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(xué)，北京 100029;2.中國鐵道科學(xué)院 節(jié)能環(huán)保勞衛(wèi)研究所，北京 100081)

在高速鐵路建設(shè)等各項(xiàng)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)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(tǒng)一的認(rèn)識(shí)，在生產(chǎn)過程中易出現(xiàn)盲目替漿、泥漿相對密度控制不嚴(yán)、致使在鉆孔過程中出現(xiàn)機(jī)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(yán)重等現(xiàn)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(biāo)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(jī)械轉(zhuǎn)速、井眼凈化和固相的清除也有重要的影響［1-3］，有關(guān)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(zhuǎn)黏度計(jì)測量方法的發(fā)展，提供了不同剪切速率范圍下的流變測量，為流變學(xué)研究創(chuàng)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(jì)。相比較而言，馬氏漏斗由于設(shè)備簡單、操作方便而應(yīng)用較多。但是馬氏漏斗測定的黏度只是相對的，泥漿的流動(dòng)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(guān)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(jìn)行試驗(yàn)研究，并試圖建立馬氏漏斗黏度和流體黏度的定量關(guān)系。

1 試驗(yàn)儀器與方法

1.1 試驗(yàn)儀器

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

1.2 試驗(yàn)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(hào)分別為 N5、N4、N3、N2、N1 和 N0;采用河北宣化燕北礦業(yè)有限公司生產(chǎn)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(hào)分別為 P5、P4、P3、P2和 P1。采用 MLN-2型馬氏漏斗黏度計(jì)測定每種泥漿的馬氏黏度，單位為 s;此外，采用六速旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)測定每種泥漿在 600、300、200、100、6和3轉(zhuǎn)/min轉(zhuǎn)速下的讀值。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 試驗(yàn)結(jié)果

采用馬氏漏斗黏度計(jì)和六速旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)測定的泥漿黏度值如表1和表2所示。由測定結(jié)果可知，隨著泥漿密度的增加，泥漿的馬氏黏度計(jì)和六速旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)讀值呈增加趨勢。轉(zhuǎn)速相同，膨潤土泥漿的黏度值遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(jù)

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(yè)生產(chǎn)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(dòng)的特點(diǎn)是其流變曲線為通過原點(diǎn)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(shù)，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(jié)果

表2 黏土泥漿和膨潤土泥漿不同密度下六速旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)讀數(shù)

式中 τ——單位面積上的內(nèi)摩擦力，或稱為剪切應(yīng)力，Pa;

μ——牛頓黏度或稱為動(dòng)力黏度，Pa·s;

γ——剪切速率或流速梯度，Hz。

指數(shù)模型認(rèn)為，非牛頓流體的黏度函數(shù)是剪切速率或流速梯度絕對值的一個(gè)指數(shù)函數(shù)，其表達(dá)式為

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

通常認(rèn)為泥漿屬于非牛頓流體，它的傳統(tǒng)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(zhuǎn)速，分 別 取 600、300、200、100、6、3轉(zhuǎn)/min;

PV ——塑性黏度，Pa·s;

Φ600、Φ300——分別為 600 轉(zhuǎn)/min 和 300 轉(zhuǎn)/min下六速旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)刻度盤的讀數(shù);

τ0——極限動(dòng)切力，Pa。

2.2.2 泥漿的流變特性

本研究采用上述公式進(jìn)行數(shù)據(jù)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(guān)系，但由于馬氏漏斗黏度不只與塑性黏度有關(guān)，還與動(dòng)切力有關(guān)，所以只能建立起漏斗黏度與有效黏度的關(guān)系。研究流體黏度與漏斗黏度值和密度之間的關(guān)系，在現(xiàn)場應(yīng)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(gè)固定的剪速，本文處理數(shù)據(jù)時(shí)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(gè)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(jì)算出相應(yīng)的有效黏度。

計(jì)算有效黏度ηe的公式為

ηe=PV+0.5τ0

應(yīng)用以上這些公式對各原始數(shù)據(jù)記錄表中各項(xiàng)分別進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)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(diǎn)的直線。流變曲線與y軸的截距表示靜切應(yīng)力，即指要使靜止的塑性流體開始運(yùn)動(dòng)時(shí)，破壞其單位面積上的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)所需要的切力?？芍瑢τ陴ざ仍酱蟮哪酀{，靜切應(yīng)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(jié)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(jì)及六速旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)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(yuǎn)遠(yuǎn)高于黏土泥漿的黏度值。

表3 數(shù)據(jù)處理結(jié)果

圖1 946 mL馬氏漏斗時(shí)間與ηe和ηe/ρ的關(guān)系(其中R2為線性相關(guān)系數(shù))

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(guān)關(guān)系。

3)通過流變參數(shù)計(jì)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(guān)，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(shí)候，例如 N5，其流變特性表現(xiàn)為牛頓流體的流變特性。

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