基于賓漢模式的橋梁樁基鉆孔泥漿流變特性初步研究

侯璐瑤，王奎升，侯世全

(1.北京化工大學，北京 100029;2.中國鐵道科學院 節能環保勞衛研究所，北京 100081)

在高速鐵路建設等各項基礎設施建設中，普遍采用鉆孔灌注樁，施工鉆孔工藝也日趨完善。但對工程鉆孔泥漿的性能還沒有統一的認識，在生產過程中易出現盲目替漿、泥漿相對密度控制不嚴、致使在鉆孔過程中出現機械鉆速緩慢、孔壁坍塌、孔徑偏大、孔底清洗不干凈、鉆頭和水泵缸套磨損嚴重等現象。針對這種情況，有必要對泥漿的性能作一些探討。

工程鉆孔泥漿的主要性能指標有:泥漿的密度和固相含量、泥漿的流變特性(泥漿黏度和切力)、泥漿的濾失性能以及泥漿的含砂量、潤滑性、膠體率和pH值等。泥漿的密度、黏度等流變性是泥漿體系的重要工藝性能之一，對鉆井機械轉速、井眼凈化和固相的清除也有重要的影響［1-3］，有關石油鉆井泥漿流變特性的研究很多，但對橋梁鉆孔泥漿流變特性的研究較少。橋梁樁基鉆孔泥漿相比石油鉆井泥漿，無添加劑，且密度較小。綜上所述，研究樁基鉆孔泥漿的流變特性有重要意義。

各種黏度測量方法，特別是旋轉黏度計測量方法的發展，提供了不同剪切速率范圍下的流變測量，為流變學研究創造了有利的條件。此外測量流體非牛頓黏度的方法還有馬氏漏斗和毛管黏度計。相比較而言，馬氏漏斗由于設備簡單、操作方便而應用較多。但是馬氏漏斗測定的黏度只是相對的，泥漿的流動特性不能僅用黏度來定義[4]。因此，有必要建立流體黏度和漏斗黏度值之間的關系［4-5］。本研究擬從密度變化和泥漿種類變化對泥漿流變性的影響進行試驗研究，并試圖建立馬氏漏斗黏度和流體黏度的定量關系。

1 試驗儀器與方法

1.1 試驗儀器

MLN-2型馬氏漏斗黏度計(青島新領石油科技研究所)，ZNN-D6型六速旋轉黏度計(青島百瑞達石油機械有限公司)。

1.2 試驗方法

采用京滬高速鐵路滄州段黏土配制成密度ρ為1.05、1.10、1.15、1.20、1.25 和 1.30 g/cm3的黏土泥漿，編號分別為 N5、N4、N3、N2、N1 和 N0;采用河北宣化燕北礦業有限公司生產的造漿膨潤土配制膨潤土泥漿，密度為 1.02、1.04、1.06、1.08 和 1.10 g/cm3，編號分別為 P5、P4、P3、P2和 P1。采用 MLN-2型馬氏漏斗黏度計測定每種泥漿的馬氏黏度，單位為 s;此外，采用六速旋轉黏度計測定每種泥漿在 600、300、200、100、6和3轉/min轉速下的讀值。

2 試驗結果與分析

2.1 試驗結果

采用馬氏漏斗黏度計和六速旋轉黏度計測定的泥漿黏度值如表1和表2所示。由測定結果可知，隨著泥漿密度的增加，泥漿的馬氏黏度計和六速旋轉黏度計讀值呈增加趨勢。轉速相同，膨潤土泥漿的黏度值遠遠高于黏土泥漿的黏度值。

2.2 泥漿的流變特性

2.2.1 理論依據

許多情況下，牛頓流體是單相均勻體系，而非牛頓流體是兩相或多相體系。非牛頓流體種類繁多，是工業生產中普遍存在的流體。泥漿、水泥漿等均屬非牛頓流體。牛頓流體流動的特點是其流變曲線為通過原點O的一條直線。它表示在一定溫度和壓力條件下，牛頓黏度為一常數，它可用牛頓流變方程來表示

表1 泥漿的馬氏漏斗黏度測定結果

表2 黏土泥漿和膨潤土泥漿不同密度下六速旋轉黏度計讀數

式中 τ——單位面積上的內摩擦力，或稱為剪切應力，Pa;

μ——牛頓黏度或稱為動力黏度，Pa·s;

