泥水盾构用海水泥浆的配制试验研究

谭啸峰，余以明，李志龙

[中交（广州）建设有限公司，广东 广州 511458]

沿江高速前海段与南坪快速衔接工程盾构分部施工区域位于深圳市前海湾，其中CD匝道拟采用一台直径16.06m的泥水盾构进行掘进施工，为目前国内已建及在建工程中最大盾构尺寸。由于匝道线路上部分岩层裂隙较发育，盾构掘进时，地层中海水容易发生渗漏情况，采用传统淡水泥浆时，在海水环境或盐分含量高的地层中使用时会受到污染，泥浆会产生凝聚和沉淀分离现象，使泥浆携渣和维持开挖面稳定的性能下降甚至丧失[1]。为保证泥浆在海水环境下施工时具有稳定的性能，拟采用海水直接造浆，目前国内外学者对泥水盾构用海水泥浆的性质与成膜质量研究极少，关于海水泥浆的性质与应用多见于海上定向钻或海域钻孔灌注桩桩基施工中。

1 试验

1.1 原材料

造浆剂：海水。造浆黏土：钠基膨润土，四川仁寿兴大工贸有限公司产；海泡石粉，汇福800，连云港汇福纳米新材料；抗盐膨润土，华潍牌，潍坊远东膨润土有限公司。降失水剂：聚阴离子纤维素（PAC-LV），任丘市高科化工有限公司产低黏型。絮凝增稠剂：阴离子聚丙烯酰胺（PAM），相对分子质量1800万，河南清泉牌。分散剂：纯碱（无水碳酸钠），市售，分析纯。

根据深圳市计量质量检测研究院对前海湾沿线水质的检测结果，前海海域海水中的前6种主要离子成分含量见表1。

表1 海水中主要离子成分含量 mg/L

由于潮汐上升减缓淡水流量，相比落潮海水，涨潮海水的盐度有所增大，使用涨潮海水配制同性能指标的海水泥浆时，需要的改性添加剂用量更多，不利于降低施工成本，因此配制海水泥浆宜选用落潮海水。

1.2 仪器设备及试验方法

BTE-SDJ酸碱度pH检测笔，电子秤，标准漏斗黏度计，φ125mm×125 mm滤纸，烧杯、量筒、滴管若干。泥浆的各项性能参照JTG/TF50—2011《公路桥涵施工技术规范》附录C1～C4进行测试。

1.3 海水泥浆的质量控制指标

相对密度1.05～1.25，黏度20～35 s，胶体率≥97%，失水量≤30 ml/30min，pH值8.0～10.0，泥皮厚度1.0～3.0 mm。

1.4 各材料初步用量

参考有关文献[2-5]，提出海水泥浆中各原材料用量范围，初步配合比见表2。

表2 海水泥浆初步配合比 kg

1.5 制备方式

先在落潮海水中加入纯碱充分搅拌，以去除落潮海水中大量的钙、镁离子，减轻其对膨润土的聚结、沉淀作用；然后加入预先水解的PAM（PAM与落潮海水按质量比1∶25水解30～60 min），其将加速粒子下沉，并进一步去除海水中部分钙、镁离子[6]；再加入预先溶解充分的降失水剂（PAC-LV与落潮海水按质量比1∶40充分溶解24 h），最后加入造浆黏土，也可将降失水剂干粉与造浆黏土混合均匀后一起加入落潮海水中，待造浆黏土溶解水化24 h后备用。

2 试验结果及分析

2.1 各原材料用量对钠基膨润土海水泥浆性能的影响

由于各原材料用量对钠基膨润土海水泥浆性能的影响程度不同，为简化试验量，以1000 kg落潮海水用量为基准，以钠基膨润土、PAC-LV、PAM、纯碱用量为因素设计5因素4水平正交试验，正交试验因素水平见表3。

表3 正交试验因素水平

待钠基膨润土膨化24 h后，测试海水泥浆的各项性能，正交试验设计及性能测试结果见表4。

表4 正交试验设计及性能测试结果

由表4可知，钠基膨润土海水泥浆的胶体率、pH值、相对密度均满足施工要求，且泥浆的相对密度与膨润土的掺量成正比，对泥浆性能影响较大的指标为黏度、失水量和泥皮厚度，其正交试验结果的极差分析见表5。

表5 正交试验结果极差分析

由表4、表5可见：

（1）各因素对钠基膨润土海水泥浆黏度的影响顺序为：C＞A＞D＞B。相对分子质量为1800万的阴离子聚丙烯酰胺通过其分子骨架的水化，水动力学体积增大而对水溶液起到增黏的作用[7]；钠基膨润土的膨胀性及分散性能好，可增加泥浆的黏度和相对密度，纯碱可使黏土颗粒分散，提高泥浆的黏度和切力；低黏型PAC加入到溶液中后，能立即吸收大量的水分，使其本身体积膨胀，分子链之间互相缠绕，从而使溶液的黏度增大[8]。

（2）各因素对钠基膨润土海水泥浆失水量的影响顺序为：B＞C=A＞D，对泥皮厚度的影响顺序为：B＞C＞A＞D。一般情况下，失水量越大，泥皮厚度越薄，低黏型PAC的保水性好，可降低失水率、改善泥皮质量，在4%盐水及饱和盐水中的降滤失能力与淡水环境中相近[5]；阴离子型聚丙烯酰胺通过增加泥浆溶液黏度来降低泥浆的失水量，增加泥皮厚度；钠基膨润土在pH值为8～10的碱性溶液中可形成稳定的带负电荷扩散双电层，增加了水化膜的厚度，有利于减小失水量，增加泥皮厚度；纯碱可使膨润土表面负电荷增加，提高水化膜的厚度，有利于降低泥浆失水量，提高泥皮厚度[9]。

