一种地下工程水玻璃类防塌孔固壁型泥浆及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种地下工程水玻璃类防塌孔固壁型泥浆及其制备方法，该类泥浆材料由黏土、纯碱、絮凝剂、连接剂、水玻璃防塌剂以及水组成。该泥浆的制备方法是先将碱化后的膨润土浆加入水中进行搅拌至均匀后，然后向浆液中加入絮凝剂溶液，搅拌至均匀状态，加入连接剂溶液，搅拌至均匀状态，加入防塌剂溶液及剩余水量，搅拌至均匀状态。本发明专利技术泥浆防塌孔固壁能力强，孔内循环时携带钻渣能力及在地面静止时絮凝聚沉钻渣能力都非常强，泥浆材料无毒无副作用，经济成本低，符合环保要求，便于工程现场配制和使用，并可回收多次重复使用。

【技术实现步骤摘要】
一种地下工程水玻璃类防塌孔固壁型泥浆及其制备方法
本专利技术涉及地下岩土工程施工领域，具体涉及一种地下工程水玻璃类防塌孔固壁型泥浆及其制备方法。
技术介绍
近年来，随着科技进步和经济发展，我国城市高层建筑、地下空间工程蓬勃发展，致使钻孔工程应用非常普遍，特别是大直径钻孔灌注桩工程(桩径φ400～2000mm，桩长几十米到数百米不等)使用量每年达数十亿根。在桩基工程及各类地下工程钻孔(或挖槽)施工中，经常遇到软弱、风化、松散、破碎、节理裂隙发育、遇水膨胀(水敏性)等复杂岩土地层，该类岩土层孔壁极不稳定，容易发生坍塌、漏失、掉块、卡钻、埋钻等钻孔事故。如何确保复杂地层孔壁的稳定性是需要解决的主要技术难题之一。实践证明，选用防塌孔固壁性能好的泥浆材料是确保复杂地层孔壁稳定性、提高钻孔工程质量、提高生产效率、降低生产成本的最有效途径。目前，现有地下工程钻孔护壁泥浆主要是细分散泥浆、不分散聚丙烯酰胺泥浆、水玻璃类无固相泥浆。1)细分散泥浆组分主要有膨润土、纯碱、钠羧甲基纤维素(Na-CMC)。钠羧甲基纤维素在细分散泥浆组分中起防塌作用，但防塌效果差。细分散泥浆固相汗量高，粘土高度分散，泥浆粘度大，泥皮厚而疏松，失水量大，护壁性能差，钻渣土又严重分散在泥浆中，进一步增大了泥浆比重，造成泵送阻力及功率消耗大，泥浆在地面净化困难，泥浆重复使用效率低。2)不分散聚丙烯酰胺泥浆组分主要有膨润土、纯碱、部分水解聚丙烯酰胺(PHP)、水解聚丙烯晴(HPAN)或钠羧甲基纤维素(Na-CMC)。水解聚丙烯晴(HPAN)或钠羧甲基纤维素(Na-CMC)起防塌作用，但对砂性土地层防塌效果不是很好。不分散聚丙烯酰胺泥浆防塌孔固壁性能比细分散泥浆有所增强，但泥浆成本较高。3)水玻璃类无固相泥浆组分主要有水玻璃、部分水解聚丙烯酰胺。该类泥浆中不加入膨润土，水玻璃起到防塌作用，但因在孔壁泥皮形成慢且泥皮过薄，防塌效果较差。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是提供一种成本低、无环境污染、固相含量低、且防塌孔固壁能力强的地下工程钻孔护壁用水玻璃类防塌孔固壁型泥浆及其制备方法。实现本专利技术目的的技术方案如下：地下工程水玻璃类防塌孔固壁型泥浆具有下述重量份的组分：黏土10份～20份、纯碱2份～4份、絮凝剂0.5份～1.5份、连接剂0.1份～0.3份、水玻璃防塌剂8份～24份、水951.2份～979.4份。其中的纯碱组分分两次加入：黏土预浸泡碱化处理时加入1份～2份(占纯碱总用量的1/2左右)，余量的纯碱(占纯碱总用量的1/2左右)在絮凝剂常温下预溶解时加入。