第四节 混凝土防渗墙护壁泥浆.doc

第四节 护壁泥浆 1 概述1.1 泥浆的定义及组成泥浆是粘土颗粒分散在水中的悬浮液。用于稳定孔壁或槽壁的泥浆叫做护壁泥浆，它是混凝土防渗墙施工不可缺少的介质材料。护壁泥浆一般由水、粘土及化学处理剂组成。泥浆用水有淡水和矿化水，不同的水配成的泥浆具有不同的性能。粘土是泥浆中的主要固相成分，其颗粒粒径大多数小于0.005mm，它具有带电、吸附离子、水化膨胀以及分散或絮凝等性能。常用的膨润土是一种以蒙脱石为主要矿物成分的特殊粘土，它的制浆性能优于其它粘土。加入化学处理剂的目的，是为了改善泥浆的性能，以满足不同工艺的要求。有时为了提高泥浆的比重或防漏失能力，在泥浆中加入重晶石粉、石灰石粉、方铅矿粉、纤维等惰性材料。基础工程用泥浆源于地质钻探和石油钻井用泥浆，故广义的泥浆也称冲洗液，它包括聚合物泥浆、乳化泥浆、植物胶泥浆等特殊泥浆。防渗墙施工用泥浆与地质钻探和石油钻井用泥浆在作用、性能要求及使用条件等方面均不完全相同，故特殊泥浆较少使用。1.2 泥浆的功用泥浆的正确使用和泥浆性能的控制是泥浆护壁挖槽法成败的关键。泥浆的功能主要体现在以下几方面：（1）防止槽壁坍塌。泥浆的浆柱压力可抵抗槽壁上的土压力和水压力，并防止地下水渗入槽内；同时，泥浆渗透到地层中的一定范围，粘结该范围内的地层颗粒，并在槽壁表面形成泥皮。这种双重作用减少了槽壁坍塌的可能性。（2）防止渗漏。防渗墙在施工的过程中，孔内泥浆在浆柱压力的作用下注入地层，堵塞渗漏通道，防止泥浆的大量漏失，使施工能顺利进行。静止状态的泥浆在受压脱水后，具有较高的抗渗性能；防渗墙与两侧的泥皮和泥浆渗入带共同起防渗作用，提高了恼的整体防渗效果。（3）悬浮和携带钻碴，清洗孔底，提高钻进工效，使造孔挖槽施工有效地进行。对于用抽砂筒出碴的冲击钻进，泥浆有悬浮钻碴的作用；对于循环出碴的各种钻进方式，泥浆有携带钻碴和清洗孔底的作用。（4）冷却钻具，防止钻头过早磨损。1.3 泥浆的类型我国混凝土防渗墙施工用护壁泥浆有普通（当地）粘土泥浆（简称“粘土泥浆”）、膨润土泥浆及混合泥浆三种类型。普通粘土泥浆与膨润土泥浆的特性比较见表7-4-1。当所采用的粘土质量不能完全满足要求时，或为了兼顾两者的特性时，可使用掺加部分膨润土的混合泥浆，其特性介于两者之间。表7-4-1 普通粘土泥浆与膨润土泥浆特性比较表项目/类型单 位普通粘土泥浆膨润土泥浆备 注密度（比重）g/cm31.151.25, 较大1.031.10，较小浓度%3245，较大412，较小100ml水中含土量（g）含砂量%5，较大1，较小漏斗粘度s30603060946/1500ml漏斗造浆率m3/t2.63.5，较小725，较大失水量ml/30min2030，较大1020，较小泥皮厚mm24，较厚0.52，较薄悬浮钻碴能力较大较小混凝土转换效果较差较好外观性状天然产状，有结块，含水量较大经过加工的商品，袋装粉末，含水量较低制浆用低速叶片式搅拌机搅拌，搅拌时间长（3045min）用高速搅拌机搅拌，搅拌时间短（37min）使用与管理不便循环使用，耗量大，设备维修及管理工作量大便于循环使用，耗量小，设备维修及管理工作量小价格元/m31030，较低3060，较高膨润土泥浆的密度较小，浇筑混凝土时的置换效果较好，有利于成墙质量，同时也便于泥浆循环使用；故在采用循环出碴方式造孔或用抓斗成槽时，宜优先选用膨润土泥浆。随着施工技术的进步，膨润土泥浆的应用越来越普遍。鉴于水利水电工程经常遇到含有大颗粒漂卵石和严重渗漏地层的情况，以及各施工单位的现有装备水平，粘土泥浆仍然具有一定的实用价值，不会被完全淘汰。粘土泥浆的密度较大，悬浮钻碴和堵漏防塌的能力较强；且料源广，成本低廉。