聚合物添加劑對盾構(gòu)泥漿流變和滲透特性影響

張金暉， 王 媛，2， 王志奎， 鞏佳琨， 徐樹軍， 周 昆

（1.河海大學土木與交通學院，南京 210098； 2.河海大學水利水電學院，南京 210098；

3.河海大學力學與材料學院，南京 210098； 4.中鐵十四局集團大盾構(gòu)工程有限公司，南京 211800）

泥水盾構(gòu)隧道施工因其對地層的適應(yīng)性強、環(huán)保、高效、低擾動等優(yōu)點，在越海穿江隧道和城市地鐵的建設(shè)中得到廣泛的應(yīng)用［1-2］. 泥水盾構(gòu)開挖面穩(wěn)定的原理是采用壓縮氣體把泥水倉內(nèi)的泥漿注入開挖倉，泥漿滲透到地層且泥漿中細顆粒堵塞地層孔隙，使其在開挖面前方滲透沉積并形成一層微透水的致密泥膜.開挖倉內(nèi)的泥水壓力以面力的形式作用在開挖面維持開挖面前方水土壓力. 而針對高滲透性地層，采用純膨潤土泥漿不易形成泥膜，無法形成穩(wěn)定支護壓力，易引發(fā)工程事故［3］. 此時，需要在泥漿中添加聚合物添加劑改善泥漿性質(zhì)以適應(yīng)工程需要.

泥漿流變特性是體現(xiàn)泥漿性質(zhì)的關(guān)鍵因素，主要指標為泥漿切動力（屈服應(yīng)力）和塑性黏度. 現(xiàn)有研究主要通過Bingham［4-5］和Herschel-Bulkley兩種簡化模型描述泥漿流變特性. Bingham模型流變曲線存在初始剪切應(yīng)力且剪切應(yīng)力與剪切速率呈線性相關(guān)，Herschel-Bulkley模型流變曲線剪切應(yīng)力和剪切速率呈現(xiàn)非線性關(guān)系. 翟楠楠等［6］、Bekkour等［7］通過流變試驗研究膨潤土的含量和CMC摻加量對泥漿流變性能的影響，研究表明Herschel-Bulkley模型適用于描述不同CMC摻加量下泥漿流變性. 但是，Min等［8］采用NXS-11A旋轉(zhuǎn)黏度計對9組泥漿流體（含1%CMC）性質(zhì)進行測試，其認為泥漿在中高剪切速率下符合Bingham流體特性，而在低剪切速率下符合Herschel-Bulkley流體特性. Belbsir等［9］通過研究密度、固體顆粒含量、粒徑分布和溫度等諸多參數(shù)對含磷酸鹽泥漿流變性能影響，提出Herschel-Bulkley模型適用于描述泥漿的流變性能，并適用于計算低于38.45%泥漿的表觀黏度和屈服應(yīng)力，而Bingham 模型則適用34.24%～46.03%泥漿. 以上研究表明，添加不同聚合物添加劑的泥漿呈現(xiàn)出不同的流變特性. 因此，研究聚合物添加劑對泥漿流變特性影響有著重要意義.

除了泥漿本身流變特性之外，泥漿滲透特性也是非常重要的，因為其是泥漿性質(zhì)和地層性質(zhì)匹配的結(jié)果. 為研究泥漿滲透特性，國內(nèi)外學者將濾失量和泥膜形成及形態(tài)判別作為主要評價指標，采用泥漿滲透成膜試驗裝置開展了大量的室內(nèi)試驗研究. 程展林等［10］、韓曉瑞等［11］和Min等［12］通過摻加CMC添加劑提高泥漿黏度，研究表明高黏度泥漿有利于形成泥膜. Cui等［13］使用可生物降解的預(yù)糊化淀粉代替CMC配制綠色泥漿，發(fā)現(xiàn)生成的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)可以有效提高黏度并降低濾失量，形成質(zhì)量良好的泥膜. Cui等［14］選用黃原膠作為添加劑，配制出一種新型泥漿并驗證其在高滲透地層中適應(yīng)性. 以上研究表明，以濾失量及泥膜形成及形態(tài)判別作為泥漿滲透性質(zhì)評價參數(shù)，在純膨潤土懸浮液中加入聚合物添加劑可以有效提高泥漿黏度，改善泥漿質(zhì)量，形成質(zhì)量良好的泥膜以達到其與地層相匹配. 但聚合物添加劑對泥漿增稠作用和降低濾失量影響規(guī)律及作用機理有待于進一步研究.

