海水与高温环境对膨润土泥浆流变特性的影响研究.pdf
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1、海水与高温环境对膨润土泥浆流变特性的影响研究现 代 隧 道 技 术MODERN TUNNELLING TECHNOLOGY第61卷第1期(总第414期),2024年2月出版Vol.61,No.1(Total No.414),Feb.2024收稿日期:2023-10-12修回日期:2023-11-14基金项目:青岛国信胶州湾第二海底隧道有限公司2023年度重大科研创新揭榜挂帅项目.作者简介:周 骥(1983-),男,工程师,主要从事隧道工程建设与管理工作,E-mail:.通讯作者:王希浩(1983-),男,硕士,主要从事隧道工程建设与管理工作,E-mail:.海水与高温环境对膨润土泥浆流变特性的
2、影响研究周 骥1王希浩2康 松2代镇洋2(1.中交隧道工程局有限公司,北京100088;2.青岛国信胶州湾第二海底隧道有限公司,青岛 266000)摘要:泥水盾构在海底掘进时,配制合适的泥浆以确保其在海水入侵和高温条件下良好的流变性能和渗透特性具有重要意义。为探明高温环境与海水侵入对膨润土浆液流变性能的影响,利用博勒飞RST软固体流变仪开展一系列流变测试试验,分析高温环境与海水侵入条件下泥浆的流动形式与本构模型。结果表明:在高温环境下,膨润土泥浆具有明显的升温稀化特性,随着温度的升高,膨润土泥浆的流变模型未发生变化;随着海水的侵入,泥浆的保水能力和物理稳定性被削弱,并出现离析现象,膨润土泥浆近
3、乎丧失了幂律流体与屈服性流体的流变特征,泥浆的流动形式劣化为牛顿流体;此外,电镜扫描结果显示淡水泥浆的空间结构呈结块团絮状,结块密集且相互连续,空间结构较为完整且致密;50%海水泥浆的空间结构主要以薄片形式出现,且薄片之间存在明显的空隙,局部出现离散颗粒堆积。关键词:海底隧道;泥水盾构;海水侵入;高温环境;流变特性;室内试验中图分类号:U455文献标志码:A文章编号:1009-6582(2024)01-0174-08DOI:10.13807/ki.mtt.2024.01.017引文格式:周 骥,王希浩,康 松,等.海水与高温环境对膨润土泥浆流变特性的影响研究J.现代隧道技术,2024,61(1
4、):174-181+199.ZHOU Ji,WANG Xihao,KANG Song,et al.Study on the Effects of Seawater and High Temperature Environment on theRheological Properties of Bentonite SlurryJ.Modern Tunnelling Technology,2024,61(1):174-181+199.1引 言近年来,随着我国基础设施建设的进一步发展,大量的地下工程正如火如荼地进行15。泥水盾构工法由于其施工进度快、安全性高等多项特点,被广泛应用于越江跨海隧道工程中
5、610。在泥水盾构掘进过程中,新鲜的膨润土泥浆通过进浆系统被多级泵送至泥水舱中,以维持开挖面的稳定性。经刀盘切削下的渣土与膨润土泥浆的混合物(渣浆)通过排浆系统被多级泵送至地面的泥水分离设备进行筛分、旋流与压滤处理,进而实现泥浆的循环利用11。然而,当泥水盾构在海底掘进时,由于地下水中含有一定量的海水,新鲜的膨润土泥浆不可避免地与海水相混合,导致泥浆的流变特性发生明显改变1216。此外,由于盾构旋转的刀盘与掌子面前方土体的摩擦作用,刀盘与泥水舱室内会产生大量的热能,并通过泥水循环系统传递并消耗热量,导致泥浆在高温环境的流变特性发生改变1721。目前,学者们针对膨润土泥浆的物理特性开展了大量室内
6、试验。张金晖等22通过添加不同质量配比预糊化木薯淀粉-黄原胶复合添加剂来改变膨润土悬浮液的流变特性,采用流变性能试验和泥浆渗透成膜试验,分析复配添加剂质量比对改性泥浆流变特性和渗透特性的影响,结果表明,改性泥浆的流变行为可以用H-B型非牛顿流体模型描述,且复合添加剂中的聚合物大分子可以与泥浆结合成致密的空间网架结构,进而提高泥浆的黏度特性。刘光军等23以兰州地铁1号线迎门滩马滩区间下穿黄河段盾构隧道工程为依托,对泥水平衡盾构施工过程中泥浆的比重、黏度以及失水量等施工参数进行了对比分析,通过添加各种掺料进行泥水平衡盾构泥浆配制试验,研究不同掺料对泥浆性能和经济指标的影响规律,并分析不同配比泥浆的
