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7-43第四节护壁泥浆1概述1.1泥浆的定义及组成泥浆是粘土颗粒分散在水中的悬浮液。用于稳定孔壁或槽壁的泥浆叫做护壁泥浆，它是混凝土防渗墙施工不可缺少的介质材料。护壁泥浆一般由水、粘土及化学处理剂组成。泥浆用水有淡水和矿化水，不同的水配成的泥浆具有不同的性能。粘土是泥浆中的主要固相成分，其颗粒粒径大多数小于0.005mm，它具有带电、吸附离子、水化膨胀以及分散或絮凝等性能。常用的膨润土是一种以蒙脱石为主要矿物成分的特殊粘土，它的制浆性能优于其它粘土。加入化学处理剂的目的，是为了改善泥浆的性能，以满足不同工艺的要求。有时为了提高泥浆的比重或防漏失能力，在泥浆中加入重晶石粉、石灰石粉、方铅矿粉、纤维等惰性材料。基础工程使用泥浆源于地质钻探和石油钻井采用泥浆，故广义的泥浆也称冲洗液，它包括聚合物泥浆、乳化泥浆、植物胶泥浆等特殊泥浆。防渗墙施工用的泥浆与地质钻探和石油钻井用的泥浆在作用、性能要求及使用条件等方面均不完全相同，特殊泥浆较少使用。1.2泥浆的功用泥浆的正确使用和泥浆性能的控制是泥浆护壁挖槽法成败的关键。泥浆的功能主要体现在以下几方面：（1）防止槽壁坍塌。泥浆的浆柱压力可抵抗槽壁上的土压力和水压力，并防止地下水渗入槽内；同时，泥浆渗透到地层中的一定范围，粘结该范围内的地层颗粒，并在槽壁表面形成泥皮。这种双重作用减少了槽壁坍塌的可能性。（2）防止渗漏。防渗墙在施工的过程中，孔内泥浆在浆柱压力的作用下注入地层，堵塞渗漏通道，防止泥浆的大量漏失，使施工能顺利进行。静止状态的泥浆在受压脱水后，具有较高的抗渗性能；防渗墙与两侧的泥皮和泥浆渗入带共同起防渗作用，提高了防渗墙的整体防渗效果。（3）悬浮和携带钻碴，清洗孔底，提高钻进工效，使造孔挖槽施工有效地进行。对于用抽砂筒出碴的冲击钻进，泥浆有悬浮钻碴的作用；对于循环出碴的各种钻进方式，泥浆有携带钻碴和清洗孔底的作用。（4）冷却钻具，防止钻头过早磨损。1.3泥浆的类型我国混凝土防渗墙施工用护壁泥浆有普通（当地）粘土泥浆（简称“粘土泥浆”）、膨润土泥浆及混合泥浆三种类型。普通粘土泥浆与膨润土泥浆的特性比较见表7-4-1。当所采用的粘土质量不能完全满足要求时，或为了兼顾两者的特性时，可使用掺加部分膨润土的混合泥浆，其特性介于两者之间。7-44表7-4-1普通粘土泥浆与膨润土泥浆特性比较表项目/类型单位普通粘土泥浆膨润土泥浆备注密度（比重）g/cm31.15～1.25,较大1.03～1.10，较小浓度%32～45，较大4～12，较小100ml水中含土量（g）含砂量%≤5，较大≤1，较小漏斗粘度s30～6030～60946/1500ml漏斗造浆率m3/t2.6～3.5，较小7～25，较大失水量ml/30min20～30，较大10～20，较小泥皮厚mm2～4，较厚0.5～2，较薄悬浮钻碴能力较大较小混凝土置换效果较差较好外观性状天然产状，有结块，含水量较大经过加工的商品，袋装粉末，含水量较低制浆用低速叶片式搅拌机搅拌，搅拌时间长（30min～45min）用高速搅拌机搅拌，搅拌时间短（3min～7min）使用与管理不便循环使用，耗量大，设备维修及管理工作量大便于循环使用，耗量小，设备维修及管理工作量小价格元/m310～30，较低30～60，较高膨润土泥浆的密度较小，浇筑混凝土时的置换效果较好，有利于成墙质量，同时也便于泥浆循环使用；故在采用循环出碴方式造孔或用抓斗成槽时，宜优先选用膨润土泥浆。随着施工技术的进步，膨润土泥浆的应用越来越普遍。鉴于水利水电工程经常遇到含有大粒径漂卵石和严重渗漏地层的情况，以及各施工单位的现有装备水平，粘土泥浆仍然具有一定的实用价值，不会被完全淘汰。粘土泥浆的密度较大，悬浮钻碴和堵漏防塌的能力较强；且料源广，成本低廉。使用常规冲击钻机（抽砂筒出碴）在含有漂卵石的地层中造孔时，宜选用普通粘土泥浆或混合泥浆。