顶管施工中新型聚合物添加剂对润滑减阻浆液性能的影响

(山西省东山供水工程建设管理局， 山西 太原 030001)

顶管施工中新型聚合物添加剂对润滑减阻浆液性能的影响

胡新

(山西省东山供水工程建设管理局， 山西 太原 030001)

本文选取聚丙烯酰胺、羟甲基淀粉、羟甲基纤维素、瓜尔胶、黄原胶和N-二甲基丙烯酰胺共聚物共6种聚合物，作为顶管施工润滑减阻浆液添加剂，通过对比和分析加入不同聚合物添加剂的浆液体系性能参数，得出以上六种聚合物适合用作顶管施工润滑减阻浆液添加剂的是羟甲基纤维素、黄原胶和N-二甲基丙烯酰胺共聚物。在此基础上，再通过调节加入浆液体系添加剂的掺量来研究其掺量变化对浆液性能产生的影响，得到最为适宜作为顶管施工润滑减阻浆液添加剂的聚合物是N-二甲基丙烯酰胺共聚物的结论。

顶管；聚合物添加剂；润滑减阻浆液

以膨润土为主要成分的润滑减阻浆液目前广泛运用于长距离顶管施工中[1]。润滑浆液在顶管施工过程中主要有两种作用：一是润滑浆液可起到润滑作用,改变管道与土体之间摩擦特性,使其由干摩擦变为湿摩擦,减小掘进阻力；二是润滑浆液还有支撑土体和填补施工间隙的作用[2]，因此,在施工前准确定润滑减阻浆液对顶管施工方法和管道材料的选择有很大的帮助。

目前常用的润滑减阻浆液以膨润土为主，并添加多种聚合物从而改善其性能，达到润滑减阻以及护壁的目的。对于通过向润滑减阻浆液中加入添加剂来改善润滑减阻浆液的各项性能这一课题，国内相关工程工作者做过不少探索。泮伟等人提出用羟甲基纤维素[3]，蔡伟华论证了聚丙烯酰胺的可行性[4]，李少华等人探索了多阴离子纤维素的作用[5]。综合前人的研究成果，本文研究选取其中可行性较大的六种聚合物为添加剂进行研究。

1 润滑减阻浆液设计

1.1 浆液及添加聚合物成分

结合润滑减阻浆液的应用现状和发展方向，本文采用以膨润土(800目)、聚丙烯酰胺(PAM，高分子分子量1400万)、纯碱(Na2CO3)、羟甲基淀粉(CMS)、羟甲基纤维素(CMC)、瓜尔胶、黄原胶、2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸-N、N-二甲基丙烯酰胺共聚物(AMPS-NNDMA)、水为主要原料成分的浆液进行实验。

1.2 实验方法

实验以70g膨润土、1g纯碱加800g水组成固定的基本泥浆。然后再将六种聚合物(CMC、CMS、AMPS-NNDMA、PAM、黄原胶、瓜尔胶)分别按计划掺量加入浆液，通过评价和分析不同聚合物对浆液性能的影响，得到性能最优的聚合物浆液。在此基础上，再改变优选出的聚合物的掺量进行结果对比，得出其最优掺量。

1.3 浆液性能参数

润滑减阻浆液的性能直接影响顶管施工能否顺利进行，目前的顶管施工一般对减阻润滑浆液有以下性能要求：能稳定和支撑土体，防止塌方；减少顶进过程中产生的摩擦阻力；降低腐蚀以及改善施工人员的工作环境。在顶管施工中，润滑减阻浆液的黏度、静切力及失水量为最基本的三个参数，它们直接影响整个工作浆液的性能，就黏度来说，当黏度过小时无法形成泥浆套，过大又会增加摩擦阻力。为找出最优聚合物和最优掺量，选取等量的不同组成浆液加入水中，混合均匀充分搅拌半小时，并密封静置24h后对以下浆液性能参数进行检测：泥浆失水量；漏斗年度；塑性黏度、静切力、流性指数及黏度系数。

2 实验结果分析

2.1 不同聚合物对浆液性能的影响

经过实验检测，我们得出当各聚合物掺量为1.50g时，其对浆液的性能影响(见表1)。

表1 加入不同聚合物的浆液性能参数

从表1可以看出，与基础浆液相比，这六种聚合物都能使体系浆液黏度明显提升，而其中又以聚合物PAM最为显著，黏度提升超过了7倍；其次依次是AMPS-NNDMA、CMC和瓜尔胶。黄原胶和CMS对浆液黏度的提升效果并不突出，究其原因，应是PAM的高吸水性所致[6]，因其在浆液中吸水溶胀，从而使体系黏度剧增，而这会使得顶管施工过程中的阻力大大增强，对施工不利，因此PAM不可作为润滑减阻浆液的添加剂，其余五种则待进一步研究。

