無水砂層中矩形頂管施工用觸變泥漿配比優(yōu)化及減阻性能試驗(yàn)*

2021-11-25 01:18:42萬中正王傳銀王漢勛

工程地質(zhì)學(xué)報(bào) 2021年5期

張雪萬中正王傳銀劉楊劉碩王漢勛張彬

(①中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京)工程技術(shù)學(xué)院，北京 100083，中國(guó))

(②中鐵四局集團(tuán)第三建設(shè)有限公司，天津 300163，中國(guó))

0 引言

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展和城市化建設(shè)進(jìn)程的加快，地上空間供需矛盾日益尖銳，開發(fā)城市地下空間可有效緩解土地壓力和治愈“城市病”(張彬等， 2019)。頂管施工作為地下工程中的一種與盾構(gòu)法相似的非開挖管道鋪設(shè)技術(shù)，由于不開挖路面、施工擾動(dòng)小、保護(hù)城市景觀等優(yōu)點(diǎn)，近年來被廣泛地應(yīng)用于城市地鐵出入口、綜合管廊、地下商業(yè)街等工程中。然而，頂管施工過程中出現(xiàn)的管土摩阻力過大使得頂管機(jī)上方土體隨頂進(jìn)方向發(fā)生移動(dòng)或壓縮變形而造成的“背土效應(yīng)”問題是施工中存在的一大難題，如何有效地減小頂管施工中的摩阻力是一項(xiàng)重要的研究課題。

觸變泥漿是一種具備特殊礦物結(jié)構(gòu)和觸變性能的減阻材料，在頂管施工過程中，其猶如人體的血液，充滿于管道和土體之間的2～5cm環(huán)形空間，一方面可以將頂進(jìn)管道與土體之間的干摩擦轉(zhuǎn)換為液體摩擦，從而減小頂進(jìn)的摩阻力；另一方面可以填補(bǔ)管道與土體之間產(chǎn)生的空隙，從而起到減小土體變形和支撐地層的作用。觸變泥漿主要由膨潤(rùn)土、純堿、CMC和其他外加劑組成。將以上材料按一定配比溶于水中使其成為泥漿溶液，靜止時(shí)泥漿呈膠凝狀態(tài)，一經(jīng)外界擾動(dòng)就變成流體狀態(tài)，而外界因素停止作用后，水溶液又變?yōu)槟z凝狀態(tài)，該性能即為觸變泥漿特有的觸變性(袁為嶺等， 2016)，該性能使得其較好地發(fā)揮減阻作用，大大提高頂管施工的效率。