为避免密度和粘度过大对混凝土浇筑质量的不利影响，在浇筑前清孔时可换入密度和粘度较小的泥浆。按泥浆中粘土颗粒含量的多少，护壁泥浆还可分为高固相、低固相和无固相三类泥浆。低固相泥浆是指粘土颗粒含量小于10%的泥浆，膨润土泥浆一般在此范围内。无固相的聚合物泥浆在水利水电工程混凝土防渗墙施工中较少使用。1.4护壁泥浆的必要性质用于混凝土防渗墙施工的护壁泥浆应具备以下基本性质。（1）良好的物理稳定性。泥浆在静置一段时间后，其中的粘土颗粒不会在重力的作用下析水、沉淀的性质，是对护壁泥浆最基本的要求。泥浆表面的析水量越少，其稳定性越好。析水量大的泥浆是没有护壁作用的。（2）良好的化学稳定性。泥浆在使用的过程中，环境中的阳离子等会使泥浆的性质逐7-45渐发生变化，即从悬浮分散状态向凝集状态转化。这种影响发展到一定的程度，泥浆就会脱水絮凝，失去护壁作用。泥浆抵抗化学侵蚀的能力越强，重复使用的时间越长，则其化学稳定性越好。（3）适当的密度（比重）。泥浆的密度大有利于孔壁稳定和悬浮钻碴；但不利于混凝土浇筑质量，并要求有较大的泵送能力，动力和材料消耗较多。泥浆的密度应根据地质条件、施工阶段和施工经验确定，不宜过大或过小。松散易塌地层和造孔阶段宜使用密度较大的泥浆；密实稳定地层和清孔时宜使用密度较小的泥浆。（4）适当的粘度。粘度是流体内部阻碍其相对流动的一种特性。粘度的作用和影响与密度类似，两者密切相关，同类泥浆一般粘度随密度的加大而加大。粘度大则护壁、防渗、堵漏以及悬浮、携带钻渣的能力强；过大则输送和混凝土置换困难。（5）良好的流变性。流变性是指泥浆、水泥浆等塑性流体搅拌后变稀（静切力降低），静置后变稠（静切力升高）的特性。触变性好的泥浆，在静止时有较强的护壁能力，在流动时泵送阻力较小，有利于孔壁稳定和提高施工效率。（6）较好的滤失性。孔内泥浆在向周围地层渗透的过程中，相同体积的泥浆在相同的压力差作用下，经过相同的时间，失水量较小且形成的泥皮薄而致密，则其滤失性较好。膨润土泥浆的滤失性一般要优于普通粘土泥浆。（7）较小的含砂量。砂是泥浆中的惰性有害物质。含砂量高会给泥浆性能和成墙质量带来多种不利影响；故必须将泥浆的含砂量控制在一定的范围内。1.5泥浆的使用方法混凝土防渗墙在造孔挖槽和清孔换浆时，必须依靠泥浆将钻碴带出孔外。根据成槽和清孔的不同方法，泥浆的使用方法大致可分为静止和循环两种方式。循环方式按孔内泥浆流动的方向又可分为正循环和反循环；其中，按抽吸孔底泥浆的设备和原理不同，又可分为泵吸反循环、气举反循环和射流反循环三种工作方式。1.5.1静止方式静止方式是指在出碴过程中泥浆本身并不流动，孔底含碴泥浆被造孔挖槽工具一起提出孔外，随着孔深的增加和泥浆的消耗不断向孔内补充新鲜泥浆的工作方式。排出的泥浆一般不作净化处理和重复使用。抓斗挖槽和冲击钻机造孔、抽砂筒出碴均属于泥浆静止工作方式；不同的是抽砂筒出碴的泥浆耗量较大，而抓斗挖槽的泥浆耗量较小。1.5.2循环方式循环方式是指在造孔挖槽过程中，依靠不断循环流动的泥浆将孔底钻碴携出孔外，并随着孔深的增加不断向孔内补充新鲜泥浆的工作方式。返回的含碴泥浆一般经过净化处理后重复使用。通过钻杆或适浆管把泥浆压送到孔底，含碴泥浆在管外上升，把钻碴携出地面的工作方式称正循环。泥浆从排碴管外流入槽内，孔底含碴泥浆通过排碴管被抽吸到地面上来的工作方式称反循环。7-46泥浆的携碴能力和排碴效率除与泥浆本身的性质有关外，还与泥浆的流速有关；流速越大，携带碴土的粒径越大。由于反循环是通过排碴管排碴，其过流面积远小于管外的单孔或槽孔，故其排碴流速和排碴能力比正循环要大得多。混凝土防渗墙施工除在细颗粒地层中建造薄型防渗墙外，一般不采用正循环工作方式。泵吸反循环在孔深较小时效率较高，适用深度一般在50m以内。气举反循环在孔深较大时效率较高，适用深度一般在30m以上。射流反循环的效率较低，很少采用。2泥浆的性能与测试方法2.1泥浆的性能指标2.1.1泥浆性能指标的种类泥浆的性能指标可分成以下几类：（1）流动特性指标。