静切力的大小是体系结构强度的最明显体现。高分子聚合物因其独特的链状分子结构，分子与分子之间可交错形成网状结构，膨润土颗粒正好可以进入网格之中，添堵土体孔隙，从而显著提高体系的结构强度[7]。从实验结果可以看出，AMPS-NNDMA对体系浆液的静切力提升作用最为明显，其次时CMC、瓜尔胶和PAM，黄原胶效果较差，而CMS对体系静切力则几乎没有提升。考虑到各聚合物的分子结构，是因为AMPS-NNDMA、瓜尔胶和CMC的分子链长度较长，形成了交联的网状结构，使得体系静切力显著增强。为满足浆液能稳定支撑土体的施工要求，因此排除对体系静切力毫无提升的CMS聚合物，选取剩余的AMPS-NNDMA、CMC、瓜尔胶和黄原胶再进行比对。

浆液体系的抗滤失性通过泥饼的失水量来体现。通常情况下，泥饼在同等形状下失水量越小则浆液的抗滤失性即护壁性越好。从表1可以看出，掺加了CMC、PAM、黄原胶和AMPS-NNDMA的浆液失水量有明显降低，而CMS和瓜尔胶的失水量与原浆液无明显变化，因此瓜尔胶对提升浆液抗滤失性没有良好的效果。

综上所述，CMC、AMPS-NNDMA和黄原胶三种聚合物能有效提升润滑减阻浆液的各种性能，可以用于改善顶管施工体系中。

2.2 不同聚合物掺量对浆液性能的影响

分别用CMC、AMPS-NNDMA和黄原胶三种聚合物为浆液添加剂，按梯度改变其掺量，然后对比浆液的漏斗黏度和失水量，研究不同聚合物掺量下浆液性能变化。

2.2.1 CMC不同掺量对浆液性能的影响

在固定基本泥浆中从1.10g起按0.2g的梯度分别加入1.10g、1.30g、1.50g、1.70g、1.90g掺量的CMC聚合物，其性能参数变化和分布见表2和图1。

表2 CMC不同掺量下的浆液性能参数

图1 不同CMC掺量下的浆液性能变化

从表2和图1可看出，与基本泥浆相比，加入了CMC聚合物的浆液漏斗黏度普遍明显增大，同时，失水量也比不加CMC的基本浆液降低。随着CMC掺量从1.10g到1.90g的递增，浆液的黏度是同比线性增加的，而浆液的失水量随着CMC掺量的增加呈现先减小后增大再减小的波状变化，失水量最低时所对应的CMC掺量为1.50g。但波动范围并不大，说明在1.10g到1.90g范围内，改变CMC掺量对浆液抗滤失性能的影响并不明显。

2.2.2 AMPS-NNDMA不同掺量对浆液性能的影响

在70g膨润土+800g水+1g纯碱所制成的固定基本泥浆中，分别加入1.10g、1.30g、1.50g、1.70g、1.90g掺量的AMPS-NNDMA聚合物，其性能参数变化和分布见表3和图2。

表3 AMPS-NNDMA不同掺量下的浆液性能参数

图2 不同AMPS-NNDMA掺量下浆液的性能变化

从表3和图2可以看出，同CMC聚合物一样，在基础浆液中个加入AMPS-NNDMA可以显著增大浆液的漏斗黏度，且增加程度也比同等掺量的CMC聚合物更大，这说明同等掺量下，AMPS-NNDMA比CMC具有更强的增加体系浆液漏斗黏度的特性。浆液漏斗黏度随着加入AMPS-NNDMA聚合物掺量的增加呈现线性递增的趋势。加入AMPS-NNDMA也使得基础浆液的失水量大大降低，且失水量随着AMPS-NNDMA掺量的增加先降低再升高继而降低呈现波动变化，不论与基础浆液还是与加入了CMC聚合物的浆液相比，加入AMPS-NNDMA的浆液失水量更小，具有更好的抗滤失性。

2.2.3 黄原胶不同掺量对浆液性能的影响

同前两种聚合物类似方法，在基础浆液中按照1.50g、1.70g、1.90g、2.10g、2.30g的递增掺量加入黄原胶，分别测量所得到的浆液性能参数，结果见表4和图3。

