防渗墙高卤海水护壁泥浆技术研究

武奇维，韩用伟，赵炳青，连常成，孔洋，赵春亮

（1.中国水电基础局有限公司，天津301700；2.中国电建集团山东电力建设有限公司，济南250000）

1 高卤海水护壁泥浆概述

直接采用海水配制泥浆具有易分层、胶体率低、不稳定、重度大、黏度低、pH高等特点，该泥浆很难形成护壁泥饼，护壁及悬浮效果差，故需对海水泥浆性能进行改进，改进后方可投入使用。因此，按就地取材的原则，对现有制浆材料进行试验配制，寻求适合本项目海域海水拌制泥浆的配合比及相关外加剂参与量。

2 配制高卤海水泥浆原材料的选取

2.1 配制护壁泥浆用土的分类

制备泥浆的土料主要为各种黏土和膨润土，膨润土主要是含水的硅酸铝黏土，主要由不同种类蒙脱石矿物组成。蒙脱石理想的化学式为：（Na，Ca）0.33(Al1.67，Mg0.33)Si4O10(OH)2n H2O，结构复杂，按照膨润土层间阳离子种类分为：层间阳离子是钠称为钠基膨润土（分为天然土和人造土2种）；层间阳离子为钙的表示钙基膨润土；层间阳离子为氢离子的为氢基膨润土；层间阳离子为有机阳离子称为有机膨润土。

2.2 黏土和膨润土的性质分析

黏土泥浆的整体护壁悬浮效果较差，无法满足本项目地质条件情况下对护壁泥浆的要求。膨润土具有较强的水分吸收，能吸收数倍的水，膨胀到数倍等效体积；分散的胶体悬浮在水溶液中，具有一定的黏度、触变性和润滑性，且其包含的阳离子具有很强的交换能力和吸附能力，是理想的护壁浆液材料。

2.3 不同种膨润土的技术经济优势对比

氢基膨润土遇水呈酸性，制备成的泥浆显酸性将腐蚀所触及的金属结构物，不利于基建项目结构稳定的耐久性。市场上有机膨润土数量占比较少，且其阳离子的交换和吸附能力很弱，致使其配置的泥浆黏度低，稳定性差。因此，钻井浆液、桩基和防渗墙等项目的护壁泥浆主要采用钙基和钠基膨润土2种[1]。

2.4 钙基膨润土的选择与改性

膨润土制浆的黏度和数量大小主要取决于膨润土层间阳离子的交换容量大小，这些层间可交换阳离子的水化引起膨润土的膨胀，导致各层间的静电引力变弱，在压力、剪切力作用下，膨润土各片层产生滑动，促使膨润土纤维结构形成，球团内部保持散状的膨润土在足够的水分和压力、剪切力作用下，产生了膨润土晶层滑动，促使纤维星散状结构的形成，纤维结构出现后，膨润土的黏结效果得到明显提高。钠基膨润土的颗粒数量远比钙基膨润土颗粒数量多，黏结强度大。所以，钠离子的交换量远大于钙离子，钠基膨润土性能更优越[2]。

结合沙特萨拉曼国王国际港项目市场上钠基膨润土价格高昂，不利于工程成本，因此，通过在钙基膨润土溶液中加入适量纯碱（Na2CO3）进行改性，通过CO32-与Ca2+和Mg+形成CaCO3和MgCO3沉淀及Na+与Ca2+的交换，降低钙基膨润土中Ca2+和Mg+含量并增大其晶层间钠离子的含量，使其成为人造钠基膨润土。

3 海水主要成分及占比的分析与实验

沙特萨拉曼国王国际港项目与位于波斯湾沿岸，波斯湾地处南半球的副热带大陆西岸，终年受副热带高压控制，盛行下沉气流，蒸发大于降水，海水浓度高，密度大，水面较低，该海水属于高卤海水。海水浓度及其主要成分含量对配制泥浆的性能指标影响很大，采用该海水制备的泥浆具有重度大、黏度低、胶体率低、不稳定、不易形成泥皮及碱性偏大等特点，且护壁和悬浮效果较差，防渗墙造孔易发生塌漏事故。

为了保证拌制浆液的质量，委托当地的检测机构对取样海水的主要性能指标进行了检测，经实验测定结果如下。详见表1和表2。

表1 高卤海水浓度与重度检测结果统计表

表2 高卤海水主要成分元素含量及占比汇总表

从以上检测结果发现，依托项目位置海水的重度为1.036 g/cm3，比一般海水的重度（约1.025 g/cm3）大，海水含盐量的浓度高达40.8‰，比一般海水（33‰～35.5‰）高出近7‰，海水pH为9.5，比一般海水（pH7.8～8.3）高许多，致使该海水配制的泥浆性能和护壁悬浮效果较差，需要加入泥浆处理剂进行改性并达到防渗墙规范要求的泥浆性能指标后方可使用。

4 泥浆处理剂的选择

针对本项目的实况进行泥浆处理剂种类的选择，以便配制出优质适用的泥浆，首先对相关泥浆处理剂的性能优势进行分析。

4.1 分散剂

分散剂的首要作用是使进入水中的膨润土颗粒分散开来，形成外包水化膜的胶体颗粒，减少内部阻力。因海水中Mg2+、Ca2+含量较大，造成泥浆不稳定，易分层，泥皮的形成性能降低。分散剂选用Na2CO3可与海水中的Ca2+、Mg2+起化学反应，生成CaCO3和MgCO3沉底，使金属离子惰性，因此，分散效果好。也可根据需要利用Na2CO3的掺量来控制泥浆的pH，泥浆呈碱性稳定性好，而且碱性环境可对钢筋的锈蚀起到保护作用。因此，泥浆中加入Na2CO3可起到降盐，增加泥浆稳定性，增大泥皮厚度，提高泥浆碱性，增加泥浆抗腐蚀性能的作用。

