简介概要

复杂岩层钻孔灌注桩泥浆选型试验研究

来源期刊:中南大学学报(自然科学版)2010年第2期

论文作者:王建军 彭振斌 刘睦峰 彭文祥

文章页码:673 - 678

关键词:钻孔灌注桩;泥浆;选型试验

Key words:drill-pouring pile; mud; selection test

摘    要:将聚丙烯酰胺(PAM)和部分水解聚丙烯酰胺(HPAM)作为絮凝剂、防塌剂、增黏剂和堵水剂,用于大直径钻孔灌注桩施工。在吸附试验中,在固液比为1:50、温度为(20±0.2) ℃时,采用淀粉-碘化镉比色法,根据PAM (或HPAM)标准曲线,测量其吸附平衡后的离心液浓度,由吸附前后的PAM(或HPAM)浓度计算每克黏土的吸附量。试验结果表明:黏土颗粒随着溶液中钠离子浓度的增加,吸附HPAM的含量也增加;随着溶液pH值、水解度和温度的增加,吸附HPAM含量降低;聚丙稀酰胺的技术参数确定为:阴离子型,相对分子质量为 (3.0~5.0)×108,水解度为30%~50%;在施工中,使用该配方调制的泥浆,能有效地防止黏卡事故的发生,成孔率显著提高。

Abstract: Polyacrylamide (PAM) and partially hydrolyzed polyacrylamide (HPAM) were used in construction of large diameter bored piles as flocculant, anti-sloughing agent, tackifier and the blocking agent. In the adsorption experiment, the ratio of solid to liquid was 1:50, temperature was (20±0.2) ℃, a cadmium iodide starch assay was used according to PAM (or HPAM) standard curve, and the adsorption equilibrium of centrifugal concentration was measured before and after adsorption of PAM (or HPAM) and the concentration of adsorption per gram of clay. The results show that clay particles increase with the increase of concentration of sodium in solution, and adsorption of HPAM also increases. With the increase of pH value, temperature and degree of hydrolysis, the contents of HPAM reduces. The technical parameters of polyacrylamide defined are as follows: anionic type, relative molecular mass (3.0-5.0)×108, the degree of hydrolysis of 30%-50%. Using the formula modulation mud can effectively prevent the occurrence of sticky cards, and hole increases significantly.

基金信息:国家自然科学基金资助项目



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复杂岩层钻孔灌注桩泥浆选型试验研究

王建军1, 2,彭振斌1,刘睦峰1, 2,彭文祥1

(1. 中南大学 地学与环境工程学院,湖南 长沙,410083;

2. 湖南省煤田地质局,湖南 长沙,410014)

摘 要:将聚丙烯酰胺(PAM)和部分水解聚丙烯酰胺(HPAM)作为絮凝剂、防塌剂、增黏剂和堵水剂,用于大直径钻孔灌注桩施工。在吸附试验中,在固液比为1?50、温度为(20±0.2) ℃时,采用淀粉-碘化镉比色法,根据PAM (或HPAM)标准曲线,测量其吸附平衡后的离心液浓度,由吸附前后的PAM(或HPAM)浓度计算每克黏土的吸附量。试验结果表明:黏土颗粒随着溶液中钠离子浓度的增加,吸附HPAM的含量也增加;随着溶液pH值、水解度和温度的增加,吸附HPAM含量降低;聚丙稀酰胺的技术参数确定为:阴离子型,相对分子质量为 (3.0~5.0)×108,水解度为30%~50%;在施工中,使用该配方调制的泥浆,能有效地防止黏卡事故的发生,成孔率显著提高。

关键词:钻孔灌注桩;泥浆;选型试验

中图分类号:P634.5          文献标志码:A         文章编号:1672-7207(2010)02-0673-06

Mud selection test of drill-pouring pile in complex rock

WANG Jian-jun1, 2, PENG Zhen-bin1, LIU Mu-feng1, 2, PENG Wen-xiang1

(1. School of Geoscience and Environmental Engineering, Central South University, Changsha 410083, China;