本文通過進行不同質(zhì)量配比預(yù)糊化木薯淀粉-黃原膠復(fù)配添加劑試驗?zāi)酀{流變性能測試試驗，并利用Bingham 模型和Herschel-Bulkley 模型分析其流變特性. 同時開展試驗?zāi)酀{滲透成膜試驗研究聚合物添加劑對泥漿滲透性質(zhì)影響規(guī)律，闡釋聚合物添加劑降濾失量和增稠作用機理，以期為聚合物添加劑在泥漿配制中應(yīng)用提供一定的參考依據(jù).

1 試驗材料、裝置及方法

1.1 試驗材料

1.1.1 泥漿制備材料

本試驗中泥漿制備材料包括：鈉基膨潤土，湖南飛來峰非金屬礦物材料有限公司；預(yù)糊化木薯淀粉，食品級，河南恒瑞淀粉科技股份有限公司；黃原膠，工業(yè)級，河南春祥化工產(chǎn)品有限公司；自來水. 為了消除膨潤土內(nèi)部雜質(zhì)對試驗結(jié)果造成的影響，進行試驗前采用200目標準篩（0.075 mm）對膨潤土作篩分處理.

量取自來水1000 g倒入泥漿桶，按照1∶10膨水比稱取篩分后（<0.075 mm）的鈉基膨潤土100 g少量多次倒入相應(yīng)泥漿桶中并機械攪拌10 min直至泥漿表面無明顯結(jié)塊，配制為基漿，泥漿編號SL0. 稱取預(yù)定質(zhì)量（4 g）預(yù)糊化木薯淀粉-黃原膠復(fù)配聚合物添加劑（質(zhì)量配比10∶0、9.5∶0.5、9∶1、8.5∶1.5、8∶2），加入基漿并機械攪拌5 min后膨化24 h配制試驗所需泥漿，泥漿編號列為SL1-SL5，試驗?zāi)酀{制備材料如表1所示.

表1 泥漿制備材料Tab.1 Experimental materials for slurry preparation

1.1.2 地層材料

選用0.5～1 mm（S1 地層）、1～2 mm（S2 地層）作為泥漿滲透成膜試驗地層，級配曲線如圖1 所示.采用70型滲透儀在常水頭下測得S1地層滲透系數(shù)為2.8×10-3m/s，S2地層滲透系數(shù)為9.0×10-3m/s.

圖1 試驗地層級配曲線Fig.1 Grading curves of test formations

1.2 試驗裝置

1.2.1 NXS-11B旋轉(zhuǎn)黏度計

NXS-11B型旋轉(zhuǎn)黏度計用來測量試驗?zāi)酀{的流變特性，裝置如圖2所示.

圖2 旋轉(zhuǎn)式黏度計Fig.2 Rotational viscometer

1.2.2 泥漿滲透成膜試驗裝置

采用自行研制的泥漿滲透成膜試驗裝置開展泥漿滲透特性試驗，試驗裝置包括加壓系統(tǒng)、滲透柱以及濾水量數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，試驗裝置如圖3所示. 加壓系統(tǒng)由空壓機、調(diào)壓閥及壓力表組成. 試驗過程中空壓機進行加壓，調(diào)壓閥調(diào)節(jié)壓力（最大壓力調(diào)節(jié)值為0.4 MPa），壓力表保證壓力調(diào)節(jié)的準確性. 滲透柱內(nèi)徑為10 cm，高70 cm 的有機玻璃筒. 濾水量數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由濾水量收集器皿、精密天平及配套數(shù)據(jù)采集軟件組成.

