浅谈水运工程护壁泥浆的质量控制

刘美山

摘 要：护壁泥浆是水运工程灌注桩和地连墙施工质量的重要影响因素，本文结合唐山港地连墙板桩码头的施工经验，系统地介绍了泥浆质量指标、配制材料及重复利用泥浆的处理等方面的知识和体会。

关键词：泥浆指标;配浆材料;重复使用泥浆的处理

中图分类号：U655            文献标识码：A            文章编号：1006—7973（2019）12-0089-02

灌注樁和地下连续墙在水运工程中有着越来越广泛的使用，灌注桩主要用做承重结构的桩基，地下连续墙现在不仅用于地下围护和承重结构，也用于板桩码头的前墙。在唐山港京唐港区和曹妃甸港区就建设了大量的地下连续墙板桩码头，结构等级从1.5万吨级到10万吨级。在灌注桩、地连墙施工中，护壁泥浆的质量直接影响槽壁和孔壁的稳定，是决定桩和墙质量的重要因素之一。为进一步提高灌注桩和地连墙的施工质量，有必要加强对护壁泥浆质量控制的研究。

1泥浆的性能指标

按《板桩码头设计与施工规范》（JTS167-3-2009）中的规定，需检测的泥浆性能指标包括：重度、黏度、失水量、泥皮厚度、稳定性、pH值等。

1.1 泥浆的重度

泥浆重度指单位体积泥浆的质量。泥浆重度是确保安全、快速钻进和孔壁稳定的一个十分重要的参数。通过提高泥浆重度，在孔内泥浆液面与地下水位高度差不变的情况下，能够提高压力差，更好地平衡地层水压力和土压力，以避免槽孔坍塌的发生。如果重度过高，泥浆增稠，易造成泥浆漏失、成孔进尺缓慢等问题;重度如果过低，则容易发生坍孔、缩径和携带泥渣能力不足。因此，钻进过程中应视地质情况和施工情况对泥浆重度进行调整。新配置泥浆重度一般控制在10.5～12.0kN/m3，常用的膨润土泥浆重度一般控制在10.5～10.8 kN/m3。

1.2 泥浆的黏度

泥浆的黏度反映的是泥浆的流变性能。泥浆的流变性能是指在外力作用下，护壁泥浆发生流动和变形的性能。该性能一般用不同的流变模式及其参数来反映，常用的模式为宾汉和幂律模式。因为泥浆的流变性能与其携带泥渣、稳定孔壁、提高钻进速度等作用关联，因此它是泥浆的重要性能之一。泥浆的黏度控制在18～25s为宜。

1.3 泥浆的失水量和泥皮厚度

泥浆的失水量和泥皮厚度反映的是泥浆的滤失与护壁性能。在灌注桩成孔过程中，遇到透水性较好的地层时，由于泥浆与地下水压力差的作用，泥浆中的水要向孔壁周围土层渗透，这个过程中泥浆失水称为泥浆的滤失性。在泥浆失水过程中，其中的固相颗粒逐渐附着在孔壁形成泥皮，泥皮也称为滤饼。随着泥皮厚度增加，泥浆失水和泥皮形成的速度降低。泥皮能保持孔壁的稳定，这就是泥浆护壁的机理。

滤失性与护壁性的强弱常用失水量和泥皮厚度来描述。失水量一般小于10mg/30min，泥皮厚度小于1mm/30min。

1.4泥浆的稳定性

泥浆的稳定性是指粘土颗粒分散的均匀程度及悬浮能力，又称泥浆沉降稳定性。稳定性要求小于0.02g/cm3。

1.5 泥浆的PH值

泥浆的酸碱性用pH值表示，pH值与泥浆中粘土或膨润土颗粒的分散程度有关，影响泥浆的粘度、切变等参数。膨润土泥浆（其中膨润土含量58.5kg/m3）粘度随pH值的变化而变化。当pH值大于9时，粘度随pH值的升高而明显提高。

应用中，泥浆的pH值的要求控制在7～9之间，即保持弱碱性环境。纯碱（Na2CO3）是调节泥浆pH值最常用的添加剂。能使钙基膨润土钠化，同时提高泥浆的抗海水污染的能力。2配浆主材与添加剂

泥浆配浆由主要材料及添加剂两部分组成。配浆主要材料常用的是膨润土和水。添加剂是指用于改善和提高泥浆性能或为满足泥浆特殊性能加入的各种添加剂。

2.1 配浆主材

2.1.1 膨润土

膨润土是配制泥浆的主要材料，每m3泥浆常用量为80～100kg，常用的膨润土分为钙基、钠基两种。

膨润土在泥浆中的主要作用：①增加泥浆的粘度和切变力，提高泥浆的携渣能力;②形成低透水性的泥皮，减少泥浆失水量;③改善胶结不良地层孔壁的稳定性;④提高泥浆的重度。

目前我国配制泥浆所用的膨润土标准：θ600≥30，滤失量≤15ml，屈服值/塑性粘度≤3，湿筛≤4.0%。

2.1.2 水

泥浆的性能指标与配制泥浆所用水质密切相关，水运工程地连墙和灌注桩施工时，一般使用当地城市供水或地下水，配制泥浆前应先检测水质，一般饮用水均可使用。有单位用海水做过尝试，但还有待进一步的探索。

2.1.3 增重材料

增重材料又称增重剂，填加到泥浆中用以提高泥浆的密度，以提高孔内泥浆的压力，平衡地下水压力，达到稳定孔壁的目的。最常用的增重材料是重晶石粉，主要成分是BaSO4。按API标准，其密度一般为42.0kN/m3，是目前应用广泛的一种泥浆增重材料。

