歐明喜，鄭文煒，王明山，陳穎輝

(1 昆明理工大學(xué) 建筑工程學(xué)院，云南 昆明 650500；2 建研地基基礎(chǔ)工程有限責(zé)任公司云南分公司，云南 昆明 650224)

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膨脹土配制工程泥漿試驗(yàn)研究

歐明喜1，鄭文煒2，王明山2，陳穎輝1

(1 昆明理工大學(xué) 建筑工程學(xué)院，云南 昆明 650500；2 建研地基基礎(chǔ)工程有限責(zé)任公司云南分公司，云南 昆明 650224)

[摘要]【目的】 分析利用云南蒙自膨脹土配制工程泥漿節(jié)約施工成本的可行性?！痉椒ā?在室內(nèi)首先探討并確定膨脹土泥漿的配制工藝，然后進(jìn)行不同配比條件下的膨脹土泥漿試驗(yàn)，測試其比重、黏度、膠體率、含砂率、pH值、失水量、泥皮厚度等7項(xiàng)主要指標(biāo)，最后對不同配比條件下的泥漿性能進(jìn)行評價。【結(jié)果】 膨脹土工程泥漿的配制工藝為：最優(yōu)攪拌時間10 min，靜置15 min以后泥漿性能趨于穩(wěn)定。增加純堿(Na2CO3)摻量對提高泥漿黏度的效果比增加膨脹土摻量更有利，在增加膨脹土摻量提高比重的同時需要考慮泥皮厚度指標(biāo)。【結(jié)論】 采用蒙自膨脹土配制工程泥漿是可行的。

[關(guān)鍵詞]工程泥漿；膨脹土；配制工藝；泥漿試驗(yàn)

用于地下連續(xù)墻和各種樁基礎(chǔ)的泥漿稱為工程泥漿，與石油和地質(zhì)部門使用的泥漿相比，我國工程泥漿的發(fā)展相對比較落后。工程泥漿最重要的功能就是保持槽壁的穩(wěn)定[1-2]，因此有時直接稱之為護(hù)壁泥漿，其同時還具有攜帶土渣[3]、冷卻和潤滑鉆具等功能。目前使用的護(hù)壁泥漿多采用膨潤土作為主要原料，但我國膨潤土的分布具有明顯的不均勻性。因此，尋找新型護(hù)壁泥漿原材料對節(jié)約施工成本具有重要意義。

王建等[4]對火山灰沉積地區(qū)鉆孔泥漿性能進(jìn)行分析，認(rèn)為減少失水量和泥皮厚度是順利成孔和提高樁側(cè)摩阻力的關(guān)鍵，并提出了最佳質(zhì)量配比。楊勇[5]對復(fù)合鈉基膨潤土泥漿的實(shí)際應(yīng)用效果及相對傳統(tǒng)鈣基膨潤土泥漿的優(yōu)勢進(jìn)行分析，并就復(fù)合鈉基膨潤土泥漿的應(yīng)用提出了指導(dǎo)性的意見。王鴿等[6]對湖北鄂州膨潤土用于生產(chǎn)鉆井泥漿進(jìn)行研究，提出了鈉化劑和增效劑的最優(yōu)摻量及相關(guān)工藝的先后順序。楊志勤[7]提出建筑泥漿的建議質(zhì)量指標(biāo)，分析了膨潤土的物化性能、鈉化劑和增效劑摻量對建筑泥漿質(zhì)量的影響。何世鳴等[8]對膨潤土改性與增效機(jī)理進(jìn)行探討，為后續(xù)研究提供了較好的理論指導(dǎo)。張海峰等[9]采用單因素分析、正交法等試驗(yàn)方案研制出一種復(fù)合解凝劑，給出了解凝劑各組分的質(zhì)量配比。陳春生[10]采用施工場區(qū)臨近地層黃土注入孔內(nèi)直接造漿，取得了良好的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和施工效果。王志強(qiáng)等[11]通過研究認(rèn)為，提高碳酸鈉用量和反應(yīng)溫度可提高漿體的黏度，羧甲基纖維素鈉(CMC)的加入相比聚丙烯酰胺能更顯著提高黏度。蘭凱等[12]提出采用具有預(yù)處理能力的優(yōu)質(zhì)膨潤土泥漿，通過配比試驗(yàn)提出各組分最優(yōu)質(zhì)量配比，在工程實(shí)踐中取得良好的效果。代國忠等[13]進(jìn)行了交聯(lián)型低固相泥漿的現(xiàn)場應(yīng)用試驗(yàn)，認(rèn)為該泥漿對松散砂及泥巖、風(fēng)化砂巖等破碎層的膠結(jié)能力強(qiáng)，能起到“下套管”的固壁作用。

