聚合物添加剂对盾构泥浆流变和渗透特性影响

张金晖， 王 媛，2， 王志奎， 巩佳琨， 徐树军， 周 昆

（1.河海大学土木与交通学院，南京 210098； 2.河海大学水利水电学院，南京 210098；

3.河海大学力学与材料学院，南京 210098； 4.中铁十四局集团大盾构工程有限公司，南京 211800）

泥水盾构隧道施工因其对地层的适应性强、环保、高效、低扰动等优点，在越海穿江隧道和城市地铁的建设中得到广泛的应用［1-2］. 泥水盾构开挖面稳定的原理是采用压缩气体把泥水仓内的泥浆注入开挖仓，泥浆渗透到地层且泥浆中细颗粒堵塞地层孔隙，使其在开挖面前方渗透沉积并形成一层微透水的致密泥膜.开挖仓内的泥水压力以面力的形式作用在开挖面维持开挖面前方水土压力. 而针对高渗透性地层，采用纯膨润土泥浆不易形成泥膜，无法形成稳定支护压力，易引发工程事故［3］. 此时，需要在泥浆中添加聚合物添加剂改善泥浆性质以适应工程需要.

泥浆流变特性是体现泥浆性质的关键因素，主要指标为泥浆切动力（屈服应力）和塑性黏度. 现有研究主要通过Bingham［4-5］和Herschel-Bulkley两种简化模型描述泥浆流变特性. Bingham模型流变曲线存在初始剪切应力且剪切应力与剪切速率呈线性相关，Herschel-Bulkley模型流变曲线剪切应力和剪切速率呈现非线性关系. 翟楠楠等［6］、Bekkour等［7］通过流变试验研究膨润土的含量和CMC掺加量对泥浆流变性能的影响，研究表明Herschel-Bulkley模型适用于描述不同CMC掺加量下泥浆流变性. 但是，Min等［8］采用NXS-11A旋转黏度计对9组泥浆流体（含1%CMC）性质进行测试，其认为泥浆在中高剪切速率下符合Bingham流体特性，而在低剪切速率下符合Herschel-Bulkley流体特性. Belbsir等［9］通过研究密度、固体颗粒含量、粒径分布和温度等诸多参数对含磷酸盐泥浆流变性能影响，提出Herschel-Bulkley模型适用于描述泥浆的流变性能，并适用于计算低于38.45%泥浆的表观黏度和屈服应力，而Bingham 模型则适用34.24%～46.03%泥浆. 以上研究表明，添加不同聚合物添加剂的泥浆呈现出不同的流变特性. 因此，研究聚合物添加剂对泥浆流变特性影响有着重要意义.

除了泥浆本身流变特性之外，泥浆渗透特性也是非常重要的，因为其是泥浆性质和地层性质匹配的结果. 为研究泥浆渗透特性，国内外学者将滤失量和泥膜形成及形态判别作为主要评价指标，采用泥浆渗透成膜试验装置开展了大量的室内试验研究. 程展林等［10］、韩晓瑞等［11］和Min等［12］通过掺加CMC添加剂提高泥浆黏度，研究表明高黏度泥浆有利于形成泥膜. Cui等［13］使用可生物降解的预糊化淀粉代替CMC配制绿色泥浆，发现生成的网格结构可以有效提高黏度并降低滤失量，形成质量良好的泥膜. Cui等［14］选用黄原胶作为添加剂，配制出一种新型泥浆并验证其在高渗透地层中适应性. 以上研究表明，以滤失量及泥膜形成及形态判别作为泥浆渗透性质评价参数，在纯膨润土悬浮液中加入聚合物添加剂可以有效提高泥浆黏度，改善泥浆质量，形成质量良好的泥膜以达到其与地层相匹配. 但聚合物添加剂对泥浆增稠作用和降低滤失量影响规律及作用机理有待于进一步研究.