多年來國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)觸變泥漿開展了較多的研究，取得了一定的成果。袁為嶺等(2016)通過開展類比試驗(yàn)，分析了觸變泥漿中各種原材料含量對(duì)其性能的影響，最終根據(jù)鄭州市頂管隧道工程地質(zhì)條件得出了適合本工程的泥漿配合比。沈磊磊(2019)根據(jù)5種配比材料(膨潤(rùn)土、CMC、純堿、PAM等)含量的改變，測(cè)定了減阻泥漿漏斗黏度、失水量和析水率3個(gè)指標(biāo)的變化規(guī)律，研究了各原材料含量對(duì)泥漿性能的影響。諸葛恒源(2018)通過試驗(yàn)研究，對(duì)膨潤(rùn)土泥漿的比重、漏斗黏度、絕對(duì)黏度、析水率、濾失量等進(jìn)行測(cè)定，界定了泥漿的性能要求，給出的泥漿性能參數(shù)為類似地質(zhì)條件的工程提供了參考。王李昌等(2018)對(duì)泥漿材料的特性開展了研究，并探討了泥漿護(hù)壁減阻機(jī)理，總結(jié)了泥漿、土體、管道間作用相關(guān)性及泥漿減阻機(jī)理，確定了膨潤(rùn)土-PAM漿液的配比并將其應(yīng)用于水下復(fù)雜地層長(zhǎng)距離超大直徑頂管工程。王明勝等(2016)結(jié)合具體工程，對(duì)觸變泥漿制備、注漿設(shè)備選型、注漿參數(shù)設(shè)計(jì)以及管節(jié)表面涂蠟等減阻技術(shù)開展了研究。喻軍等(2015)研究了頂管泥漿套的物理性質(zhì)，提出了保證泥漿套完整性的關(guān)鍵是掌握土層的分布情況和配制性能最佳的泥漿?？芾诘?2016)采用新型設(shè)備探地雷達(dá)對(duì)頂管施工中的觸變泥漿進(jìn)行了探測(cè)，通過雷達(dá)探測(cè)最終獲取到了觸變泥漿套的分布情況。劉招偉等(2016)研究了觸變泥漿在不同地層條件下的擴(kuò)散半徑和減阻效果，還通過室內(nèi)試驗(yàn)探究了泥漿的微觀結(jié)構(gòu)組成與頂管頂力的關(guān)系，優(yōu)化了泥漿的配比和施工工藝。童聰?shù)?2020)結(jié)合昆明市某排水工程案例，對(duì)頂管工程觸變泥漿作用機(jī)理進(jìn)行了研究，對(duì)比分析了在優(yōu)化工藝條件下觸變泥漿對(duì)頂力的影響，得出了觸變泥漿能顯著減小頂管的推力的結(jié)論。張鵬等(2017)采用協(xié)調(diào)表面Persson接觸模型分析了管土接觸特性，得出了考慮接觸壓力分布影響的管土摩阻力，并結(jié)合泥漿觸變性和流體力學(xué)平行平板模型計(jì)算了管漿摩阻力。劉月等(2018)分析了福山路調(diào)蓄池管道工程的注漿數(shù)據(jù)，得到了地質(zhì)條件為粉砂質(zhì)泥巖時(shí)混凝土管道外壁與周圍土體產(chǎn)生的平均摩阻力的經(jīng)驗(yàn)值。以上研究多以觸變泥漿的性能、泥漿套、注漿工藝及管土摩阻力計(jì)算公式為研究對(duì)象，對(duì)觸變泥漿的配比研究主要采用試驗(yàn)量較大的類比試驗(yàn)法，因此針對(duì)觸變泥漿最優(yōu)配比及減阻性能仍需進(jìn)一步開展研究。

本論文在已有研究成果的基礎(chǔ)上，以北京城市副中心通州區(qū)潞城鎮(zhèn)綜合管廊工程為依托，以膨潤(rùn)土、CMC和純堿為觸變泥漿材料，開展室內(nèi)泥漿正交配比試驗(yàn)，優(yōu)選出觸變泥漿的最優(yōu)配比。其次，結(jié)合實(shí)際工程中的砂土，開展縮尺的模型試驗(yàn)，探究觸變泥漿實(shí)際的減阻效果，進(jìn)一步驗(yàn)證最優(yōu)配比的可靠性。最后，通過掃描電鏡顯微觀察，揭示觸變泥漿微觀結(jié)構(gòu)和減阻機(jī)理。本研究成果可為該依托工程和類似工程頂管減阻提供科學(xué)依據(jù)。

1 工程概況

該雙線矩形管廊工程位于北京市城市副中心通州區(qū)潞城鎮(zhèn)暢和西路，采用雙線矩形頂管方式施工，管廊頂進(jìn)外包尺寸為7.7m×4.5m，單節(jié)管片長(zhǎng)1.5m，壁厚0.5m。工程建設(shè)場(chǎng)地地層巖性為無水粉細(xì)砂土，頂進(jìn)時(shí)采用SYB50型液壓注漿泵注入觸變泥漿減阻。

2 觸變泥漿配比試驗(yàn)及減阻性能研究

2.1 觸變泥漿性能指標(biāo)

目前不同的工程對(duì)觸變泥漿性能的關(guān)注點(diǎn)有所不同，選擇的評(píng)價(jià)指標(biāo)也有所差異。本文主要針對(duì)無水砂層中矩形管廊頂管施工用觸變泥漿，以下述關(guān)鍵指標(biāo)構(gòu)建泥漿綜合性能評(píng)價(jià)體系，為之后優(yōu)化泥漿配比提供參考依據(jù)。