總體看來，上述研究主要集中在膨潤土泥漿方面，而我國西南和西北地區(qū)工程施工中所用的膨潤土往往需要從膨潤土分布較集中的地區(qū)進(jìn)行采購，這樣既增加了施工成本，還可能由于某些因素導(dǎo)致工期延誤，同時也浪費(fèi)了能源。膨脹土在我國中西部的廣西、云南、陜南、鄂北等地區(qū)分布廣泛，且膨脹土和膨潤土的主要礦物成分比較類似，只是含量有所不同?；诖?，筆者對利用膨脹土配制護(hù)壁泥漿進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)研究，旨在為應(yīng)用膨脹土配制工程泥漿提供依據(jù)。

1泥漿護(hù)壁機(jī)理

工程泥漿具有防止孔壁坍塌的功能，其原因主要有以下幾個方面：一是泥漿的靜水壓力可抵抗作用在孔壁上的土壓力和水壓力，并防止地下水滲入；二是泥漿在槽壁上形成不透水的泥皮，從而使泥漿的靜水壓力有效地作用在孔壁上，同時防止孔壁的剝落[14]；三是泥漿從孔壁表面向地層內(nèi)滲透到一定范圍就粘附在土顆粒上，通過這種粘附作用可使孔壁減少坍塌性和透水性[15]。因此，工程泥漿的比重、黏度、泥皮厚度等性能指標(biāo)必須滿足要求才能充分發(fā)揮護(hù)壁作用。

合格的護(hù)壁泥漿既能保持成孔過程中孔壁的穩(wěn)定性，同時也能形成薄且有韌性的泥皮，使樁側(cè)摩阻力得到充分的發(fā)揮，從而保證混凝土灌注樁的質(zhì)量。我國建筑工程行業(yè)提出的泥漿性能指標(biāo)如表1所示，這些控制指標(biāo)對膨潤土和黏土泥漿都是有效的[16]。

表 1　建筑工程行業(yè)所用泥漿的性能指標(biāo)

2材料與方法

2.1試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1.1膨脹土泥漿的配制工藝試驗(yàn)所用膨脹土取自云南省蒙自市，原狀土樣經(jīng)烘干后搗碎，然后過0.075 mm土工篩，所得土粉作為試驗(yàn)用膨脹土。試驗(yàn)用水直接取用市政管網(wǎng)的自來水，采用CMC作增黏劑、Na2CO3作為分散劑。

(1)靜置時間對泥漿黏度的影響。為了考慮靜置時間對膨脹土泥漿性能的影響，根據(jù)前人所做膨潤土泥漿試驗(yàn)相關(guān)成果[14]，采用攪拌時間為10 min，質(zhì)量配比為水∶膨脹土∶Na2CO3=100∶12∶0.22，將所得泥漿分別靜置0，15，30，60 min后測定黏度。

(2)攪拌時間對泥漿黏度的影響。為了驗(yàn)證攪拌時間對膨脹土泥漿的適用性，用與(1)同樣的質(zhì)量配比，分別攪拌5，10，15 min，然后靜置15 min后測定其黏度。

(3)添加CMC對泥漿性能的影響。雖然偶爾也將CMC單獨(dú)做泥漿材料使用，但一般將其作為改善泥漿性能的外加劑使用。為了分析膨脹土泥漿中加入CMC的影響，按質(zhì)量配比為水∶膨脹土∶CMC∶Na2CO3=100∶12∶0.05∶0.22配制泥漿，測定其比重、黏度、膠體率、含砂率、pH值、失水量、泥皮厚度，并與不加CMC的膨脹土泥漿進(jìn)行性能比較。

