚合物添加量与泥浆特性之间的关系,如表79所示,聚合物的添加能显著提高泥浆漏斗黏度,降低滤失量。CMC在降低滤失量方面更为突出,PAM则在提高漏斗黏度方面更为出色,而瓜尔胶能在较少的添加量下,明显提升泥浆的工程特性。这里再引入滤失量比η2和漏斗黏度比λ2分别来表示聚合物添加量与泥浆的滤失量和漏斗黏度的影响,其表达式可表示为

    η2=Va/Vn, (7)
    λ2=Fa/Fn, (8)
    表  7  纯碱CMC膨润土泥浆试验结果
    Table  7.  Results of bentonite slurry with sodium carbonate and CMC
    指标C1C2C3C4C5C6C7C8C9C10C11C12
    滤失量/(m·L-1)10.69.69.18.412.298.17.411.77.976
    漏斗黏度/s24.228.142.970.221.625.134.258.324.935.656.3438.5
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    表  8  纯碱PAM膨润土泥浆试验结果
    Table  8.  Results of bentonite slurry with sodium carbonate and PAM
    指标D1D2D3D4D5D6D7D8D9
    滤失量/(m·L-1)14.313.711.813.612.310.912.211.810.2
    漏斗黏度/s33.336.939.134.538.441.335.44042.9
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    表  9  纯碱瓜尔胶膨润土泥浆试验结果
    Table  9.  Results of bentonite slurry with sodium carbonate and guar gum
    指标E1E2E3E4E5E6E7E8E9
    滤失量/(m·L-1)32.631.931.126.125.324.42019.618.8
    漏斗黏度/s24.227.835.22427.838.432.435.951.6
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    式中,VaFa为添加聚合物和纯碱后的泥浆滤失量和漏斗黏度。

    图35分别给出了CMC、PAM和瓜尔胶3种聚合添加量与泥浆液滤失量比和漏斗黏度比的关系曲线,其曲线关系可分别表示为

    图  3  纯碱CMC膨润土泥浆指标特征曲线图
    Figure  3.  Characteristic curves of bentonite slurry with sodium carbonate and CMC
    图  4  纯碱PAM膨润土泥浆指标特征曲线图
    Figure  4.  Characteristic curves of bentonite slurry with sodium carbonate and PAM
    图  5  纯碱瓜尔胶膨润土泥浆指标特征曲线图
    Figure  5.  Characteristic curves of bentonite slurry with sodium carbonate and guar gum

    滤失量比:

    η2={0.20+0.80e1.69x2(CMC)0.29+0.71e2.47x2(PAM)0.81+0.19e23.77x2(), (9)

    漏斗黏度比:

    λ2={1+0.04x2+0.10x22(CMC)1+0.79x0.522(PAM)1+2.69x21.84x22() (10)

    综上所述,聚合物改性膨润土的滤失量y1和漏斗黏度y2可用纯膨润土泥浆的指标yo1,yo2与滤失量比(η1,η2)和漏斗黏度比(λ1,λ2)的乘积表示:

    y1=η1η2yo1 , (11)
    y2=λ1λ2yo2  (12)

    为了更清晰地分析聚合物与泥浆特性之间的关系,选用漏斗黏度比η2和滤失量比λ2来表示聚合物添加量与泥浆漏斗黏度和滤失量的影响,采用关联度分析法以量化分析各聚合物对泥浆特性的影响。

    根据表35中的膨润土用量和纯碱浓度关系,每种聚合物都可分为3个组别进行分析计算,将每25 g膨润土中的聚合物含量、漏斗黏度比η2和滤失量比λ2作为分析变量。采用绝对灰关联度分析其间关联性,可按下式计算[14]

    ε(X0,Xi)=1n(n1k=1|1+(x0(k+1)x0(k))(xi(k+1)xi(k))1+(x0(k+1)x0(k))21+(xi(k+1)xi(k))2|+1) (13)

    式中X0为25 g膨润土中的聚合物相对含量;X1为泥浆漏斗黏度比η2X2为泥浆滤失量比λ2

    表10给出了关联度的计算结果,各种聚合物与黏度和滤失量的关联程度整体较高,说明了聚合物的添加对泥浆的黏度和滤失量造成显著影响。值得注意的是,C9-C12和E7-E9中的漏斗黏度关联度偏小的原因,主要是因为C12和E9中的漏斗黏度急速升高所导致的数据关联性减弱。整体上,随着膨润土添加量的增大,PAM和瓜尔胶的泥浆漏斗黏度比呈下降趋势,而CMC与此相反,说明膨润土的增加,能够增大泥浆漏斗黏度,且CMC能更好的与膨润土共同作用增加泥浆漏斗黏度。同时,随着膨润土添加量的增大,泥浆滤失量黏度比均呈上升趋势,说明各种聚合物对泥浆滤失量的作用均受到了泥浆中膨润土的含量的影响。

    表  10  绝对灰色关联度计算结果
    Table  10.  Results of absolute degrees of gray incidence carbonate and guar gum
    高聚物组别漏斗黏度比关联度滤失量比关联度
    CMCC1-C40.92860.8666
    C5-C80.96040.8812
    C9-C120.82180.9095
    PAMD1-D30.99270.8517
    D4-D60.98460.8955
    D7-D90.97720.9176
    瓜尔胶E1-E30.98080.9938
    E4-E60.96830.9946
    E7-E90.82110.9988
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    本文通过室内试验对CMC、PAM和瓜尔胶3种聚合物对膨润土泥浆滤失量和漏斗黏度的影响进行了分析研究,主要得到以下3点结论。