γ——剪切速率或流速梯度，Hz。

指數模型認為，非牛頓流體的黏度函數是剪切速率或流速梯度絕對值的一個指數函數，其表達式為

式中，η為廣義牛頓黏度，Pa·s。當m=1時，流體為牛頓型流體;當m<1時，流體為假塑性或剪切變稀流體;當m>1時，流體為脹塑性或剪切變稠流體。

通常認為泥漿屬于非牛頓流體，它的傳統模式是賓漢模式，其流變方程一般可表示為

式中 γ—— 流速梯度，1/s;

n——轉速，分 別 取 600、300、200、100、6、3轉/min;

PV ——塑性黏度，Pa·s;

Φ600、Φ300——分別為 600 轉/min 和 300 轉/min下六速旋轉黏度計刻度盤的讀數;

τ0——極限動切力，Pa。

2.2.2 泥漿的流變特性

本研究采用上述公式進行數據處理，旨在討論在賓漢模式下馬氏漏斗黏度與塑性黏度之間的關系，但由于馬氏漏斗黏度不只與塑性黏度有關，還與動切力有關，所以只能建立起漏斗黏度與有效黏度的關系。研究流體黏度與漏斗黏度值和密度之間的關系，在現場應用中有很大的作用。

由于馬氏漏斗不是在固定的剪速下測量非牛頓流體的黏度的，為了便于比較，可以取一個固定的剪速，本文處理數據時取最接近馬氏漏斗出流剪速為參考剪速。一般來說，所測的非牛頓流體的漏斗黏度值(出流946 mL)都處于35～60 s之間，則平均剪速在1 580～2 700 Hz之間變化，因此可以在它們之間取一個最接近的剪速作為參考剪速，如本文取2 000 Hz為參考剪速，并計算出相應的有效黏度。

計算有效黏度ηe的公式為

ηe=PV+0.5τ0

應用以上這些公式對各原始數據記錄表中各項分別進行計算，計算結果如表3所示。由表3和圖1可知，對于黏土泥漿和膨潤土泥漿，馬氏漏斗黏度值隨有效黏度ηe和ηe/ρ(ρ為泥漿密度)的增加呈增加趨勢。

從圖2所示的黏土泥漿和膨潤土泥漿的流變曲線可以看出，泥漿與塑性流體(賓漢流體)的流變曲線吻合，為不通過原點的直線。流變曲線與y軸的截距表示靜切應力，即指要使靜止的塑性流體開始運動時，破壞其單位面積上的網狀結構所需要的切力。可知，對于黏度越大的泥漿，靜切應力越大，而且隨著泥漿黏度的增大，流變曲線的斜率也增大。

3 結論

1)對于黏土泥漿和膨潤土泥漿，隨著泥漿密度的增加，馬氏漏斗黏度計及六速旋轉黏度計測定的黏度值也呈增加趨勢。對于同樣密度的泥漿，膨潤土泥漿的黏度值遠遠高于黏土泥漿的黏度值。

表3 數據處理結果

圖1 946 mL馬氏漏斗時間與ηe和ηe/ρ的關系(其中R2為線性相關系數)

圖2 黏土泥漿和膨潤土泥漿的流變曲線

2)對于黏土泥漿和膨潤土泥漿，馬氏漏斗測定的黏度與有效黏度ηe及ηe/ρ呈線性正相關關系。

3)通過流變參數計算和流變曲線可知，泥漿流變曲線與塑性流體(賓漢流體)的流變曲線吻合。泥漿的流變特性與密度有關，泥漿的黏度、靜剪切力及流變曲線的斜率均隨著泥漿密度的增加而增加。

4)黏土泥漿在密度很小的時候，例如 N5，其流變特性表現為牛頓流體的流變特性。

[1] 夏如君，牟永仁，李建軍.工程鉆孔泥漿前比重及固相含量的探討［J］. 建筑施工，2001，21(3):144，161.

[2] 郝永真.水泥漿主要流變參數的確定與分析［J］.水利水電科技進展，2000，20(4):32-34.

[3] 施里宇，李天太，張喜鳳，等.溫度和膨潤土含量對水基鉆井液流變性的影響［J］.石油鉆探技術，2008，36(1):20-22.

[4] PITT M J.馬氏漏斗及鉆井液黏度:油田應用的新方程［J］. 國外油田工程，2001，17(12):28-31.

[5] 金業權.非牛頓流體漏斗黏度與塑性黏度的實驗研究［J］.西部探礦工程，2004(2):37-38.