压桩用新型减阻固化泥浆配制及性能研究

骆晚玥，汪华文，沈尔卜，程书凯

（1.中交武汉港湾工程设计研究院有限公司，湖北 武汉 430040；2.海工结构新材料及维护加固技术湖北省重点实验室，湖北 武汉 430040）

0 引言

在压桩施工过程中，为减小沉桩时桩外壁所受的摩擦阻力需进行注浆减阻。其理是在桩基周围注入注浆润滑材料以减小桩身与土体之间的摩擦阻力[1-3]；同时浆液固化后形成胶凝体，能够有效填充桩身结构与外围土体之间的空隙，维持沉桩过程桩体周围泥水、土压平衡[4-6]。目前常用注浆润滑材料有两类：一类以膨润土为主，另一类为人工合成的高分子材料，而膨润土至今仍是顶管施工中的主要润滑材料[7]。但是目前不论是膨润土亦或是高分子材料配制的减阻泥浆均强度不足，且不易排出，容易在桩土之间形成一层泥皮，降低桩土间的摩阻力，导致桩基承载力不足[8-9]。

针对以上问题，本文以水泥、粉煤灰、膨润土为基础料，引入无机矿物掺和料、高分子增稠剂、纳米材料，配制出了一种新型水泥基减阻固化泥浆，可大幅降低压桩时的摩阻系数，提高施工效率，同时对砂地层具有半渗透能力，可维持沉桩过程中桩体周围泥水、土压平衡，固化后强度与土体强度相当，填充桩基与土体间的间隙，整体提升桩基础在传荷过程中的稳定性。

1 试验方案及测试方法

1.1 材料

减阻泥浆主要包含水、膨润土、水泥、粉煤灰等，其中，水泥为普通硅酸盐42.5级水泥，粉煤灰为二级粉煤灰，膨润土为玉级钠基膨润土，微珠为粒径800滋m的球状超细粉煤灰，高分子增稠剂：聚丙烯酰胺（PAM）黏度范围为500耀1 000 mPa·s、羧甲基纤维素（CMC）黏度范围为800耀1 200 mPa·s，纳米材料为晶粒平均尺寸为20耀60 nm的纳米二氧化硅。

1.2 泥浆配制试验

选用水泥+惰性掺和料+膨润土+有机高分子的胶材体系，引入无机矿物掺和料（微珠）、高分子增稠剂、纳米材料，研究对减阻固化泥浆的润滑性、渗透性、封堵性的优化作用。

研究各材料掺量对泥浆力学性能和润滑性能的影响规律，选取泥浆三大关键参数，即水胶比（实验用水与胶凝材料的质量比）、粉灰比（粉煤灰与水泥的质量比）、膨水比（膨润土与实验用水的质量比）为主要变量进行配合比试验。

1.3 泥浆效果模拟试验

进行砂土地层工况模拟，通过泥浆添加前后摩擦系数的减小率值来评价泥浆的减阻效果，通过对砂黏土地层的渗透量评价泥浆的渗透性能。

1.4 测试方法和装置

1）泥浆基本性能：减阻泥浆的凝结时间、抗压强度参考JGJ/T 70—2009《建筑砂浆基本性能试验方法标准》进行试验；流动度测试参考GB/T 2419—2016《水泥胶砂流动度测定方法》。

2）黏滞系数测试：采用泥浆黏滞系数测试仪（山东美科仪器NZ-3A）测得。

3）减阻试验：通过测试砂土地层面上混凝土试块动摩擦系数来评价泥浆的减阻性能，试验装置如图1所示。

图1 摩擦阻力模拟试验及理Fig.1 Friction resistance simulation test and principle

4）封堵性能试验：采用自制设备“一种模拟地层泥浆渗透装置”评价浆液在砂地层中的封堵性能。以相同压力下的滤水量（渗透量）评价泥浆的封堵性能，试验装置如图2所示。依次装入高5 cm、粒径为2耀5 mm的瓜米石、高度30 cm的砂以模拟地层，然后注入一定高度的泥浆，密封法兰盘；通过空压机和稳压阀向渗透柱中施加所需的气压后，所选气压为模拟压桩过程中桩身通过泥浆传递给地层的侧压力。

图2 泥浆渗透模拟装置Fig.2 Mud infiltration simulation device

2 结果与讨论

2.1 多体系对泥浆性能优化的影响

2.1.1 矿物掺合料体系

基于工程经验以水胶比为1.3，膨水比1/4，粉灰比4做为基础配比，试验不同比例微珠替代粉煤灰对泥浆性能的影响，试验结果如表1所示。

表1 矿物掺合料体系配合比方案及试验结果Table 1 Mix proportion scheme and test results of mineral admixture system

结果表明微珠掺入后泥浆流动性有明显改善，20%微珠替代量的配比流动度最大，但力学性能与体积稳定性较差。随着浆液中固体颗粒的数量增多，填补了颗粒空隙，有效改善了浆液固化后的力学性能及体积收缩现象。综合考虑泥浆应用场景需求以及收缩率控制，选择微珠替代70%粉煤灰B-3配比方案。