    (1)展开了不同聚合物对泥浆漏斗黏度和滤失量影响的量化分析,得到了合理范围内的相应指标预测公式,以方便实际工程应用中的选取。

    (2)分析了不同聚合物添加量与漏斗黏度和滤失量间的关联性,聚合物的添加能够显著增大泥浆漏斗黏度并减小泥浆滤失量。

    (3)膨润土含量更高的泥浆,其聚合物对泥浆工程特性的改善作用越为突出。其中,CMC能更好的与膨润土共同作用增加泥浆漏斗黏度,各种聚合物对泥浆滤失量的作用则均受到了泥浆中膨润土含量的影响。

  • 图  1   纯膨润土泥浆指标特征曲线图

    Figure  1.   Characteristic curves of bentonite slurry

    图  2   纯碱膨润土泥浆指标特征曲线图

    Figure  2.   Characteristic curves of bentonite slurry with sodium carbonate

    图  3   纯碱CMC膨润土泥浆指标特征曲线图

    Figure  3.   Characteristic curves of bentonite slurry with sodium carbonate and CMC

    图  4   纯碱PAM膨润土泥浆指标特征曲线图

    Figure  4.   Characteristic curves of bentonite slurry with sodium carbonate and PAM

    图  5   纯碱瓜尔胶膨润土泥浆指标特征曲线图

    Figure  5.   Characteristic curves of bentonite slurry with sodium carbonate and guar gum

    表  1   纯膨润土泥浆试验分组

    Table  1   Grouping of bentonite slurry

    组别水/g纯碱/(mol·L-1)膨润土/g
    A11000050
    A275
    A3100
    A4150
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    表  2   纯碱膨润土泥浆试验分组

    Table  2   Grouping of bentonite slurry with sodium carbonate

    组别水/g纯碱/(mol·L-1)膨润土/g
    B110000.450
    B275
    B3100
    B4150
    B50.850
    B675
    B7100
    B875
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    表  3   纯碱CMC膨润土泥浆试验分组

    Table  3   Grouping of bentonite slurry with sodium carbonate and CMC

    组别水/g膨润土/g纯碱/(mol·L-1)CMC/g
    C1 500.42
    C2 3
    C3 4
    C4 5
    C5 750.81
    C610002
    C7 3
    C8 4
    C9 1000.81
    C10 2
    C11 3
    C12 4
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    表  4   纯碱PAM膨润土泥浆试验分组

    Table  4   Grouping of bentonite slurry with sodium carbonate and PAM

    组别水/g膨润土/g纯碱/(mol·L-1)PAM/g
    D1 500.41
    D2 1.5
    D3 2
    D41000750.81
    D51.5
    D62
    D7 1000.81
    D8 1.5
    D9 2
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    表  5   纯碱瓜尔胶膨润土泥浆试验分组

    Table  5   Grouping of bentonite slurry with sodium carbonate and guar gum

    组别水/g膨润土/g纯碱/(mol·L-1)瓜尔胶/g
    E11000750.40.2
    E20.3
    E30.4
    E41000.40.1
    E50.2
    E60.3
    E71500.80.1
    E80.2
    E90.3
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    表  6   纯碱膨润土泥浆试验结果

    Table  6   Results of bentonite slurry with sodium carbonate

    指标B1B2B3B4B5B6B7B8
    滤失量/(m·L-1)47.838.631.52449.740.232.424.6
    漏斗黏度/s19.520.4212318.519.319.921.8
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    表  7   纯碱CMC膨润土泥浆试验结果

    Table  7   Results of bentonite slurry with sodium carbonate and CMC

    指标C1C2C3C4C5C6C7C8C9C10C11C12
    滤失量/(m·L-1)10.69.69.18.412.298.17.411.77.976
    漏斗黏度/s24.228.142.970.221.625.134.258.324.935.656.3438.5
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    表  8   纯碱PAM膨润土泥浆试验结果

    Table  8   Results of bentonite slurry with sodium carbonate and PAM

    指标D1D2D3D4D5D6D7D8D9
    滤失量/(m·L-1)14.313.711.813.612.310.912.211.810.2
    漏斗黏度/s33.336.939.134.538.441.335.44042.9
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    表  9   纯碱瓜尔胶膨润土泥浆试验结果

    Table  9   Results of bentonite slurry with sodium carbonate and guar gum

    指标E1E2E3E4E5E6E7E8E9
    滤失量/(m·L-1)32.631.931.126.125.324.42019.618.8
    漏斗黏度/s24.227.835.22427.838.432.435.951.6
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    表  10   绝对灰色关联度计算结果

    Table  10   Results of absolute degrees of gray incidence carbonate and guar gum

    高聚物组别漏斗黏度比关联度滤失量比关联度
    CMCC1-C40.92860.8666
    C5-C80.96040.8812
    C9-C120.82180.9095
    PAMD1-D30.99270.8517
    D4-D60.98460.8955
    D7-D90.97720.9176
    瓜尔胶E1-E30.98080.9938
    E4-E60.96830.9946
    E7-E90.82110.9988
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出版历程
  • 收稿日期:  2021-08-18
  • 网络出版日期:  2022-12-05
  • 刊出日期:  2021-10-31

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