2. Coal Geology Bureau of Hunan Province, Changsha 410014, China)

Abstract: Polyacrylamide (PAM) and partially hydrolyzed polyacrylamide (HPAM) were used in construction of large diameter bored piles as flocculant, anti-sloughing agent, tackifier and the blocking agent. In the adsorption experiment, the ratio of solid to liquid was 1?50, temperature was (20±0.2) ℃, a cadmium iodide starch assay was used according to PAM (or HPAM) standard curve, and the adsorption equilibrium of centrifugal concentration was measured before and after adsorption of PAM (or HPAM) and the concentration of adsorption per gram of clay. The results show that clay particles increase with the increase of concentration of sodium in solution, and adsorption of HPAM also increases. With the increase of pH value, temperature and degree of hydrolysis, the contents of HPAM reduces. The technical parameters of polyacrylamide defined are as follows: anionic type, relative molecular mass (3.0-5.0)×108, the degree of hydrolysis of 30%-50%. Using the formula modulation mud can effectively prevent the occurrence of sticky cards, and hole increases significantly.

Key words: drill-pouring pile; mud; selection test

                    

大直径钻孔灌注桩由于具有能适用各种地层条件、能制成各种桩径和桩长、能满足不同承载能力要求等诸多优点,被广泛应用于许多特大型基础工程施工中,尤其是深水、大跨径桥梁基础工程施工中,并不断向超大超深方向发展。由于工程地质条件越来越复杂,施工风险也越来越大。目前,聚丙烯酰胺(PAM)和部分水解聚丙烯酰胺(HPAM)已被广泛用于大直径钻孔灌注桩施工,作为絮凝剂、防塌剂、增黏剂和堵水剂,其效果与吸附作用密切相关。Scoggins等[1-2]探讨了淀粉-碘化镉比色法及等温吸附理论方法;李小青等[3-11]分析了大直径钻孔灌注桩的泥浆护壁机理与孔壁稳定的关系;Olibar等[12-15]探讨了泥质砂岩的导电性及泥浆流变的Herschel-Bulkley模型。在此,本文作者结合正在施工的某长江大桥的工程特征,对PAM和HPAM在黏土颗粒表面上的等温吸附规律和影响吸附的各个因素进行试验研究。

1  桥位区工程地质特征

主墩设计桩径为2.8 m,设计桩长为75.0 m,钻孔孔深为95.0 m,总桩共22根。工程部分桩孔的地质剖面如图1所示,其主要工程地质条件如下:覆盖层为粉~砾砂层,厚度为24.0~25.0 m(标高为+6.1~-18.7 m),基岩顶部为破碎严重(强风化)粉砂质泥岩⑨1-3,其下以破碎较严重(中风化)粉砂质泥岩为⑨1-2主,其中夹有透镜状的⑨1-3,⑨1-1或⑨1泥岩,下部以破碎(中风化)粉砂质泥岩⑨1-1为主,夹有透镜状的⑨1-1泥岩;⑨1-3层在该墩发育的规模较小,在下游北面局部较厚,达到25.0 m,最薄处仅3.0~5.0 m,局部甚至未能揭露;⑨1-2层泥岩在位于墩位中心线附近的钻孔中较多揭露,其次在南面上、下游角分布亦较多;⑨1-1及⑨1层泥岩分布范围及厚度较大。由图1可见地层特征主要为:

(1) 覆盖层松散易钻,但孔壁稳定性差,常出现塌孔、超径等问题,对泥浆性能要求高。

(2) ⑨1-3层具有遇水容易软化崩解的特性,对泥浆的性能也要求较高。因此,最大限度地抑制泥岩的水敏水化,才能起到良好的护壁效果,抑制泥岩水敏水化的关键在于处理剂成分的选择和组合。