2.1.2膨脹土、Na2CO3摻量對泥漿性能的影響為了分析膨脹土、Na2CO3摻量對泥漿性能的影響，在100 g水中分別加入12，14，16，18 g膨脹土，即膨脹土摻量分別為12%，14%，16%和18%，每種摻量條件下依次加入0.25，0.22，0.19，0.16 g純堿(Na2CO3)，共進(jìn)行16次試驗(yàn)，每次試驗(yàn)所得泥漿攪拌10 min后靜置15 min，然后進(jìn)行泥漿性能指標(biāo)測定。

2.2測定指標(biāo)及方法

(1)比重。采用NB-1型泥漿比重計(jì)測定,先用清水進(jìn)行調(diào)平，然后將泥漿杯裝滿泥漿，置于比重計(jì)上調(diào)節(jié)游碼使杠桿平衡，游碼左側(cè)刻度即為泥漿比重。

(2)黏度。采用1006型泥漿黏度計(jì)測定,用秒表記錄從700 mL漏斗中流出500 mL泥漿所用的時間即為黏度。

(3)膠體率。將100 mL泥漿倒入100 mL量筒中，靜置24 h后觀察量筒上部清水的體積,從而得出膠體率。

(4)含砂率。采用NA-1型泥漿含砂率計(jì)測定。首先將泥漿充至測管上標(biāo)有“泥漿”字樣的刻線處，加清水至標(biāo)有“水”的刻線處，傾倒混合物于濾筒中，重復(fù)加入清水直到測管內(nèi)清潔；然后用清水沖洗篩網(wǎng)上的砂子，剔除殘留泥漿；最后將漏斗套進(jìn)濾筒，翻轉(zhuǎn)后插入測管內(nèi)，全部沖入管內(nèi)后讀出砂子的含量。

(5)pH值。用pH試紙測定。

(6)失水量和泥皮厚度。采用NS-1型泥漿失水量測定儀,在恒定壓力(0.7 MPa)作用下，30 min后測得的漏液量即為失水量；同時測量濾紙上形成的泥餅厚度，即為泥皮厚度。

3結(jié)果與分析

3.1膨脹土泥漿的配制工藝

3.1.1靜置時間對泥漿黏度的影響泥漿黏度隨靜置時間的變化規(guī)律如圖1所示。由圖1可知，泥漿的黏度隨靜置時間的延長先增大后趨于穩(wěn)定，在靜置時間為15 min時黏度最大。因此膨脹土泥漿的最佳靜置時間為15 min。

3.1.2攪拌時間對泥漿黏度的影響泥漿黏度隨攪拌時間的變化規(guī)律如圖2所示。由圖2可知，膨脹土配制泥漿的黏度隨攪拌時間的延長先增大后趨于穩(wěn)定，當(dāng)攪拌10 min后黏度趨于穩(wěn)定，因此膨脹土泥漿的攪拌時間可定為10 min。

圖 1　膨脹土配制泥漿黏度隨靜置時間的變化

3.1.3添加CMC對泥漿性能的影響表2結(jié)果表明，在膨脹土泥漿中加入CMC只對泥漿的比重、黏度、失水量3個指標(biāo)有較小的影響，其他指標(biāo)基本保持不變，因此可以認(rèn)為加入CMC對膨脹土泥漿性能影響不明顯。

綜上所述，膨脹土泥漿室內(nèi)試驗(yàn)的攪拌時間可以定為10 min，靜置時間以15 min為宜?；诮?jīng)濟(jì)成本因素考慮，建議不添加CMC。

3.2膨脹土、Na2CO3摻量對泥漿性能的影響

由表3可以看出，通過增加膨脹土摻量來提高泥漿黏度的效果不明顯，甚至?xí)霈F(xiàn)不增反降的情況；泥漿比重由膨脹土摻量為12%時的1.060增大到18%時的1.095；含砂率隨膨脹土摻量增大略有增加，但都不超過0.5%；膠體率除一組質(zhì)量配比(水∶膨脹土∶Na2CO3=100∶18∶0.16)不合格外都能達(dá)到100%；pH值保持在8.0左右；泥漿失水量隨膨脹土摻量的變化未表現(xiàn)出明顯的規(guī)律性，其變化在8.2～23.0 mL，但均能滿足要求；泥皮厚度隨膨脹土摻量的增大而增厚，除一組質(zhì)量配比(水∶膨脹土∶Na2CO3=100∶18∶0.16)達(dá)到3.5 mm之外，其余各組泥皮厚度都在2.0～3.0 mm。