所述地下工程水玻璃类防塌孔固壁型泥浆的黏土为造浆用的膨润土，含有65％～90％的蒙脱石；絮凝剂为部分水解聚丙烯酰胺，其分子量500万～3000万，水解度27％～33％；连接剂为无水硫酸铝；防塌剂为水玻璃(Na2O·nSiO2)，其模数2.6～3.3，比重1.3～1.4。本专利技术的另一目的在于提供上述地下工程水玻璃类防塌孔固壁型泥浆的制备方法按以下步骤实施：①按配制1m3泥浆材料计算，量取纯碱1kg～2kg(占纯碱总加量的1/2左右)，放入一定量水中常温下进行溶解；然后量取黏土10kg～20kg加入纯碱溶液中，搅拌均匀后得到经过碱化的黏土浆液(黏土浓度不超过50％)，静置浸泡12h以上待用。②按配制1m3泥浆材料计算，量取纯碱1kg～2kg(占纯碱总加量的1/2左右)，放入一定量水中常温下进行溶解；然后量取絮凝剂0.5kg～1.5kg加入纯碱溶液中，搅拌均匀后得到絮凝剂溶液(溶解浓度不超过5％)，静置6h待用。③按配制1m3泥浆材料计算，量取连接剂0.1kg～0.3kg,溶解于常温下的水中，搅拌均匀后得到连接剂溶液(溶解浓度不超过20％)，静置5min待用。④按配制1m3泥浆材料计算，量取防塌剂8kg～24kg，加适量水(加水量为防塌剂量的1～2倍)进行稀释。⑤按配制1m3泥浆材料计算，将步骤①碱化后的黏土浆液倒入装有余量水(总用水量为951.2kg～979.4kg)的容器中，搅拌均匀后，向容器中加入步骤②配置的絮凝剂溶液，继续搅拌至均匀，加入步骤③配置的连接剂溶液，搅拌均匀后，加入步骤④的防塌剂溶液，继续搅拌均匀后即得到所要求的地下工程水玻璃类防塌孔固壁型泥浆。上述地下工程水玻璃类防塌孔固壁型泥浆的黏土为造浆用的膨润土，含有65％～90％的蒙脱石；絮凝剂为部分水解聚丙烯酰胺，其分子量500万～3000万，水解度27％～33％；连接剂为无水硫酸铝；防塌剂为水玻璃(Na2O·nSiO2)，其模数2.6～3.3，比重1.3～1.4。本专利技术研究中发现水玻璃的参数对泥浆性能是有影响的，水玻璃的模数若低于2.6，造成SiO2含量过低，使防塌效果下降；水玻璃的模数若高于3.3，虽然提高了SiO2含量，但溶液的负电性增大，反而会降低水玻璃与孔壁砂土颗粒的吸附效应，同样使防塌效果下降。水玻璃的模数越高，成本也越高。因此在本专利技术中，理想的水玻璃模数为2.6～3.3，水玻璃的比重1.3～1.4，相当于波美度为35～400Be′(可商业购买得到)。本专利技术所述的地下工程水玻璃类防塌孔固壁型泥浆属于不分散低固相泥浆范畴，其固相含量比目前已有的低固相泥浆还要低(传统不分散低固相泥浆中的“低固相”是指泥浆体系中的固相含量(造浆黏土和钻渣等所有固相)按体积计不超过4％)，所谓不分散有3层含义：一是高聚物存在抑制了造浆黏土颗粒的分散而使其颗粒直径保持较大不分散；二是对进入泥浆体系的钻渣(也称之为岩屑)起絮凝作用，不使其分散，利于除渣和净化泥浆；三是对井壁岩土的胶结保护作用，使孔壁岩土的稳定性增强，不分散到泥浆中，确保不出现塌孔问题。本专利技术采用水玻璃作为泥浆的防塌剂，采用部分水解聚丙烯酰胺作为泥浆的絮凝剂，采用无水硫酸铝作为泥浆的连接剂，将部分水解聚丙烯酰胺中的酰胺基团适度连接起来，形成网状结构，吸附于孔壁岩土表面，提高了对孔壁岩土的胶结保护作用，增强了泥浆的护孔固壁能力。