圖3 泥漿滲透試驗裝置Fig.3 Slurry filtration experimental apparatus

1.3 試驗?zāi)酀{流變和滲透特性測試試驗步驟

試驗?zāi)酀{流變性能測試試驗步驟為：

1）選取測量系統(tǒng)：根據(jù)配制試驗?zāi)酀{預(yù)估黏度選取合適的測量系統(tǒng).

2）安裝內(nèi)筒：將內(nèi)筒柄上有槽的一方對準測量頭連軸套上的緊固螺釘一方并輕輕插入連軸套中，用螺絲刀旋緊螺釘.

3）安裝外筒：將適量的被測試驗?zāi)酀{加入外筒中將外筒裝到位后用螺套固定.

4）測量：將測量頭上旋鈕旋向“工作”，選擇適當?shù)霓D(zhuǎn)速并接通電器箱上的電源開關(guān)和電機開關(guān). 讀取物料在不同檔位固定時間間隔的刻度盤數(shù)值，試驗選取為50 s.

試驗?zāi)酀{滲透特性測試試驗步驟為：

1）地層制備：選用6～7 mm白色礫石作為濾層材料，保持濾層高度10 cm；同時，將選定試驗地層分五次倒入滲透柱內(nèi)并分層擊實，控制試驗地層高度為25 cm.

2）地層飽和：從滲透柱上部緩慢注水使地層飽和，同時保持出水口打開，直至出水口流水無氣泡產(chǎn)生.

3）泥漿注入：將配制好試驗?zāi)酀{從滲透柱上部緩慢注入，密封裝置后靜置5 min.

4）調(diào)節(jié)壓力及試驗數(shù)據(jù)采集：打開空壓機加壓，調(diào)壓閥調(diào)節(jié)分級壓力50、100、150、200、250 kPa，待壓力穩(wěn)定后打開出水口并開始濾水量采集，每級壓力保持10 min，待壓力穩(wěn)定后再加壓，每隔5 s記錄試驗過程中濾水量變化情況.

5）數(shù)據(jù)導出及生成泥膜觀測：試驗結(jié)束后，導出濾水量變化數(shù)據(jù)，并轉(zhuǎn)化為滲透流量（單位面積泥漿濾水量）. 刮除地層上部剩余泥漿及表面浮漿，取出泥膜進行觀察.

2 試驗結(jié)果及討論

2.1 含聚合物添加劑試驗?zāi)酀{流變特性分析

通過對SL0-SL5共6種泥漿的流變特性進行測試，所得數(shù)據(jù)分別用Bingham模型和Herschel-Bulkley 模型擬合流變曲線，描述Bingham 流體的模型方程為：τ=τ0+μγ，描述Herschel-Bulkley 模型的方程為：τ=τ0+μγn. 其中：τ 為剪切應(yīng)力；τ0為屈服應(yīng)力，反映泥漿三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的強度和懸浮液從固態(tài)到液態(tài)的相變行為；μ為稠度系數(shù)，特別地，在Bingham模型中稱為塑性黏度，μ反映物料的黏度特性，μ越大代表物料黏度越大，反之則越小，n為流動特性指數(shù)，反映物料偏離牛頓流體特性的程度，n>1，反映物料表現(xiàn)為脹塑性流體，n<1，反映物料表現(xiàn)為擬塑性流體，n=1，Herschel-Bulkley模型方程同Bingham模型；γ為剪切速率.

從圖4（a）～（d）可以看出，Bingham 模型和Herschel-Bulkley 模型擬合流變曲線均可較好反映試驗?zāi)酀{流變性能，對于圖4（e）和（f），泥漿流變特性已經(jīng)逐漸偏離了Bingham 模型描述的流體特性，而更加符合Herschel-Bulkley模型. 為了更加清楚地對比兩種模型下泥漿的屈服應(yīng)力、稠度系數(shù)（塑性黏度）和流動特性指數(shù)，將兩種模型下的參數(shù)進行統(tǒng)計，如表2所示.

