膨胀土配制工程泥浆试验研究

欧明喜，郑文炜，王明山，陈颖辉

(1 昆明理工大学 建筑工程学院，云南 昆明 650500；2 建研地基基础工程有限责任公司云南分公司，云南 昆明 650224)



膨胀土配制工程泥浆试验研究

欧明喜1，郑文炜2，王明山2，陈颖辉1

(1 昆明理工大学 建筑工程学院，云南 昆明 650500；2 建研地基基础工程有限责任公司云南分公司，云南 昆明 650224)

[摘要]【目的】 分析利用云南蒙自膨胀土配制工程泥浆节约施工成本的可行性。【方法】 在室内首先探讨并确定膨胀土泥浆的配制工艺，然后进行不同配比条件下的膨胀土泥浆试验，测试其比重、黏度、胶体率、含砂率、pH值、失水量、泥皮厚度等7项主要指标，最后对不同配比条件下的泥浆性能进行评价。【结果】 膨胀土工程泥浆的配制工艺为：最优搅拌时间10 min，静置15 min以后泥浆性能趋于稳定。增加纯碱(Na2CO3)掺量对提高泥浆黏度的效果比增加膨胀土掺量更有利，在增加膨胀土掺量提高比重的同时需要考虑泥皮厚度指标。【结论】 采用蒙自膨胀土配制工程泥浆是可行的。

[关键词]工程泥浆；膨胀土；配制工艺；泥浆试验

用于地下连续墙和各种桩基础的泥浆称为工程泥浆，与石油和地质部门使用的泥浆相比，我国工程泥浆的发展相对比较落后。工程泥浆最重要的功能就是保持槽壁的稳定[1-2]，因此有时直接称之为护壁泥浆，其同时还具有携带土渣[3]、冷却和润滑钻具等功能。目前使用的护壁泥浆多采用膨润土作为主要原料，但我国膨润土的分布具有明显的不均匀性。因此，寻找新型护壁泥浆原材料对节约施工成本具有重要意义。

王建等[4]对火山灰沉积地区钻孔泥浆性能进行分析，认为减少失水量和泥皮厚度是顺利成孔和提高桩侧摩阻力的关键，并提出了最佳质量配比。杨勇[5]对复合钠基膨润土泥浆的实际应用效果及相对传统钙基膨润土泥浆的优势进行分析，并就复合钠基膨润土泥浆的应用提出了指导性的意见。王鸽等[6]对湖北鄂州膨润土用于生产钻井泥浆进行研究，提出了钠化剂和增效剂的最优掺量及相关工艺的先后顺序。杨志勤[7]提出建筑泥浆的建议质量指标，分析了膨润土的物化性能、钠化剂和增效剂掺量对建筑泥浆质量的影响。何世鸣等[8]对膨润土改性与增效机理进行探讨，为后续研究提供了较好的理论指导。张海峰等[9]采用单因素分析、正交法等试验方案研制出一种复合解凝剂，给出了解凝剂各组分的质量配比。陈春生[10]采用施工场区临近地层黄土注入孔内直接造浆，取得了良好的实践经验和施工效果。王志强等[11]通过研究认为，提高碳酸钠用量和反应温度可提高浆体的黏度，羧甲基纤维素钠(CMC)的加入相比聚丙烯酰胺能更显著提高黏度。兰凯等[12]提出采用具有预处理能力的优质膨润土泥浆，通过配比试验提出各组分最优质量配比，在工程实践中取得良好的效果。代国忠等[13]进行了交联型低固相泥浆的现场应用试验，认为该泥浆对松散砂及泥岩、风化砂岩等破碎层的胶结能力强，能起到“下套管”的固壁作用。

总体看来，上述研究主要集中在膨润土泥浆方面，而我国西南和西北地区工程施工中所用的膨润土往往需要从膨润土分布较集中的地区进行采购，这样既增加了施工成本，还可能由于某些因素导致工期延误，同时也浪费了能源。膨胀土在我国中西部的广西、云南、陕南、鄂北等地区分布广泛，且膨胀土和膨润土的主要矿物成分比较类似，只是含量有所不同。基于此，笔者对利用膨胀土配制护壁泥浆进行室内试验研究，旨在为应用膨胀土配制工程泥浆提供依据。

1泥浆护壁机理

工程泥浆具有防止孔壁坍塌的功能，其原因主要有以下几个方面：一是泥浆的静水压力可抵抗作用在孔壁上的土压力和水压力，并防止地下水渗入；二是泥浆在槽壁上形成不透水的泥皮，从而使泥浆的静水压力有效地作用在孔壁上，同时防止孔壁的剥落[14]；三是泥浆从孔壁表面向地层内渗透到一定范围就粘附在土颗粒上，通过这种粘附作用可使孔壁减少坍塌性和透水性[15]。因此，工程泥浆的比重、黏度、泥皮厚度等性能指标必须满足要求才能充分发挥护壁作用。