使用常规冲击钻机（抽砂筒出碴）在含有漂卵石的地层中造孔时，宜选用普通粘土泥浆或混合泥浆。为避免密度和粘度过大对混凝土浇筑质量的不利影响，在浇筑前清孔时可换入密度和粘度较小的泥浆。按泥浆中粘土颗粒含量的多少，护壁泥浆还可分为高固相、低固相和无固相三类泥浆。低固相泥浆是指粘土颗粒含量小于10%的泥浆，膨润土泥浆一般在此范围内。无固相的聚合物泥浆在水利水电工程混凝土防渗墙施工中较少使用。1.4 护壁泥浆的必要性质用于混凝土防渗墙施工的护壁泥浆应具备以下基本性质。（1）良好的物理稳定性。泥浆在静置一段时间后，其中的粘土颗粒不会在重力的作用下析水、沉淀的性质，是对护壁泥浆最基本的要求。泥浆表面的析水量越少，其稳定性越好。析水量大的泥浆是没有护壁作用的。（2）良好的化学稳定性。泥浆在使用的过程中，环境中的阳离子等会使泥浆的性质逐渐发生变化，即从悬浮分散状态向凝集状态转化。这种影响发展到一定的程度，泥浆就会脱水絮凝，失去护壁作用。泥浆抵抗化学侵蚀的能力越强，重复使用的时间越长，则其化学稳定性越好。（3）适当的密度（比重）。泥浆的密度大有利于孔壁稳定和悬浮钻碴；但不利于混凝土浇筑质量，并要求有较大的泵送能力，动力和材料消耗较多。泥浆的密度应根据地质条件、施工阶段和施工经验确定，不宜过大或过小。松散易塌地层和造孔阶段宜使用密度较大的泥浆；密实稳定地层和清孔时宜使用密度较小的泥浆。（4）适当的粘度。粘度是流体内部阻碍其相对流动的一种特性。粘度的作用和影响与密度类似，两者密切相关，同类泥浆一般粘度随密度的加大而加大。粘度大则护壁、防渗、堵漏以及悬浮、携带的能力强；过大则输送和混凝土置换困难。（5）良好的触变性。触变性是指泥浆、水泥浆等塑性流体搅拌后变稀（静切力降低），静置后变稠（静切力升高）的特性。触变性好的泥浆，在静止时有较强的护壁能力，在流动时泵送阻力较小，有利于孔壁稳定和提高施工效率。（6）较好的滤失性。孔内泥浆在向周围地层渗透的过程中，相同体积的泥浆在相同的压力差作用下，经过相同的时间，失水量较小且形成的泥皮薄而致密，则其滤失性较好。膨润土泥浆的滤失性一般要优于普通粘土泥浆。（7）较小的含砂量。砂是泥浆中的惰性有害物质。含砂量高会给泥浆性能和成墙质量带来多种不利影响；故必须将泥浆的含砂量控制在一定的范围内。1.5 泥浆的使用方法混凝土防渗墙在造孔挖槽和清孔换浆时，必须依靠泥浆将钻碴带出孔外。根据成槽和清孔的不同方法，泥浆的使用方法大致可分为静止和循环两种方式。循环方式按孔内泥浆流动的方向又可分为正循环和反循环；其中，按抽吸孔底泥浆的设备和原理不同，又可分为泵吸反循环、气举反循环和射流反循环三种工作方式。1.5.1静止方式静止方式是指在出碴过程中泥浆本身并不流动，孔底含碴泥浆被造孔挖槽工具一起提出孔外，随着孔深的增加和泥浆的消耗不断向孔内补充新鲜泥浆的工作方式。排出的泥浆一般不作净化处理和重复使用。抓斗挖槽和冲击钻机造孔、抽砂筒出碴均属于泥浆静止工作方式；不同的是抽砂筒出碴的泥浆耗量较大，而抓斗挖槽的泥浆耗量较小。1.5.2 循环方式循环方式是指在造孔挖槽过程中，依靠不断循环流动的泥浆将孔底钻碴携出孔外，并随着孔深的增加不断向孔内补充新鲜泥浆的工作方式。返回的含碴泥浆一般经过净化处理后重复使用。通过钻杆或适浆管把泥浆压送到孔底，含碴泥浆在管外上升，把钻碴携出地面的工作方式称正循环。泥浆从排碴管外流入槽内，孔底含碴泥浆通过排碴管被抽吸到地面上来的工作方式称反循环。泥浆的携碴能力和排碴效率除与泥浆本身的性质有关外，还与泥浆的流速有关；流速越大，携带碴土的粒径越大。由于反循环是通过排碴管排碴，其过流面积远小于管外的单孔或槽孔，故其排碴流速和排碴能力比正循环要大得多。混凝土防渗墙施工除在细颗粒地层中建造薄型防渗墙外，一般不采用正循环工作方式。