淺談水運工程護壁泥漿的質量控制

劉美山

摘 要：護壁泥漿是水運工程灌注樁和地連墻施工質量的重要影響因素，本文結合唐山港地連墻板樁碼頭的施工經驗，系統地介紹了泥漿質量指標、配制材料及重復利用泥漿的處理等方面的知識和體會。

關鍵詞：泥漿指標;配漿材料;重復使用泥漿的處理

中圖分類號：U655 ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ?文章編號：1006—7973（2019）12-0089-02

灌注樁和地下連續墻在水運工程中有著越來越廣泛的使用，灌注樁主要用做承重結構的樁基，地下連續墻現在不僅用于地下圍護和承重結構，也用于板樁碼頭的前墻。在唐山港京唐港區和曹妃甸港區就建設了大量的地下連續墻板樁碼頭，結構等級從1.5萬噸級到10萬噸級。在灌注樁、地連墻施工中，護壁泥漿的質量直接影響槽壁和孔壁的穩定，是決定樁和墻質量的重要因素之一。為進一步提高灌注樁和地連墻的施工質量，有必要加強對護壁泥漿質量控制的研究。

1泥漿的性能指標

按《板樁碼頭設計與施工規范》（JTS167-3-2009）中的規定，需檢測的泥漿性能指標包括：重度、黏度、失水量、泥皮厚度、穩定性、pH值等。

1.1 泥漿的重度

泥漿重度指單位體積泥漿的質量。泥漿重度是確保安全、快速鉆進和孔壁穩定的一個十分重要的參數。通過提高泥漿重度，在孔內泥漿液面與地下水位高度差不變的情況下，能夠提高壓力差，更好地平衡地層水壓力和土壓力，以避免槽孔坍塌的發生。如果重度過高，泥漿增稠，易造成泥漿漏失、成孔進尺緩慢等問題;重度如果過低，則容易發生坍孔、縮徑和攜帶泥渣能力不足。因此，鉆進過程中應視地質情況和施工情況對泥漿重度進行調整。新配置泥漿重度一般控制在10.5～12.0kN/m3，常用的膨潤土泥漿重度一般控制在10.5～10.8 kN/m3。

1.2 泥漿的黏度

泥漿的黏度反映的是泥漿的流變性能。泥漿的流變性能是指在外力作用下，護壁泥漿發生流動和變形的性能。該性能一般用不同的流變模式及其參數來反映，常用的模式為賓漢和冪律模式。因為泥漿的流變性能與其攜帶泥渣、穩定孔壁、提高鉆進速度等作用關聯，因此它是泥漿的重要性能之一。泥漿的黏度控制在18～25s為宜。

1.3 泥漿的失水量和泥皮厚度

泥漿的失水量和泥皮厚度反映的是泥漿的濾失與護壁性能。在灌注樁成孔過程中，遇到透水性較好的地層時，由于泥漿與地下水壓力差的作用，泥漿中的水要向孔壁周圍土層滲透，這個過程中泥漿失水稱為泥漿的濾失性。在泥漿失水過程中，其中的固相顆粒逐漸附著在孔壁形成泥皮，泥皮也稱為濾餅。隨著泥皮厚度增加，泥漿失水和泥皮形成的速度降低。泥皮能保持孔壁的穩定，這就是泥漿護壁的機理。

濾失性與護壁性的強弱常用失水量和泥皮厚度來描述。失水量一般小于10mg/30min，泥皮厚度小于1mm/30min。

1.4泥漿的穩定性

泥漿的穩定性是指粘土顆粒分散的均勻程度及懸浮能力，又稱泥漿沉降穩定性。穩定性要求小于0.02g/cm3。

1.5 泥漿的PH值

泥漿的酸堿性用pH值表示，pH值與泥漿中粘土或膨潤土顆粒的分散程度有關，影響泥漿的粘度、切變等參數。膨潤土泥漿（其中膨潤土含量58.5kg/m3）粘度隨pH值的變化而變化。當pH值大于9時，粘度隨pH值的升高而明顯提高。