本文通过进行不同质量配比预糊化木薯淀粉-黄原胶复配添加剂试验泥浆流变性能测试试验，并利用Bingham 模型和Herschel-Bulkley 模型分析其流变特性. 同时开展试验泥浆渗透成膜试验研究聚合物添加剂对泥浆渗透性质影响规律，阐释聚合物添加剂降滤失量和增稠作用机理，以期为聚合物添加剂在泥浆配制中应用提供一定的参考依据.

1 试验材料、装置及方法

1.1 试验材料

1.1.1 泥浆制备材料

本试验中泥浆制备材料包括：钠基膨润土，湖南飞来峰非金属矿物材料有限公司；预糊化木薯淀粉，食品级，河南恒瑞淀粉科技股份有限公司；黄原胶，工业级，河南春祥化工产品有限公司；自来水. 为了消除膨润土内部杂质对试验结果造成的影响，进行试验前采用200目标准筛（0.075 mm）对膨润土作筛分处理.

量取自来水1000 g倒入泥浆桶，按照1∶10膨水比称取筛分后（<0.075 mm）的钠基膨润土100 g少量多次倒入相应泥浆桶中并机械搅拌10 min直至泥浆表面无明显结块，配制为基浆，泥浆编号SL0. 称取预定质量（4 g）预糊化木薯淀粉-黄原胶复配聚合物添加剂（质量配比10∶0、9.5∶0.5、9∶1、8.5∶1.5、8∶2），加入基浆并机械搅拌5 min后膨化24 h配制试验所需泥浆，泥浆编号列为SL1-SL5，试验泥浆制备材料如表1所示.

表1 泥浆制备材料Tab.1 Experimental materials for slurry preparation

1.1.2 地层材料

选用0.5～1 mm（S1 地层）、1～2 mm（S2 地层）作为泥浆渗透成膜试验地层，级配曲线如图1 所示.采用70型渗透仪在常水头下测得S1地层渗透系数为2.8×10-3m/s，S2地层渗透系数为9.0×10-3m/s.

图1 试验地层级配曲线Fig.1 Grading curves of test formations

1.2 试验装置

1.2.1 NXS-11B旋转黏度计

NXS-11B型旋转黏度计用来测量试验泥浆的流变特性，装置如图2所示.

图2 旋转式黏度计Fig.2 Rotational viscometer

1.2.2 泥浆渗透成膜试验装置

采用自行研制的泥浆渗透成膜试验装置开展泥浆渗透特性试验，试验装置包括加压系统、渗透柱以及滤水量数据采集系统，试验装置如图3所示. 加压系统由空压机、调压阀及压力表组成. 试验过程中空压机进行加压，调压阀调节压力（最大压力调节值为0.4 MPa），压力表保证压力调节的准确性. 渗透柱内径为10 cm，高70 cm 的有机玻璃筒. 滤水量数据采集系统由滤水量收集器皿、精密天平及配套数据采集软件组成.

图3 泥浆渗透试验装置Fig.3 Slurry filtration experimental apparatus

1.3 试验泥浆流变和渗透特性测试试验步骤

试验泥浆流变性能测试试验步骤为：

1）选取测量系统：根据配制试验泥浆预估黏度选取合适的测量系统.

2）安装内筒：将内筒柄上有槽的一方对准测量头连轴套上的紧固螺钉一方并轻轻插入连轴套中，用螺丝刀旋紧螺钉.

3）安装外筒：将适量的被测试验泥浆加入外筒中将外筒装到位后用螺套固定.

4）测量：将测量头上旋钮旋向“工作”，选择适当的转速并接通电器箱上的电源开关和电机开关. 读取物料在不同档位固定时间间隔的刻度盘数值，试验选取为50 s.

试验泥浆渗透特性测试试验步骤为：

1）地层制备：选用6～7 mm白色砾石作为滤层材料，保持滤层高度10 cm；同时，将选定试验地层分五次倒入渗透柱内并分层击实，控制试验地层高度为25 cm.

2）地层饱和：从渗透柱上部缓慢注水使地层饱和，同时保持出水口打开，直至出水口流水无气泡产生.

3）泥浆注入：将配制好试验泥浆从渗透柱上部缓慢注入，密封装置后静置5 min.