7、环均成本和相应掘进进度。Wang等24研究了不同温度下含0.4%PAC的海水174海水与高温环境对膨润土泥浆流变特性的影响研究现 代 隧 道 技 术MODERN TUNNELLING TECHNOLOGYVol.61,No.1(Total No.414),Feb.2024第61卷第1期(总第414期),2024年2月出版泥浆的流动形态和本构关系,结果表明,随着温度从2 升高到30,流变指标呈增大趋势,而黏度系数逐渐减小,刀盘摩擦产生的温度最高可达70。综上所述,目前针对高温环境与海水侵入对膨润土浆液流变性能的影响研究较少,已有研究大多利用常规且简单的基本性质试验方法(例如漏斗黏度测试、泌水量测
8、试等)测试低海水含量下与低于40 下的泥浆黏度性质。本研究运用室内试验的研究手段,利用博勒飞RST软固体流变仪,分析泥浆剪切应力与剪切速率的定量关系,并探究泥浆在不同工况下的流变模型与流动形式的变化,探明高温环境与海水侵入对膨润土浆液流变性能的影响,分析高温环境与海水侵入条件下泥浆的流动形式与本构模型,可为未来海底泥水盾构的浆液制备与选型提供一定的参考与借鉴。2试验概述2.1试验材料泥水盾构所用浆液一般由两部分组成:一是黏土等制浆原料,二是泥浆增黏剂和水。其中,增加膨润土含量可增加浆体密度,羧甲基纤维素钠(sodium carboxymethylcellulose,CMC)一般被用作泥浆的增黏
9、剂,可提高浆体黏度。以4种不同产地的膨润土作为试验原材料,每种工况均添加0.2%的工业级CMC作为泥浆增黏剂,试验所用工业级CMC制备纯度为86%,取代度为0.350.55,25 C水溶液pH值为6.18.6,分子量为195 000 g/mol。试验所用的海水参照美国材料与试验协会(ASTM)提出的海水制备标准配制,试验所用材料制备步骤如下:(1)分别向7 L去离子水中加入3 889.0 g MgCl26H2O和405.6 g CaCl2置备I号溶液;(2)分别向7 L去离子水中加入486.2 g KCl和140.7 g NaHCO3置备号溶液;(3)将245.34 g NaCl和40.94
10、g Na2SO4充分解于89 L去离子水中,添加200 mL 号溶液搅拌溶解后加入100 mL 号溶液;(4)向溶液中加水至 10 L 后,加入几毫升NaOH溶液调节pH至8.2。试验所用的海水化学成分含量见表1。其中,总 盐 类 含 量 为 3.58%,NaCl 占 盐 类 总 质 量 的68.4%,略低于我国海域海水中NaCl含量。流变测试工况见表2。在泥浆制备后,首先对其进行30 min转速为700 rpm的搅拌,使其均质化,再进行24 h的充分膨表1 试验海水的各化学成分含量Table 1 Content of the chemical compositions of testedse
11、awater化学成分含量/(gL-1)百分比/%NaCl24.5368.4MgCl25.2014.5Na2SO44.0911.4CaCl21.163.2KCl0.6952.0NaHCO30.2010.6表2 流变测试工况Table 2 Rheological test case工况数123456789101112131415161718192021222324工况名称B1-S0-T25B2-S0-T25B3-S0-T25B4-S0-T25B1-S25-T25B2-S25-T25B3-S25-T25B4-S25-T25B1-S25-T50B1-S25-T75B2-S25-T50B2-S25-T7
12、5B3-S25-T50B3-S25-T75B4-S25-T50B4-S25-T75B1-S50-T25B2-S50-T25B3-S50-T25B4-S50-T25B1-S50-T75B2-S50-T75B3-S50-T75B4-S50-T75CMC/g0.2钠基膨润土/g12海水/g02204444去离子水/g8866884444温度/252550755075507550752525252575注:工况名称B1-S0-T25代表膨润土为土样1、海水入侵率为0%,温度为25 C,其他工况同理。化。共制备12种膨润土泥浆,进行20组流变测试。2.2试验装置选用美国博勒飞公司生产的RST软固体流变仪