(1)失水量。一定體積的泥漿在0.69MPa的壓力下濾出的溶液體積。失水后泥漿固相顆粒附著在一起形成“濾餅”。頂管施工中要求觸變泥漿的失水量≤25cm3/30min，濾餅致密完整(王明勝等， 2016)。

(2)析水率。觸變泥漿靜置24h后從漿液中離析出來的水的體積與原泥漿體積的比值。施工中要求觸變泥漿析水率為零(王明勝等， 2016)。

(3)密度和pH。泥漿密度過低無法支撐地層，過高則流動(dòng)性較差。pH值>11，泥漿不穩(wěn)定，會(huì)出現(xiàn)分層現(xiàn)象，而過酸會(huì)腐蝕管材。通常要求密度為1.05～1.16g·cm-3，pH為8～10之間(諸葛恒源， 2018)。

(4)表觀黏度和塑性黏度。反映泥漿網(wǎng)架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的大小，其大小適中時(shí)泥漿網(wǎng)架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度較高。

(5)靜切力和動(dòng)切力。觸變泥漿在靜置狀態(tài)時(shí)克服其內(nèi)部摩擦作用而發(fā)生流動(dòng)所需要的最小剪切力為靜切力(初切力和終切力)，其中使泥漿處于層流流動(dòng)狀態(tài)時(shí)所需要的最小剪切力為動(dòng)切力。

(6)觸變性。評(píng)價(jià)泥漿質(zhì)量良好與否的重要性能指標(biāo)，觸變性較強(qiáng)的泥漿減阻效果較好。

(7)動(dòng)塑比。衡量泥漿剪切稀釋特性的重要性能指標(biāo)，反映剪切稀釋作用的強(qiáng)弱。

2.2 試驗(yàn)材料及方法

正交試驗(yàn)可以實(shí)現(xiàn)多因素、多水平的研究，能夠較好地反映全面試驗(yàn)的結(jié)果，是一種高效率、快速且經(jīng)濟(jì)的試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法(李云雁等， 2010)。本文采用正交試驗(yàn)，通過測(cè)定不同原材料配比的泥漿性能參數(shù)，探究原材料含量的變化對(duì)泥漿性能的影響規(guī)律，最終得出滿足性能指標(biāo)的泥漿最優(yōu)配比。

試驗(yàn)選用的原材料為鈉基膨潤(rùn)土、CMC及純堿(圖1)。

圖1 膨潤(rùn)土(左)、CMC(中間)和純堿(右)

取3個(gè)影響因素5個(gè)水平進(jìn)行正交試驗(yàn)，按正交表選取L25(56)的前三列來構(gòu)造正交試驗(yàn)方案，一共開展了25種組合的試驗(yàn)(趙選民， 2006)，選取的3個(gè)影響因素具體如下：

A. 膨潤(rùn)土質(zhì)量占泥漿總質(zhì)量的百分比；

B.CMC質(zhì)量占泥漿總質(zhì)量的百分比；

C. 純堿質(zhì)量占泥漿總質(zhì)量的百分比。

3種因素的5個(gè)具體水平值如表1所示。

表1 配比參數(shù)取值

按照正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)表2中的配比組合測(cè)定觸變泥漿的性能參數(shù)。圖2為觸變泥漿性能參數(shù)的測(cè)定過程及所用到的試驗(yàn)儀器。

表2 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)表及試驗(yàn)結(jié)果

具體的步驟如下：首先，按照原材料配比使用低速攪拌機(jī)(圖2a)和高速攪拌機(jī)(圖2b)配制觸變泥漿(圖2c)；其次，使用ZNN-D6型六速旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)測(cè)定觸變泥漿的失水量、黏度等流變性能參數(shù)(圖2d)；之后，取100mL泥漿裝入量筒中，并用保鮮膜進(jìn)行密封，靜置24h后觀察析水情況(圖2e)；最后，用數(shù)顯液體密度計(jì)(圖2f)和pH試紙分別測(cè)定觸變泥漿的密度和酸堿度(圖2g)，并使用API濾失儀測(cè)定失水量(圖2h)和濾餅厚度(圖2i)。

