土木工程泥漿用膨潤土改性增效技術(shù)研究

張然，宋廣毅，劉巖，胡宏杰

1.中國地質(zhì)科學(xué)院鄭州礦產(chǎn)綜合利用研究所，河南 鄭州 450006；

2.國家非金屬礦資源綜合利用工程技術(shù)研究中心，河南 鄭州 450006

引言

膨潤土是一種以蒙脫石為主要礦物成分的黏土礦產(chǎn)，具有良好的吸水膨脹性、分散懸浮性、黏結(jié)性和觸變性[1]?；谶@些特性，在石油鉆井、地質(zhì)勘探等鉆探工程中膨潤土被用作鉆井泥漿材料，能夠有效起到護(hù)壁、堵漏、冷卻鉆頭和攜砂等作用[2-4]。同樣基于這些特性，膨潤土在土木工程中有以下用途：（1）用作地下連續(xù)墻、打樁、非開挖工程和隧道涵洞等泥漿護(hù)壁材料；（2）將膨潤土與水泥配制成砂漿用于地基加固、防污隔離墻、防水防滲工程；（3）將膨潤土粉體壓實(shí)或制成防水毯用于垃圾填埋場或水庫壩基防滲防漏[5-8]。與鉆井泥漿用膨潤土相比，土木工程泥漿用膨潤土技術(shù)指標(biāo)要求更高，尤其是用于地質(zhì)結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜的區(qū)域，黏度值需要達(dá)到鉆井泥漿用膨潤土兩倍以上。近年來，非開挖技術(shù)在我國發(fā)展迅速，尤其是在地鐵施工、市政工程、油氣管道、穿越公路江河等工程中得到廣泛應(yīng)用，非開挖工程對膨潤土需求量增長較快[9]。隨著我國城市化進(jìn)程加快和環(huán)境保護(hù)力度加大，膨潤土在土木工程尤其是土木工程泥漿材料領(lǐng)域的用量將會越來越大。

對于土木工程泥漿選用的膨潤土，天然鈉基膨潤土造漿性能好于鈣基膨潤土。但我國天然鈉基膨潤土資源稀缺且蒙脫石含量普遍較低，難以滿足土木工程泥漿用量需求[10]。目前國內(nèi)普遍采用先將鈣基膨潤土人工鈉化，然后添加增效劑混合增效，以提高膨潤土黏度，降低膨潤土濾失量[11]。提高膨潤土黏度的增效劑主要有改性纖維素（羧甲基纖維素鈉、羥乙基纖維素、聚陰離子纖維素等）、天然增黏劑（淀粉、瓜爾膠、黃原膠等）、合成高分子增黏劑（聚丙烯酰胺、聚丙烯酸鈉、聚乙烯醇、聚乙烯吡咯烷酮等）、無機(jī)化合物（氧化鎂、氧化鈣等）[12-16]。常用的降濾失劑主要有腐殖酸及其衍生物、磺化酚醛樹脂、改性木質(zhì)素、無機(jī)納米材料等[17-19]。此外，無論天然増黏劑還是合成高分子增黏劑均有降低膨潤土濾失量的效果。

本文以河南洛陽某膨潤土礦兩種不同品位鈣基膨潤土為原料，使用鈉化劑Na2CO3改性處理后，研究多種增效劑復(fù)配及增效劑用量對膨潤土黏度等指標(biāo)的影響，制備了高黏和中黏土木工程用膨潤土，為我國優(yōu)質(zhì)土木工程用泥漿材料制備提供參考。

1 試劑、儀器、原料和方法

1.1 試劑和儀器

無水碳酸鈉（分析純），聚丙烯酸鈉（分析純，以下簡稱SPA），羧甲基纖維素鈉（工業(yè)級，高黏型，以下簡稱Na-CMC），陰離子型聚丙烯酰胺（工業(yè)級，2 000 萬分子量，以下簡稱APAM），聚陰離子纖維素（工業(yè)級，高黏型，以下簡稱PAC），黃原膠（工業(yè)級，高黏型，以下簡稱XG）。

六速旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)（美國FANN35A），變頻高速攪拌機(jī)（青島膠南分析儀器廠GJS-B12K），中壓濾失儀（青島膠南分析儀器廠ZNS-3A），電子天平（賽多利斯BSA124S），電熱鼓風(fēng)干燥箱（天津泰斯特101-3AB），X 射線衍射儀（日本理光SmartLab SE）。