表2 不同試驗?zāi)酀{Bingham和Herschel-Bulkley模型擬合參數(shù)Tab.2 The fitting parameters of the Bingham and Herschel-Bulkley models for different test slurries

圖4 不同試驗?zāi)酀{流變曲線Fig.4 Rheological curves of different test slurries

對SL0和SL1泥漿，兩者稠度系數(shù)（塑性黏度）變化不大表示預(yù)糊化淀粉添加劑對泥漿黏度提升不明顯，但可大幅提升泥漿屈服應(yīng)力（約33%）. 泥漿流動特性指數(shù)大于1，反映SL0同SL1泥漿表現(xiàn)為脹塑性流體.

對比編號SL1-SL5試驗?zāi)酀{可以看出保持復(fù)配添加劑總質(zhì)量（4 g）相同的情況下，對應(yīng)泥漿流動特性指數(shù)隨著黃原膠質(zhì)量占比的增加而顯著降低并整體小于1，意味著復(fù)配添加劑試驗?zāi)酀{整體表現(xiàn)為擬塑性流體并隨著黃原膠摻加量增加逐漸偏離牛頓流體特性而表現(xiàn)出明顯的非牛頓流體特性，此時Bingham模型已不再適用于描述試驗?zāi)酀{流變性能，具體表現(xiàn)為針對試驗SL5泥漿，Bingham模型擬合泥漿流變性能試驗數(shù)據(jù)點獲得流變曲線對應(yīng)相關(guān)系數(shù)R2=0.877 88；而Herschel-Bulkley 模型始終表現(xiàn)出良好的適用性，可較好反映泥漿流變性能，具體表現(xiàn)為針對試驗?zāi)酀{SL1-SL5，Herschel-Bulkley 模型擬合泥漿流變性能試驗數(shù)據(jù)點獲得流變曲線對應(yīng)相關(guān)系數(shù)R2接近于0.99.

另外，觀察SL3-SL5泥漿屈服應(yīng)力和稠度系數(shù)變化，如圖5所示. 隨著黃原膠添加劑質(zhì)量占比的增加，泥漿屈服應(yīng)力τ0呈下降趨勢，標志著泥漿三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的強度降低，從固態(tài)到液態(tài)的相變行為更易發(fā)生；而稠度系數(shù)μ卻呈現(xiàn)上升趨勢，代表泥漿黏度隨著黃原膠摻加量的增加而顯著增加. 編號SL3試驗?zāi)酀{，即質(zhì)量比為9∶1的預(yù)糊化木薯淀粉-黃原膠復(fù)配添加劑的試驗?zāi)酀{在流變性能測試中表現(xiàn)出最高的屈服應(yīng)力；編號SL5 試驗?zāi)酀{，即質(zhì)量比8∶2 的預(yù)糊化木薯淀粉-黃原膠復(fù)配添加劑的試驗?zāi)酀{在流變性能測試中表現(xiàn)出最高的稠度系數(shù)，為SL3 試驗?zāi)酀{346 倍，表明復(fù)配添加劑具有良好的增稠性.

圖5 不同預(yù)糊化木薯淀粉-黃原膠質(zhì)量比對復(fù)配泥漿流變特性參數(shù)影響規(guī)律Fig.5 The effect of different mass ratios of pregelatinized cassava starch-xanthan gum on the rheological parameters of slurry

2.2 含聚合物添加劑試驗?zāi)酀{滲透特性分析

選取SL3 和SL5 試驗?zāi)酀{，分別進行在S1 地層（0.5～1 mm）和S2 地層（1～2 mm）下泥漿滲透成膜試驗，研究含聚合物添加劑試驗?zāi)酀{滲透特性，不同試驗?zāi)酀{在不同試驗地層中的滲透曲線如圖6所示.

