泥浆中水分形态对抗剪强度与流变性的影响

韩婷婷，吴思麟，吕一彦

（河海大学土木与交通学院，南京 210098）

1 研究背景

泥浆是工程中常见的一种流体，盾构隧道［1］、钻井、疏浚等工程的施工质量、工艺参数等与泥浆的性质息息相关。例如在钻井施工中，泥浆需要具有一定的强度来携带钻渣［2］。绞吸式疏浚工程中，泥浆必须具有一定的流动性才能保证泥沙的正常输送。同样的，泥水盾构用来排出开挖渣土的泥浆也应具有一定的流动性和强度。因此研究泥浆的强度、流动性就显得极为重要。

泥浆的强度一般是用抗剪强度来表征，表示其抵抗剪切的能力。泥浆作为一种流体，其流变性是指受剪切时剪应力与剪切速率的关系［3］，可通过流变曲线来表征，即剪切应力与剪切速率的关系曲线，主要的评价参数是黏度和动切力，这与土力学中所提到的土的流变性［4］并不相同。目前对于泥浆的强度和流变性的研究主要集中在较为宏观的泥浆含水率对其参数的影响。例如胡华［5］、王亮等［6］通过室内试验研究了软土、淤泥含水率对泥浆的初始剪切力、黏度、抗剪强度等的影响。而对于泥浆中水分形态对其强度和流变性的影响却少有研究。

天然土中的水分形态一般分为矿物水、结合水和自由水［7］，其中矿物水是化学结合水，存在于土颗粒矿物晶格结构中，在性质上与固体相似，可视为固相的一部分；结合水是物理吸附水，以水分子的形式吸附于土颗粒表面，其与土颗粒结合较为紧密；结合水之外的水分称为自由水，自由水与颗粒结合较为松散。这些不同形态的水物理化学性质不同，对泥浆的性质影响也不相同。当土作为填方材料使用时，影响其性质的主要水分因素是结合水和自由水［8］。因此研究具有不同水分形态（以下指结合水与自由水）含量的泥浆的工程性质，可以更清楚地揭示流变性、强度的影响机理。

本文采用高岭土、膨润土及其不同配比下的混合土为材料，将其配置成不同含水率的泥浆，以泥浆中不同形态的水分为研究对象，对泥浆抗剪强度和流变性进行试验研究，分析不同的水分形态对泥浆抗剪强度及流变性影响的机理。

2 试验材料与方法

2.1 试验材料

试验所用泥浆原材料为高岭土和膨润土，高岭土产自河北省，主要矿物成分为高岭石，膨润土是按《铸造用膨润土和粘土》标准（JB／T 9－227—1999）配制的牌号为PNa－10－25的南京汤山膨润土，主要矿物成分为蒙脱石。2种土的物理性质指标如表1所示。采用MS2000型激光粒度分析仪测得本试验所用高岭土和膨润土的粒径分布曲线如图1所示。

2.2 试样制备与试验方法

2.2.1 试样制备

泥浆作为一种含水率远高于液限的饱和土体，其结合水含量不随含水率变化，只受原泥性质的影响［8］。故本文试验土样采用膨润土和高岭土为材料，通过将二者按质量控制配比的方式配制成4组试样，膨润土与高岭土质量比（以下用B∶K表示）分别是3∶0，2∶1，1∶2和0∶3。由于高岭土和膨润土主要矿物组成分别是高岭石和蒙脱石，2种矿物的吸附水能力存在较大差异，蒙脱石吸附水能力远大于高岭石，4组试样配比的不同本质上是其吸附水能力的不同，宏观表现为结合水含量不同。此外，以工程泥浆的浓度为参考，将每种配比的土样再以含水率为控制变量，分别向烘干土样中加入一定量的蒸馏水，配制出含水率为80%，100%，120%，140%和160%的泥浆。

表1 试验材料的物理性质指标Table1 Physical properties of test materials

图1 试验土样的粒径分布曲线Fig.1 Particle size distribution of test soils

2.2.2 试验方法

2.2.2.1 不同形态水分含量测定试验

为了区分结合水与自由水2种形态水在泥浆中的数量关系，采用容量瓶法［9］测定4组土样的结合水含量。取定量烘干土样ms（g）放入干燥的容量瓶中，再加入定量蒸馏水mw（g），当黏土吸水饱和后，蒸馏水体积收缩ΔV，结合水含量由式（1）得到。

式中：ωb为结合水含量；ρf为自由水密度，本文取ρf＝1.0 g／m3；ρb为结合水密度，本文取ρb＝1.4 g／m3；ΔV是蒸馏水体积收缩量；ms是干土质量。

由于加入烘干土样中的蒸馏水一部分转化成结合水吸附在土颗粒表面，其余的以自由水的形式存在于泥浆中，故自由水含量即为总的蒸馏水添加量减去结合水含量，即

2.2.2.2 十字板剪切试验

使用南京土壤仪器厂生产的室内微型十字板剪切仪测定不同含水率和不同配比下的泥浆试样的强度，仪器的剪切强度分辨率为2 Pa，最大量程达到6 kPa。操作时，将十字板贯入泥浆表面以下约2倍十字板高度处，然后调节螺母使十字板固定，启动后十字板旋转720°即停止试验，剪切过程中显示屏上显示的剪切强度的最高值即为抗剪强度值。对每种情况下的试样均进行3次测试，其平均值即为该情况下泥状物的对应强度值［10］。