圖2 試驗(yàn)儀器及性能參數(shù)測(cè)定

每種組合進(jìn)行3組平行試驗(yàn)，在試驗(yàn)結(jié)果分析中每種組合取3組平行試驗(yàn)結(jié)果的平均值作為該組合的最終試驗(yàn)結(jié)果，具體試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

2.3 正交配比試驗(yàn)結(jié)果分析

根據(jù)正交試驗(yàn)結(jié)果計(jì)算出均值和極差大小，對(duì)各個(gè)影響因素的重要性進(jìn)行排序，并通過泥漿性能評(píng)價(jià)指標(biāo)確定各個(gè)影響因素的最優(yōu)水平，最終將各個(gè)影響因素的最優(yōu)水平進(jìn)行組合作為正交試驗(yàn)的最佳組合方案(王其寬等， 2020)。

2.3.1 各影響因素對(duì)泥漿性能參數(shù)貢獻(xiàn)效果分析

圖3是各影響因素對(duì)失水量的貢獻(xiàn)效果圖，橫坐標(biāo)分別表示各影響因素對(duì)應(yīng)的5個(gè)水平值，縱坐標(biāo)表示失水量的值。從圖3中可以看出，對(duì)泥漿失水量影響最大的為因素A，因素B次之，因素C影響最小。表3求出了各影響因素的極差R，得出各影響因素的重要性排序?yàn)椋篈、B、C。失水量越小，泥漿性能越好。從圖3中可以看出，失水量隨著膨潤(rùn)土、純堿含量的增加整體呈減小趨勢(shì)，當(dāng)膨潤(rùn)土含量為10%時(shí)，泥漿的失水量較小，已足以滿足性能指標(biāo)要求，此時(shí)泥漿的性能也較好，此后再增加膨潤(rùn)土含量，失水量進(jìn)一步減小，但結(jié)合經(jīng)濟(jì)成本考慮，膨潤(rùn)土含量取10%最佳；純堿含量為0.5%時(shí)，失水量達(dá)到最小值；失水量隨著CMC含量的增加先減小后增大，當(dāng)CMC含量達(dá)到0.2%時(shí)，失水量最小，之后再增加CMC的含量，泥漿的增稠效果降低，失水量略微增加。因此，確定最佳組合為A4B4C5或A5B4C5。

圖3 各影響因素對(duì)失水量的貢獻(xiàn)效果圖

表3 觸變泥漿失水量結(jié)果分析

圖4是各影響因素對(duì)濾餅厚度的貢獻(xiàn)效果圖，橫坐標(biāo)分別表示各影響因素對(duì)應(yīng)的5個(gè)水平值，縱坐標(biāo)表示濾餅厚度的值。從圖中可以看出，對(duì)觸變泥漿濾餅厚度影響最大的為因素A，因素B次之，因素C影響最小。表4求出了各因素的極差R，得出各影響因素的重要性排序?yàn)椋篈、B、C。從圖中可以看出，在一定配合比下，濾餅厚度隨著膨潤(rùn)土、CMC含量的增加整體呈增大的趨勢(shì)。此外，當(dāng)膨潤(rùn)土含量為10%、CMC含量為0.2%時(shí)，濾餅厚度較大，之后再增加兩者的含量，濾餅厚度保持穩(wěn)定均不再增大。純堿在泥漿中起到提高泥漿水化分散能力的作用，從圖中可以看出，當(dāng)純堿含量小于0.2%時(shí)，純堿對(duì)泥漿的水化較弱，泥漿分散度不高，濾餅較厚；隨著純堿含量的增大，純堿含量超過0.2%時(shí)，純堿水化作用增強(qiáng)，濾餅厚度呈減小趨勢(shì)；而當(dāng)純堿含量超過0.4%時(shí)，泥漿的水化作用將不再增強(qiáng)，濾餅保持一定的厚度，純堿含量達(dá)到0.5%時(shí)，濾餅致密完整，厚度較大，質(zhì)量較好。綜合以上分析，確定最佳組合為A4B4C5。

