分散剂在海水泥浆钻孔桩中的应用

分散剂在海水泥浆钻孔桩中的应用

随着道路交通的快速发展，沿海地区普遍修建了海上桥梁。已建成的福建厦门海沧大桥、广东的崖门大桥、湛江海湾大桥和正在建设的杭州湾跨海大桥北航道桥都是跨海大桥。在其钻孔灌注桩施工中遇到海水泥浆的问题。泥浆是钻孔灌注桩成孔的重要条件之一，在钻孔过程中，泥浆起到保护孔壁、悬浮钻渣和保证正常钻进的作用。海水泥浆的配制及其性质的研究就十分必要，本文针对厦门海沧大桥、广东的崖门大桥、湛江海湾大桥及杭州湾跨海大桥北航道桥的钻孔灌注桩的海水泥浆作了初步探索。1材料和测试方法1.1海水淡化工程的物理性质和化学组成(1)粘土：膨润土、红粘土、白粘土、灰粘土等。其物理性质见表1，化学组成见表2。(2)海水：不同水域的海水。(3)分散剂：NaOH、Na2CO3、CMC、聚丙烯酸胺等。1.2砂浆配合比试验根据《公路桥涵施工技术规范》(JTJ41—2000)对泥浆各项指标的要求，用不同地区的粘土、海水、自来水，不同的分散剂配制各种泥浆，作对比试验，并测定其胶体率、失水量、砂率及沉降速率等，从中选出符合施工规范要求的泥浆配合比，在实际的桩基钻孔中应用。2试验结果2.1灌浆沉到底部《公路桥涵施工技术规范》规定用于钻孔的正循环泥浆的胶体率要达到96%以上，在逆循环时胶体率要达到95%以上。通常钻孔的泥浆都是用膨润土来制备。在海上钻孔，海水不可避免的会进入到钻孔护筒中来，由于海水中有大量的盐份及各种金属离子，对膨润土的造浆性能影响很大，泥浆会很快沉降到底部，沉降的速率非常快，上层很快变成清澈的溶液。这样起不到泥浆的护壁作用，泥浆沉到底部对灌注混凝土的质量影响很大。因此，必须要改善泥浆的性能，先通过膨润土在海水配制的泥浆中加入NaOH、Na2CO3、CMC、聚丙烯酸胺、石棉等，效果都不理想。后改换用其他粘土并加入各种分散剂来配制海水泥浆，先后做了数百次试验，最后在厦门海沧大桥选到一种粉红色的粘土，崖门大桥附近一种白色的粘土，湛江海湾大桥附近的灰色的粘土。根据其各自的性质，添加不同的分散剂，配制成海水泥浆具有较好的性能，在其中加入CMC、聚丙烯酸胺改善分散性，加入Na2CO3或NaOH调节pH值。并测定这些泥浆的沉降速率及胶体率(用100ml的量筒，取100ml配好的泥浆，静置，测量不同时间粘土颗粒形成泥浆沉降时泥浆的高度)。同时也做了这些粘土在自来水的对比试验，其结果见表3。从试验结果可以看出，膨润土在海水中沉降非常快，1h就已完全沉降了。这对灌注混凝土质量影响很大，因此，膨润土不适合在海水中造浆。而在海域附近寻找的粘土，有一定的抗盐作用，在加入一定的分散剂时可以配制成高质量的泥浆，其胶体率达到96%以上，完全可以用作海水钻孔护壁的泥浆。这些粘土在自来水中反而比在海水中沉降得快，也不适合在淡水中造浆。各种粘土在不同的海水交叉使用时效果也不好。2.2不同泥浆的比例、损失量和砂率在胶体率达到规范要求后，又测定了泥浆的比重、失水量、砂率等，其结果见表4。3应用3.1西塔基础施工厦门海沧大桥是连接厦门岛与海沧大陆的跨海大桥，其中西塔和西锚由广东省长大公路工程公司施工。西塔位于东航道西侧海域中，有28根直径为2m的钻孔灌注桩，最长深度达70m。西塔钻孔桩施工开始时，用膨润土来配制钻孔泥浆，发现泥浆在有海水渗入时，迅速沉降，完全不能起护壁作用，只得暂时停止钻进。经过试验室对不同的粘土在海水中形成泥浆的试验，最后采用红粘土配制的海水泥浆，其配合比为海水:红粘土:CMC:Na2CO3=100:11:0.05:0.06，在用此泥浆作钻孔泥浆后进钻非常顺利，灌注混凝土的效果良好，并按期完成了西塔的基础施工。桩基检测的18根桩中其中有17根为A类桩，1根为B类桩。西引桥的部分灌注桩也在辅航道的海域中，也采用了该种泥浆为钻孔泥浆，使用效果也较好。3.2桩基成孔效果崖门大桥是广东西部沿海高速公路上的关键工程项目，跨越崖门水道入海处，属典型的沿海地区河流水文地质情况。全桥长1296m，设计主跨为338m双塔单索面墩、梁、塔固结预应力混凝土斜拉梁。2个主墩位于深水区，各有18根直径为3m钻孔灌注桩，平均深度为60m，最大深度达80m，嵌岩最深46m。两个主墩的泥浆都采用白色粘土配制的海水泥浆。其配合比为海水:白粘土:CMC:聚丙烯酸胺Na2CO3=100:11.5:0.08:0.30:0.10，桩基成孔后经过36～40h的安装钢筋笼工作，其泥浆的护壁作用仍然很稳定，孔底沉淀也较少，使桩基施工取得成功，36条主墩桩基在成孔过程中未发生过坍孔、卡钻等事故。桩基检测优良率100%，其中A类桩占50%。3.3基础工程施工湛江海湾大桥全长3981m。由东至西分为五部分：东岸引桥、小中东引桥、立交斜拉桥、小中西引桥、西岸海滨立交桥。现正在做基础工程施工。由于在湛江海湾大桥的桥址区域的地质构造中有一层灰色的粘土，试验发现，这种粘土加入适当的分散剂能在该区域的海水中形成较好的泥浆。当海水渗入护筒时，在这种粘土的作用下，也能形成较好的泥浆，对钻孔桩成孔时护壁非常有利，清孔完成较好。海上和岸上的钻孔桩已经有部分已完成。已完成并已检测的204根桩中A/I类桩占155根，B/II类桩占49根，优良率100%。3.4桥桩基础施工杭州湾跨海大桥北航道桥共计152条钻孔灌注桩基础，其中主墩桩基52根，桩径2.8m，平均桩长125m；边辅助墩共计44根，桩径2.5m，平均桩长93m；高墩区引桥桩基础每墩8根，桩径2.5m，平均桩长92m。在有以上几座大桥的经验基础上，就地取材，经过大量的试验，从中优选出适合该水域施工的泥浆配合比，用到北航道桥的桩基钻孔中。目前桩基施工已全部完成。超声检测152条桩全部为I类桩，而且超声波的图像边界波动很小，竖直度好，内部均匀，表明整个混凝土的内部结构也很均匀。从图像判断扩孔少，没有出现坍孔现象；以实际混凝土的灌注情况来看，主墩桩基平均理论混凝土方量为769m3，统计实际混凝土的平均灌注方量为800m3，混凝土超方在5%以内，并取得了良好的经济