從圖6可以看出，滲透流量在各級氣壓作用下呈現(xiàn)明顯的階梯形變化，即隨著泥漿壓力的增加滲透流量先快速增加后趨于穩(wěn)定. S3 和S5 泥漿在S1 地層中滲透流量明顯小于其在S2 地層中的滲透流量，表明泥漿在較低滲透性地層中更易實現(xiàn)滲透流量穩(wěn)定. 在S1地層中，S5 試驗?zāi)酀{滲透流量小于S3 試驗?zāi)酀{滲透流量；而在S2地層中，泥漿壓力在50 kPa和100 kPa下，S3和S5 試驗?zāi)酀{滲透流量表現(xiàn)出同樣的大小比較關(guān)系.但在150 kPa 泥漿壓力下，S5泥漿沖破S2試驗地層，泥漿完全漏失，S3泥漿雖表現(xiàn)出較高的滲透流量，但泥漿未完全漏失，最終在200 kPa泥漿壓力下泥漿沖破試驗地層，完全漏失.

圖6 不同試驗?zāi)酀{在不同試驗地層中的滲透曲線Fig.6 Permeability curves of different test slurries in different test formations

圖7 為S1 地層中S3 試驗?zāi)酀{形成泥膜，且圖7（a）為烘干前，圖7（b）為烘干后；圖8 為S1 地層中S5 試驗?zāi)酀{形成泥膜，且圖8（a）為烘干前，圖8（b）為烘干后；圖9［15］為純膨潤土泥漿形成泥膜，且圖9（a）為烘干前，圖9（b）為烘干后. 可以看出，S3 試驗?zāi)酀{在S1 試驗地層形成泥膜厚度明顯小于S5 試驗?zāi)酀{在S1 地層形成泥膜厚度，且與地層分界不明顯，一般稱之為泥皮. 此外，S5 試驗?zāi)酀{在S1 地層中形成泥膜烘干前表面起伏明顯，原因在于靠近泥漿部分的泥膜結(jié)構(gòu)強度較小，在試驗?zāi)嗄と舆^程中易被浮漿而被刮除. 觀察對比圖7（b）、圖8（b）和圖9（b）可以看出與純膨潤土泥漿形成泥膜相比，含聚合物添加劑改性泥漿形成泥膜與地層貼合緊密，烘干后未出現(xiàn)泥膜與地層間完全脫離的現(xiàn)象，泥漿滲透地層有利于進一步降低地層滲透系數(shù)與提高地層結(jié)構(gòu)強度.

圖7 在S1地層中S3試驗?zāi)酀{形成泥膜Fig.7 Filter cakes formed by S3 test slurry in S1 formation

圖8 在S1地層中S5試驗?zāi)酀{形成泥膜Fig.8 Filter cakes formed by S5 test slurry in S1 formation

圖9 純膨潤土泥漿形成泥膜［15］Fig.9 Filter cakes formed by pure bentonite slurry

2.3 泥漿滲透聚合物添加劑作用機理分析

2.3.1 聚合物添加劑對泥漿降低濾失量作用機理分析

現(xiàn)有研究認為聚合物添加劑通過長聚合物鏈形成網(wǎng)絡(luò)以達到阻塞地層顆?？紫兜淖饔茫?6］. 本文通過對試驗?zāi)酀{滲透特性的分析，分析含聚合物添加劑泥漿濾失量降低機理主要考慮兩種作用形式［17-18］，并繪制聚合物添加劑對泥漿降低濾失量作用機理分析圖如圖10所示. 一種為高分子聚合物添加劑遇水吸收產(chǎn)生溶脹作用，形成大分子顆粒阻塞孔隙，如預(yù)糊化木薯淀粉遇水形成難溶于水的凝膠狀物體，如圖11（a）所示，聚合物形成大分子顆粒同形成附加水化層的膨潤土顆粒共同作用起到堵塞地層顆?？紫兜淖饔?；另一種是吸附在膨潤土顆粒上的大分子在泥膜空隙中伸展形成網(wǎng)絡(luò)，阻擋了水的通過，如黃原膠相對分子量大，聚合物鏈在地層顆粒之間伸展形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，如圖11（b）所示.

