泥漿中水分形態(tài)對(duì)抗剪強(qiáng)度與流變性的影響

韓婷婷，吳思麟，呂一彥

（河海大學(xué)土木與交通學(xué)院，南京 210098）

1 研究背景

泥漿是工程中常見(jiàn)的一種流體，盾構(gòu)隧道［1］、鉆井、疏浚等工程的施工質(zhì)量、工藝參數(shù)等與泥漿的性質(zhì)息息相關(guān)。例如在鉆井施工中，泥漿需要具有一定的強(qiáng)度來(lái)攜帶鉆渣［2］。絞吸式疏浚工程中，泥漿必須具有一定的流動(dòng)性才能保證泥沙的正常輸送。同樣的，泥水盾構(gòu)用來(lái)排出開(kāi)挖渣土的泥漿也應(yīng)具有一定的流動(dòng)性和強(qiáng)度。因此研究泥漿的強(qiáng)度、流動(dòng)性就顯得極為重要。

泥漿的強(qiáng)度一般是用抗剪強(qiáng)度來(lái)表征，表示其抵抗剪切的能力。泥漿作為一種流體，其流變性是指受剪切時(shí)剪應(yīng)力與剪切速率的關(guān)系［3］，可通過(guò)流變曲線來(lái)表征，即剪切應(yīng)力與剪切速率的關(guān)系曲線，主要的評(píng)價(jià)參數(shù)是黏度和動(dòng)切力，這與土力學(xué)中所提到的土的流變性［4］并不相同。目前對(duì)于泥漿的強(qiáng)度和流變性的研究主要集中在較為宏觀的泥漿含水率對(duì)其參數(shù)的影響。例如胡華［5］、王亮等［6］通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)研究了軟土、淤泥含水率對(duì)泥漿的初始剪切力、黏度、抗剪強(qiáng)度等的影響。而對(duì)于泥漿中水分形態(tài)對(duì)其強(qiáng)度和流變性的影響卻少有研究。

天然土中的水分形態(tài)一般分為礦物水、結(jié)合水和自由水［7］，其中礦物水是化學(xué)結(jié)合水，存在于土顆粒礦物晶格結(jié)構(gòu)中，在性質(zhì)上與固體相似，可視為固相的一部分；結(jié)合水是物理吸附水，以水分子的形式吸附于土顆粒表面，其與土顆粒結(jié)合較為緊密；結(jié)合水之外的水分稱為自由水，自由水與顆粒結(jié)合較為松散。這些不同形態(tài)的水物理化學(xué)性質(zhì)不同，對(duì)泥漿的性質(zhì)影響也不相同。當(dāng)土作為填方材料使用時(shí)，影響其性質(zhì)的主要水分因素是結(jié)合水和自由水［8］。因此研究具有不同水分形態(tài)（以下指結(jié)合水與自由水）含量的泥漿的工程性質(zhì)，可以更清楚地揭示流變性、強(qiáng)度的影響機(jī)理。

本文采用高嶺土、膨潤(rùn)土及其不同配比下的混合土為材料，將其配置成不同含水率的泥漿，以泥漿中不同形態(tài)的水分為研究對(duì)象，對(duì)泥漿抗剪強(qiáng)度和流變性進(jìn)行試驗(yàn)研究，分析不同的水分形態(tài)對(duì)泥漿抗剪強(qiáng)度及流變性影響的機(jī)理。

2 試驗(yàn)材料與方法

2.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)所用泥漿原材料為高嶺土和膨潤(rùn)土，高嶺土產(chǎn)自河北省，主要礦物成分為高嶺石，膨潤(rùn)土是按《鑄造用膨潤(rùn)土和粘土》標(biāo)準(zhǔn)（JB／T 9－227—1999）配制的牌號(hào)為PNa－10－25的南京湯山膨潤(rùn)土，主要礦物成分為蒙脫石。2種土的物理性質(zhì)指標(biāo)如表1所示。采用MS2000型激光粒度分析儀測(cè)得本試驗(yàn)所用高嶺土和膨潤(rùn)土的粒徑分布曲線如圖1所示。

