一种适应于海底盾构施工的抗盐泥浆及其制备方法与流程

本发明属于建筑工程技术领域，具体涉及一种抗盐泥浆及其制备方法。

背景技术：

近年来，沿海核电站排水隧洞、跨海越江隧道工程快速发展。泥水盾构施工方法因其工效高、可靠安全、技术优良等优点，逐渐成为在沿海城市隧道工程建设的主要方法^[1,2]。泥水盾构施工时，泥浆在舱压作用下向地层中渗透，在开挖面形成一层致密泥膜平衡土水压力，起到维持掌子面稳定的重要作用^[3]。良好的泥浆性能和适合地层的泥浆配比决定了泥水盾构的掘进效率和经济成本，其配比设计对于施工安全和进度具有十分重要的作用。但是，应用广泛的泥水盾构施工方法在海底地层施工中也存在一些不可避免的问题，就泥浆设计来说：当盾构掘进遇到高含无机盐地层或富含海水环境下的地层时，海水中存在大量cl^-离子和一些阳离子(例如ca²⁺、mg²⁺)会污染泥浆，使其易发生聚结下沉，造成泥浆成膜功能退化，滤失量和流变性能劣化^[4]，严重影响施工质量和进度。

目前国内外泥水盾构工程所选用的分散泥浆体系大都由黏土、膨润土、水、添加剂所构成，在某些情况下采用添加剂(主要是聚合物)来提高浆料的性能^[5]。对于海水拌制的泥浆多采用抗盐膨润土或者在泥浆中添加抗盐降滤失剂，常用的抗盐降滤失剂有cmc^[6]，聚丙烯酰胺^[7]等。但这些抗盐降滤失剂多由各种有机物合成，化学工艺比较复杂，且抗盐效果一般只有20％左右。此外，传统方法配制的泥浆废浆量大，而且添加剂中的高分子聚合物很难降解，对环境污染严重^[8]。

因此，研究来源广泛、降滤失效果好、抗盐能力强、经济适用、且绿色环保的泥浆在海底盾构施工中有非常重要的工程意义。

参考文献：

[1]shen,s.l.,dai,y.z.,liu,j.h.,chai,j.c.,constructionofslurryshieldtunnelunderhuangpuriverinshanghai.tunn.undergr.sp.tech.2004,19(4):397-398.

[2]陈辰.跨海地铁隧道泥水平衡盾构复杂地层泥浆配制技术分析[j].建筑技术开发,2017,(03):88-90.

[3]minf,zhuw,hanx.filtercakeformationforslurryshieldtunnelinginhighlypermeablesand[j].tunnelingandundergroundspacetechnologyincorporatingtrenchlesstechnologyresearch,2013,38(3):423-430.

[4]胡建平,董教社,冯蓓蕾.聚合物海水泥浆的研制[j].探矿工程(岩土钻掘工程),2012,39(12):29-31.

[5]fritzp.additivesforslurryshieldsinhighlypermeableground[j].rockmechanics&rockengineering,2007,40(1):81-95.

[6]池秀文，姚志伟，林驰.厚砂层钻孔灌注桩成孔泥浆配比分析[j].武汉大学学报(工学版),2012,45(04):477-480.

[7]谭文礼，席方柱，王翀，等.一种抗盐高密度水泥浆：中国，200710118273.6[p].2009-01-07.

[8]张子新，胡欣雨，黄昕.一类特殊的泥水盾构掘进绿色泥浆实验研究[j].同济大学学报(自然科学版)，2010,38(11):1574-1578.

技术实现要素：

本发明针对海底盾构海水环境对泥浆性质劣化，且传统添加剂抗盐效果一般，污染环境等缺点，提出一种适应于海底盾构施工的抗盐泥浆及其制备方法，其具有良好的流变性和低滤失量，抗盐效果好且来源广泛，经济适用，绿色环保。

