浅谈海水泥浆及其与淡水泥浆的区别-专注化学泥浆
2018-11-19 9:54:55 点击：
化学泥浆对于海洋环境的灌注桩钻孔施工，经常会遇到缺乏淡水以及即使使用淡水泥浆也不能很好护壁甚至塌孔等诸多问题。本文针对海水泥浆，论述了海水泥浆的组成成分、形成机理、作用以及性能指标选择，比较分析了其与淡水泥浆的区别。
[关键词]钻孔灌注桩 化学泥浆 海洋环境 施工 区别
对于海洋环境中的钻孔灌注桩施工，使用淡水泥浆可能会受到海水污染，进而影响泥浆性能，并且海上施工时，淡水供应非常困难，如能直接采用海水拌制泥浆，可大大降低工程的难度和成本[1]。因此，有必要对海水泥浆的配制、性能指标选择以及其与淡水泥浆的区别进行研究。
2 泥浆组成成分
泥浆的组成成分主要为土、水和外加剂。目前工程上使用较多的是膨润土泥浆，膨润土泥浆是由水、粘土（或膨润土）和添加剂组成的介于胶体和悬浮体之间的的分散体系；水是泥浆的重要组成部分，对泥浆性能的影响很大；外加剂主要有分散剂和增粘剂，在泥浆中加入适量外加剂可调整泥浆的性能指标，使之更好地满足护壁要求。
3 泥浆性能指标
泥浆应具有一定的造膜性、理化稳定性、流动性和适当的密度。评价钻探泥浆质量的指标有泥浆的比重、粘度、含砂量、胶体率和稳定性、失水量、静切力、PH值等。泥浆各种性能不是孤立的而是互相联系的，彼此互相影响，因此一个性能的改变也会影响其他各种性能发生变化，要求泥浆在使用中达到配比合理、性质稳定，不得产生离析、聚沉现象。泥浆各性能指标的合理调整配合是保证泥浆性能优良的关键。
3.1 泥浆比重
泥浆的比重对孔壁稳定、机械钻速以及成孔质量均有很大影响。当用海水拌制泥浆时，海水泥浆的比重一般要比淡水泥浆的比重大一些，一般控制在1.10～1.35，而淡水泥浆的比重大都在1.05～1.15之间。泥浆比重增大时，能够维持钻孔和地层间压力的平衡，孔壁趋于稳定，同时悬浮、携渣的能力也增大。但若泥浆比重过大，说明泥浆中无用固相含量高，造成粘附在孔壁的泥皮变厚，泥皮松疏、韧性降低，引起钻孔缩径以及孔壁水化崩塌、泥皮脱落，致使孔内得不到净化，造成清孔困难。另外，泥浆中无用固相往往对管材、钻头、水泵缸套、叶轮等磨损大，降低了其使用寿命；而且，无用固相也会拖曳钻头的进尺，使得粘土、岩屑颗粒重复破碎，导致机械钻速的下降。反之，若泥浆比重偏小，对悬浮、携带钻渣的能力不够，对孔壁的侧压力也不足，钻具上下的泥浆紊乱而使孔壁表面受到冲刷，容易发生孔壁坍塌的现象。
3.2 泥浆粘度
泥浆的黏度是泥浆分子之间、固相颗粒之间、液相与固相之间的内部摩擦力，衡量泥浆流动难易程度的指标。如果泥浆内固体成分增加，就会使固体颗粒之间摩擦增多，表现在泥浆性能上就是泥浆粘度的升高。除了泥浆除颗粒间的内摩擦力外，还有网状结构的形成、变形和破坏对泥浆粘度的影响。由于海水泥浆以及桩周介质中均含有大量盐份，当Ca2+、Mg2+、K+等离子较多时容易引起泥浆沉聚形成结构，泥浆粘度升高，此种情况往往也伴随着失水量增大，静切力升高。因此海水泥浆要严格控制粘度，一般控制在18～22S之间。
3.3 泥浆含砂量
泥浆的含砂量是指泥浆中大于0.74mm的非粘土颗粒，即粘土中的固相含量和泥浆循环中的砂颗粒。泥浆的含砂量越小越好，其含砂率一般控制到小于2%～4%的范围。海水泥浆和淡水泥浆对“泥浆含沙量”这一指标要求基本相同。
含沙量的高低对施工安全、钻具及水泵磨损、钻进效率有很大关系。泥浆的含砂量过高，会降低泥浆粘度，造成泥皮松散，增加孔底沉渣厚度，不利于护壁，还易磨损泥浆泵和钻具，影响钻进速度，泥浆循环中断时易埋钻或卡钻，难以达到规范和设计要求，需要二次清孔，影响施工进度。