2.2 試樣制備與試驗(yàn)方法

2.2.1 試樣制備

泥漿作為一種含水率遠(yuǎn)高于液限的飽和土體，其結(jié)合水含量不隨含水率變化，只受原泥性質(zhì)的影響［8］。故本文試驗(yàn)土樣采用膨潤(rùn)土和高嶺土為材料，通過(guò)將二者按質(zhì)量控制配比的方式配制成4組試樣，膨潤(rùn)土與高嶺土質(zhì)量比（以下用B∶K表示）分別是3∶0，2∶1，1∶2和0∶3。由于高嶺土和膨潤(rùn)土主要礦物組成分別是高嶺石和蒙脫石，2種礦物的吸附水能力存在較大差異，蒙脫石吸附水能力遠(yuǎn)大于高嶺石，4組試樣配比的不同本質(zhì)上是其吸附水能力的不同，宏觀表現(xiàn)為結(jié)合水含量不同。此外，以工程泥漿的濃度為參考，將每種配比的土樣再以含水率為控制變量，分別向烘干土樣中加入一定量的蒸餾水，配制出含水率為80%，100%，120%，140%和160%的泥漿。

表1 試驗(yàn)材料的物理性質(zhì)指標(biāo)Table1 Physical properties of test materials

圖1 試驗(yàn)土樣的粒徑分布曲線Fig.1 Particle size distribution of test soils

2.2.2 試驗(yàn)方法

2.2.2.1 不同形態(tài)水分含量測(cè)定試驗(yàn)

為了區(qū)分結(jié)合水與自由水2種形態(tài)水在泥漿中的數(shù)量關(guān)系，采用容量瓶法［9］測(cè)定4組土樣的結(jié)合水含量。取定量烘干土樣ms（g）放入干燥的容量瓶中，再加入定量蒸餾水mw（g），當(dāng)黏土吸水飽和后，蒸餾水體積收縮ΔV，結(jié)合水含量由式（1）得到。

式中：ωb為結(jié)合水含量；ρf為自由水密度，本文取ρf＝1.0 g／m3；ρb為結(jié)合水密度，本文取ρb＝1.4 g／m3；ΔV是蒸餾水體積收縮量；ms是干土質(zhì)量。

由于加入烘干土樣中的蒸餾水一部分轉(zhuǎn)化成結(jié)合水吸附在土顆粒表面，其余的以自由水的形式存在于泥漿中，故自由水含量即為總的蒸餾水添加量減去結(jié)合水含量，即

2.2.2.2 十字板剪切試驗(yàn)

使用南京土壤儀器廠生產(chǎn)的室內(nèi)微型十字板剪切儀測(cè)定不同含水率和不同配比下的泥漿試樣的強(qiáng)度，儀器的剪切強(qiáng)度分辨率為2 Pa，最大量程達(dá)到6 kPa。操作時(shí)，將十字板貫入泥漿表面以下約2倍十字板高度處，然后調(diào)節(jié)螺母使十字板固定，啟動(dòng)后十字板旋轉(zhuǎn)720°即停止試驗(yàn)，剪切過(guò)程中顯示屏上顯示的剪切強(qiáng)度的最高值即為抗剪強(qiáng)度值。對(duì)每種情況下的試樣均進(jìn)行3次測(cè)試，其平均值即為該情況下泥狀物的對(duì)應(yīng)強(qiáng)度值［10］。

2.2.2.3 流變性測(cè)定試驗(yàn)

使用成都儀器廠生產(chǎn)的NXS－11B旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)測(cè)量各組泥漿的流變曲線，配備了一個(gè)同心圓柱［11］，流變儀有5個(gè)測(cè)試系統(tǒng)和15級(jí)旋轉(zhuǎn)速度（5.6～360 r／min）。流變儀的黏度和剪切應(yīng)力測(cè)量范圍分別是2.8～1.78×107mPa·s和27.67～21 970 Pa。所有測(cè)量均在恒定溫度25℃下進(jìn)行。采用雙線性流變模型確定泥漿的流變參數(shù)［12］，此模型用公式表示為

式中：τ0為動(dòng)切力，是在低剪切速率區(qū)外推所得的應(yīng)力，當(dāng)應(yīng)力＜τ0時(shí)，泥漿表現(xiàn)為固態(tài)；τc為高剪切速率區(qū)流變曲線與縱坐標(biāo)的交點(diǎn)，可稱為賓漢屈服應(yīng)力；ηl為低剪切速率區(qū)的斜率；ηh為高剪切速率區(qū)的斜率，可定義為塑性黏度；γ0是過(guò)渡區(qū)的剪切速率，稱為臨界剪切速率，在這一剪切速率下，τ＝τya（τya為表面屈服應(yīng)力）可定義為屈服應(yīng)力。通常τya略高于 τc，為了簡(jiǎn)便起見(jiàn)，令 τya≈τc。微觀上，雙線性模型中屈服應(yīng)力τc是泥漿流動(dòng)時(shí)黏土顆粒間形成空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)力的反映，塑性黏度ηh是泥漿流動(dòng)時(shí)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)破壞并恢復(fù)動(dòng)態(tài)平衡情況下顆粒間內(nèi)摩擦力的反映［11］。這2個(gè)參數(shù)可作為分析工程泥漿流變性的參數(shù)。

