基于宾汉模式的桥梁桩基钻孔泥浆流变特性初步研究

2010-07-30侯璐瑶王奎升侯世全

铁道建筑 2010年6期

侯璐瑶，王奎升，侯世全

(1.北京化工大学，北京 100029;2.中国铁道科学院节能环保劳卫研究所，北京 100081)

在高速铁路建设等各项基础设施建设中，普遍采用钻孔灌注桩，施工钻孔工艺也日趋完善。但对工程钻孔泥浆的性能还没有统一的认识，在生产过程中易出现盲目替浆、泥浆相对密度控制不严、致使在钻孔过程中出现机械钻速缓慢、孔壁坍塌、孔径偏大、孔底清洗不干净、钻头和水泵缸套磨损严重等现象。针对这种情况，有必要对泥浆的性能作一些探讨。

工程钻孔泥浆的主要性能指标有:泥浆的密度和固相含量、泥浆的流变特性(泥浆黏度和切力)、泥浆的滤失性能以及泥浆的含砂量、润滑性、胶体率和pH值等。泥浆的密度、黏度等流变性是泥浆体系的重要工艺性能之一，对钻井机械转速、井眼净化和固相的清除也有重要的影响［1-3］，有关石油钻井泥浆流变特性的研究很多，但对桥梁钻孔泥浆流变特性的研究较少。桥梁桩基钻孔泥浆相比石油钻井泥浆，无添加剂，且密度较小。综上所述，研究桩基钻孔泥浆的流变特性有重要意义。

各种黏度测量方法，特别是旋转黏度计测量方法的发展，提供了不同剪切速率范围下的流变测量，为流变学研究创造了有利的条件。此外测量流体非牛顿黏度的方法还有马氏漏斗和毛管黏度计。相比较而言，马氏漏斗由于设备简单、操作方便而应用较多。但是马氏漏斗测定的黏度只是相对的，泥浆的流动特性不能仅用黏度来定义[4]。因此，有必要建立流体黏度和漏斗黏度值之间的关系［4-5］。本研究拟从密度变化和泥浆种类变化对泥浆流变性的影响进行试验研究，并试图建立马氏漏斗黏度和流体黏度的定量关系。

1 试验仪器与方法

1.1 试验仪器

MLN-2型马氏漏斗黏度计(青岛新领石油科技研究所)，ZNN-D6型六速旋转黏度计(青岛百瑞达石油机械有限公司)。

1.2 试验方法

采用京沪高速铁路沧州段黏土配制成密度ρ为1.05、1.10、1.15、1.20、1.25 和 1.30 g/cm3的黏土泥浆，编号分别为 N5、N4、N3、N2、N1 和 N0;采用河北宣化燕北矿业有限公司生产的造浆膨润土配制膨润土泥浆，密度为 1.02、1.04、1.06、1.08 和 1.10 g/cm3，编号分别为 P5、P4、P3、P2和 P1。采用 MLN-2型马氏漏斗黏度计测定每种泥浆的马氏黏度，单位为 s;此外，采用六速旋转黏度计测定每种泥浆在 600、300、200、100、6和3转/min转速下的读值。

2 试验结果与分析

2.1 试验结果

采用马氏漏斗黏度计和六速旋转黏度计测定的泥浆黏度值如表1和表2所示。由测定结果可知，随着泥浆密度的增加，泥浆的马氏黏度计和六速旋转黏度计读值呈增加趋势。转速相同，膨润土泥浆的黏度值远远高于黏土泥浆的黏度值。

2.2 泥浆的流变特性

2.2.1 理论依据

许多情况下，牛顿流体是单相均匀体系，而非牛顿流体是两相或多相体系。非牛顿流体种类繁多，是工业生产中普遍存在的流体。泥浆、水泥浆等均属非牛顿流体。牛顿流体流动的特点是其流变曲线为通过原点O的一条直线。它表示在一定温度和压力条件下，牛顿黏度为一常数，它可用牛顿流变方程来表示

表1 泥浆的马氏漏斗黏度测定结果

表2 黏土泥浆和膨润土泥浆不同密度下六速旋转黏度计读数

式中 τ——单位面积上的内摩擦力，或称为剪切应力，Pa;

μ——牛顿黏度或称为动力黏度，Pa·s;

γ——剪切速率或流速梯度，Hz。

指数模型认为，非牛顿流体的黏度函数是剪切速率或流速梯度绝对值的一个指数函数，其表达式为

式中，η为广义牛顿黏度，Pa·s。当m=1时，流体为牛顿型流体;当m<1时，流体为假塑性或剪切变稀流体;当m>1时，流体为胀塑性或剪切变稠流体。

通常认为泥浆属于非牛顿流体，它的传统模式是宾汉模式，其流变方程一般可表示为

式中 γ—— 流速梯度，1/s;

n——转速，分别取 600、300、200、100、6、3转/min;

PV ——塑性黏度，Pa·s;

Φ600、Φ300——分别为 600 转/min 和 300 转/min下六速旋转黏度计刻度盘的读数;

τ0——极限动切力，Pa。

2.2.2 泥浆的流变特性

本研究采用上述公式进行数据处理，旨在讨论在宾汉模式下马氏漏斗黏度与塑性黏度之间的关系，但由于马氏漏斗黏度不只与塑性黏度有关，还与动切力有关，所以只能建立起漏斗黏度与有效黏度的关系。研究流体黏度与漏斗黏度值和密度之间的关系，在现场应用中有很大的作用。

由于马氏漏斗不是在固定的剪速下测量非牛顿流体的黏度的，为了便于比较，可以取一个固定的剪速，本文处理数据时取最接近马氏漏斗出流剪速为参考剪速。一般来说，所测的非牛顿流体的漏斗黏度值(出流946 mL)都处于35～60 s之间，则平均剪速在1 580～2 700 Hz之间变化，因此可以在它们之间取一个最接近的剪速作为参考剪速，如本文取2 000 Hz为参考剪速，并计算出相应的有效黏度。

计算有效黏度ηe的公式为

ηe=PV+0.5τ0

应用以上这些公式对各原始数据记录表中各项分别进行计算，计算结果如表3所示。由表3和图1可知，对于黏土泥浆和膨润土泥浆，马氏漏斗黏度值随有效黏度ηe和ηe/ρ(ρ为泥浆密度)的增加呈增加趋势。

从图2所示的黏土泥浆和膨润土泥浆的流变曲线可以看出，泥浆与塑性流体(宾汉流体)的流变曲线吻合，为不通过原点的直线。流变曲线与y轴的截距表示静切应力，即指要使静止的塑性流体开始运动时，破坏其单位面积上的网状结构所需要的切力。可知，对于黏度越大的泥浆，静切应力越大，而且随着泥浆黏度的增大，流变曲线的斜率也增大。