應用中，泥漿的pH值的要求控制在7～9之間，即保持弱堿性環境。純堿（Na2CO3）是調節泥漿pH值最常用的添加劑。能使鈣基膨潤土鈉化，同時提高泥漿的抗海水污染的能力。2配漿主材與添加劑

泥漿配漿由主要材料及添加劑兩部分組成。配漿主要材料常用的是膨潤土和水。添加劑是指用于改善和提高泥漿性能或為滿足泥漿特殊性能加入的各種添加劑。

2.1 配漿主材

2.1.1 膨潤土

膨潤土是配制泥漿的主要材料，每m3泥漿常用量為80～100kg，常用的膨潤土分為鈣基、鈉基兩種。

膨潤土在泥漿中的主要作用：①增加泥漿的粘度和切變力，提高泥漿的攜渣能力;②形成低透水性的泥皮，減少泥漿失水量;③改善膠結不良地層孔壁的穩定性;④提高泥漿的重度。

目前我國配制泥漿所用的膨潤土標準：θ600≥30，濾失量≤15ml，屈服值/塑性粘度≤3，濕篩≤4.0%。

2.1.2 水

泥漿的性能指標與配制泥漿所用水質密切相關，水運工程地連墻和灌注樁施工時，一般使用當地城市供水或地下水，配制泥漿前應先檢測水質，一般飲用水均可使用。有單位用海水做過嘗試，但還有待進一步的探索。

2.1.3 增重材料

增重材料又稱增重劑，填加到泥漿中用以提高泥漿的密度，以提高孔內泥漿的壓力，平衡地下水壓力，達到穩定孔壁的目的。最常用的增重材料是重晶石粉，主要成分是BaSO4。按API標準，其密度一般為42.0kN/m3，是目前應用廣泛的一種泥漿增重材料。

2.2 常用無機添加劑及其作用

（1） 純堿常用于調整泥漿的堿度和改善泥漿的性能，純堿在泥漿中的功能主要有：① 鈉化作用。鈉化作用能使鈣基膨潤土轉變為鈉基膨潤土，而鈉基膨潤土有較好的水溶性和分散性。加入純堿可降低泥漿的濾失性能，提高粘度和切變力。但加入過多反而會降低泥漿的性能，造成膨潤顆粒聚集下沉。② 沉淀作用。地下水水中含有的鈣、鎂離子能侵蝕泥漿，降低其性能。純堿的沉淀作用能有效地消除這種影響，從而穩定泥漿的性能和護壁效果。③ 純堿也有調節泥漿的pH值的作用，但這種調節作用不如燒堿明顯。

（2） 燒堿是常用的泥漿堿度調節劑，其主要功能是用來調節泥漿pH值，除此之外，燒堿還具有分散作用、沉淀作用和促進植物膠溶解的作用。

2.3 降失水劑

2.3.1腐植酸類

腐植酸類是泥漿配制常用的降失水劑，它還有稀釋的作用，現在常用的有：①煤堿劑（腐植酸鈉），主要用來調節泥漿的失水性能，并有一定的稀釋作用。②鉻腐植酸，具有降濾失水、稀釋作用。特別是與鐵鉻鹽配合使用（常用配比為鉻腐植酸∶鐵鉻鹽=1∶2），具有很高的穩定性和較好的防塌效果。③硝基腐植酸鈉，具有良好的降濾失水和稀釋作用，抗鹽能力大大增強（可抗NaCI達20%～30%）;抗鈣能力較強。

2.3.2 纖維素類

常用的纖維素類降失水劑是鈉羧甲基纖維素（Na—CMC），根據其粘度分為低粘、中粘及高粘三種。鈉羧甲基纖維素粘度的測定方法是：將其溶入水中，配制2%的溶液，在25℃時用粘度計測定。