在钠基膨润土海水泥浆胶体率变化不大情况下，为使泥浆既具有一定的相对密度、适宜的pH值和黏度，又具有一定的泥皮厚度和较低的失水量，初步确定原材料组合为：A3B4C2D2。通过进一步优化试验，得到钠基膨润土海水泥浆的最佳配比（kg）为：m（落潮海水）∶m（钠基膨润土）∶m（PAC-LV）∶m（PAM）∶m（纯碱）=1000∶140∶1.6∶0.2∶3.0，性能测试结果见表6。

表6 按最佳制备配比制备的钠基膨润土海水泥浆性能

2.2 PAC-LV用量对海泡石海水泥浆性能的影响

由于钠基膨润土海水泥浆的失水量偏大，而海泡石粉的抗盐性能好，热稳定性较高，在配制海水泥浆时能增加泥浆的流变性能、抗电解质能力，使泥浆具有较高的凝结强度和抗剪切能力[10]，在正交试验分析结果的基础上，以海泡石粉完全取代钠基膨润土，并保持落潮海水、PAM、纯碱用量不变，PACLV用量对海泡石海水泥浆性能的影响见表7。

表7 PAC-LV用量对海泡石海水泥浆性能的影响

由表7可知，当其它材料用量不变时，随着PAC-LV用量的增加，泥浆的相对密度、胶体率、pH值、泥皮厚度保持不变，黏度略有增加，但失水量明显降低。因此，在泥浆黏度适宜的情况下，为使泥浆的失水量较低，PAC-LV最佳用量为1.1 kg，即为落潮海水质量的0.11%。相比钠基膨润土海水泥浆，海泡石粉海水泥浆更容易出现泥水分层现象，悬浮性较差，沉淀的海泡石粉抗剪切能力强，不易搅拌均匀，工作性较差。

2.3 抗盐膨润土用量对海水泥浆性能的影响

抗盐膨润土为通过选矿、改良、钠化、复合、制粉等工艺加工而成，具有良好的抗盐造浆效果，能解决钠基膨润土在海水区域滤失量过大甚至出现无法造浆的缺陷，用抗盐膨润土取代钠基膨润土，抗盐膨润土掺量分别为落潮海水质量的1%～5%，且不添加任何改性组分，其中K4、K5配比不使用钠基膨润土，试验配合比见表8。

表8 不同掺量抗盐膨润土海水泥浆的配合比

待造浆黏土膨化24 h后，观察发现K1、K2海水泥浆有泥水分层现象，经过轻微搅拌后，混合均匀性较好，静止放置后，K2泥浆也能保持较长时间的悬浮状态，K3～K5泥浆的悬浮性较好，未出现明显分层现象。测试上述泥浆的各项性能指标，结果见表9。

由表9可知，随着抗盐膨润土取代钠基膨润土比例的增加，混合泥浆的黏度和胶体率逐渐增大，泥皮厚度先增大后保持不变，失水量逐渐减小，pH变化不大，相对密度与造浆黏土的用量正相关。此外，不掺加任何改性剂，当抗盐膨润土用量为海水质量4%时，K4泥浆除相对密度略低外，其它各项性能均满足施工要求，当抗盐膨润土用量为海水质量5%时，K5泥浆除黏度过大外，其它各项性能指标均较好，表明抗盐膨润土在海水环境中适应性较好。

由于抗盐膨润土价格昂贵，为降低成本，并保证泥浆具有一定的相对密度，以使海水泥浆适应不同的地层工况，通过对K2配合比进行优化试验，得到抗盐膨润土与钠基膨润土复合土海水泥浆的最佳配比（kg）为：m（落潮海水）∶m（抗盐膨润土）∶m（钠基膨润土）∶m（PAC-LV）∶m（纯碱）=1000∶20∶120∶1.2∶2.5，经测试该泥浆的各项性能均较好，结果见表10。

表10 复合土海水泥浆最佳配比性能测试结果

3 结论

（1）海水泥浆制备时，材料的加入顺序对泥浆性能影响很大，通过先加入纯碱和PAM可除去海水中大量钙、镁离子对泥浆性能的劣化作用；相比落潮海水，由于潮汐上升减缓淡水流量，涨潮海水的盐度急剧增大，为减少改性添加剂用量，降低成本，宜使用落潮海水。

（2）虽然海泡石粉具有较好的抗盐性，配制的海水泥浆其各项性能均满足施工要求，但海泡石粉海水泥浆极易出现分层现象，且沉淀的海泡石粉不易搅拌均匀，工作性较差，不宜采用；钠基膨润土海水泥浆虽然也容易出现分层现象，但沉淀的钠基膨润土较易搅拌均匀，工作性较好，通过对钠基膨润土海水泥浆进行正交试验分析及配合比优化试验，得到了基本满足施工要求的钠基膨润土海水泥浆。

（3）当抗盐膨润土用量为落潮海水质量的4%，且不掺加任何改性添加剂时，配制的海水泥浆除相对密度偏低外，其它各项性能均满足施工要求；通过将抗盐膨润土与钠基膨润土复合，可以提高海水泥浆使用范围，通过试验得到复合土海水泥浆的最佳配比（kg）为：m（落潮海水）∶m（抗盐膨润土）∶m（钠基膨润土）∶m（PAC-LV）∶m（纯碱）=1000∶20∶120∶1.2∶2.5；该复合土海水泥浆的相对密度为1.10，黏度26 s，胶体率98%，失水量27 ml/30 min，pH值9.3，泥皮厚度2.0 mm，均满足施工质量要求。