表4 黄原胶不同掺量下的浆液性能参数

图3 不同黄原胶掺量下浆液的性能变化

从表4和图3可以看出，与基础浆液相比，加入黄原胶的浆液体系漏斗黏度明显增大，且漏斗黏度也随黄原胶掺量的增大呈现线性增加，但增大幅度远远没有CMC和AMPS-NNDMA体系那么明显，说明黄原胶对浆液的增稠效果较CMC和AMPS-NNDMA要弱不少。在失水量方面，黄原胶却表现最优，使得基础浆液的失水量下降了1/3以上，且随着黄原胶掺量的增加先降低，1.50g之后能基本稳定保持在10g左右。说明在测试的三种聚合物中，黄原胶能使浆液具备最优的抗滤失性能。

3 结 论

经过实验得到以下结论：一是通过对各种聚合物浆液体系的黏度、静切力和失水量特性的对比分析，得出能有效提升润滑减阻浆液各类性能，符合顶管施工浆液体系工作要求的添加剂有CMC、AMPS-NNDMA和黄原胶三种聚合物。二是CMC聚合物对浆液体系的黏度提升效果明显，且其作用随着CMC的掺量增加而线性增加。CMC能降低工作浆液的失水量，使体系的抗滤失性能有一定提高，但随着CMC掺量的变化，体系浆液的失水量变化趋势不明朗，因此CMC掺量对浆液的失水量的影响很难把控。三是AMPS-NNDMA聚合物对提高浆液体系的黏度有着比CMC更显著的效果。而且随着AMPS-NNDMA掺量的增加浆液黏度呈线性趋势增加。同时AMPS-NNDMA聚合物对降低浆液失水量有着比CMC更突出的效果，使浆液体系拥有更为出色的抗滤失性。因此相对于CMC来说，AMPS-NNDMA聚合物是更好的润滑减阻浆液添加剂。四是黄原胶对降低浆液体系失水量有着不逊于AMPS-NNDMA聚合物甚至更好的效果，且其对浆液抗滤失性能的提升较为稳定，不会随着黄原胶掺量的变化而大幅变化，不像AMPS-NNDMA和CMC聚合物那样，因此比较好把控。但就提升浆液体系的黏度方面来说，黄原胶与后两者有很大的差距，虽也能使浆液黏度随着掺量增加而线性递增，但增加幅度远没有AMPS-NNDMA和CMC聚合物明显，因此在对土体支撑要求不高的施工中，可以考虑选取黄原胶作为工作浆液的添加剂，其他情况下则原则上以AMPS-NNDMA作为润滑减阻浆液添加剂。

[1] 魏纲, 徐日庆, 邵剑明, 等. 顶管施工中注浆减摩作用机理的研究[J]. 岩土力学, 2004(6): 25-26.

[2] 隆威, 傅斌, 纪鹏, 等. 长距离管道顶管下无粘土浆液研究[J]. 探矿工程(岩土钻掘工程), 2015(5): 68-70.

[3] 泮伟, 乌效鸣. 长距离城市地下管线润滑护壁泥浆配方应用[J]. 非开挖技术, 2011(2): 47-50.

[4] 蔡伟华. 聚丙烯酰胺水溶液减阻特性实验研究[D]. 哈尔滨工业大学, 2008.

[5] 李少华, 徐文进. 非开挖技术在电力管道工程中的应用[J]. 上海电力, 2011(4): 309-312.

[6] 车福利, 戴倩敏, 李玉胜, 等. 管道减阻剂PAM溶液的减阻性能研究[J]. 中国石油和化工标准与质量, 2012(2).

[7] 张立新. 大直径超长距离顶管触变泥浆减阻技术的应用[J]. 特种结构, 2013(2): 100-102.

InfluenceofNewTypePolymerAdditivesonthePerformanceofLubricantAnti-dragSlurryintheConstructionofPipe-jacking

HU Xin

(ShanxiDongshanWaterSupplyEngineeringConstructionManagementBureau;Taiyuan030001,China)

In the paper, six polymers are selected, including polyacrylamide, hydroxymethyl starch, hydroxymethyl cellulose, guar gum, xanthan gum and N-dimethyl acrylamide copolymer, and they are used as lubricant anti-drag slurry in the construction of pipe jacking. The slurry system performance parameter of adding different polymer additives are compared and analyzed, and it is concluded that the lubricant anti-drag slurry additives suitable for construction of pipe jacking include hydroxymethyl cellulose, xanthan gum and N-dimethyl acrylamide copolymer among six polymers. On the basis, the influence of proportion on the slurry performance is studied through adjusting the proportion of the slurry system additive, thereby it is concluded that the most suitable polymer as the lubricant anti-drag slurry in the construction of pipe jacking is N-dimethyl acrylamide copolymer.

pipe jacking; polymer additives; lubricant anti-drag slurry

10.16617/j.cnki.11-5543/TK.2017.08.012

TV990.3

：A

：1673-8241(2017)08-0046-05