1.2 試驗(yàn)原料

試驗(yàn)所用兩種膨潤土原料取自河南洛陽某膨潤土礦，標(biāo)記為M1 和M2。圖1 為M1 和M2 樣品的XRD 圖譜，從圖1 中看出，M1 和M2 的d(001)值分別為15.472 7 ?（1 ?= 0.1 nm）和14.243 9 ?，均為鈣基膨潤土。M1 吸藍(lán)量35.2 g/100g，屬高品位膨潤土，伴生雜質(zhì)主要有水云母、石英、方解石和長石等；M2 吸藍(lán)量23.6 g/100g，屬低品位膨潤土，伴生雜質(zhì)主要有石英、長石等。

1.3 試驗(yàn)方法

鈉化改性：先將膨潤土樣品曬干碾碎至2 mm 以下，稱取一定量Na2CO3溶解于水中，將Na2CO3溶液與膨潤土拌合均勻，控制水量占膨潤土量的30%，反復(fù)擠壓后常溫密封陳化9 d，最后將陳化樣品105 ℃烘干[20]。

混合增效：向干燥后的鈉化膨潤土中加入一定量增效劑，混合均勻后用磨機(jī)粉碎至0.075 mm 以下。

1.4 性能測試

土木工程泥漿用膨潤土主要評價(jià)指標(biāo)參照GB/T 20973—2020《膨潤土》，具體要求如表1 所示。膨潤土的黏度、濾失量、動塑比測試方法參照GB/T 5005—2010《鉆井液材料規(guī)范》進(jìn)行。

表1 土木工程用膨潤土的技術(shù)指標(biāo)Table 1 Specifications of bentonite for civil engineering

2 結(jié)果和討論

2.1 Na2CO3 用量對膨潤土黏度的影響

試驗(yàn)考察了鈉化劑Na2CO3用量對膨潤土黏度的影響，結(jié)果如圖2 所示。從圖2 可以看出，對于M1 樣品，隨著Na2CO3用量增加，膨潤土黏度先增加后降低。主要原因是Na+取代Ca2+后，增厚了晶體表面的雙電層結(jié)構(gòu)，使蒙脫石層間距增大，削弱了蒙脫石結(jié)構(gòu)單元層間的作用力，在泥漿中使之分離成更薄的單元晶片，因此有利于改善膨潤土的黏性[21]。當(dāng)Na2CO3用量為4%（相當(dāng)于膨潤土質(zhì)量百分?jǐn)?shù)，下同）時(shí)，600 r/min 黏度值最高可以達(dá)到34 mPa·s。當(dāng)Na2CO3用量達(dá)到5%時(shí)，過量的Na+破壞了Na+與Ca2+交換平衡狀態(tài)，壓縮雙電層結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致膨潤土黏度降低。而M2 樣品蒙脫石含量較低，各種雜質(zhì)成分對層間離子交換有較大干擾。隨著Na2CO3用量增加，膨潤土黏度變化不明顯。當(dāng)Na2CO3用量為2%時(shí)，600 r/min 黏度值達(dá)到最大值4 mPa·s。

圖2 Na2CO3 用量對膨潤土黏度的影響Fig.2 Effect of Na2CO3 dosage on the viscosity of bentonite mud

2.2 Na-CMC 用量對膨潤土泥漿性能的影響

Na-CMC 是一種可溶性線性高分子増黏劑，可以大幅度改善膨潤土的造漿性能[22]。但與膨潤土相比，高分子增黏劑成本較高，使用量過大不利于土木工程泥漿的成本控制[23]。本試驗(yàn)對M1 樣品采用4% Na2CO3鈉化，M2 樣品采用2% Na2CO3鈉化，考察增效劑Na-CMC 用量對改性膨潤土黏度的影響，結(jié)果如圖3 所示。從圖3 可以看出，M1 樣品采用Na-CMC 增效劑增黏效果較好，由于Na-CMC 長分子鏈能吸附于膨潤土晶體結(jié)構(gòu)表面，形成立體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，改善了膨潤土泥漿工程特性，改性膨潤土泥漿的黏度隨著Na-CMC 加入量增多而迅速提高。Na-CMC 用量1%時(shí)，M1 樣品的600 r/min 黏度值達(dá)到68.5 mPa·s。而對于M2 樣品，低品位膨潤土與Na-CMC 形成的立體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)較差，600 r/min 黏度值可以提高到32 mPa·s，但此時(shí)Na-CMC 用量為5%，每噸膨潤土成本增加550 元左右，不符合土木工程泥漿用膨潤土生產(chǎn)的成本要求。

增效劑Na-CMC 用量對M1 樣品的泥漿性能影響如表2 所示，隨著Na-CMC 用量的增加，膨潤土泥漿黏度增高，由于增黏劑具有降濾失作用，M1 樣品的濾失量也逐漸降低，由于動切力增幅大于塑性黏度增幅，動塑比也逐漸增高。當(dāng)Na-CMC 用量為0.75%時(shí)，4% Na2CO3鈉化的M1 樣品黏度、濾失量、動塑比指標(biāo)均達(dá)到土木工程用高黏膨潤土指標(biāo)要求。