3.4 泥浆胶体率和稳定性
泥浆的胶体率可用来衡量泥浆中粘土颗粒的分散、水化程度，泥浆稳定性是指在重力作用下泥浆中的固体颗粒是否容易下沉的特性。泥浆稳定性与比重和胶体率有关，随着泥浆比重、胶体率增大，泥浆稳定性越好。一般要求泥浆的胶体率>95%，24h后的密度差50g/L；淡水的总硬度一般为1.5～5.0×10-3mol/L，海水的总硬度一般会高达7.0～9.0×10-3mol/L[3]。
与淡水泥浆相比，海水泥浆比重大、胶体率低、稳定性差，这是由于海水中含有大量的盐份及各种金属离子，泥浆易受到污染，对膨润土的造浆性能影响很大。研究表明：当水中的Ca2+浓度达到100mg/L以上时，膨润土就会凝聚和沉降分离，当水中的Na+浓度达到500mg/L以上时，膨润土的湿胀性就下降极快，达到近于海水浓度时（3400mg/L）就会产生凝聚[10]。另外，海水中Cl-离子含量较高，挤压双电层现象严重，电动电位较低，使粘土颗粒水化膜变薄产生聚结下沉，致使泥浆粘度和切力均有所降低，泥浆失水量加大，稳定性不好。因此，在配制泥浆时，饮用水可以直接使用，但使用海水时应做拌和试验，同时需选用适宜的泥浆分散剂和增稠剂，使海水泥浆性能满足实际要求。
另外，钻孔施工时海水不可避免地会进入到钻孔护筒。当受到海水的污染时，泥浆产生凝聚和沉淀分离，上层很快变成清澈的溶液，发生泥水分离现象，使泥浆悬浮携渣、维持孔壁稳定等性能减弱甚至丧失。因此，用海水拌制泥浆时，要求泥浆性能必须稳定，对盐的敏感性较低，具有抗盐类污染的较高性能。同时，要求泥浆的抗渗性能要好，使孔壁外海水很难以渗流的方式进入桩孔，从而减弱海水对泥浆质量及性能影响的程度[6]。
5 化学泥浆
[关键词]钻孔灌注桩 化学泥浆 海洋环境 施工 区别
对于海洋环境中的钻孔灌注桩施工，使用淡水泥浆可能会受到海水污染，进而影响泥浆性能，并且海上施工时，淡水供应非常困难，如能直接采用海水拌制泥浆，可大大降低工程的难度和成本[1]。因此，有必要对海水泥浆的配制、性能指标选择以及其与淡水泥浆的区别进行研究。
2 泥浆组成成分
泥浆的组成成分主要为土、水和外加剂。目前工程上使用较多的是膨润土泥浆，膨润土泥浆是由水、粘土（或膨润土）和添加剂组成的介于胶体和悬浮体之间的的分散体系；水是泥浆的重要组成部分，对泥浆性能的影响很大；外加剂主要有分散剂和增粘剂，在泥浆中加入适量外加剂可调整泥浆的性能指标，使之更好地满足护壁要求。
3 泥浆性能指标
泥浆应具有一定的造膜性、理化稳定性、流动性和适当的密度。评价钻探泥浆质量的指标有泥浆的比重、粘度、含砂量、胶体率和稳定性、失水量、静切力、PH值等。泥浆各种性能不是孤立的而是互相联系的，彼此互相影响，因此一个性能的改变也会影响其他各种性能发生变化，要求泥浆在使用中达到配比合理、性质稳定，不得产生离析、聚沉现象。泥浆各性能指标的合理调整配合是保证泥浆性能优良的关键。
3.1 泥浆比重
泥浆的比重对孔壁稳定、机械钻速以及成孔质量均有很大影响。当用海水拌制泥浆时，海水泥浆的比重一般要比淡水泥浆的比重大一些，一般控制在1.10～1.35，而淡水泥浆的比重大都在1.05～1.15之间。泥浆比重增大时，能够维持钻孔和地层间压力的平衡，孔壁趋于稳定，同时悬浮、携渣的能力也增大。但若泥浆比重过大，说明泥浆中无用固相含量高，造成粘附在孔壁的泥皮变厚，泥皮松疏、韧性降低，引起钻孔缩径以及孔壁水化崩塌、泥皮脱落，致使孔内得不到净化，造成清孔困难。另外，泥浆中无用固相往往对管材、钻头、水泵缸套、叶轮等磨损大，降低了其使用寿命；而且，无用固相也会拖曳钻头的进尺，使得粘土、岩屑颗粒重复破碎，导致机械钻速的下降。反之，若泥浆比重偏小，对悬浮、携带钻渣的能力不够，对孔壁的侧压力也不足，钻具上下的泥浆紊乱而使孔壁表面受到冲刷，容易发生孔壁坍塌的现象。