高粘度（HV—CMC）：1000～2000mPa·s。

中粘度（MV—CMC）：500～1000mPa·s。

低粘度（LV—CMC）：100～500mPa·s。

纖維素類降失水劑除具有降失水作用外，還具有增加泥漿粘度和抗鹽侵蝕的能力。

2.3.3 聚合物類

常用的聚合物類降失水劑有水解聚丙烯腈鈉鹽、水解聚丙烯腈鈣鹽和水解聚丙烯腈銨鹽三種，在泥漿中均具有良好的降失水作用。水解聚丙烯腈鈉鹽和水解聚丙烯腈鈣都有較強的抗鹽能力強。加入水解聚丙烯腈銨鹽的泥漿還具有抑制粘土水化分散的作用，適用于粘土層較多的地質情況。

2.4 增粘劑

（1）生物聚合物。生物聚合物類增粘劑有良好的增加粘度和降低失水性能的作用，并能提高泥漿的抗侵蝕能力。在粘土多，而且易水化、膨脹的地層，或者水敏感性高的巖層，使用此類增粘劑，能提高泥漿的護壁效果。生物聚合物類增粘劑還能提高泥漿的抗凍性，在凍土帶施工可以使用。

（2）纖維素類。常用的纖維素類增粘劑包括羧甲基纖維素（HV—CMC）、羥乙基纖維素（HEC）、聚陰離子纖維素。

（3）聚合物類增粘劑，有80A51、PAC141、FA367。

3 ?重復使用泥漿的控制與處理

3.1 泥漿中固相

固相按顆粒粒徑不同分為粗、中、細顆粒;按其對護壁的作用分為有用固相和無用因相。有用固相細顆粒（膨潤土顆粒通常在2μm以下）分散均勻、活性強，是形成泥皮的主要成分;無用固相由粗顆粒組成，主要來源于原狀土被鉆頭切削的泥渣，這部分是需要采取措施清除的。

3.2 泥漿的固相控制

控制泥漿中固相，就是清除無用固相，保留有用固相。

3.2.1自然沉降法

在成孔過程中，泥漿要反復循環，泥漿循環分為正循環和反循環兩種方式。循環到地面的泥漿含有較多的無用固相，將循環泥漿集中到面積較大的沉淀池中，流速降低，在重力的作用下，粗顆粒下沉，無用固相被分離，泥漿的指標得以改善，就可以繼續循環利用。這是原來常用的方法，成本低，但占用場地面積大，泥漿回收利用率低，污染環境。這種方法隨著對施工環境要求的提高，使用越來越少。

3.2.2泥漿稀釋法

向泥漿中加入水，降低固相含量的方法，一般用于原土造漿成孔作業中。

3.2.3機械分離法

該方法是現在施工中常用的一種方法，使用震動篩、離心機、除砂器等設備，利用離心原理或震動篩將無用固相強制分離。具有效率高、分離干凈、泥漿回收率高、現場環保等優點。天津深基工程有限公司發明了集泥漿制作、循環、除沙等功能為一體設備，大大提高了施工效率，降低了施工成本。

3.2.4化學分離法

化學分離法就是在泥漿中加入分散劑或絮凝劑使泥漿中的無用固相沉降的方法。分散劑的原理是使泥漿的粘度降低，攜渣能力下降;絮凝劑的原理是使無用固相顆粒聚集變大。

鐵鉻鹽是常用的分散劑;PAM（非離子型）、HPAM（陰離子型）和CPAM（陽離子型）則是常用的絮凝劑。

4結束語

隨著建筑科學技術的不斷進步，特別是新材料、新工藝、新技術的不斷推出，對泥漿的研究也會不斷深入，泥漿的性能不斷改進，特殊配方的泥漿將滿足特殊地質條件下的特殊要求，這將促進灌注樁、地連墻等地下工程的質量的提高。