4）调节压力及试验数据采集：打开空压机加压，调压阀调节分级压力50、100、150、200、250 kPa，待压力稳定后打开出水口并开始滤水量采集，每级压力保持10 min，待压力稳定后再加压，每隔5 s记录试验过程中滤水量变化情况.

5）数据导出及生成泥膜观测：试验结束后，导出滤水量变化数据，并转化为渗透流量（单位面积泥浆滤水量）. 刮除地层上部剩余泥浆及表面浮浆，取出泥膜进行观察.

2 试验结果及讨论

2.1 含聚合物添加剂试验泥浆流变特性分析

通过对SL0-SL5共6种泥浆的流变特性进行测试，所得数据分别用Bingham模型和Herschel-Bulkley 模型拟合流变曲线，描述Bingham 流体的模型方程为：τ=τ0+μγ，描述Herschel-Bulkley 模型的方程为：τ=τ0+μγn. 其中：τ 为剪切应力；τ0为屈服应力，反映泥浆三维网状结构的强度和悬浮液从固态到液态的相变行为；μ为稠度系数，特别地，在Bingham模型中称为塑性黏度，μ反映物料的黏度特性，μ越大代表物料黏度越大，反之则越小，n为流动特性指数，反映物料偏离牛顿流体特性的程度，n>1，反映物料表现为胀塑性流体，n<1，反映物料表现为拟塑性流体，n=1，Herschel-Bulkley模型方程同Bingham模型；γ为剪切速率.

从图4（a）～（d）可以看出，Bingham 模型和Herschel-Bulkley 模型拟合流变曲线均可较好反映试验泥浆流变性能，对于图4（e）和（f），泥浆流变特性已经逐渐偏离了Bingham 模型描述的流体特性，而更加符合Herschel-Bulkley模型. 为了更加清楚地对比两种模型下泥浆的屈服应力、稠度系数（塑性黏度）和流动特性指数，将两种模型下的参数进行统计，如表2所示.

表2 不同试验泥浆Bingham和Herschel-Bulkley模型拟合参数Tab.2 The fitting parameters of the Bingham and Herschel-Bulkley models for different test slurries

图4 不同试验泥浆流变曲线Fig.4 Rheological curves of different test slurries

对SL0和SL1泥浆，两者稠度系数（塑性黏度）变化不大表示预糊化淀粉添加剂对泥浆黏度提升不明显，但可大幅提升泥浆屈服应力（约33%）. 泥浆流动特性指数大于1，反映SL0同SL1泥浆表现为胀塑性流体.

对比编号SL1-SL5试验泥浆可以看出保持复配添加剂总质量（4 g）相同的情况下，对应泥浆流动特性指数随着黄原胶质量占比的增加而显著降低并整体小于1，意味着复配添加剂试验泥浆整体表现为拟塑性流体并随着黄原胶掺加量增加逐渐偏离牛顿流体特性而表现出明显的非牛顿流体特性，此时Bingham模型已不再适用于描述试验泥浆流变性能，具体表现为针对试验SL5泥浆，Bingham模型拟合泥浆流变性能试验数据点获得流变曲线对应相关系数R2=0.877 88；而Herschel-Bulkley 模型始终表现出良好的适用性，可较好反映泥浆流变性能，具体表现为针对试验泥浆SL1-SL5，Herschel-Bulkley 模型拟合泥浆流变性能试验数据点获得流变曲线对应相关系数R2接近于0.99.

另外，观察SL3-SL5泥浆屈服应力和稠度系数变化，如图5所示. 随着黄原胶添加剂质量占比的增加，泥浆屈服应力τ0呈下降趋势，标志着泥浆三维网状结构的强度降低，从固态到液态的相变行为更易发生；而稠度系数μ却呈现上升趋势，代表泥浆黏度随着黄原胶掺加量的增加而显著增加. 编号SL3试验泥浆，即质量比为9∶1的预糊化木薯淀粉-黄原胶复配添加剂的试验泥浆在流变性能测试中表现出最高的屈服应力；编号SL5 试验泥浆，即质量比8∶2 的预糊化木薯淀粉-黄原胶复配添加剂的试验泥浆在流变性能测试中表现出最高的稠度系数，为SL3 试验泥浆346 倍，表明复配添加剂具有良好的增稠性.