泵吸反循环在孔深较小时效率较高，适用深度一般在50m以内。气举反循环在孔深较大时效率较高，适用深度一般在30m以上。射流反循环的效率较低，很少采用。2 泥浆的性能与测试方法2.1 泥浆的性能指标2.1.1 泥浆性能指标的种类泥浆的性能指标可分成以下几类：（1）流动特性指标。属于这方面的指标有：漏斗粘度（F.V）；表观粘度（A.V）；塑性粘度（P.V）；静切力（凝胶强度）（G.S）；动切力（屈服值）（Y.V）。（2）稳定性指标。属于这方面的指标有：胶体率（泌水性）；稳定性（上下比重差）；化学稳定性。（3）失水和造壁性指标。属于这方面的指标有：失水量（F.L）；渗失量（K）；泥皮（饼）厚度（F.C）。（4）其他性能指标：密度（比重）；含砂量；pH值。2.1.2 泥浆性能指标的定义（1）相对密度。泥浆的相对密度是指泥浆的重量与4时同体积淡水重量之比，常用符号“”表示，无量纲（没有单位）。实际工作中，相对密度简称“密度”或俗称“比重”。泥浆的密度随着配制浓度的增加而加大。泥浆浓度是指每100ml水中所含粘土颗粒的质量（g）。（2）粘度。粘度表示泥浆流动时内部各流层之间摩擦阻力的大小。通常所说的“粘度”是指用漏斗粘度计测定的粘度值，常用符号“”表示，单位为“秒”（s）。同一泥浆使用的测量仪器、方法不同，粘度的测值也不相同。（3）含砂量。含砂量是指泥浆中大于74m的非粘性砂粒所占泥浆体积的百分比。实际测值中包括未搅拌开的粘土粗颗粒。（4）胶体率。胶体率是指泥浆静置24h后，表面析水量所占泥浆体积的百分比。胶体率可粗略地表示泥浆中粘土颗粒的分散和水化程度。（5）稳定性。稳定性是指同一容器中的泥浆静置24h后，上半部分泥浆与下半部分泥浆的密度（比重）差。稳定性测值是泥浆沉降稳定性和絮凝稳定性的综合体现。沉降稳定性是指泥浆中的粘土颗粒在重力的作用下是否容易沉淀的性质。絮凝稳定性是指泥浆中的粘土颗粒受阳离子侵蚀后是否容易降低分散性、相互粘结变大的性质。（6）失水量、泥皮（饼）厚。在泥浆的过滤试验中，一定体积的泥浆在一定的压力作用下，通过一定面积的过滤材料，在30min时间内滤失的水量称为失水量，以ml为单位。在同一试验中，附着在过滤材料上的失水粘土颗粒聚集层的厚度称为泥皮（饼）厚，以mm为单位。失水量是体现孔内泥浆在压力差的作用下向四周地层渗透的过程中，其中的自由水滤失量大小的性能指标。泥皮（饼）厚是衡量泥浆造壁性能的指标。（7）pH值。pH值是衡量泥浆酸碱度的指标。pH值共分为14级，16级为酸性，7级为中性，814级为碱性。当pH值为1时，酸性最强；当pH值为14时，碱性最强。酸碱度（pH值）是泥浆性质的综合指标，一般应呈碱性，至少是中性。2.1.3 泥浆的流变特性流变性是与液体流动和变形有关的特性。泥浆的流变特性对混凝土防渗墙施工的造孔效率、孔壁稳定和成墙质量有直接的影响。液体在一定的外力和边界的作用下，其内部各点会发生相对位移，从而引起液体的流动或变形。按流变特性的不同，大致可以分为牛顿流体和塑性流体两类流体。牛顿流体是指其变形或流动与作用力的大小成正比，且相关直线通过坐标原点的流体，如水、甘油等。塑性流体是指作用力较小时不会流动，作用力超过一定数值后才开始流动，其流速梯度随剪应力的增加而增加，即du/dy关系曲线不通过坐标原点的流体。理想的塑性流体是完全直线型的，也称宾汉流体。泥浆、水泥浆等具有塑性流体的流动特性。两类流体的流动特性如图7-4-1所示。O流速梯度 du/dy剪应力 宾汉流体塑性流体牛顿流体图7-4-1 流体的流变特性O流速梯度 du/dy剪应力 图7-4-2 塑性流体的流变特性BCAY下面用图7-4-2说明泥浆四项流变特性指标的含义。（1）塑性粘度（P.V）在图7-4-2中，剪应力与流速梯度关系曲线的直线段CA的斜率称为塑性粘度。