3 試驗(yàn)結(jié)果

3.1 不同礦物成分、含水率下水分形態(tài)含量

為了更直觀地得到泥漿中不同形態(tài)的水分對(duì)泥漿抗剪強(qiáng)度及流變性的影響，分別定義結(jié)合水含量ωb和自由水含量ωf來(lái)表征結(jié)合水和自由水的多少，其計(jì)算式分別為：

式中：mb為結(jié)合水質(zhì)量；mf為自由水質(zhì)量；ms為烘干土質(zhì)量。

泥漿作為飽和土體，不同含水率條件下，黏土顆粒表面吸附的結(jié)合水含量都已達(dá)到飽和狀態(tài)，故對(duì)于同一種配比的土而言，含水率變化并不改變其結(jié)合水含量。采用容量瓶法測(cè)得的4種不同配比的試樣結(jié)合水含量，如表2所示。

表2 結(jié)合水含量Table2 Content of bound water

3.2 抗剪強(qiáng)度與水分形態(tài)的關(guān)系

將泥漿不同水分形態(tài)的含量與抗剪強(qiáng)度的關(guān)系制成圖2。

圖2 自由水和結(jié)合水含量對(duì)泥漿抗剪強(qiáng)度的影響Fig.2 Influence of free water content and bound water content on the shear strength of slurry

從圖2中可以看出：結(jié)合水含量為21.43%，14.32%，7.18%和1.32%的4種泥漿，其抗剪強(qiáng)度均隨著自由水含量的增加而減小；在自由水含量相等的條件下，結(jié)合水含量高的泥漿抗剪強(qiáng)度基本上都大于結(jié)合水含量低的泥漿；自由水含量在79%左右時(shí)，結(jié)合水含量為21.43%的泥漿抗剪強(qiáng)度約是結(jié)合水含量為1.32%的泥漿強(qiáng)度的7.8倍，隨著自由水含量的增加，不同結(jié)合水含量的泥漿抗剪強(qiáng)度差異越來(lái)越?。划?dāng)自由水含量＞110%時(shí)，不同結(jié)合水含量的泥漿的抗剪強(qiáng)度趨于相等?？傮w而言，泥漿的抗剪強(qiáng)度隨著自由水含量的增加而減小，隨著結(jié)合水含量的增加而增大。

為了進(jìn)一步比較結(jié)合水和自由水含量對(duì)泥漿抗剪強(qiáng)度影響的主次關(guān)系，繪制抗剪強(qiáng)度隨總含水率變化關(guān)系圖，如圖3所示。

對(duì)于同一種礦物成分的泥漿而言，其結(jié)合水含量是一定的，含水率的變化反映的是泥漿中自由水含量的改變。從圖3中可以看出，結(jié)合水含量不同的4種泥漿，其抗剪強(qiáng)度均隨著總含水率的增加而減小，且在各含水率下，結(jié)合水含量高的泥漿抗剪強(qiáng)度始終大于結(jié)合水含量低的泥漿。當(dāng)總含水率＜120%時(shí)，結(jié)合水含量高的泥漿抗剪強(qiáng)度明顯大于結(jié)合水含量低的泥漿，其中總含水率為80%時(shí)，結(jié)合水含量為21.43%的泥漿抗剪強(qiáng)度約是結(jié)合水含量為1.32%的泥漿抗剪強(qiáng)度的90.2倍。而當(dāng)總含水率＞120%時(shí)，不同結(jié)合水含量的泥漿抗剪強(qiáng)度相差很小。

由此可見(jiàn)，當(dāng)含水率較低時(shí)，結(jié)合水含量是影響泥漿抗剪強(qiáng)度的主要因素，而當(dāng)含水率較高時(shí)，結(jié)合水含量基本不影響泥漿的抗剪強(qiáng)度，此時(shí)自由水含量是影響泥漿強(qiáng)度的主要因素。

圖3 總含水率和結(jié)合水含量對(duì)泥漿抗剪強(qiáng)度的影響Fig.3 Influence of total water content and bound water content on the shear strength of slurry

3.3 流變性與水分形態(tài)的關(guān)系

應(yīng)用雙線性模型（式（3））得到各泥漿的流變參數(shù)，從B∶K＝3∶0配比的試樣中選取含水率為100%的泥漿為例，如圖4所示。

圖4 B∶K＝3∶0，ω＝100%的泥漿流變參數(shù)Fig.4 Rheology parameter of slurry（B∶K＝3∶0，ω＝100%）

同理可按照上述方法得到不同配比及含水率條件下的泥漿流變參數(shù)。雙線性模型中的流變參數(shù)屈服應(yīng)力τc和塑性黏度ηh隨著結(jié)合水含量及自由水含量變化關(guān)系如圖5所示。