13、进行泥浆流变测试。该流变仪由3部分组成,分别为流变测试系统、数据收集系统与温度控制系统,如图1所示。流变测试系统使用CCT-40同轴型转子进行流变测试,其转子加载示意图如图2所示。数据收集系统用于收集流变测试数据。温度175海水与高温环境对膨润土泥浆流变特性的影响研究现 代 隧 道 技 术MODERN TUNNELLING TECHNOLOGY第61卷第1期(总第414期),2024年2月出版Vol.61,No.1(Total No.414),Feb.2024图1 博勒飞RST软固体流变仪Fig.1 Brookfield RST Soft Solids Tester Rheometer图2 C
14、CT-40同轴型转子Fig.2 CCT-40 coaxial rotor控制系统用于控制被测浆液的环境温度,其温度控制范围为290 C。在进行流变测试前,为了防止泥浆沉淀带来的影响,对加载方案先设置60 s的1 000 s-1预剪切,再进行180 s的从1 000 s-1减小至0s-1的均匀下降剪切,其剪切历史设置如图3所示。图3 剪切速率设置Fig.3 Shear rate setting3试验结果与分析3.1膨润土泥浆在淡水环境下的流变特性不同膨润土泥浆在淡水环境下(海水入侵率为0%)、温度为25 C时的流变测试结果(工况14)如图4所示。由图4可知,1号泥浆在相同的剪切速率条件下,剪切应
15、力均高于其他3种泥浆。当剪图4 不同膨润土泥浆在淡水环境下的流变测试结果Fig.4 Results of rheological test of different bentonite slurries in fresh water environment切速率小于500 s-1时,在相同剪切速率的条件下,4号泥浆的剪切应力略高于2号泥浆和3号泥浆的剪切应力。此外,在低剪切速率时(小于500 s-1),表观黏度数值的大小排序依次为:1号泥浆4号泥浆2号泥浆3号泥浆;在高剪切速率时(高于500s-1),表观黏度数值的大小排序依次为:1号泥浆2号泥浆3号泥浆4号泥浆。不同膨润土泥浆的流变模型拟合结
16、果见表3,由表3可知,1号泥浆、2号泥浆、4号泥浆均存在一个使其流动的最小剪切应力(屈服应力),数值分别为52.31 Pa、41.91 Pa、39.21 Pa,符合H-B流变模型的流变行为。因此,泥水盾构用膨润土泥浆在淡水环境下是具有良好假塑性流动特性的黏塑性流体,其流动模式更趋向H-B型非牛顿流体模型。176海水与高温环境对膨润土泥浆流变特性的影响研究现 代 隧 道 技 术MODERN TUNNELLING TECHNOLOGYVol.61,No.1(Total No.414),Feb.2024第61卷第1期(总第414期),2024年2月出版表3 不同膨润土泥浆在淡水环境下的流变模型拟合结
17、果Table 3 Results of rheological model fitting of differentbentonite slurries in fresh water environment膨润土泥浆类别B1B2B3B4海水含量/%0温度/25流变方程=52.31+1.240.55=41.91+1.150.58=13.230.39=39.21+1.170.56R20.9970.9970.9960.997流动模型Herschel-Bulkley模型Herschel-Bulkley模型Power law模型Herschel-Bulkley模型3.2海水侵入对膨润土泥浆流变特性的影响
18、为了研究海水泥浆在自重下的保水能力和物理稳定性。对4种海水泥浆(海水侵入率为50%)进行渗出试验和俄罗斯漏斗黏度试验(室温下水的俄罗斯漏斗时间约为15 s)。每种海水泥浆在泌水24 h后的泌水量和沉淀量的结果如图5(a)所示,胶体率和俄罗斯漏斗黏度的实际值如图5(b)所示。从图5可以观察到,4号泥浆在24 h时的胶体率为100%,这表明4号泥浆没有发生泌水现象,并且具有较出色的保水能力和物理稳定性;1号泥浆和 2 号泥浆的 24 h 胶体率分别为 35.2%和34.4%;3号泥浆出现了严重的离析现象,其24 h胶体率为24.8%,俄罗斯漏斗黏度与室温下水的黏度图5 不同海水入侵率下的膨润土泥浆
19、静置24 h后的浆体性质Fig 5 Properties of the bentonite slurry that has experienced 24 h of static state under different seawater intrusion rates非常接近。因此,通常情况下,随着海水的侵入,膨润土泥浆的黏度特性和保水能力均出现不同程度的削弱,并出现泥浆离析现象。各膨润土泥浆在海水入侵率为25%环境下、温度为25 C时的流变测试结果(工况58)如图6所示,不同组分膨润土在海水入侵率为50%环境下、温度为25 C时的流变测试结果(工况1720)如图7所示。由图6可知,当海水入
