一种护壁性能稳定的海水泥浆的配合比设计方法[0002]目前我国修建的跨海大桥越来越多，在海洋环境下桩基钻孔施工需要制备大量的泥浆，优质泥浆是保证桩基质量的关键因素，现行规范要求的淡水配置泥浆在海洋环境下的局限性:(1)淡水在储存、运输过程中受场地的限制和运输能力的限制，影响施工进度，增大了施工成本；(2)采用淡水制备的泥浆仍会受到海水的污染，影响泥浆的性能；(3)淡水制备泥浆过程中需要供应大量的淡水，由此将大大降低施工效率，增加施工成本。因此，为方便就地取材、降低施工成本、提高施工效率，采用海水泥浆是海洋环境下大型桥梁桩基础施工需要考虑的关键技术之一。[0003]目前，传统的海水泥浆配合比设计仅考虑了海水中存在大量的Ca2+、Mg2+、Na+、Cl—等离子，忽视了海水由于潮汐现象而导致的离子浓度的变化，当采用不同阶段的海水制备泥浆时，泥浆的性能指标变形性很大。另外，传统的海水泥浆配合比设计参考淡水泥浆性能指标作为验证指标，缺少针对海水中有关离子浓度变化对泥浆护壁性能的影响分析，缺乏一种护壁性能稳定的落潮海水泥浆合比设计方法。因此，海水泥浆配合比设计过程中，必须考虑到海水中离子浓度及其变化规律对海水泥浆护壁性能指标及其配合比的影响。[0004]此外，在用海水直接制备泥浆时，钠基膨润土与海水相溶会凝聚和沉淀分离，海水直接造浆胶体率低、稳定性差、护壁性能差。因此用海水制备泥浆，必须选用适宜的泥浆增粘剂与分散剂，使海水泥浆的稳定性满足要求，实现其防止孔壁的坍塌与地下水的渗入，增强泥浆的护壁作用。[0005]总体来说，淡水泥浆配合比设计方法费时、费力、投资大，海水泥浆就地取材，无需专门的造浆设备等优点，但需要克服由于海水离子浓度变化导致的泥浆稳定性差、胶体率低、护壁性能差等缺点。因此，亟需克服上述泥浆性能稳定性差，尤其是护壁性能不良的缺点，提供一种护壁性能稳定的落潮海水泥浆配合比设计方法。
[0006]本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术的不足，提供一种护壁性能稳定的海水泥浆的配合比设计方法。该方法根据实际工程中对泥浆护壁的要求，并结合施工条件和原材料的特点，通过正交试验确定落潮海、造浆粘土、增粘剂和分散剂的比例，设计制备出稳定性强、护壁性能高的海水泥浆，并改善了控制泥浆护壁性能的指标，在确保工程适用性的基础上，具有显著的经济效益、社会效益、环境效益及技术效益。[0007]为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是:一种护壁性能稳定的海水泥浆的配合比设计方法，其特征在于，该方法包括以下步骤:
[0008] 步骤一、选择原材料:[0009]a.海水:选用落潮期天然海水；
[0010]b.造衆粘土:选用钠基膨润土为造衆粘土 ；
[0011]c.增粘剂:选用聚丙烯酰胺为增粘剂；
[0012]d.分散剂:选用纯碱为分散剂；
[0013]步骤二、对海水泥浆的配合比进行正交试验设计:
[0014]在海水、造浆粘土、增粘剂和分散剂的质量比为1000: (110~190): (0.005~
0.025): (2~4)的工况条件下，选用造浆粘土、增粘剂和分散剂为可变因素，各可变因素均选取五个水平数，由此设计出三因素五水平正交试验方案；