图5 不同预糊化木薯淀粉-黄原胶质量比对复配泥浆流变特性参数影响规律Fig.5 The effect of different mass ratios of pregelatinized cassava starch-xanthan gum on the rheological parameters of slurry

2.2 含聚合物添加剂试验泥浆渗透特性分析

选取SL3 和SL5 试验泥浆，分别进行在S1 地层（0.5～1 mm）和S2 地层（1～2 mm）下泥浆渗透成膜试验，研究含聚合物添加剂试验泥浆渗透特性，不同试验泥浆在不同试验地层中的渗透曲线如图6所示.

从图6可以看出，渗透流量在各级气压作用下呈现明显的阶梯形变化，即随着泥浆压力的增加渗透流量先快速增加后趋于稳定. S3 和S5 泥浆在S1 地层中渗透流量明显小于其在S2 地层中的渗透流量，表明泥浆在较低渗透性地层中更易实现渗透流量稳定. 在S1地层中，S5 试验泥浆渗透流量小于S3 试验泥浆渗透流量；而在S2地层中，泥浆压力在50 kPa和100 kPa下，S3和S5 试验泥浆渗透流量表现出同样的大小比较关系.但在150 kPa 泥浆压力下，S5泥浆冲破S2试验地层，泥浆完全漏失，S3泥浆虽表现出较高的渗透流量，但泥浆未完全漏失，最终在200 kPa泥浆压力下泥浆冲破试验地层，完全漏失.

图6 不同试验泥浆在不同试验地层中的渗透曲线Fig.6 Permeability curves of different test slurries in different test formations

图7 为S1 地层中S3 试验泥浆形成泥膜，且图7（a）为烘干前，图7（b）为烘干后；图8 为S1 地层中S5 试验泥浆形成泥膜，且图8（a）为烘干前，图8（b）为烘干后；图9［15］为纯膨润土泥浆形成泥膜，且图9（a）为烘干前，图9（b）为烘干后. 可以看出，S3 试验泥浆在S1 试验地层形成泥膜厚度明显小于S5 试验泥浆在S1 地层形成泥膜厚度，且与地层分界不明显，一般称之为泥皮. 此外，S5 试验泥浆在S1 地层中形成泥膜烘干前表面起伏明显，原因在于靠近泥浆部分的泥膜结构强度较小，在试验泥膜取样过程中易被浮浆而被刮除. 观察对比图7（b）、图8（b）和图9（b）可以看出与纯膨润土泥浆形成泥膜相比，含聚合物添加剂改性泥浆形成泥膜与地层贴合紧密，烘干后未出现泥膜与地层间完全脱离的现象，泥浆渗透地层有利于进一步降低地层渗透系数与提高地层结构强度.

图7 在S1地层中S3试验泥浆形成泥膜Fig.7 Filter cakes formed by S3 test slurry in S1 formation

图8 在S1地层中S5试验泥浆形成泥膜Fig.8 Filter cakes formed by S5 test slurry in S1 formation

图9 纯膨润土泥浆形成泥膜［15］Fig.9 Filter cakes formed by pure bentonite slurry

2.3 泥浆渗透聚合物添加剂作用机理分析

2.3.1 聚合物添加剂对泥浆降低滤失量作用机理分析

现有研究认为聚合物添加剂通过长聚合物链形成网络以达到阻塞地层颗粒孔隙的作用［16］. 本文通过对试验泥浆渗透特性的分析，分析含聚合物添加剂泥浆滤失量降低机理主要考虑两种作用形式［17-18］，并绘制聚合物添加剂对泥浆降低滤失量作用机理分析图如图10所示. 一种为高分子聚合物添加剂遇水吸收产生溶胀作用，形成大分子颗粒阻塞孔隙，如预糊化木薯淀粉遇水形成难溶于水的凝胶状物体，如图11（a）所示，聚合物形成大分子颗粒同形成附加水化层的膨润土颗粒共同作用起到堵塞地层颗粒孔隙的作用；另一种是吸附在膨润土颗粒上的大分子在泥膜空隙中伸展形成网络，阻挡了水的通过，如黄原胶相对分子量大，聚合物链在地层颗粒之间伸展形成网络结构，如图11（b）所示.