圖10 聚合物添加劑降低濾失量作用機理Fig.10 The mechanism of polymer additives to reduce fluid loss

2.3.2 預(yù)糊化木薯淀粉與黃原膠復(fù)配體系泥漿增稠機理分析

通過對預(yù)糊化木薯淀粉-黃原膠復(fù)配添加劑試驗?zāi)酀{流變性能測試實驗，以稠度系數(shù)為主要指標表征泥漿黏度，研究表明復(fù)配添加劑試驗?zāi)酀{，尤其是質(zhì)量比8∶2的SL5試驗?zāi)酀{表現(xiàn)出最高的增稠作用，并繪制預(yù)糊化木薯淀粉-黃原膠復(fù)配添加劑試驗?zāi)酀{增稠機理分析圖如圖12所示.

圖12 黃原膠與支鏈淀粉相互作用分子結(jié)構(gòu)示意圖Fig.12 Schematic diagram of the molecular structure of the interaction between xanthan gum and amylopectin

淀粉顆粒通常不溶于冷水，這是因為淀粉分子的羥基之間易形成氫鍵（圖12），分子之間產(chǎn)生很大的分子力導致結(jié)晶. 預(yù)糊化淀粉是指在添加堿或高溫（通常為80～90 ℃）的條件下，淀粉分子變性或結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變，裂化成凝膠狀液體. 淀粉糊化過程是淀粉顆粒吸水-顆粒膨脹-分子擴散的過程，淀粉通過糊化過程可增加支鏈淀粉的含量，并起到提高黏度的作用.

黃原膠是由D-葡萄糖、D-甘露糖和D-葡糖醛酸三種不同的單糖按2∶2∶1構(gòu)成的多糖類高分子化合物糖，由于自身負電荷間的相斥性使之分子內(nèi)無法形成氫鍵，分子鏈較為舒展. 黃原膠包裹于預(yù)糊化木薯淀粉顆粒周圍，形成空間位阻一定程度上抑制了淀粉分子間相互作用，使得淀粉顆粒分散均勻. 同時，黃原膠分子易與淀粉分子間相互作用形成氫鍵（圖12），分子纏結(jié)使得體系黏度增加，同時阻礙了水分的流動，復(fù)配體系表現(xiàn)出更高的增稠性［19-20］.

3 結(jié)論與建議

通過進行不同質(zhì)量配比預(yù)糊化木薯淀粉-黃原膠復(fù)配添加劑試驗?zāi)酀{流變性能測試試驗，并利用Bingham模型和Herschel-Bulkley 模型分析其流變特性. 同時通過泥漿滲透成膜試驗研究聚合物添加劑對泥漿滲透特性影響規(guī)律，闡釋改性泥漿聚合物添加劑降濾失量和增稠作用機理，得出以下結(jié)論：

1）相比于Bingham 模型，Herschel-Bulkley 模型更適用于反映預(yù)糊化木薯淀粉-黃原膠復(fù)配添加劑試驗?zāi)酀{流變性能. 預(yù)糊化木薯淀粉添加劑對泥漿黏度提升不明顯，但可大幅提升泥漿屈服應(yīng)力. 復(fù)配添加劑質(zhì)量比9∶1的試驗?zāi)酀{表現(xiàn)出最高屈服應(yīng)力，而質(zhì)量比為8∶2的試驗?zāi)酀{表現(xiàn)出最高稠度系數(shù).

2）預(yù)糊化木薯淀粉-黃原膠質(zhì)量配比為8∶2 的試驗?zāi)酀{，與質(zhì)量配比為9∶1 的試驗?zāi)酀{，在滲透系數(shù)2.8×10-3m/s試驗地層中均表現(xiàn)出較好的降低濾失量作用，且前者降低濾失量效果優(yōu)于后者，預(yù)糊化木薯淀粉-黃原膠復(fù)配添加劑質(zhì)量配比建議取值為8∶2.

3）聚合物添加劑對泥漿濾失量降低作用機理可分為聚合物大分子顆粒堵塞作用和聚合物鏈構(gòu)成空間網(wǎng)絡(luò)兩種作用形式. 預(yù)糊化木薯淀粉和黃原膠復(fù)配，黃原膠分子易與淀粉分子之間相互作用形成氫鍵，分子纏結(jié)使得體系黏度增加，復(fù)配體系表現(xiàn)出更高的增稠性.