为了解决上述技术问题，本发明通过以下的技术方案予以实现：

一种适应于海底盾构施工的抗盐泥浆，按重量份由以下组分组成：

水100份

膨润土6～10份

黄原胶0.1～0.3份

进一步地，所述膨润土为钠基膨润土。

进一步地，在10％海水条件工作环境下，所述黄原胶为0.1份。

进一步地，在30％海水条件工作环境下，所述黄原胶为0.24份。

进一步地，在100％海水条件工作环境下，所述黄原胶为0.3份。

一种所述适应于海底盾构施工的抗盐泥浆的制备方法，按以下步骤进行：

(1)按重量份称取膨润土和水，并搅拌均匀，配置为泥浆浆液；

(2)在步骤(1)配置好的泥浆浆液中，按照重量份添加黄原胶，边加入边搅拌；

(3)将步骤(2)得到的抗盐泥浆浆液在800～1200r/min下搅拌不少于30min；

(4)搅拌完成后，抗盐泥浆浆液在室温条件下静置24～36h。

一种所述适应于海底盾构施工的抗盐泥浆的制备方法，按以下步骤进行：

(1)按重量份称取黄原胶和水，并搅拌均匀，配置为黄原胶水溶液；

(2)在步骤(1)配置好的黄原胶水溶液中，按照重量份添加膨润土，边加入边搅拌；

(3)将步骤(2)得到的抗盐泥浆浆液在800～1200r/min下搅拌不少于30min；

(4)搅拌完成后，抗盐泥浆浆液在室温条件下静置24～36h。

本发明的抗盐泥浆的抗盐机理为：

黄原胶分子侧链上的葡萄糖醛酸基团带有负电荷，膨润土分子表面由于水合阳离子的存在而带有正电荷，在膨润土溶液中加入黄原胶后，黄原胶分子逐渐被吸引结合到膨润土分子周围，形成一种对膨润土颗粒的保护作用。而因为黄原胶分子侧链带有负电荷的原因，在氢键、静电力的作用下，海水溶液中存在的大量ca²⁺、mg²⁺等阳离子能够逐渐被黄原胶分子侧链吸附结合。这样一方面阻止了这些阳离子对膨润土中可交换阳离子的替换，降低了溶液中离子浓度差，保护钠基膨润土的基本性质不变；另一方面由于阳离子的水化作用，在膨润土周围形成一层较厚的水化层，同时也降低了cl^-离子对扩散双电层的压缩作用。

本发明的有益效果是：

本发明采用黄原胶作为抗盐添加剂，生产黄原胶的主要原料为玉米、大豆、木薯、小麦等植物，价格较为低廉，且对环境无污染；该抗盐泥浆在水溶液中能快速溶解，具有非常好的水溶性，即使在冷水中也会溶解，可避免繁杂的加工过程，使用方便；该抗盐泥浆具有较好的抗盐稳定性，对海水环境中泥浆流变性能和保水性有很好的改善作用，在一定盐浓度条件下，该抗盐泥浆能与多种盐溶液相溶，主要是钙盐、镁盐以及钠盐，保持自身的溶解性而不发生絮凝或沉淀，其粘度基本不受影响；该抗盐泥浆对一些不溶性固体和油滴具有良好的悬浮作用，黄原胶分子之间能够形成结合带状的螺旋共聚体，构成网状结构，因此其配置泥浆悬浮性和携渣能力较强，有利于渣土的排出。

附图说明

图1是实施例1所制得的抗盐泥浆在不同比例海水掺混条件下黏度和比重的变化曲线图；

图2是实施例2所制得的抗盐泥浆不同比例海水掺混条件下黏度和比重的变化曲线图；

图3是实施例3所制得的抗盐泥浆不同比例海水掺混条件下黏度和比重的变化曲线图；

图4是实施例3所制得的抗盐泥浆在100％海水掺混条件下中粗砂地层中失水量随时间变化图；

图5是实施例3所制得的抗盐泥浆在100％海水掺混条件下中粗砂地层中超静孔隙水压随时间变化图。

具体实施方式

下面通过具体的实施例对本发明作进一步的详细描述：

以下实施例可以使本专业技术人员更全面的理解本发明，但不以任何方式限制本发明。

对于本发明各实施例中所用原料的说明如下：

水：自来水；

膨润土：飞来峰厂家生产的钠基膨润土；

黄原胶：河北润步生物科技公司生产的黄原胶。

实施例1：

制备一种适应于海底盾构施工的抗盐泥浆，原料为水100份，膨润土6份，黄原胶0.1份，按以下步骤进行：

a、按重量称取膨润土和水搅拌均匀；

b、称取0.1份的黄原胶，将其加入到按a步骤得到的浆液中，边加入边搅拌；

c、将按b步骤得到的浆液用电动搅拌器在1000r/min下搅拌30min；

d、在室温条件下静置24h储存。

对实施例1制备得到的抗盐泥浆检测结果如下：

(一)按照gb/t16783.1标准规定测定其表观黏度为21.9s，滤失量为16ml；试验结果表明，其表观粘度和滤失量均满足国家标准要求和施工经验范围。

(二)如图1所示，分别在对应10％、20％、30％海水掺混条件下测得其表观黏度和滤失量为：21.84s，15.4ml；17.66s，18.2ml；16.11s，19.1ml。随着海水含量增大，泥浆黏度逐渐下降，滤失量增大，根据泥水盾构工程实例经验，滤失量小于20ml即满足要求，而对应10％海水条件下其表观黏度基本维持不变，即10％海水条件为适合该抗盐泥浆的工作环境。