本专利技术具有积极的效果：(1)本专利技术的地下工程水玻璃类防塌孔固壁型泥浆与目前已有的低固相泥浆相比，泥浆的固相(指黏土及钻渣)含量低，泥浆比重轻，孔内循环时携带钻渣能力及在地面静止时聚沉钻渣能力都非常强。由于本专利技术的泥浆固相含量低，粘度适中，泥浆循环所需的泥浆泵动力机的功率较低。以砂土地层钻孔灌注桩为例，按钻孔直径0.8米、孔深100米计算，采用本专利技术泥浆进行钻孔循环，所需泥浆泵动力机的功率为15kW～20kW。而采用细分散泥浆，其泥浆泵动力机的功率为25kW～40kW；采用不分散聚丙烯酰胺泥浆，其泥浆泵动力机的功率为20kW～30kW。(2)泥浆技术经济效果好。①本专利技术泥浆与目前已有的低固相泥浆相比，泥浆的固相(指黏土及钻渣)含量低，比重轻，孔内循环时携带钻渣能力及在地面静止时聚沉钻渣能力都非常低。因泥浆所用膨润土少，且泥浆可重复使用，减轻了对环境破坏的影响。②本专利技术的地下工程水玻璃类防塌孔固壁型泥浆的粘度、API失水量、静切力、流变性、吸附胶结性等性能指标优良：密度1.03g/cm3～1.08g/cm3、漏斗粘度24s～36s、API失水量(0.7MPa压差)8ml/30min～18ml/30min；浆液流型属于宾汉流体，600转旋转粘度读数为15格～32本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种地下工程水玻璃类防塌孔固壁型泥浆，其特征在于包括下述重量份的组分：黏土10份～20份、纯碱2份～4份、絮凝剂0.5份～1.5份、连接剂0.1份～0.3份、水玻璃防塌剂8份～24份、水951.2份～979.4份。

【技术特征摘要】
1.一种地下工程水玻璃类防塌孔固壁型泥浆，其特征在于包括下述重量份的组分：黏土10份～20份、纯碱2份～4份、絮凝剂0.5份～1.5份、连接剂0.1份～0.3份、水玻璃防塌剂8份～24份、水951.2份～979.4份；所述黏土为制造泥浆用的膨润土，含有65%～90%的蒙脱石，所述絮凝剂为部分水解聚丙烯酰胺，其分子量500万～3000万，水解度27%～33%，所述连接剂为无水硫酸铝，所述水玻璃防塌剂的水玻璃Na2O·nSiO2，其模数2.6～3.3，比重1.3～1.4，采用如下步骤制备而成，按配制1m3泥浆计算：①取纯碱1kg～2kg，放入一定量水中常温下进行溶解；然后取黏土10kg～20kg加入纯碱溶液中，搅拌均匀后得到经过碱化的黏土浆液，黏土浓度不超过50%，静置浸泡12h以上待用；②取纯碱1kg～2kg，放入一定量水中常温下进行溶解；然后取絮凝剂0.5kg～1.5kg加入纯碱溶液中，搅拌均匀后得到絮凝剂溶液，溶解浓度不超过5%，静置6h待用；③取连接剂0.1kg～0.3kg,溶解于常温下的水中，搅拌均匀后得到连接剂溶液，溶解浓度不超过20%，静置5min待用；④取防塌剂8kg～24kg，加适量水，加水量为防塌剂量的1～2倍，进行稀释；⑤将步骤①碱化后的黏土浆液倒入装有余量水的容器中，搅拌均匀后，向容器中加入步骤②配置的絮凝剂溶液，继续搅拌至均匀，加入步骤③配置的连接剂溶液，继续搅拌至均...

【专利技术属性】
技术研发人员：代国忠，蒋晓曙，高强，史贵才，张亚兴，宋志兵，张家春，
申请(专利权)人：常州工学院，
类型：发明
国别省市：江苏;32