2.1.2 高分子材料体系

根据上节掺合料体系优化实验结果，以B-3实验配合比作为基础浆液，选用CMC、PAM作为增稠剂进行对比研究。通常CMC掺量一般为干粉料质量的0.2%，而PAM的掺量一般为0.02%，在此基础上对掺量做相应调整，试验结果如表2所示。

表2 高分子材料体系配合比方案及试验结果Table 2 Mix proportion scheme and test results of polymer material system

可以看出，掺入PAM的泥浆较掺入CMC表现出更小的黏滞系数，泥浆的润滑效果更佳，因在于两者由于分子结构不同引起其在混凝土中的增稠机理不同。纤维素类增稠剂的分子结构中存在疏水主链，可与周围水分子通过氢键结合，减少颗粒自由活动的空间，从而提高体系黏度。聚丙烯酸类增稠剂是由其分子结构中的同性静电斥力，把分子链由螺旋状结构伸展为棒状结构，从而提高了液相的黏度。

CMC与PAM均可改善泥浆的工作性能，两者对于泥浆强度、体积收缩率无明显影响，PAM增稠剂的润滑性能优于CMC，当PAM掺量为泥浆粉料总质量的0.02%时，润滑效果最佳。

2.1.3 纳米材料体系

本研究中选用纳米二氧化硅、纳米苯丙乳液两种不同种类纳米材料对浆液润滑性进行优化，以优选出的C-4配比方案为基础配合比进行泥浆减阻性能实验，配合比方案及试验结果如表3所示。

表3 纳米材料体系配合比方案及试验结果Table 3 Mix proportion scheme and test results of nano material system

从试验结果看，加入含量相同的2种纳米材料，其黏滞系数、抗压强度等多项技术指标无明显差异，还需进行室内模拟试验进一步验证其减阻效果。

2.2 泥浆减阻性能模拟试验

通过摩擦力测试试验，测试有无减阻泥浆时的滑动摩擦力，计算对应工况下的摩擦系数，以摩擦系数的变化值评价泥浆减少摩擦程度，试验选择了4组配合比方案进行摩擦力测试试验，试验配比及结果如表4所示。

表4 阻力模拟试验泥浆配合比方案及减阻率Table 4 Mud mix proportion scheme and drag-reducing rate for resistance simulation test

分析试验结果可知：纳米乳液对于泥浆的减阻效果优于纳米二氧化硅，这是由于纳米二氧化硅与高分子聚合物相容性良好，且颗粒之间作用力对泥浆体系增稠作用更明显，导致摩擦阻力增大。综合比较，D-2组泥浆综合减阻效果最佳，减阻率为59.01%。

2.3 泥浆半渗透封堵成膜性能试验

基于前期摩擦阻力模拟试验结果，试验选取3组减阻固化泥浆配合比进行封堵性能试验，对比不同高分子聚合物对泥浆成膜性能、纳米材料对泥浆封堵性能的影响，配合比见表5所示。采用0.05 MPa、0.1 MPa、0.15 MPa、0.2 MPa、0.25 MPa及0.3 MPa分级加载的形式施加泥浆压力进行渗透试验，测试排出水体的质量作为渗透量的评定，结果如图3所示。

表5 封堵性能模拟试验泥浆配合比设计方案Table 5 Design scheme of mud mix proportion for plugging performance simulation test

图3 不同配比泥浆对砂地层随渗透压力增加的累计排水量Fig.3 Cumulative displacement of different proportions of mud to sand formation with increasing seepage pressure

由图3可知，B-3、C-4、D-1组试验泥浆均在气压值为0.1 MPa、0.15 MPa、0.2 MPa时被击穿，随着高分子聚合物的增稠作用、纳米材料对泥浆颗粒体系的单掺和双掺，均能对泥浆的封堵性能进行不同程度优化，其中PMA的成膜效果优于CMC。D-2配合比展示了最佳封堵性能，说明高分子聚合物与纳米材料的同时引入，可有效提升泥浆的半渗透与封堵成膜性能。

3 结语

1）采用膨润土、水泥、粉煤灰、水为材料，采用微珠替代粉煤灰占比70%，添加PAM与纳米苯丙乳液作为性能调节剂，使泥浆达到最佳润滑效果，且泥浆28 d体积收缩率小于0.15%，泥浆呈半固体膏状。

2）通过高分子增稠剂、优质矿物掺合料以及纳米材料的复合作用可较大程度改善浆液在桩土间的润滑性能，泥浆充盈状态下的减阻率最佳可达到59.01%。

3）高分子聚合物的增稠作用、纳米材料对泥浆颗粒体系的优化作用对泥浆的封堵效果均有积极作用，纳米材料的引入能有效增加泥浆的半渗透与封堵成膜性能。