圖4 各影響因素對(duì)濾餅厚度的貢獻(xiàn)效果圖

表4 觸變泥漿濾餅厚度結(jié)果分析

圖5是各影響因素對(duì)泥漿析水率的貢獻(xiàn)效果圖，橫坐標(biāo)分別表示各影響因素對(duì)應(yīng)的5個(gè)水平值，縱坐標(biāo)表示析水率的值。從圖5中可以看出，因素A對(duì)觸變泥漿的析水率影響最大，因素C次之，因素B影響較小。表5求出了各因素的極差R，得出各影響因素的重要性排序?yàn)椋篈、C、B。析水率較小時(shí)泥漿性能最好，當(dāng)膨潤(rùn)土含量達(dá)到10%時(shí)，析水率為0。析水率隨CMC含量的增加變化趨勢(shì)復(fù)雜，當(dāng)CMC含量小于0.1%時(shí)，其增稠效果不明顯，析水率較大，而后再增加CMC的量，增稠效果顯著，CMC含量為0.2%時(shí)，析水率最小，此后再增加CMC的含量，增稠效果降低，析水率略微增加。當(dāng)純堿含量為0.5%時(shí)，泥漿的析水率達(dá)到最小值。所以確定最佳組合為A4B4C5。

圖5 各影響因素對(duì)泥漿析水率的貢獻(xiàn)效果

表5 觸變泥漿析水率結(jié)果分析

2.3.2 觸變泥漿原材料含量對(duì)泥漿性能的影響分析

圖6是泥漿性能參數(shù)隨膨潤(rùn)土含量的變化圖。從圖6中可以看出，觸變泥漿的塑性黏度、觸變性隨著膨潤(rùn)土含量的增加先增大后減小。當(dāng)膨潤(rùn)土含量為10%時(shí)，塑性黏度、觸變性達(dá)到最大值，此時(shí)泥漿內(nèi)部的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度最大，觸變性較好。泥漿的失水量隨著膨潤(rùn)土含量的增大而減小，當(dāng)膨潤(rùn)土含量達(dá)到10%時(shí)，觸變泥漿的失水量已較小，足以滿足泥漿失水量指標(biāo)的要求，此后再增加膨潤(rùn)土含量，失水量減小速率較為緩慢。此外，當(dāng)膨潤(rùn)土含量大于10%時(shí)，膨潤(rùn)土在水中難以分散均勻而且狀態(tài)極其不穩(wěn)定，有泥漿聚集和沉降的現(xiàn)象出現(xiàn)，形成的濾餅結(jié)構(gòu)致密性也不好。觸變泥漿的動(dòng)塑比、表觀黏度、動(dòng)切力、初切力及終切力隨著膨潤(rùn)土含量的增加而增大。當(dāng)膨潤(rùn)土含量為10%時(shí)，泥漿的動(dòng)塑比、表觀黏度、動(dòng)切力、初切力及終切力大小適中，表明此時(shí)泥漿具有較好的剪切稀釋性，泥漿流動(dòng)性能較好，內(nèi)部結(jié)構(gòu)較為穩(wěn)定。

圖6 泥漿性能參數(shù)隨膨潤(rùn)土含量的變化圖

圖7是泥漿性能參數(shù)隨CMC含量的變化圖。從圖7中可以看出，觸變泥漿的塑性黏度隨著CMC含量的增加而增大，隨著CMC含量的增加，觸變泥漿的內(nèi)部結(jié)構(gòu)增強(qiáng)，當(dāng)CMC含量大于0.2%時(shí)，再增加CMC的含量，觸變泥漿的塑性黏度增加速率緩慢。失水量隨著CMC含量的增加而減小，當(dāng)CMC含量大于0.2%時(shí)，再增加CMC的含量，觸變泥漿的失水量減小速率變緩慢。當(dāng)CMC含量為0.2%時(shí)，觸變泥漿失水量較小且能夠滿足失水量指標(biāo)要求，此時(shí)泥漿結(jié)構(gòu)強(qiáng)度也較好。