合格的护壁泥浆既能保持成孔过程中孔壁的稳定性，同时也能形成薄且有韧性的泥皮，使桩侧摩阻力得到充分的发挥，从而保证混凝土灌注桩的质量。我国建筑工程行业提出的泥浆性能指标如表1所示，这些控制指标对膨润土和黏土泥浆都是有效的[16]。

表 1　建筑工程行业所用泥浆的性能指标

2材料与方法

2.1试验设计

2.1.1膨胀土泥浆的配制工艺试验所用膨胀土取自云南省蒙自市，原状土样经烘干后捣碎，然后过0.075 mm土工筛，所得土粉作为试验用膨胀土。试验用水直接取用市政管网的自来水，采用CMC作增黏剂、Na2CO3作为分散剂。

(1)静置时间对泥浆黏度的影响。为了考虑静置时间对膨胀土泥浆性能的影响，根据前人所做膨润土泥浆试验相关成果[14]，采用搅拌时间为10 min，质量配比为水∶膨胀土∶Na2CO3=100∶12∶0.22，将所得泥浆分别静置0，15，30，60 min后测定黏度。

(2)搅拌时间对泥浆黏度的影响。为了验证搅拌时间对膨胀土泥浆的适用性，用与(1)同样的质量配比，分别搅拌5，10，15 min，然后静置15 min后测定其黏度。

(3)添加CMC对泥浆性能的影响。虽然偶尔也将CMC单独做泥浆材料使用，但一般将其作为改善泥浆性能的外加剂使用。为了分析膨胀土泥浆中加入CMC的影响，按质量配比为水∶膨胀土∶CMC∶Na2CO3=100∶12∶0.05∶0.22配制泥浆，测定其比重、黏度、胶体率、含砂率、pH值、失水量、泥皮厚度，并与不加CMC的膨胀土泥浆进行性能比较。

2.1.2膨胀土、Na2CO3掺量对泥浆性能的影响为了分析膨胀土、Na2CO3掺量对泥浆性能的影响，在100 g水中分别加入12，14，16，18 g膨胀土，即膨胀土掺量分别为12%，14%，16%和18%，每种掺量条件下依次加入0.25，0.22，0.19，0.16 g纯碱(Na2CO3)，共进行16次试验，每次试验所得泥浆搅拌10 min后静置15 min，然后进行泥浆性能指标测定。

2.2测定指标及方法

(1)比重。采用NB-1型泥浆比重计测定,先用清水进行调平，然后将泥浆杯装满泥浆，置于比重计上调节游码使杠杆平衡，游码左侧刻度即为泥浆比重。

(2)黏度。采用1006型泥浆黏度计测定,用秒表记录从700 mL漏斗中流出500 mL泥浆所用的时间即为黏度。

(3)胶体率。将100 mL泥浆倒入100 mL量筒中，静置24 h后观察量筒上部清水的体积,从而得出胶体率。

(4)含砂率。采用NA-1型泥浆含砂率计测定。首先将泥浆充至测管上标有“泥浆”字样的刻线处，加清水至标有“水”的刻线处，倾倒混合物于滤筒中，重复加入清水直到测管内清洁；然后用清水冲洗筛网上的砂子，剔除残留泥浆；最后将漏斗套进滤筒，翻转后插入测管内，全部冲入管内后读出砂子的含量。

(5)pH值。用pH试纸测定。

(6)失水量和泥皮厚度。采用NS-1型泥浆失水量测定仪,在恒定压力(0.7 MPa)作用下，30 min后测得的漏液量即为失水量；同时测量滤纸上形成的泥饼厚度，即为泥皮厚度。

3结果与分析

3.1膨胀土泥浆的配制工艺

3.1.1静置时间对泥浆黏度的影响泥浆黏度随静置时间的变化规律如图1所示。由图1可知，泥浆的黏度随静置时间的延长先增大后趋于稳定，在静置时间为15 min时黏度最大。因此膨胀土泥浆的最佳静置时间为15 min。

3.1.2搅拌时间对泥浆黏度的影响泥浆黏度随搅拌时间的变化规律如图2所示。由图2可知，膨胀土配制泥浆的黏度随搅拌时间的延长先增大后趋于稳定，当搅拌10 min后黏度趋于稳定，因此膨胀土泥浆的搅拌时间可定为10 min。