[0015]步骤三、按照步骤二所述三因素五水平正交试验方案的设计要求制备25组海水泥浆，25组所述海水泥浆均通过步骤301~304制备得到:
[0016]步骤301、分别称取海水、造浆粘土、增粘剂和分散剂；
[0017]步骤302、将部分海水加热至65°C~80°C，然后将步骤301中称取后的增粘剂均匀分散于加热后的部分海水中，得到混合溶液；所述部分海水的质量为步骤301中称取后的海水总质量的30% ； [0018]步骤303、将步骤301中称取后的造浆粘土干燥后粉碎，然后将粉碎后的造浆粘土与步骤301中称取后的分散剂拌合均匀，得到土碱混合物；
[0019]步骤304、将步骤302中所述混合溶液、步骤303中所述土碱混合物与剩余海水混合均匀后静置24h~30h,然后在搅拌速率为30r/min~40r/min的条件下搅拌40min,得到海水泥浆；
[0020]步骤四、根据公路桥涵施工技术规范要求，对25组所述海水泥浆的比重、粘度、酸碱度、失水率和泥皮厚度均进行测试，以评价各组海水泥浆的护壁性能；
[0021]步骤五、对步骤四所得到的测试结果进行分析，得到造浆粘土、增粘剂和分散剂对于海水泥浆的护壁性能的影响，最终确定最优因素水平组合，从而得到护壁性能稳定的海水泥浆的最佳配合比。
[0022]上述的一种护壁性能稳定的海水泥浆的配合比设计方法，其特征在于，步骤一中所述钠基膨润土的胶体率不小于95%，含砂率不大于0.3%。
[0023]上述的一种护壁性能稳定的海水泥浆的配合比设计方法，其特征在于，步骤303中所述干燥的温度为65°C~80°C，所述干燥的时间为20min。
[0024]本发明的设计原理为:本发明海水泥浆的成分包括钠基膨润土，钠基膨润土的主要成分是蒙脱石。蒙脱石是由S1-Al-Si三层结构重叠而成，它的不定形的板状表面极易吸附阳离子。钠基膨润土具有触变性能、湿胀性能和胶体性能。钠基膨润土和海水混合后，由于钠基膨润土的膨胀而使液体粘度增大，在静置状态下，钠基膨润土悬浮液流动性变小，但搅动后，又会恢复原来的流动性(触变性)。钠基膨润土加海水混合后，海水很快就会进入蒙脱石的晶格之间，产生显著的湿胀。湿胀程度依蒙脱石表面吸附的不同离子而异。钠基膨润土颗粒在水中湿胀后，就变成一种带负电荷的亲水胶体，从而使钠基膨润土颗粒保持分散的悬浮状态，形成泥浆。
[0025]本发明与现有技术相比具有以下优点:
[0026]1、本发明通过选取落潮海水作为海水泥浆制备原料，充分利用落潮海水较涨潮海水的离子浓度相对稳定的特性，且海水落潮历时更长，更方便原材料的选取。此外，落潮海水的密度与淡水密度较为接近，更易控制海水泥浆的性能。
[0027]2、本发明通过选取钠基膨润土作为落潮海水泥浆制备原料，钠基膨润土是泥浆胶体质的主要来源，钠基膨润土泥皮薄、稳定性好、造浆率高。为了增大泥浆的胶体率，优选胶体率不小于95%，含砂率不大于0.3%的钠基膨润土。
[0028]3、本发明通过在落潮海水泥浆中添加聚丙烯酰胺(PAM)，可改变原有泥浆失水量大、易分离、可靠性差、护壁性能不好，形成的泥皮较厚等缺点，使泥浆具有较好的触变性、保水性、抗盐性及较薄的泥皮，保持不分散、低固相的性能，提高泥浆的比重、粘度、PH值，降低泥浆的失水量，可起到防止钻孔坍塌与地下水的渗入的作用，增强泥浆的护壁作用，克服海水离子浓度对泥浆性能的影响。