從圖5可以看出：各結(jié)合水含量下的泥漿的屈服應(yīng)力τc和塑性黏度ηh均隨著自由水含量的增加而呈顯著降低趨勢(shì)；而當(dāng)自由水含量相同時(shí)，塑性黏度ηh都隨著結(jié)合水含量的增加而明顯增大，屈服應(yīng)力τc在自由水含量＜100%時(shí)也隨著結(jié)合水含量的增加而明顯增大，自由水含量＞100%時(shí)，結(jié)合水含量為14.32%和7.18%的泥漿屈服應(yīng)力十分接近，沒(méi)有明顯變化，但其值都低于結(jié)合水含量為21.43%的泥漿，并高于結(jié)合水含量為1.32%的泥漿?？傮w來(lái)說(shuō)，泥漿的屈服應(yīng)力和塑性黏度隨著結(jié)合水含量的增加而增大。

由此可見(jiàn)，泥漿中不同形態(tài)的水對(duì)泥漿流變性都有影響，但影響效果并不相同。總體呈現(xiàn)出泥漿的屈服應(yīng)力和塑性黏度隨著自由水含量的增加而減小，隨著結(jié)合水含量的增加而增大的趨勢(shì)。

同樣的，為了比較結(jié)合水和自由水含量對(duì)泥漿流變性影響的主次關(guān)系，繪制屈服應(yīng)力和塑性黏度隨總含水率變化的關(guān)系圖，如圖6所示。

從圖6中可以看出：泥漿的屈服強(qiáng)度和塑性黏度均隨著含水率的提高而降低，且在各含水率條件下，結(jié)合水含量高的泥漿屈服強(qiáng)度和塑性黏度始終高于結(jié)合水含量低的泥漿；當(dāng)含水率＜140%時(shí)，結(jié)合水含量高的泥漿抗剪強(qiáng)度遠(yuǎn)高于結(jié)合水含量低的泥漿，而當(dāng)含水率＞140%時(shí)，不同含水率的泥漿屈服強(qiáng)度相差很??；塑性黏度隨含水率和結(jié)合水含量的變化也有相似的規(guī)律，但其中結(jié)合水含量為21.43%的泥漿，其塑性黏度在含水率＞140%的條件下仍比其他3組泥漿高得多。

圖5 自由水和結(jié)合水含量對(duì)泥漿屈服應(yīng)力和塑性黏度的影響Fig.5 Influence of free water content and bound water content on the yield stress and plastic viscosity of slurry

圖6 總含水率和結(jié)合水含量對(duì)泥漿屈服應(yīng)力和塑性黏度的影響Fig.6 Influence of total water content and bound water content on the yield stress and plastic viscosity of slurry

由此可見(jiàn)，當(dāng)含水率較低時(shí)，結(jié)合水含量是影響泥漿流變性的主要因素，而當(dāng)含水率較高時(shí)，結(jié)合水含量基本不影響泥漿的流變性，此時(shí)自由水含量是影響泥漿流變性的主要因素。

4 討 論

結(jié)合水相比自由水有較大的黏滯性和密度以及較小的能動(dòng)性，包裹在土顆粒表面使顆粒間有一定的粘結(jié)吸附作用。故當(dāng)泥漿中自由水含量相同時(shí)，結(jié)合水含量較高的泥漿，其顆粒間的粘結(jié)吸附作用較強(qiáng)，因此抵抗剪切的能力也較強(qiáng)。宏觀上表現(xiàn)為自由水含量相同的情況下，泥漿的抗剪強(qiáng)度、屈服應(yīng)力和塑性黏度隨著結(jié)合水含量的增加而增大。

黏土顆粒在土－水體系中多以邊－面接觸的形式存在，泥漿抵抗剪切的能力不僅與單個(gè)顆粒間的粘結(jié)吸附強(qiáng)度有關(guān)，還與剪切面上邊－面接觸的數(shù)量有關(guān)。對(duì)于同一種泥漿，當(dāng)其自由水含量較高時(shí)，顆粒比較分散，剪切面上邊－面接觸的數(shù)量較少，泥漿抵抗剪切的能力較弱。宏觀上表現(xiàn)為結(jié)合水含量相同的情況下，泥漿的抗剪強(qiáng)度、屈服應(yīng)力和塑性黏度隨著自由水含量的增加而減小。