表 2　CMC對膨脹土泥漿性能的影響

同樣由表3可以看出，泥漿黏度隨Na2CO3摻量的增加而提高。比重、含砂率、pH值3個指標(biāo)隨Na2CO3摻量的增加基本保持不變；膠體率只有當(dāng)質(zhì)量配比為水∶膨脹土∶Na2CO3=100∶18∶0.16時不滿足要求；泥漿失水量隨Na2CO3摻量的變化未表現(xiàn)出明顯的規(guī)律性，但均能滿足要求；泥皮厚度隨Na2CO3摻量的增加有變薄的趨勢。

表 3　膨脹土泥漿性能指標(biāo)測定結(jié)果

4結(jié)論

(1)試驗(yàn)得到的膨脹土泥漿最優(yōu)攪拌時間為10 min，靜置時間達(dá)到15 min以后泥漿的性能便趨于穩(wěn)定。

(2)提高膨脹土泥漿黏度的最好辦法是提高純堿的摻量，同時可以減小泥皮厚度；通過增加膨脹土摻量來提高黏度的效果不明顯，反而會增大泥皮厚度，對樁側(cè)摩阻力的發(fā)揮不利。

(3)提高膨脹土的摻量可以增大泥漿的比重，但應(yīng)綜合考慮泥皮厚度指標(biāo)。云南蒙自膨脹土的含砂率較低，各組試驗(yàn)均低于0.5%。

(4)攪拌速度是影響膨脹土泥漿性能的重要因素，試驗(yàn)時由于條件限制對此因素未予以考慮，本研究每組試驗(yàn)均由同一操作者以相同的速度進(jìn)行攪拌。同時，目前的研究還只是在室內(nèi)試驗(yàn)階段，應(yīng)盡快推進(jìn)現(xiàn)場試驗(yàn)工作來檢驗(yàn)膨脹土泥漿的實(shí)際護(hù)壁效果。

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Formulation of engineering slurry using expansive soil

OU Ming-xi1,ZHENG Wen-wei2,WANG Ming-shan2,CHEN Ying-hui1

(1FacultyofCivilEngineeringandMechanics,KunmingUniversityofScienceandTechnology,Kunming,Yunnan650500,China;2CABRFoundationEngineeringCO.LTDYunnanBranchCompany,Kunming,Yunnan650224,China)

Abstract:【Objective】 This study analyzed the feasibility of preparing engineering slurry with expansive soil in purpose of saving construction cost.【Method】 Firstly,the formulation process was determined in laboratory.Then the expansive soil slurries with different formulas were tested to measure the specific gravity,viscosity,colloid rate,sand content,pH value,water loss,and thickness of mud cake.At last,the overall performance of slurry was evaluated.【Result】 The optimal preparing process of expansive soil slurry was 10 minutes mixing before 15 minutes standing,when the slurry properties tended stable.Increasing soda ratio was more favorable to improve viscosity than increasing expansive soil ratio.Thickness of mud cake should be considered when increasing the ratio of expansive soil to improve specific gravity.【Conclusion】 It is feasible to preparing slurry with Mengzi expansive.

Key words:slurry;expansive soil;formulation process;slurry test

DOI：網(wǎng)絡(luò)出版時間:2016-03-1408:4510.13207/j.cnki.jnwafu.2016.04.031

[收稿日期]2014-08-24

[基金項(xiàng)目]云南省人才培養(yǎng)計(jì)劃項(xiàng)目(KKSY201306101)；國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51304088)

[作者簡介]歐明喜(1983-)，男，湖南武岡人，講師，博士，主要從事巖土工程研究。E-mail:19590927@163.com

[中圖分類號]TU521

[文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A

[文章編號]1671-9387(2016)04-0230-05

網(wǎng)絡(luò)出版地址:http://www.cnki.net/kcms/detail/61.1390.S.20160314.0845.062.html