2.2.2.3 流变性测定试验

使用成都仪器厂生产的NXS－11B旋转黏度计测量各组泥浆的流变曲线，配备了一个同心圆柱［11］，流变仪有5个测试系统和15级旋转速度（5.6～360 r／min）。流变仪的黏度和剪切应力测量范围分别是2.8～1.78×107mPa·s和27.67～21 970 Pa。所有测量均在恒定温度25℃下进行。采用双线性流变模型确定泥浆的流变参数［12］，此模型用公式表示为

式中：τ0为动切力，是在低剪切速率区外推所得的应力，当应力＜τ0时，泥浆表现为固态；τc为高剪切速率区流变曲线与纵坐标的交点，可称为宾汉屈服应力；ηl为低剪切速率区的斜率；ηh为高剪切速率区的斜率，可定义为塑性黏度；γ0是过渡区的剪切速率，称为临界剪切速率，在这一剪切速率下，τ＝τya（τya为表面屈服应力）可定义为屈服应力。通常τya略高于 τc，为了简便起见，令 τya≈τc。微观上，双线性模型中屈服应力τc是泥浆流动时黏土颗粒间形成空间网架结构力的反映，塑性黏度ηh是泥浆流动时网架结构破坏并恢复动态平衡情况下颗粒间内摩擦力的反映［11］。这2个参数可作为分析工程泥浆流变性的参数。

3 试验结果

3.1 不同矿物成分、含水率下水分形态含量

为了更直观地得到泥浆中不同形态的水分对泥浆抗剪强度及流变性的影响，分别定义结合水含量ωb和自由水含量ωf来表征结合水和自由水的多少，其计算式分别为：

式中：mb为结合水质量；mf为自由水质量；ms为烘干土质量。

泥浆作为饱和土体，不同含水率条件下，黏土颗粒表面吸附的结合水含量都已达到饱和状态，故对于同一种配比的土而言，含水率变化并不改变其结合水含量。采用容量瓶法测得的4种不同配比的试样结合水含量，如表2所示。

表2 结合水含量Table2 Content of bound water

3.2 抗剪强度与水分形态的关系

将泥浆不同水分形态的含量与抗剪强度的关系制成图2。

图2 自由水和结合水含量对泥浆抗剪强度的影响Fig.2 Influence of free water content and bound water content on the shear strength of slurry

从图2中可以看出：结合水含量为21.43%，14.32%，7.18%和1.32%的4种泥浆，其抗剪强度均随着自由水含量的增加而减小；在自由水含量相等的条件下，结合水含量高的泥浆抗剪强度基本上都大于结合水含量低的泥浆；自由水含量在79%左右时，结合水含量为21.43%的泥浆抗剪强度约是结合水含量为1.32%的泥浆强度的7.8倍，随着自由水含量的增加，不同结合水含量的泥浆抗剪强度差异越来越小；当自由水含量＞110%时，不同结合水含量的泥浆的抗剪强度趋于相等。总体而言，泥浆的抗剪强度随着自由水含量的增加而减小，随着结合水含量的增加而增大。

为了进一步比较结合水和自由水含量对泥浆抗剪强度影响的主次关系，绘制抗剪强度随总含水率变化关系图，如图3所示。

对于同一种矿物成分的泥浆而言，其结合水含量是一定的，含水率的变化反映的是泥浆中自由水含量的改变。从图3中可以看出，结合水含量不同的4种泥浆，其抗剪强度均随着总含水率的增加而减小，且在各含水率下，结合水含量高的泥浆抗剪强度始终大于结合水含量低的泥浆。当总含水率＜120%时，结合水含量高的泥浆抗剪强度明显大于结合水含量低的泥浆，其中总含水率为80%时，结合水含量为21.43%的泥浆抗剪强度约是结合水含量为1.32%的泥浆抗剪强度的90.2倍。而当总含水率＞120%时，不同结合水含量的泥浆抗剪强度相差很小。

由此可见，当含水率较低时，结合水含量是影响泥浆抗剪强度的主要因素，而当含水率较高时，结合水含量基本不影响泥浆的抗剪强度，此时自由水含量是影响泥浆强度的主要因素。

图3 总含水率和结合水含量对泥浆抗剪强度的影响Fig.3 Influence of total water content and bound water content on the shear strength of slurry