2.2 常用无机添加剂及其作用

（1） 纯碱常用于调整泥浆的碱度和改善泥浆的性能，纯碱在泥浆中的功能主要有：① 钠化作用。钠化作用能使钙基膨润土转变为钠基膨润土，而钠基膨润土有较好的水溶性和分散性。加入纯碱可降低泥浆的滤失性能，提高粘度和切变力。但加入过多反而会降低泥浆的性能，造成膨润颗粒聚集下沉。② 沉淀作用。地下水水中含有的钙、镁离子能侵蚀泥浆，降低其性能。纯碱的沉淀作用能有效地消除这种影响，从而稳定泥浆的性能和护壁效果。③ 纯碱也有调节泥浆的pH值的作用，但这种调节作用不如烧碱明显。

（2） 烧碱是常用的泥浆碱度调节剂，其主要功能是用来调节泥浆pH值，除此之外，烧碱还具有分散作用、沉淀作用和促进植物胶溶解的作用。

2.3 降失水剂

2.3.1腐植酸类

腐植酸类是泥浆配制常用的降失水剂，它还有稀释的作用，现在常用的有：①煤碱剂（腐植酸钠），主要用来调节泥浆的失水性能，并有一定的稀释作用。②铬腐植酸，具有降滤失水、稀释作用。特别是与铁铬盐配合使用（常用配比为铬腐植酸∶铁铬盐=1∶2），具有很高的稳定性和较好的防塌效果。③硝基腐植酸钠，具有良好的降滤失水和稀释作用，抗盐能力大大增强（可抗NaCI达20%～30%）;抗钙能力较强。

2.3.2 纤维素类

常用的纤维素类降失水剂是钠羧甲基纤维素（Na—CMC），根据其粘度分为低粘、中粘及高粘三种。钠羧甲基纤维素粘度的测定方法是：将其溶入水中，配制2%的溶液，在25℃时用粘度计测定。

高粘度（HV—CMC）：1000～2000mPa·s。

中粘度（MV—CMC）：500～1000mPa·s。

低粘度（LV—CMC）：100～500mPa·s。

纤维素类降失水剂除具有降失水作用外，还具有增加泥浆粘度和抗鹽侵蚀的能力。

2.3.3 聚合物类

常用的聚合物类降失水剂有水解聚丙烯腈钠盐、水解聚丙烯腈钙盐和水解聚丙烯腈铵盐三种，在泥浆中均具有良好的降失水作用。水解聚丙烯腈钠盐和水解聚丙烯腈钙都有较强的抗盐能力强。加入水解聚丙烯腈铵盐的泥浆还具有抑制粘土水化分散的作用，适用于粘土层较多的地质情况。

2.4 增粘剂

（1）生物聚合物。生物聚合物类增粘剂有良好的增加粘度和降低失水性能的作用，并能提高泥浆的抗侵蚀能力。在粘土多，而且易水化、膨胀的地层，或者水敏感性高的岩层，使用此类增粘剂，能提高泥浆的护壁效果。生物聚合物类增粘剂还能提高泥浆的抗冻性，在冻土带施工可以使用。

（2）纤维素类。常用的纤维素类增粘剂包括羧甲基纤维素（HV—CMC）、羟乙基纤维素（HEC）、聚阴离子纤维素。

（3）聚合物类增粘剂，有80A51、PAC141、FA367。

3  重复使用泥浆的控制与处理

3.1 泥浆中固相

固相按颗粒粒径不同分为粗、中、细颗粒;按其对护壁的作用分为有用固相和无用因相。有用固相细颗粒（膨润土颗粒通常在2μm以下）分散均匀、活性强，是形成泥皮的主要成分;无用固相由粗颗粒组成，主要来源于原状土被钻头切削的泥渣，这部分是需要采取措施清除的。

3.2 泥浆的固相控制

控制泥浆中固相，就是清除无用固相，保留有用固相。

3.2.1自然沉降法

在成孔过程中，泥浆要反复循环，泥浆循环分为正循环和反循环两种方式。循环到地面的泥浆含有较多的无用固相，将循环泥浆集中到面积较大的沉淀池中，流速降低，在重力的作用下，粗颗粒下沉，无用固相被分离，泥浆的指标得以改善，就可以继续循环利用。这是原来常用的方法，成本低，但占用场地面积大，泥浆回收利用率低，污染环境。这种方法随着对施工环境要求的提高，使用越来越少。

3.2.2泥浆稀释法

向泥浆中加入水，降低固相含量的方法，一般用于原土造浆成孔作业中。

3.2.3机械分离法

该方法是现在施工中常用的一种方法，使用震动筛、离心机、除砂器等设备，利用离心原理或震动筛将无用固相强制分离。具有效率高、分离干净、泥浆回收率高、现场环保等优点。天津深基工程有限公司发明了集泥浆制作、循环、除沙等功能为一体设备，大大提高了施工效率，降低了施工成本。

3.2.4化学分离法

化学分离法就是在泥浆中加入分散剂或絮凝剂使泥浆中的无用固相沉降的方法。分散剂的原理是使泥浆的粘度降低，携渣能力下降;絮凝剂的原理是使无用固相颗粒聚集变大。

铁铬盐是常用的分散剂;PAM（非离子型）、HPAM（阴离子型）和CPAM（阳离子型）则是常用的絮凝剂。

4结束语

随着建筑科学技术的不断进步，特别是新材料、新工艺、新技术的不断推出，对泥浆的研究也会不断深入，泥浆的性能不断改进，特殊配方的泥浆将满足特殊地质条件下的特殊要求，这将促进灌注桩、地连墙等地下工程的质量的提高。