属于这方面的指标有：①漏斗粘度（F.V）；②表观粘度（A.V）；③塑性粘度（P.V）；④静切力（凝胶强度）（G.S）；⑤动切力（屈服值）（Y.V）。（2）稳定性指标。属于这方面的指标有：①胶体率（泌水性）；②稳定性（上下比重差）；③化学稳定性。（3）失水和造壁性指标。属于这方面的指标有：①失水量（F.L）；②渗失量（K）；③泥皮（饼）厚度（F.C）。（4）其他性能指标：①密度（比重）；②含砂量；③pH值。2.1.2泥浆性能指标的定义（1）相对密度。泥浆的相对密度是指泥浆的质量与4℃时同体积淡水质量之比，常用符号“γ”表示，无量纲（没有单位）。实际工作中相对密度简称“比重”。泥浆的密度随着配制浓度的增加而加大。泥浆浓度是指每100ml水中所含粘土颗粒的质量（g）。（2）粘度。粘度表示泥浆流动时内部各流层之间摩擦阻力的大小。通常所说的“粘度”是指用漏斗粘度计测定的粘度值，常用符号“η”表示，单位为“秒”（s）。同一泥浆使用的测量仪器、方法不同，粘度的测值也不相同。（3）含砂量。含砂量是指泥浆中大于74μm的非粘性砂粒所占泥浆体积的百分比。实际测值中包括未搅拌开的粘土粗颗粒。（4）胶体率。胶体率是指泥浆静置24h后，表面析水量所占泥浆体积的百分比。胶体率可粗略地表示泥浆中粘土颗粒的分散和水化程度。（5）稳定性。稳定性是指同一容器中的泥浆静置24h后，上半部分泥浆与下半部分泥浆的密度（比重）差。稳定性测值是泥浆沉降稳定性和絮凝稳定性的综合体现。沉降稳定性是指泥浆中的粘土颗粒在重力的作用下是否容易沉淀的性质。絮凝稳定性是指泥浆中的粘土颗粒受阳离子侵蚀后是否容易降低分散性、相互粘结变大的性质。（6）失水量、泥皮（饼）厚。在泥浆的过滤试验中，一定体积的泥浆在一定的压力作用下，通过一定面积的过滤材料，在30min时间内滤失的水量称为失水量，以ml为单位。7-47在同一试验中，附着在过滤材料上的失水粘土颗粒聚集层的厚度称为泥皮（饼）厚，以mm为单位。失水量是体现孔内泥浆在压力差的作用下向四周地层渗透的过程中，其中的自由水滤失量大小的性能指标。泥皮（饼）厚是衡量泥浆造壁性能的指标。（7）pH值。pH值是衡量泥浆酸碱度的指标。pH值共分为14级，1级～6级为酸性，7级为中性，8级～14级为碱性。当pH值为1时，酸性最强；当pH值为14时，碱性最强。酸碱度（pH值）是泥浆性质的综合指标，一般应呈碱性，至少是中性。2.1.3泥浆的流变特性流变性是与液体流动和变形有关的特性。泥浆的流变特性对混凝土防渗墙施工的造孔效率、孔壁稳定和成墙质量有直接的影响。液体在一定的外力和边界的作用下，其内部各点会发生相对位移，从而引起液体的流动或变形。按流变特性的不同，大致可以分为牛顿流体和塑性流体两类流体。牛顿流体是指其变形或流动与作用力的大小成正比，且相关直线通过坐标原点的流体，如水、甘油等。塑性流体是指作用力较小时不会流动，作用力超过一定数值后才开始流动，其流速梯度随剪应力的增加而增加，即τ～du/dy关系曲线不通过坐标原点的流体。理想的塑性流体是完全直线型的，也称宾汉流体。泥浆、水泥浆等具有塑性流体的流动特性。两类流体的流动特性如图7-4-1所示。下面用图7-4-2说明泥浆四项流变特性指标的含义。（1）塑性粘度（P.V）在图7-4-2中，剪应力与流速梯度关系曲线的直线段CA的斜率称为塑性粘度。塑性粘度表示泥浆、水泥浆等具有结构的塑性流体的实际粘度，它是决定于流体本身性质的某一定值，与流动状态无关。塑性粘度的大小取决于流体中固体颗粒之间的磨擦、固体颗粒与液相之间的摩擦、液体本身对流动的阻抗等因素。如果泥浆中的固体成分增多，摩擦力就增大，塑性粘度也随之提高。塑性粘度的单位为mPa·s。（2）表观粘度（A.V）O流速梯度du/dy剪应力τ宾汉流体塑性流体牛顿流体图7-4-1流体的流变特性O流速梯度du/dy剪应力τ图7-4-2塑性流体的流变特性BCAY7-48在图7-4-2中，原点O与实线BA上的任意一点连接起来的直线OC的斜率称为表观粘度。表观粘度又称有效粘度或视在粘度，是泥浆外观上的粘度，其