[0029]4、本发明通过在落潮海水泥浆中添加纯碱(Na2CO3),使钠基膨润土与海水相溶会凝聚和沉淀分离的现象不再发生，可以将钠基膨润土的颗粒进行分散，使海水与钠基膨润土颗粒接触更加充分，提高泥浆的胶体率、PH值、粘度，克服海水离子浓度对泥浆性能的影响，增强泥浆护壁、防止塌孔的作用。此外，添加Na2CO3可以将钠基膨润土颗粒进行分散，增加泥浆表面负电荷，以吸附带正电荷的钻屑，改善泥浆悬浮钻屑性能。
[0030]5、本发明通过在落潮海水泥浆中添加PAM和Na2CO3,可使该泥浆具有如下特点:
(I)粘度高。该泥浆粘度很高，因此相应的胶体率大。这样，泥浆胶体在粉细砂、粗砂砾石土体中形成一层化学膜，封闭孔壁，保持孔壁稳定。(2)失水量小。一般而言，泥皮厚度与泥浆过滤失水率成正比，该泥浆的低失水率使其具有泥皮薄的特点。(3)成孔后泥皮薄。这是该泥浆的一个重要特点。采用这种泥浆后，孔壁泥皮厚度小于1mm，这是淡水泥浆难以办到的。(4)不分散。该性能使钻孔后泥浆发生絮凝作用，从而使泥浆中的细颗粒钻屑进一步变成较大颗粒沉渣，进而易被机械除砂装置清除。该泥浆的这种保留优质的造浆粘土、絮凝去除劣质钻屑的特殊功能十分有利于泥浆循环、净化。
[0031]6、为了达到增强泥浆的护壁性能的目的，本发明优化了一系列海水泥浆指标，其指标包括:比重、粘度、pH、失水量、泥皮厚。海水泥浆比重增大可以增大孔壁的侧压力，孔壁也趋于稳定，然而海水泥浆比重过大，会导致失水量增大，泥皮厚也会增加，增加清孔和灌浆的困难；海水泥浆比重减小会减小孔壁侧压力，造成孔壁坍塌的现象。海水泥浆粘度增大会导致泥皮厚度增加，对阻止地下水渗透有利，然而海水泥浆过大会导致“糊钻”，影响钻进速度，增加海水泥浆净化的困难；海水泥浆粘度过小会导致泥皮厚度过薄，对阻止地下水渗透不利。海水泥浆的pH值与桩周海水及泥土中的盐分相关，pH上升会使孔壁表面软化，造成孔壁坍塌。海水泥浆失水量增大可以增加泥皮厚度，对阻止地下水渗透有利，然而海水泥浆失水量过大形成的孔壁海水泥浆皮过厚，容易引发塌孔；海水泥浆失水量减小则反之。海水泥浆泥皮厚度增加容易形成缩孔及塌孔现象；海水泥浆泥皮过薄，则不能起到护壁的作用。
[0032]7、本发明在海水泥浆配合比设计过程中，通过选用落潮海水作为泥浆制备的原材料，并在其中添加增 粘剂PAM和分散剂Na2CO3,实现了增强泥浆的稳定性，提高泥浆的护壁性能的目的。此外，本发明着重考虑了落潮海水泥浆的护壁性能，优化了落潮海水泥浆的比重、粘度、pH、失水量、泥皮厚指标，有效地防止孔壁的坍塌与地下水的渗入，增强泥浆的护壁作用，并且能够保证悬浮钻渣和携带钻渣的能力，降低海洋钻孔施工成本，减少海洋钻孔施工中断，减少海洋钻孔事故发生率。具有操作方便、保证施工质量、缩短施工工期的特点，在确保工程适用性的基础上，具有显著的经济效益、社会效益、环境效益及技术效益。
[0033]下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。



[0034]图1为本发明护壁性能稳定的海水泥浆的配合比设计流程图。
[0035]图2为本发明海水泥浆的制备工艺流程图。
[0036]图3为本发明钠基膨润土含量-海水泥浆比重曲线。
[0037]图4为本发明钠基膨润土含量-海水泥浆粘度曲线。
[0038]图5为本发明钠基膨润土含量-海水泥浆失水量曲线。
[0039]图6为本发明钠基膨润土含量-海水泥浆泥皮厚度曲线。