3.3 流变性与水分形态的关系

应用双线性模型（式（3））得到各泥浆的流变参数，从B∶K＝3∶0配比的试样中选取含水率为100%的泥浆为例，如图4所示。

图4 B∶K＝3∶0，ω＝100%的泥浆流变参数Fig.4 Rheology parameter of slurry（B∶K＝3∶0，ω＝100%）

同理可按照上述方法得到不同配比及含水率条件下的泥浆流变参数。双线性模型中的流变参数屈服应力τc和塑性黏度ηh随着结合水含量及自由水含量变化关系如图5所示。

从图5可以看出：各结合水含量下的泥浆的屈服应力τc和塑性黏度ηh均随着自由水含量的增加而呈显著降低趋势；而当自由水含量相同时，塑性黏度ηh都随着结合水含量的增加而明显增大，屈服应力τc在自由水含量＜100%时也随着结合水含量的增加而明显增大，自由水含量＞100%时，结合水含量为14.32%和7.18%的泥浆屈服应力十分接近，没有明显变化，但其值都低于结合水含量为21.43%的泥浆，并高于结合水含量为1.32%的泥浆。总体来说，泥浆的屈服应力和塑性黏度随着结合水含量的增加而增大。

由此可见，泥浆中不同形态的水对泥浆流变性都有影响，但影响效果并不相同。总体呈现出泥浆的屈服应力和塑性黏度随着自由水含量的增加而减小，随着结合水含量的增加而增大的趋势。

同样的，为了比较结合水和自由水含量对泥浆流变性影响的主次关系，绘制屈服应力和塑性黏度随总含水率变化的关系图，如图6所示。

从图6中可以看出：泥浆的屈服强度和塑性黏度均随着含水率的提高而降低，且在各含水率条件下，结合水含量高的泥浆屈服强度和塑性黏度始终高于结合水含量低的泥浆；当含水率＜140%时，结合水含量高的泥浆抗剪强度远高于结合水含量低的泥浆，而当含水率＞140%时，不同含水率的泥浆屈服强度相差很小；塑性黏度随含水率和结合水含量的变化也有相似的规律，但其中结合水含量为21.43%的泥浆，其塑性黏度在含水率＞140%的条件下仍比其他3组泥浆高得多。

图5 自由水和结合水含量对泥浆屈服应力和塑性黏度的影响Fig.5 Influence of free water content and bound water content on the yield stress and plastic viscosity of slurry

图6 总含水率和结合水含量对泥浆屈服应力和塑性黏度的影响Fig.6 Influence of total water content and bound water content on the yield stress and plastic viscosity of slurry

由此可见，当含水率较低时，结合水含量是影响泥浆流变性的主要因素，而当含水率较高时，结合水含量基本不影响泥浆的流变性，此时自由水含量是影响泥浆流变性的主要因素。

4 讨 论

结合水相比自由水有较大的黏滞性和密度以及较小的能动性，包裹在土颗粒表面使颗粒间有一定的粘结吸附作用。故当泥浆中自由水含量相同时，结合水含量较高的泥浆，其颗粒间的粘结吸附作用较强，因此抵抗剪切的能力也较强。宏观上表现为自由水含量相同的情况下，泥浆的抗剪强度、屈服应力和塑性黏度随着结合水含量的增加而增大。

黏土颗粒在土－水体系中多以边－面接触的形式存在，泥浆抵抗剪切的能力不仅与单个颗粒间的粘结吸附强度有关，还与剪切面上边－面接触的数量有关。对于同一种泥浆，当其自由水含量较高时，颗粒比较分散，剪切面上边－面接触的数量较少，泥浆抵抗剪切的能力较弱。宏观上表现为结合水含量相同的情况下，泥浆的抗剪强度、屈服应力和塑性黏度随着自由水含量的增加而减小。

上述机理用关系式可表示为τ＝σn，σ表示单个边－面接触抵抗剪切的能力（即单个颗粒的粘结吸附强度），n表示剪切面上边－面接触的数量。

根据本文的研究，可以通过对泥浆中水分形态的调整来控制泥浆的强度及流变性，从而得到在不同条件下都适用的泥浆。当泥浆含水率＜120%时，通过改变泥浆的结合水含量来控制泥浆的强度及流变性，例如选用不同矿物成分的泥浆；而当泥浆的含水率＞120%时，通过改变泥浆的自由水含量来控制泥浆的强度与流变性，例如调整泥浆的含水率。本研究成果在工程上具有一定的应用价值，例如钻井或护壁的泥浆需要有一定的强度和黏度来携带钻渣，同时泥浆还需要有一定的浓度来产生足够大的静水压力以抵抗井内压力。膨润土泥浆在含水率很高时仍具有较大的黏度和屈服应力，而高岭土泥浆只在较低的含水率下才有屈服应力和黏度，因此可以采用这2种土的混合泥浆来满足指定用途下的泥浆流动性、强度与浓度的要求，例如高密度钻井泥浆或不透水泥浆壁。

5 结 论

（1）泥浆的抗剪强度、屈服应力和塑性黏度均随着自由水含量的增加而减小，随着结合水含量的增加而增大。

（2）在低含水率条件下，影响泥浆抗剪强度和流变性的主要水分因素是结合水含量，而随着含水率逐渐增加，自由水含量逐渐占据主导作用，此时自由水含量更影响泥浆的性质。

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