图 1　膨胀土配制泥浆黏度随静置时间的变化

3.1.3添加CMC对泥浆性能的影响表2结果表明，在膨胀土泥浆中加入CMC只对泥浆的比重、黏度、失水量3个指标有较小的影响，其他指标基本保持不变，因此可以认为加入CMC对膨胀土泥浆性能影响不明显。

综上所述，膨胀土泥浆室内试验的搅拌时间可以定为10 min，静置时间以15 min为宜。基于经济成本因素考虑，建议不添加CMC。

3.2膨胀土、Na2CO3掺量对泥浆性能的影响

由表3可以看出，通过增加膨胀土掺量来提高泥浆黏度的效果不明显，甚至会出现不增反降的情况；泥浆比重由膨胀土掺量为12%时的1.060增大到18%时的1.095；含砂率随膨胀土掺量增大略有增加，但都不超过0.5%；胶体率除一组质量配比(水∶膨胀土∶Na2CO3=100∶18∶0.16)不合格外都能达到100%；pH值保持在8.0左右；泥浆失水量随膨胀土掺量的变化未表现出明显的规律性，其变化在8.2～23.0 mL，但均能满足要求；泥皮厚度随膨胀土掺量的增大而增厚，除一组质量配比(水∶膨胀土∶Na2CO3=100∶18∶0.16)达到3.5 mm之外，其余各组泥皮厚度都在2.0～3.0 mm。

表 2　CMC对膨胀土泥浆性能的影响

同样由表3可以看出，泥浆黏度随Na2CO3掺量的增加而提高。比重、含砂率、pH值3个指标随Na2CO3掺量的增加基本保持不变；胶体率只有当质量配比为水∶膨胀土∶Na2CO3=100∶18∶0.16时不满足要求；泥浆失水量随Na2CO3掺量的变化未表现出明显的规律性，但均能满足要求；泥皮厚度随Na2CO3掺量的增加有变薄的趋势。

表 3　膨胀土泥浆性能指标测定结果

4结论

(1)试验得到的膨胀土泥浆最优搅拌时间为10 min，静置时间达到15 min以后泥浆的性能便趋于稳定。

(2)提高膨胀土泥浆黏度的最好办法是提高纯碱的掺量，同时可以减小泥皮厚度；通过增加膨胀土掺量来提高黏度的效果不明显，反而会增大泥皮厚度，对桩侧摩阻力的发挥不利。

(3)提高膨胀土的掺量可以增大泥浆的比重，但应综合考虑泥皮厚度指标。云南蒙自膨胀土的含砂率较低，各组试验均低于0.5%。

(4)搅拌速度是影响膨胀土泥浆性能的重要因素，试验时由于条件限制对此因素未予以考虑，本研究每组试验均由同一操作者以相同的速度进行搅拌。同时，目前的研究还只是在室内试验阶段，应尽快推进现场试验工作来检验膨胀土泥浆的实际护壁效果。

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Formulation of engineering slurry using expansive soil

OU Ming-xi1,ZHENG Wen-wei2,WANG Ming-shan2,CHEN Ying-hui1

(1FacultyofCivilEngineeringandMechanics,KunmingUniversityofScienceandTechnology,Kunming,Yunnan650500,China;2CABRFoundationEngineeringCO.LTDYunnanBranchCompany,Kunming,Yunnan650224,China)

Abstract:【Objective】 This study analyzed the feasibility of preparing engineering slurry with expansive soil in purpose of saving construction cost.【Method】 Firstly,the formulation process was determined in laboratory.Then the expansive soil slurries with different formulas were tested to measure the specific gravity,viscosity,colloid rate,sand content,pH value,water loss,and thickness of mud cake.At last,the overall performance of slurry was evaluated.【Result】 The optimal preparing process of expansive soil slurry was 10 minutes mixing before 15 minutes standing,when the slurry properties tended stable.Increasing soda ratio was more favorable to improve viscosity than increasing expansive soil ratio.Thickness of mud cake should be considered when increasing the ratio of expansive soil to improve specific gravity.【Conclusion】 It is feasible to preparing slurry with Mengzi expansive.

Key words:slurry;expansive soil;formulation process;slurry test

DOI：网络出版时间:2016-03-1408:4510.13207/j.cnki.jnwafu.2016.04.031

[收稿日期]2014-08-24

[基金项目]云南省人才培养计划项目(KKSY201306101)；国家自然科学基金项目(51304088)

[作者简介]欧明喜(1983-)，男，湖南武冈人，讲师，博士，主要从事岩土工程研究。E-mail:19590927@163.com

[中图分类号]TU521

[文献标志码]A

[文章编号]1671-9387(2016)04-0230-05

网络出版地址:http://www.cnki.net/kcms/detail/61.1390.S.20160314.0845.062.html