实施例2：

制备一种适应于海底盾构施工的抗盐泥浆，原料为水100份，膨润土8份，黄原胶0.24份，按以下步骤进行：

a、按重量称取黄原胶和水搅拌均匀，制成质量百分数为0.24％的黄原胶水溶液；

b、按重量称取膨润土，将其加入到按a步骤得到的黄原胶水溶液中，边加入边搅拌；

c、将按b步骤得到的浆液用电动搅拌器在1200r/min下搅拌30min；

d、在室温条件下静置32h储存。

对实施例2制备得到的抗盐泥浆检测结果如下：

(一)按照gb/t16783.1标准规定测定其表观黏度为22.3s，滤失量为15.4ml；试验结果表明，其表观粘度和滤失量均满足国家标准要求和施工经验范围。

(二)如图2所示，分别在对应10％、20％、30％海水掺混条件下测得其表观黏度和滤失量为：33s，14ml；25.2s，16.9ml；21.2s，17.1ml。随着海水含量增大，泥浆黏度逐渐下降，滤失量增大，滤失量均小于20ml满足要求，而对应30％海水条件下其表观黏度与未受海水污染时相近，即30％海水条件为适合该抗盐泥浆的工作环境。

实施例3：

制备一种适应于海底盾构施工的抗盐泥浆，原料为水100份，膨润土10份，黄原胶0.3份，按以下步骤进行：

a、按重量称取黄原胶和水搅拌均匀，制成质量百分数为0.3％的黄原胶水溶液；

b、按重量称取膨润土，将其加入到按a步骤得到的黄原胶水溶液中，边加入边搅拌；

c、将按b步骤得到的浆液用电动搅拌器在800r/min下搅拌30min；

d、在室温条件下静置36h储存。

对实施例3制备得到的抗盐泥浆检测结果如下：

(一)按照gb/t16783.1标准规定先测定其表观黏度为25s，滤失量为15.4ml；试验结果表明，其表观粘度和滤失量均满足国家标准要求和施工经验范围；

(二)如图3所示，分别在对应10％、20％、30％、100％海水掺混条件下测得其表观黏度和滤失量为：36.5s，13ml；30.55s，13.8ml；26.12s，16.2ml；24.94s，16.6ml。随着海水含量增大，泥浆黏度逐渐下降，滤失量增大，滤失量均小于20ml，而对应100％海水条件下其表观黏度与未受海水污染时最接近，即100％海水条件为适合该抗盐泥浆的工作环境；

(三)采用由压力控制、泥浆渗透桶、数据采集部分和连接管道组成的渗透装置在100％海水环境中测试泥浆渗透适应性。泥浆渗透装置主体是一个净空为270×680(内径×内高：mm)，壁厚为15mm的有机玻璃圆柱体组成。渗透装置有机玻璃柱侧壁不同位置安装高精度压力传感器测验地层孔隙水压力，所用地层材料主要是中粗砂来自海上钻孔取样，参照土工试验规程进行常水头试验测定该中粗砂的渗透系数为7.8×10^-3cm/s，考虑实际施工泥浆压力与地下水压的最大值，本次试验泥浆压力是0.3mpa。实验开始后每隔10s收集一次地层不同深处孔隙水压力值和累计渗流量值。

从试验结果图4和图5来看，100％海水环境添加0.3份黄原胶配制的泥浆在中粗砂地层渗透效果良好，能够形成良好的泥膜形态。利用比重为1.063g/cm³、黏度为24.94s的泥浆进行渗透试验形成的泥膜厚度约为2mm，渗进中粗砂地层约为40mm。最终滤失量约为900ml，渗透完成时间为20s。不同深度处地层超静孔隙水压力也保持在一个较低的水平，靠近上部的地层中的超静孔隙水压力约为0.045mpa，下部地层数值更小，为0.025-0.03mpa。说明试验泥浆能够有效的淤堵地层孔隙，抵挡水土压力，保持掌子面的稳定。

尽管上面结合附图对本发明的优选实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以作出很多形式的具体变换，这些均属于本发明的保护范围之内。