塑性粘度表示泥浆、水泥浆等具有结构的塑性流体的实际粘度，它是决定于流体本身性质的某一定值，与流动状态无关。塑性粘度的大小取决于流体中固体颗粒之间的磨擦、固体颗粒与液相之间的摩擦、液体本身对流动的阻抗等因素。如果泥浆中的固体成分增多，摩擦力就增大，塑性粘度也随之提高。塑性粘度的单位为厘泊（cP），量纲为mPas。（2）表观粘度（A.V）在图7-4-2中，原点O与实线BA上的任意一点连接起来的直线OC的斜率称为表观粘度。表观粘度又称有效粘度或视在粘度，是泥浆外观上的粘度，其数值等于塑性粘度与动切力的和。它不仅取决于泥浆本身的性质，还随着流动状态的变化而变化，并与测量仪器和测量方法有关。表观粘度在开始流动时较大，随着流速的加快而减小，并接近于某一个数值。为了便于测量，基础工程施工用泥浆主要使用表观粘度作为判断标准。当用旋转粘度计测量时，其单位为厘泊（cP）；当用漏斗粘度计测量时，单位为秒（s）。 漏斗粘度（F.V）的测量方法较简单，适合于现场测定；但在粘度较高的情况下，其测值不准确。（3）静切力（凝胶强度）（G.S）在图7-4-2中，du/dy关系曲线起点（B点）的值表示破坏泥浆中单位面积上的网状结构，使泥浆开始流动所需要的最低切应力；此极限切力简称静切力，用表示，单位为Pa（N/m2）。泥浆触变性的大小，过去是以静置1min（初切）和10min（终切）的静切力来表示；现在按照国际上通用的标准，是以静置10s和10min的静切力来表示。（4）动切力（屈服值）（Y .V）动切力是泥浆在流动状态下，为保持流动所需要的最小切应力。在数值上它等于图7-4-2中流变曲线（du/dy）直线段CA的反向延长线与轴交点（Y点）数值的3/4，单位为Pa。切力低于此数值泥浆不能保持流动状态。综上所述，泥浆启动的阻力是静切力；泥浆流动时的阻力由动切力和塑性粘度两部分组成，其基底部分是动切力。由此可见，在施工中应将泥浆的动、静切力控制在适当范围。切力过大，则起动泵压高，流动阻力大，耗费动力多，砂子不易沉淀，泥浆净化困难；切力过小，则泥浆固壁和携带钻碴的效果不好。漏斗粘度是体现泥浆流动特性的综合指标，所以它是施工各阶段和日常质控的必测项目。2.1.4 泥浆性能指标的确定泥浆的性能指标应根据地质条件确定；不同施工阶段对泥浆性能的要求不尽相同，测定的项目也有所不同。泥浆性能指标的测定项目和控制范围参见表7-4-2、表7-4-3和表7-4-4。表7-4-2 各施工阶段泥浆性能的测定项目泥浆种类阶 段粘 土 泥 浆膨 润 土 泥 浆鉴定土料造浆性能密度、漏斗粘度、含砂量、胶体率、稳定性密度、漏斗粘度、稳定性、失水量、静切力、塑性粘度确定、校验泥浆配合比密度、漏斗粘度、含砂量、胶体率、稳定性、失水量、泥饼厚度、静切力、pH值密度、漏斗粘度、稳定性、失水量、泥饼厚度、静切力、pH值施工中日常质控密度、漏斗粘度、含砂量密度、漏斗粘度、含砂量表7-4-3 粘土泥浆性能指标项 目单 位新制泥浆造孔时孔内泥浆清孔用浆砼浇筑前孔底泥浆备 注一般地层松散地层相对密度（比重）1.151.201.201.251.301.201.31002型比重称漏斗粘度s18282545204518231830500/700ml漏斗含砂量%558510胶体率%96969596稳定性0.030.030.040.03上、下比重差失水量ml/30min303050301009型失水仪泥饼厚mm44641009型失水仪10min静切力Pa2.05.04.010.02.512.01.54.0旋转粘度计pH值71081079811表7-4-4 膨润土泥浆性能指标项 目单 位新制泥浆重复使用清孔用浆砼浇筑前孔底泥浆备 