上述機(jī)理用關(guān)系式可表示為τ＝σn，σ表示單個(gè)邊－面接觸抵抗剪切的能力（即單個(gè)顆粒的粘結(jié)吸附強(qiáng)度），n表示剪切面上邊－面接觸的數(shù)量。

根據(jù)本文的研究，可以通過(guò)對(duì)泥漿中水分形態(tài)的調(diào)整來(lái)控制泥漿的強(qiáng)度及流變性，從而得到在不同條件下都適用的泥漿。當(dāng)泥漿含水率＜120%時(shí)，通過(guò)改變泥漿的結(jié)合水含量來(lái)控制泥漿的強(qiáng)度及流變性，例如選用不同礦物成分的泥漿；而當(dāng)泥漿的含水率＞120%時(shí)，通過(guò)改變泥漿的自由水含量來(lái)控制泥漿的強(qiáng)度與流變性，例如調(diào)整泥漿的含水率。本研究成果在工程上具有一定的應(yīng)用價(jià)值，例如鉆井或護(hù)壁的泥漿需要有一定的強(qiáng)度和黏度來(lái)攜帶鉆渣，同時(shí)泥漿還需要有一定的濃度來(lái)產(chǎn)生足夠大的靜水壓力以抵抗井內(nèi)壓力。膨潤(rùn)土泥漿在含水率很高時(shí)仍具有較大的黏度和屈服應(yīng)力，而高嶺土泥漿只在較低的含水率下才有屈服應(yīng)力和黏度，因此可以采用這2種土的混合泥漿來(lái)滿足指定用途下的泥漿流動(dòng)性、強(qiáng)度與濃度的要求，例如高密度鉆井泥漿或不透水泥漿壁。

5 結(jié) 論

（1）泥漿的抗剪強(qiáng)度、屈服應(yīng)力和塑性黏度均隨著自由水含量的增加而減小，隨著結(jié)合水含量的增加而增大。

（2）在低含水率條件下，影響泥漿抗剪強(qiáng)度和流變性的主要水分因素是結(jié)合水含量，而隨著含水率逐漸增加，自由水含量逐漸占據(jù)主導(dǎo)作用，此時(shí)自由水含量更影響泥漿的性質(zhì)。

［1］ 王樹(shù)清，蔡勝華.盾構(gòu)法隧道施工同步注漿材料研究［J］.長(zhǎng)江科學(xué)院院報(bào)，1998，15（4）：28－38.

［2］ AU P I，LEON Y K.Rheological and Zeta Potential Behaviour of Kaolin and Bentonite Composite Slurries［J］.Colloids and Surfaces A：Physicochemical and Engineering Aspects，2013，436（35）：530－541.

［3］ 任曉楓.旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)測(cè)定漿體流變參數(shù)的計(jì)算方法［J］.水利學(xué)報(bào)，1995，（9）：75－81.

［4］ 安淑紅，朱俊高.土的流變性研究進(jìn)展［J］.山東農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2012，43（1）：155－158.

［5］ 胡 華.含水率對(duì)軟土流變參數(shù)的影響特性及其機(jī)理分析［J］.巖土工程技術(shù)，2005，19（3）：134－136.

［6］ 王 亮，謝 健，張 楠，等.含水率對(duì)重塑淤泥不排水強(qiáng)度性質(zhì)的影響［J］.巖土力學(xué)，2012，33（10）：2973－2978.

［7］ 唐大雄，孫愫文.工程巖土學(xué)［M］.2版，北京：水利電力出版社，1978.

［8］ 張春雷.基于水分轉(zhuǎn)化模型的淤泥固化機(jī)理研究［D］.南京：河海大學(xué)，2007.

［9］ 吳鳳彩.粘性土的吸附結(jié)合水測(cè)量和滲流的某些特點(diǎn)［J］.巖土工程學(xué)報(bào)，1984，6（6）：84－93.

［10］何洪濤，朱偉，張春雷，等.分層抽取法在泥沙沉積過(guò)程中的應(yīng)用研究［J］.巖土力學(xué)，2011，32（8）：2372－2378.

［11］CAO Mei-qi，YAN Qing-zhi，LI Xian-hui，et al.Effect of Plate-like Alumina on the Properties of Alumina Ceramics Prepared by Gel-casting［J］.Material Science and Engineering，2014，589：97－100.

［12］LV Yi-yan，ZHU Wei，HAN Ting-ting.Mechanism Underlying Bonding Water Film Effect on Rheological Parameters［J］.Advances in Materials Science and Engineering，2016，764：341－348.