圖7 泥漿性能參數(shù)隨CMC含量的變化圖

圖8是泥漿性能參數(shù)隨純堿含量的變化圖。從圖8中可以看出，觸變泥漿的初切力和終切力隨純堿含量的增加先減小后增大，表觀黏度隨純堿含量的增加而減小。當(dāng)純堿含量為0.4%時(shí)，泥漿的初切力和終切力達(dá)到最小值，而當(dāng)純堿含量為0.5%時(shí)，初切力和終切力達(dá)到最大值，此時(shí)的初切力、終切力和表觀黏度均滿足性能指標(biāo)的要求，說明此時(shí)泥漿內(nèi)部網(wǎng)架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度較好，減阻性能較好。

圖8 泥漿性能參數(shù)隨純堿含量的變化圖

綜合各影響因素對(duì)泥漿各項(xiàng)性能參數(shù)的貢獻(xiàn)效果以及各組分含量對(duì)泥漿性能參數(shù)的影響分析，最終確定觸變泥漿的最優(yōu)配比為10%膨潤(rùn)土、0.2% CMC、0.5%純堿和89.3%水，該配比的泥漿流動(dòng)性和分散性較好，失水量較小，“濾餅”致密均勻，析水率為零，觸變性較好，同時(shí)在經(jīng)濟(jì)效益方面也較好，綜合性能最優(yōu)，其性能參數(shù)見表6。

表6 觸變泥漿性能參數(shù)

2.4 觸變泥漿減阻效果研究

在確定泥漿最優(yōu)配比的基礎(chǔ)上，結(jié)合實(shí)際工程中砂土的力學(xué)性質(zhì)，開展縮尺模型試驗(yàn)，更為直觀地探究無水砂層中矩形管廊頂管施工觸變泥漿的減阻效果。設(shè)計(jì)了兩個(gè)小模型(圖9)，選取了不同配比的觸變泥漿和與施工現(xiàn)場(chǎng)管片材質(zhì)相同的C35混凝土試塊開展試驗(yàn)(圖10)，測(cè)定在未注漿和注入不同配比的觸變泥漿條件下，試塊與砂土之間的摩阻系數(shù)，以此分析觸變泥漿的減阻效果。試驗(yàn)材料如圖11所示，具體參數(shù)見表7。

圖9 摩阻系數(shù)測(cè)定模型

圖10 摩阻系數(shù)測(cè)定

圖11 試驗(yàn)材料

表7 試驗(yàn)材料參數(shù)

試驗(yàn)結(jié)果如表8所示，可以發(fā)現(xiàn)，在相同的試驗(yàn)條件下，未注漿時(shí)試塊與砂土間的摩阻系數(shù)較大，而鋪設(shè)泥漿后兩者之間的摩阻系數(shù)均有減小。鋪設(shè)不同配比的泥漿減阻效果有所區(qū)別：配比1的觸變泥漿膨潤(rùn)土含量較高，使得觸變泥漿的黏度過大，在拉動(dòng)試塊的過程中，過大的黏度在一定程度上阻礙了試塊的滑動(dòng)，導(dǎo)致摩阻力相對(duì)較大，相比于不鋪設(shè)觸變泥漿的情況，摩阻系數(shù)雖有減小，但減阻效果不理想。配比2的觸變泥漿使得試塊與砂土之間的摩阻系數(shù)降低為未鋪設(shè)泥漿時(shí)的0.6倍，有著較好的減阻效果，進(jìn)一步說明了該最優(yōu)配比的可靠性和準(zhǔn)確性。同時(shí)，一定程度上也可以說明，將該配比的觸變泥漿應(yīng)用于實(shí)際工程中，將能大大減小頂進(jìn)過程中管土間的摩阻力，提高頂管頂進(jìn)效率。配比3的觸變泥漿膨潤(rùn)土含量相對(duì)較小，其黏度較小。在摩阻系數(shù)試驗(yàn)過程中，其減阻作用也相對(duì)明顯，但在試驗(yàn)過程中有試塊嚴(yán)重下陷的現(xiàn)象發(fā)生，說明該觸變泥漿不能起到很好的支撐地層的作用，故不采用。此外，試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在不同垂直荷載作用下試塊與砂土之間的摩阻系數(shù)仍符合以上規(guī)律。

表8 最優(yōu)配比的觸變泥漿性能參數(shù)