4.2 增黏剂的优选

羧甲基纤维素钠俗称CMC是当今世界上使用范围最广、用量最大的纤维素种类。无臭、有吸湿性，溶于水，在水中形成透明胶状溶液，可用于护壁泥浆的增黏剂和稳定剂，同时，在海水中具有增稠性、保水性、抗盐性及较好的薄膜成形性[3]。因此，配制海水膨润土泥浆时加入CMC可提高泥浆的胶体率和稳定性，同时增大泥浆黏度和泥皮厚度。

4.3 堵漏剂的优选

针对本项目中高地下水位且地下海水密度较大（经检测为1.036 g/cm3）、地层结构松散、透水性强，需要采用堵漏剂对防渗墙槽壁浅表位置的松散地层通道进行快速封堵并达到一定强度后才有利于槽壁泥饼的形成与稳固。水泥掺入高卤海水护壁泥浆时，水泥中硅酸钙成分中Ca2+将被浆液中Na+取代形成高黏结强度的Na2SiO4凝胶（即水玻璃），水泥成分中多余的Ca2+将被纯碱中的CO32-形成沉淀，沉淀与地层中砂、土等小颗粒在硅酸钠凝胶的黏结作用下快速凝结成较大颗粒物并黏结在地层的渗漏孔隙通道中，封堵住槽壁的浅表地层并在槽壁形成较稳定的泥皮。因此，将水泥掺入配制的膨润土浆液中，起到提高胶体率，缩短泥浆凝固时间，提高黏结强度和固化强度进而封堵渗漏通道的作用。

通过上述分析，结合实验检测结果可知，在该海水配置护壁泥浆时需要加入分散剂和增黏剂等外加剂进行降盐、增黏以及改变泥浆的其他不利性能，由于依托项目地表地层为吹填层，结构松散，且地下水位高，地下海水密度大（达1.036 g/cm3），易坍塌，难形成泥皮。该地层配制的泥浆应为大重度、高黏度且须增加堵漏剂以抵消地层的不利条件，快速堵住槽壁浅表位置松散地层渗漏通道，形成泥饼保护层。

5 高卤海水泥浆配比影响分析

施工中在已经选定的高卤海水泥浆主要原材料和相关泥浆处理剂的基础上，按照各种材料及处理剂的掺量设计泥浆配合比，通过性能对比实验找出各材料对泥浆性能的影响规律，并最终确定经济合理的配比运用到高卤海水护壁施工中，确保施工质量。

5.1 膨润土对泥浆性能的影响

泥浆配比相同，即CMC及Na2CO3掺量均为泥浆总量的0.3%~0.4%，水泥的掺量为泥浆总量的1%~2%时，随着膨润土量的增加，泥浆的重度、黏度和静切力增加、泥浆的黏度及静切力增大、泥皮更趋致密，其渗透性及失水量也越小。

5.2 CMC掺量对泥浆性能的影响

泥浆配比相同，即膨润土掺量15%，Na2CO3掺量0.3%~0.4%，水泥的掺量0.5%时，随着CMC掺量的增加（CMC掺量按泥浆总量计），泥浆的失水量降低，其在泥浆中电离生成长链多价阴离子，因而增大了固相土的水化层，提高了固相土的凝结稳定性。有利于形成致密的泥皮，降低失水量，由于CMC长链分子之间相互作用的增强，在链间形成网状结构，提高了泥浆的黏度和静切力。

5.3 加碱量对泥浆性能的影响

泥浆配比相同，即膨润土掺量15%，CMC掺量在0.3%~0.4%，水泥的掺量为泥浆总量的0.5%时，随着Na2CO3的增加，泥浆的pH增大，在泥浆选定的情况下，可以通过改变碱掺量达到需要的pH。增加当量的Na2CO3，对膨润土进行改性，通过离子交换作用，以低价离子Na+取代海水中的Mg2+、Ca2+等高价离子，使黏土颗粒分散，水化膜增厚，泥浆的黏度及静切力增大，而失水量减少，泥浆的稳定性能好。由于海水中的Na+离子和纯碱中的Na+均可以与水泥中的Ca2+交换形成硅酸钠溶胶，所以海水泥浆的加碱量由泥浆总量的0.2%增加到0.3%~0.4%。

5.4 加堵漏剂（普通硅酸盐水泥）对泥浆性能的影响

泥浆配比相同，即膨润土掺量15%，纯碱0.3%~0.4%，CMC掺量在0.3%~0.4%时，随着水泥掺量增加(到1%~2%)，泥浆的黏度和重度增大，在泥浆选定的情况下，可以通过改变水泥掺量达到需要的黏度和重度。

6 应用及评价

技术研究成果在依托项目的非试验区进行推广应用，施工进展顺利，槽孔未发生塌漏，高卤海水泥浆配比技术研究成果在施工中的运用达到了安全、优质、高效的效果。

防渗墙高卤海水护壁泥浆配制与施工技术研究成果的应用解决本项目因淡水资源匮乏的存在诸多难题，确保了项目质量和工期，得到了业主、设计等单位的认可。

7 结语

本技术的研究在保证沙特萨拉曼国王国际港项目防渗墙施工的顺利进行的同时，在中东淡水资源匮乏的地区与国家应用前景广阔。今后在中东地区的项目施工中采用以海水替代淡水资源势在必行，本技术研究成果的应用前景广阔，社会经济意义重大。