表2 Na-CMC 用量對M1 樣品泥漿性能的影響Table 2 Effect of Na-CMC dosage on the mud properties of sample M1

2.3 不同增效劑對M2 樣品泥漿性能的影響

膨潤土主要礦物蒙脫石層間帶有負(fù)電荷，陰離子型聚電解質(zhì)有助于提高膨潤土泥漿的黏度，并且形成的泥漿有較好的穩(wěn)定性。不同陰離子型聚電解質(zhì)由于分子量、分子構(gòu)型、電荷密度不同，對膨潤土泥漿的增效各有差異?？刂圃鲂┨砑恿坎怀^1%，考察陰離子型聚電解質(zhì)APAM、PAC、XG、SPA 對2%Na2CO3鈉化的M2 樣品泥漿性能影響，結(jié)果如表3 所示。從表3 中可以看出，對于增效劑APAM、PAC、XG，由于聚陰離子可被膨潤土顆粒端面正電荷吸附，使高分子鏈和膨潤土形成立體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，膨潤土黏度與增效劑用量為正相關(guān)關(guān)系。PAC 增效作用好于APAM和XG，添加1%后600 r/min 黏度值達(dá)到35 mPa·s，但濾失量指標(biāo)達(dá)不到中黏膨潤土要求。SPA 少量添加后泥漿性能變化明顯，使用量0.3%時(shí)600 r/min 黏度值達(dá)到最高的38 mPa·s，繼續(xù)增加用量黏度有所降低，原因可能是過量的SPA 破壞蒙脫石的雙電層結(jié)構(gòu)，引起電荷不平衡分布而使黏度降低。添加0.3%的SPA濾失量指標(biāo)也未能達(dá)到中黏膨潤土要求。

表3 不同增效劑對M2 樣品泥漿性能的影響Table 3 Effect of several synergists on the mud properties of sample M2

2.4 復(fù)合增效劑對M2 膨潤土泥漿性能的影響

由于SPA 用量少且對M2 樣品的泥漿性能提升最明顯，因此考慮將SPA 同其他增效劑進(jìn)行復(fù)配，考察對2% Na2CO3鈉化的M2 樣品泥漿性能影響，試驗(yàn)結(jié)果如表4 所示。從表4 可以看出，不同增效劑由于電荷密度差別，復(fù)配后比單獨(dú)使用SPA 增黏效果更好。Na-CMC、APAM、PAC、XG 與0.3% SPA 復(fù)配和與0.2% SPA 復(fù)配相比，雖然黏度更高，但濾失量和動塑比變差，因此SPA 用量0.2%更合適。0.2% SPA 與APAM 復(fù)配后，不僅黏度增加，而且濾失量和動塑比進(jìn)一步降低。0.2% SPA 與PAC 復(fù)配后，黏度增加，濾失量降低，動塑比變化不大。綜合考慮黏度、濾失量和動塑比三項(xiàng)性能指標(biāo)，0.2% SPA+1.0% PAC 作為M2 膨潤土復(fù)合增效劑綜合性能最好。

表4 復(fù)配增效劑對M2 樣品泥漿性能的影響Table 4 Effect of several compound synergists on the mud properties of sample M2

3 結(jié)論

（1）針對河南洛陽某膨潤土礦不同品位的兩種膨潤土樣品分別采用Na2CO3半干法擠壓陳化工藝進(jìn)行鈉化改性，鈉化處理可以提高膨潤土黏度，高品位膨潤土的鈉化改性對提高黏度效果更為明顯。

（2）高品位膨潤土M1 采用4% Na2CO3鈉化改性后，添加0.75% Na-CMC 增效，600 r/min 黏度值62.5 mPa·s，濾失量10.8 cm3，動塑比1.50 Pa/(mPa·s)，達(dá)到土木工程用高黏膨潤土指標(biāo)要求；低品位膨潤土M2 采用2% Na2CO3鈉化改性后，添加0.2% SPA+1.0% PAC的復(fù)合增效劑，600 r/min 黏度值51 mPa·s，濾失量12.8 cm3，動塑比1.32 Pa/(mPa·s)，達(dá)到土木工程用膨潤土中黏膨潤土指標(biāo)。

（3）受產(chǎn)品成本和運(yùn)輸成本影響，土木工程用膨潤土銷售半徑普遍在500 km 以內(nèi)，并不能拓展為全國性銷售產(chǎn)品。該鈣基膨潤土開發(fā)利用后制備的高黏、中黏膨潤土，可為我國中部地區(qū)周邊城市地鐵、市政工程等基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)提供優(yōu)質(zhì)泥漿材料。