20、侵率为25%时,在相同的图6 不同膨润土泥浆在海水环境下的流变测试结果(海水入侵率为25%)Fig.6 Results of rheological test of different bentonite slurries in seawater environment(seawater intrusion rate 25%)177海水与高温环境对膨润土泥浆流变特性的影响研究现 代 隧 道 技 术MODERN TUNNELLING TECHNOLOGY第61卷第1期(总第414期),2024年2月出版Vol.61,No.1(Total No.414),Feb.2024图7 不同膨润土泥浆在海水
21、环境下的流变测试结果(海水入侵率50%)Fig.7 Results of rheological test of different bentonite slurries in seawater environment(seawater intrusion rate 50%)剪切速率下,4号泥浆的剪切应力最高,4号泥浆的表观黏度最高;1号泥浆与2号泥浆的剪切应力与表观黏度次之;3号泥浆的剪切应力与表观黏度最低,相较于淡水环境下的泥浆,各种泥浆在相同剪切速率下,剪切应力与表观黏度均有所降低。由图7可知,随着海水入侵率升高至50%,在相同的剪切速率下,海水泥浆剪切应力与表观黏度相较于海水入侵率为2
22、5%时进一步下降,但4号泥浆仍保持较高水平的剪切应力与表观黏度,2号泥浆与3号泥浆的剪切应力与表观黏度较低,基本丧失了幂律流体与屈服性流体的流变特征。因此,随着海水侵入与海水含量的进一步升高,各膨润土泥浆的流变性质均出现了不同程度的劣化,泥浆的流动形式从H-B型流体模型劣化为牛顿流体模型。此外,由图6和图7可知,4号泥浆在海水入侵率为25%与50%时,均符合H-B非牛顿流体的流变行为,仍保持较好的黏性与屈服性;2号泥浆与3号泥浆在高海水入侵率下(海水入侵率为50%),性能劣化严重,近乎丧失非牛顿流体的流变行为,符合牛顿流体的流动形式;1号泥浆在高海水入侵率下(海水入侵率为50%),无幂律流体的
23、流变特征,转化为具有较低屈服应力的宾汉流体。不同膨润土泥浆的屈服应力随海水入侵率的变化如图8所示,泥浆的屈服应力值大小可以代表其性能强弱,是描述泥浆特征的重要参数,通常情况下,泥水盾构所用膨润土泥浆宜具有一定大小的屈服应力。由图8可知,泥浆的屈服应力值随着海水入侵率的增加呈二次函数的形式递减。3.3高温环境对膨润土泥浆流变特性的影响不同膨润土泥浆在50 C高温环境下、海水入侵率为0时的流变测试结果如图9所示,在75 C高图8 不同膨润土泥浆的屈服应力随海水入侵率的变化Fig.8 Variation of yield stress of different bentonite slurriesw
24、ith seawater intrusion rate温环境下、海水入侵率为0时的流变测试结果如图10所示。由图9可知,当环境温度为50 C时,1号泥浆在任意相同剪切速率下的剪切应力与表观黏度均高于其他3种泥浆,即流变性能优于其他3种泥浆。当剪切速率低于700 s-1时,4号泥浆在任意相同剪切速率下的剪切应力与表观黏度均高于2号泥浆;当剪切速率高于700 s-1时,2号泥浆在任意相同剪切速率下的剪切应力与表观黏度均高于4号泥浆。3号泥浆在温度为50 时全剪切速率下的剪切应力与表观黏度最低。由图10可知,当环境温度为75 C时,相较于50 时,各泥浆在任意相同剪切速率下的剪切应力与表观黏度均有所
25、下降,因此膨润土泥浆具有升温变稀特性。此外,75 C下各泥浆的流变性能与50 C下的流变性能变化规律一致。因此,在高温环境下,1号泥浆的流变性能最优,3号泥浆的流变性能最差,2号泥浆的流变性能在高剪切速率下优于4号泥浆,4号泥浆的流变性能在低剪切速178海水与高温环境对膨润土泥浆流变特性的影响研究现 代 隧 道 技 术MODERN TUNNELLING TECHNOLOGYVol.61,No.1(Total No.414),Feb.2024第61卷第1期(总第414期),2024年2月出版率下优于2号泥浆。此外,由图9和图10可知,随着温度的升高,1号泥浆、2号泥浆与4号泥浆仍符合H-B型非牛
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