3 觸變泥漿微觀結(jié)構(gòu)及減阻機(jī)理研究

3.1 SEM微觀結(jié)構(gòu)觀測(cè)

觸變泥漿本身具有的特殊的微觀結(jié)構(gòu)與其能夠發(fā)揮減阻作用有著密切的聯(lián)系。按照最優(yōu)配比配制一定體積的泥漿，放在干燥箱中進(jìn)行干燥，待完全干燥后進(jìn)行SEM試驗(yàn)(Zhou et al.，2009)。圖12是掃描電鏡下觸變泥漿的微觀形貌圖，觀察可以發(fā)現(xiàn)，觸變泥漿中的膨潤(rùn)土單元體與單元體之間以面-面接觸為主；在低倍數(shù)下可以觀察到觸變泥漿致密的層狀結(jié)構(gòu)，在高倍數(shù)下可以觀察到觸變泥漿薄片堆疊層次感較強(qiáng)；其中能看到有極薄的蒙脫石花瓣整體形成開花絮團(tuán)，CMC物理吸附在膨潤(rùn)土表面。

圖12 觸變泥漿掃描電鏡圖

3.2 微觀減阻機(jī)理分析

進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，觸變泥漿的層狀結(jié)構(gòu)由其主要礦物組成成分蒙脫石構(gòu)成，蒙脫石由上下兩個(gè)硅氧四面體和中間一個(gè)鋁氧八面體組成(圖13)。

圖13 蒙脫石3個(gè)晶層結(jié)構(gòu)平面示意圖

該特殊的層狀結(jié)構(gòu)使得其在微觀方面具有明顯的離子置換現(xiàn)象，F(xiàn)e2+、Mg2+可以將晶格內(nèi)部的Al3+取代，Al3+可以將晶格內(nèi)部的Si4+取代，因此觸變泥漿在宏觀上表現(xiàn)出較好的膨脹性和膠體性。在觸變泥漿晶格內(nèi)部的高價(jià)態(tài)陽(yáng)離子被低價(jià)態(tài)陽(yáng)離子取代后，造成了蒙脫石晶格內(nèi)部的電荷不飽和，使得晶格帶多余的負(fù)電荷。為維持電中性，晶層與晶層之間便會(huì)吸附Na+、Ca2+等若干種金屬陽(yáng)離子，然而吸附于晶胞表面的陽(yáng)離子十分不穩(wěn)定，在一定條件下易被其他陽(yáng)離子交換，該微觀特性使得觸變泥漿表現(xiàn)出較好的觸變性，使得其成為重要的減阻材料。

此外，觸變泥漿的減阻性能離不開CMC和純堿的助功。CMC吸附在膨潤(rùn)土表面，如同一張大網(wǎng)，將膨潤(rùn)土之間的孔隙堵住，使膨潤(rùn)土成為一個(gè)致密的結(jié)構(gòu)。而純堿作為鹽類，溶于水時(shí)成為電解質(zhì)溶液，離子的靜電力破壞了原來的水結(jié)構(gòu)，在膨潤(rùn)土周圍形成水分子層，極大地促進(jìn)了膨潤(rùn)土的水化，使得膨潤(rùn)土的分散流動(dòng)性變好，減阻效果顯著。

3.3 泥漿套潤(rùn)滑減阻

注漿過程中，在注漿壓力的作用下，泥漿會(huì)發(fā)生滲透現(xiàn)象(圖14)。泥漿中的水分首先向土體滲透，隨后泥漿顆粒也開始往土體滲透，滲透到一定距離后泥漿便靜止成為漿土固態(tài)混合物。其后隨著注漿量的不斷增加，越來越多的泥漿充滿于管土之間，并對(duì)最先注入的那部分泥漿和土體產(chǎn)生擠壓，泥漿之間互相黏結(jié)，最終形成致密不透水的泥漿套(圖14)，使得土體與管節(jié)充分隔離。濾失試驗(yàn)中所形成的“濾餅”質(zhì)量的好壞能在一定程度上反映實(shí)際工程中泥漿套的形成情況，濾失試驗(yàn)中最優(yōu)配比的泥漿所形成的濾餅質(zhì)量較好。