灌注膨润土泥浆性能研究

摘 要：膨润土是一种具有吸附性、离子交换能力和黏性的黏土矿物。膨润土可以充分吸收灌浆料中的水分，增加灌浆料的黏性，从而提高填充性和流动性。膨润土泥浆合格是钻机开孔的条件之一。以淡白色、浅黄色膨润土为例，介绍膨润土的配比方法及试验参数。根据现场实际泥浆状况，提出泥浆质量控制方法。

关键词：膨润土；泥浆性能；灌浆

中图分类号：TU443 文献标识码：A 文章编号：2096-6903（2024）08-0119-03

1 钻孔泥浆膨润土的选择

膨润土按属性分类有钠基膨润土和钙基膨润土两种。按用途分铸造用膨润土、冶金球团用膨润土、钻井泥浆用膨润土[1]。钻孔泥浆应选用钠基膨润土，钠基膨润土比钙基膨润土有更高的吸水膨胀效果、黏度大。钙基膨润土吸水膨胀5～10倍，钠基膨润土吸水可膨胀20～30倍。钠基膨润土通常为淡白色、浅黄色，密度约在1.05 g/cm3左右。本文以浅白色、浅黄色膨润土为例，介绍膨润土试验方法。

规范中关于钻孔的膨润土分为钻井级膨润土和未处理膨润土，规范中关于膨润土的各项技术性能指标要求如表1及表2所示[2]。施工项目工地试验室没有做钻井级膨润土技术指标的条件，可以参见生产厂家合格证。表3是南京某厂家提供的合格证。

表1来源于《钻井液材料规范》第5.1.2条。表2来源于《钻井液材料规范》第6.1.2条，可见南京某厂提供的质量合格证与《钻井液材料规范》GB/5005—2010不符。表中各项技术指标未见到测试方法及依据。现场采用膨润土主要是看其造浆能力即泥浆密度、黏度、胶体率是否满足《公路桥涵施工技术规范》JTGT3650—2020[3]，其指标要求如表4所示。

淡白色膨润土泥浆含量、pH值、密度、胶体率试验结果如表5所示。

从表5可以看出，膨润土含量16%时，泥浆胶体率即可达95%，但黏度仅为16.68 Pa·S；膨润土含量35%，泥浆黏稠，泥浆黏度可达52.32 Pa·S；当膨润土含量达60%时，泥浆过于黏稠、絮凝，基本不具备灌注条件。浅黄色膨润土泥浆含量、pH值、密度、胶体率试验结果如表6所示。

从表6膨润土含量50%时，膨润土泥浆黏度18.38 Pa·S，但胶体率仅为58%；膨润土含量达80%时，胶体率才到达96%；当膨润土含量达110%时，泥浆密度达1.413 g/cm3 ，泥浆仍无絮凝现象。

目前黏性土、砂性土施工多采用旋挖钻施工，旋挖钻施工泥浆性能要求见表7所示。

按黏度要求，从表5和表6可以看出，施工中旋挖钻淡白色膨润土泥浆含量应控制在20%～30%、浅黄色膨润土应控制在50%～70%。按胶体率要求，从表5和表6可以看出，淡白色膨润土只要达到16%，就可以满足要求，浅黄色膨润土需达到80%才可以达到要求。

根据中、细砂层旋挖钻实际施工中测量，淡白色膨润土施工中泥浆含量可控制在20%～40%，浅黄色膨润土施工泥浆含量可控制在80%～110%。研究认为规范中的泥浆性能要求适用于一般黏性土土层，对于中粗砂层并不适用。中粗砂层就是一般认为的易坍地层。研究认为地层是中、粗砂层，泥浆黏度可以增加。但到清孔时，泥浆密度应在1.03～1.10 g/cm3。

2 泥浆胶体率

泥浆的胶体率特别重要。钻孔结束到混凝土关注灌注如超过4 h，泥浆沉淀，空口表面将是清水，对保持孔内水压极为不利，因此保持泥浆一定的胶体率十分必要。从本次试验来看，淡白色泥浆16%膨润土胶体率可达95%，满足施工技术指标要求，浅黄色泥浆需达到80%才能符合技术指标要求。试验规范中关于胶体率的试验选用量杯进行，并没有规定量杯的尺寸，这为胶体率试验可能带来误差。淡白色16%膨润土泥浆用100 mm量筒为95%，用250 m量杯仅有75%，可见量筒与量杯的差距。量杯的胶体率也不好判断，建议胶体率采用100 mm量筒代替。

3 失水率和泥皮厚

根据试验结果，所有泥皮厚度都符合要求而失水率都不满足要求。失水率不合格是滤纸的问题还是试验本身判断不科学有待商榷。

4 膨润土增加氢氧化钠的问题

淡白色膨润土惨加氢氧化钠可以显著改善胶体黏度问题，起分散剂作用，泥浆稠度更加均匀。随着膨润土用量的增加，掺加氢氧化钠的作用更加明显。但当氢氧化钠有膨润土含量的1%提高到2%时，泥浆黏度几乎没有影响。当膨润土含量达到35%时，即使添加1%的氢氧化钠，黏度太大，黏度测试无法完成。

浅黄色膨润土惨加氢氧化钠时不同惨量时，黏度几乎没有影响。

5 膨润土增加羧甲基纤维的问题

淡白色膨润土惨加羧甲基纤维加入土中起絮凝作用。采用1 000 g水+80 g膨润土+0.8 g羧甲基纤维素试验时，膨润土絮凝，３ min即沉淀，有35%清水，絮凝后比重达1.13。1 000 g水+80 g膨润土加入氢氧化钠0.8 g及羧甲基纤维1.6 g后，絮凝情况没有改善。但当膨润土掺量达22%时，仅加入1%羧甲基纤维素时，黏度由18.82 Pa·S升到28.37 Pa·S；加入1%氢氧化钠和1%羧甲基纤维素时，黏度由18.82 Pa·S升至36.94 Pa·S。试验表明，泥浆密度达到1.0 g/cm3后，添加羧甲基纤维素可以增加泥浆黏度的。浅黄色膨润土惨加羧甲基纤维黏度几乎没有影响。

6 结束语

旋挖钻在易坍土层施工时淡白色泥浆密度应控制在1.10～1.25 g/cm3，含土量应大于22%；浅黄色泥浆应控制1.25～1.40 g/cm3，含土量应大于50%。待清孔时加水稀释至1.03～1.10 g/cm3。为保证稀释后黏度符合要求，钻孔泥浆应加入1%氢氧化钠或加入1%氢氧化钠和1%羧甲基纤维素。旋挖钻应优先选用淡白色膨润土。

参考文献

[1] JTGT3650-2020，公路桥涵施工技术规范[S].

[2] GB/T20973-2007，膨润土[S].

[3] GB/T5005-2010，钻井液材料规范[S].