图10 聚合物添加剂降低滤失量作用机理Fig.10 The mechanism of polymer additives to reduce fluid loss

2.3.2 预糊化木薯淀粉与黄原胶复配体系泥浆增稠机理分析

通过对预糊化木薯淀粉-黄原胶复配添加剂试验泥浆流变性能测试实验，以稠度系数为主要指标表征泥浆黏度，研究表明复配添加剂试验泥浆，尤其是质量比8∶2的SL5试验泥浆表现出最高的增稠作用，并绘制预糊化木薯淀粉-黄原胶复配添加剂试验泥浆增稠机理分析图如图12所示.

图12 黄原胶与支链淀粉相互作用分子结构示意图Fig.12 Schematic diagram of the molecular structure of the interaction between xanthan gum and amylopectin

淀粉颗粒通常不溶于冷水，这是因为淀粉分子的羟基之间易形成氢键（图12），分子之间产生很大的分子力导致结晶. 预糊化淀粉是指在添加碱或高温（通常为80～90 ℃）的条件下，淀粉分子变性或结构转变，裂化成凝胶状液体. 淀粉糊化过程是淀粉颗粒吸水-颗粒膨胀-分子扩散的过程，淀粉通过糊化过程可增加支链淀粉的含量，并起到提高黏度的作用.

黄原胶是由D-葡萄糖、D-甘露糖和D-葡糖醛酸三种不同的单糖按2∶2∶1构成的多糖类高分子化合物糖，由于自身负电荷间的相斥性使之分子内无法形成氢键，分子链较为舒展. 黄原胶包裹于预糊化木薯淀粉颗粒周围，形成空间位阻一定程度上抑制了淀粉分子间相互作用，使得淀粉颗粒分散均匀. 同时，黄原胶分子易与淀粉分子间相互作用形成氢键（图12），分子缠结使得体系黏度增加，同时阻碍了水分的流动，复配体系表现出更高的增稠性［19-20］.

3 结论与建议

通过进行不同质量配比预糊化木薯淀粉-黄原胶复配添加剂试验泥浆流变性能测试试验，并利用Bingham模型和Herschel-Bulkley 模型分析其流变特性. 同时通过泥浆渗透成膜试验研究聚合物添加剂对泥浆渗透特性影响规律，阐释改性泥浆聚合物添加剂降滤失量和增稠作用机理，得出以下结论：

1）相比于Bingham 模型，Herschel-Bulkley 模型更适用于反映预糊化木薯淀粉-黄原胶复配添加剂试验泥浆流变性能. 预糊化木薯淀粉添加剂对泥浆黏度提升不明显，但可大幅提升泥浆屈服应力. 复配添加剂质量比9∶1的试验泥浆表现出最高屈服应力，而质量比为8∶2的试验泥浆表现出最高稠度系数.

2）预糊化木薯淀粉-黄原胶质量配比为8∶2 的试验泥浆，与质量配比为9∶1 的试验泥浆，在渗透系数2.8×10-3m/s试验地层中均表现出较好的降低滤失量作用，且前者降低滤失量效果优于后者，预糊化木薯淀粉-黄原胶复配添加剂质量配比建议取值为8∶2.

3）聚合物添加剂对泥浆滤失量降低作用机理可分为聚合物大分子颗粒堵塞作用和聚合物链构成空间网络两种作用形式. 预糊化木薯淀粉和黄原胶复配，黄原胶分子易与淀粉分子之间相互作用形成氢键，分子缠结使得体系黏度增加，复配体系表现出更高的增稠性.