3.2 泥浆粘度
泥浆的黏度是泥浆分子之间、固相颗粒之间、液相与固相之间的内部摩擦力，衡量泥浆流动难易程度的指标。如果泥浆内固体成分增加，就会使固体颗粒之间摩擦增多，表现在泥浆性能上就是泥浆粘度的升高。除了泥浆除颗粒间的内摩擦力外，还有网状结构的形成、变形和破坏对泥浆粘度的影响。由于海水泥浆以及桩周介质中均含有大量盐份，当Ca2+、Mg2+、K+等离子较多时容易引起泥浆沉聚形成结构，泥浆粘度升高，此种情况往往也伴随着失水量增大，静切力升高。因此海水泥浆要严格控制粘度，一般控制在18～22S之间。
3.3 泥浆含砂量
泥浆的含砂量是指泥浆中大于0.74mm的非粘土颗粒，即粘土中的固相含量和泥浆循环中的砂颗粒。泥浆的含砂量越小越好，其含砂率一般控制到小于2%～4%的范围。海水泥浆和淡水泥浆对“泥浆含沙量”这一指标要求基本相同。
含沙量的高低对施工安全、钻具及水泵磨损、钻进效率有很大关系。泥浆的含砂量过高，会降低泥浆粘度，造成泥皮松散，增加孔底沉渣厚度，不利于护壁，还易磨损泥浆泵和钻具，影响钻进速度，泥浆循环中断时易埋钻或卡钻，难以达到规范和设计要求，需要二次清孔，影响施工进度。
3.4 泥浆胶体率和稳定性
泥浆的胶体率可用来衡量泥浆中粘土颗粒的分散、水化程度，泥浆稳定性是指在重力作用下泥浆中的固体颗粒是否容易下沉的特性。泥浆稳定性与比重和胶体率有关，随着泥浆比重、胶体率增大，泥浆稳定性越好。一般要求泥浆的胶体率>95%，24h后的密度差50g/L；淡水的总硬度一般为1.5～5.0×10-3mol/L，海水的总硬度一般会高达7.0～9.0×10-3mol/L[3]。
与淡水泥浆相比，海水泥浆比重大、胶体率低、稳定性差，这是由于海水中含有大量的盐份及各种金属离子，泥浆易受到污染，对膨润土的造浆性能影响很大。研究表明：当水中的Ca2+浓度达到100mg/L以上时，膨润土就会凝聚和沉降分离，当水中的Na+浓度达到500mg/L以上时，膨润土的湿胀性就下降极快，达到近于海水浓度时（3400mg/L）就会产生凝聚[10]。另外，海水中Cl-离子含量较高，挤压双电层现象严重，电动电位较低，使粘土颗粒水化膜变薄产生聚结下沉，致使泥浆粘度和切力均有所降低，泥浆失水量加大，稳定性不好。因此，在配制泥浆时，饮用水可以直接使用，但使用海水时应做拌和试验，同时需选用适宜的泥浆分散剂和增稠剂，使海水泥浆性能满足实际要求。
另外，钻孔施工时海水不可避免地会进入到钻孔护筒。当受到海水的污染时，泥浆产生凝聚和沉淀分离，上层很快变成清澈的溶液，发生泥水分离现象，使泥浆悬浮携渣、维持孔壁稳定等性能减弱甚至丧失。因此，用海水拌制泥浆时，要求泥浆性能必须稳定，对盐的敏感性较低，具有抗盐类污染的较高性能。同时，要求泥浆的抗渗性能要好，使孔壁外海水很难以渗流的方式进入桩孔，从而减弱海水对泥浆质量及性能影响的程度[6]。
5 化学泥浆
本文对海水泥浆的组成成分、形成机理及作用、泥浆性能指标进行了论述。若对海水泥浆配制及其性能指标进行合理选择，可以满足规范及工程实际要求。
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