2  实验条件和方法

2.1  矿物成分分析

从黏土矿物学可知:泥岩主要由蒙脱石、伊利石和高岭石矿物组成。黏土矿物具有遇水膨胀、分散的特点。其水化的突破口是裸露在晶胞表面的硅氧四面体的氧原子层.这层氧原子层每6个氧原子形成1个正六角环,这个氧六角环的空穴直径为2.8×10-10 m,K+直径为2.66×10-10 m,并因K+吸附能力强,恰好可镶嵌在这一空穴中,形成最紧密的结构,水和极性分子都不易进入层间,并且可通过层间K+把两层拉得很紧,这就可以有效地控制泥岩分散和水化膨胀。在泥浆中加入K+还会趋向封闭孔壁上泥岩的破坏楔并将其紧密约束。K+含量足够大的钾基泥浆具有很强的抑制泥岩水化作用。

图1  工程地质剖面图

Fig.1  Engineering geological profile

2.2  试验方法的确定

在吸附试验中,温度为(20±0.2) ℃,固液比为1?50,在不停地摇动下吸附2 h。用淀粉-碘化镉比色   法[1],根据PAM(或HPAM)标准曲线,测其吸附平衡后的离心液浓度,由吸附前后的PAM(或HPAM)质量浓度计算每克黏土的吸附量。

3  聚丙烯酰胺技术指标试验分析

3.1  PAM溶液质量浓度与黏土颗粒表面的吸附因素

PAM被黏土颗粒吸附,主要靠酰胺基与黏土颗粒之间形成氢键而吸附。随着PAM溶液质量浓度的增加,形成氢键的机会越多,黏土的吸附量也逐渐增加。当达到饱和吸附时,黏土的吸附量不再随PAM溶液质量浓度的增加而增大。由试验所得PAM等温吸附曲线见图2,可见:曲线形状基本上与Langmuir等温吸附曲线形状相同。

图2  PAM等温吸附试验曲线

Fig.2  PAM adsorption isotherm test curve

3.2  溶液pH值对吸附量的影响

实验中,HPAM的水解度为30.2%,初始质量浓度205.8 mg/L,将溶液的pH值调到7;分散黏土和定容所用的蒸馏水,调至不同pH值。PH值对HPA吸附量的影响见图3。可见:随着pH值的增加,黏土颗粒表面吸附HPAM的含量下降,开始降得快,以后变化平缓。其原因是:随着pH值逐渐降低,HPAM分子长链上—COONa基团中的Na+逐渐被H+取代,变成—COOH基团。—COOH基团不仅减少了HPAM分子链上的负电性,也增加了HPAM分子与黏士颗粒形成氢键的能力。因此,随着溶液pH值降低,黏土颗粒吸附HPAM的含量增加。

图3  pH值对HPAM吸附量的影响

Fig.3  Effect of pH value on adsorption of HPAM

3.3  温度对HPAM吸附量的影响

将质量浓度为617.4 mg/L的HPAM溶液,加入已知黏土质量的悬浮液中,在不同温度的水浴中密闭加热,在不同温度下吸附,结果如图4所示。可见:随着温度升高,黏土颗粒表面上的吸附量降低。

图4  温度对HPAM吸附量的影响

Fig.4  Effect of temperature on adsorption of HPAM

3.4  水解度对HPAM吸附量的影响

将PAM配成不同的水解度,HPAM溶液质量浓度为199.96 mg/L,pH值为8,吸附在含盐质量浓度为30 g/L时进行,溶液水解度对吸附量的影响如图5所示。可见:随着水解度的增加,黏土颗粒表面上吸附HPAM的含量降低。其原因是:当水解度逐渐增加时,HPAM分子长链上的—COONa基团逐渐增多,因负电性增强而与黏土颗粒的斥力变大,同时,因长链拉直,使在黏土颗粒表面上的吸附密度降低;此外,随着水解度的增大,HPAM分子链上吸附性基团减少。

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