[0040]图7为本发明钠基膨润土含量-海水泥浆pH值曲线。
[0041]图8为本发明钠基膨润土含量-海水泥浆胶体率曲线。
[0042]图9为本发明钠基膨润土含量-海水泥浆含砂率曲线。
[0043]图10为本发明PAM含量-海水泥浆粘度曲线。
[0044]图11为本发明PAM含量-海水泥浆失水量曲线。
[0045]图12为本发明PAM含量-海水泥浆泥皮厚度曲线。
[0046]图13为本发明PAM含量-海水泥浆pH值曲线。
[0047]图14为本发明PAM含量-海水泥浆胶体率曲线。
[0048]图15为本发明纯碱含量-海水泥浆粘度曲线。
[0049]图16为本发明纯碱含量-海水泥浆失水量曲线。
[0050]图17为本发明纯碱含量-海水泥浆泥皮厚曲线。
[0051]图18为本发明纯碱含量-海水泥浆pH值曲线。
[0052]图19为本发明纯碱含量-海水泥浆胶体率曲线。

[0053] 申请人:在福建省琅岐闽江大桥桥址处进行超长桩基础钻孔施工的过程中，提出了一种适用于琅岐闽江大桥工况、护壁性能稳定的海水泥浆的配合比设计方法，其设计流程如图1所示。具体过程如下:
[0054]步骤一、选择海水泥衆的原材料
[0055]a.海水的选择:利用琅岐闽江大桥桥址处的天然海水进行试验，取涨潮期天然海水和落潮期天然海水用来制备海水泥浆。琅岐闽江大桥桥址处的天然海水的物理化学指标见表1。
[0056]表1琅岐闽江大桥桥址处的天然海水理化指标
[0057]
^目I密度I H I不溶物可溶物氯化物硫酸盐~碱含量~ 类别(g/cm3) P (mg/L) (mg/L) (mg/L) (mg/L) (mg/L)
涨潮海水 1.01 7 IOl86 97.61 48.041133
落潮海水 1.003 6.6 121105 1375.35 81.671180[0058]b.造浆粘土的选择:现场试验研究选用以蒙脱石含量高的山东钠基膨润土 ；其胶体率不小于95%,含砂率不大于0.3%。
[0059]c.增粘剂的选择:现场试验研究选用聚丙烯酰胺(PAM)作为增粘剂。
[0060]d.分散剂的选择:现场试验研究选用纯碱(Na2CO3)作为分散剂。
[0061]步骤二、对海水泥浆的配合比进行正交试验设计
[0062]在海水、钠基膨润土、PAM和Na2CO3的质量比为1000: (110~190): (0.005~
0.025): (2~4)的工况条件下，设定工况I为:涨潮海水+钠基膨润土 +PAM+Na2C03 ;限定工况2为:落潮海水+钠基膨润土 +PAM+Na2C03。其中，试验海水用量均按1000g计算，落潮海水的密度按1.000g/cm3进行计算。
[0063]选取钠基膨润土、PAM和Na2CO3作为可变因素，钠基膨润土选取110g、130g、150g、170g 和 190g 五个水平数，PAM 选取 0.005g、0.01g、0.015g、0.02g 和 0.025g 五个水平数，Na2CO3选取28、2.58、38、3.58和48五个水平数，设计出三因素五水平即L25 (53)正交试验方案，对海水泥浆的工程适用性展开研究。两种工况条件下的正交试验因素水平见表2。涨潮海水泥浆的三因素五水平正交试验方案和试验结果见表3。落潮海水泥浆的三因素五水平正交试验方案和试验结果见表4。
[0064]表2正交试验因素水平表
[0065]