注一般地层松散地层相对密度（比重）1.031.071.061.101.201.051.151002型比重称漏斗粘度s32504560326032383245946/1500ml漏斗含砂量%11514胶体率%98989598稳定性0.010.010.020.01上、下比重差失水量ml/30min30305030ZNS型失水仪泥饼厚mm3353ZNS型失水仪塑性粘度cP（mPas）820163040820旋转粘度计10min静切力Pa（N/m2）1.04.03.08.01.510.01.03.0旋转粘度计pH值7.5118117.5117.511一个工程的地基往往是由多种不同性质的地层组成，泥浆性能指标的选择应以主要地层为准。对于次要地层或特殊地层，一般在钻进过程中采取其它措施调整。2.2 泥浆性能的测定方法2.2.1 密度测定泥浆的密度一般用专用的泥浆密度计（比重称）测定；也可在测定体积和质量后计算其密度。图7-4-3是1002型泥浆密度计，它由支座、泥浆杯、称杆、游码平衡容器等部件组成；其测量范围为0.95 g/cm32.00g/cm3，秤杆上的刻度每小格表示0.01g/cm3。 图7-4-3 1002型泥浆密度计1-泥浆杯；2-泥浆杯盖；3-游码；4-标尺；5-平衡容器；6-刀口；7-刀架；8-底座；9-水平泡 测量泥浆密度时，首先要用清水对仪器进行验证，即将泥浆杯内注满清水，游码左侧对准1.0刻度线，秤杆水平气泡应保持居中。否则，应通过增减调平容器里的金属粒校准。然后将待测泥浆注满泥浆杯，盖上杯盖使多余的泥浆从杯盖中心孔溢出，擦干外表，将秤秆刀口对准刀架放好，移动游码，使水平泡居中，读出游码左侧的刻度，即为泥浆的密度值，单位为g/cm3。2.2.2漏斗粘度测定 测量漏斗粘度（FV）的仪器有两种（图7-4-4），一种是我国目前岩芯钻探和混凝土防渗墙施工中广泛使用的1006型漏斗粘度计（苏式漏斗粘度计）；另一种是美国石油协会（API）规定的马氏（Mach）漏斗粘度计。两种漏斗的容积不同，测得的数据不同。本节中所指粘度凡未注明者，均系1006型漏斗粘度。使用1006型漏斗测量时，用量杯往漏斗中注入700ml泥浆，用秒表测量从漏斗下口中流出500ml泥浆的时间，单位为s，即为泥浆的漏斗粘度。仪器使用前用清水校正，清水的漏斗粘度为15s，如有误差，按下式修正，误差过大的仪器不能使用。图7-4-4 1006型漏斗粘度计（左）和马氏漏斗粘度计(右)(单位：mm)1-漏斗；2-管子；3-量杯；4-筛网 用马氏漏斗测量时，往漏斗中注入1500mL泥浆，经漏斗下口流出946mL的时间即为泥浆的马氏漏斗粘度。清水流出的时间应为26s0.5s。 我国混凝土防渗墙施工过去多使用粘土泥浆，用500/700mL漏斗测量泥浆的粘度。为了利用以往积累的经验，现行的混凝土防渗墙施工规范中仍然采用500/700mL漏斗粘度作为粘土泥浆的控制指标；对于应用逐渐增多的膨润土泥浆，则采用国际上通用的马氏漏斗粘度作为控制指标。500/700mL漏斗粘度与946/1500mL漏斗粘度之间没有一定的对照关系，表7-4-5列出了各种密度的粘土浆和膨润土浆的1006型漏斗粘度和相对应的马式漏斗粘度的参照值。表7-4-5 1006型漏斗粘度与马氏漏斗粘度的对照关系参考值粘 土 泥 浆膨 润 土 泥 浆密度(g/m3)1006漏斗粘度(s)马氏漏斗粘度(s)密度(g/m3)1006漏斗粘度(s)马氏漏斗粘度(s)1.2239521.1162771.2027401.1037511.1822381.0928411.1620371.0823361.1419331.0721321.1217291.0619301.1016271.051828 2.2.3 含砂量测定 测定含砂量的方法有筛析法和沉淀法两种方法。用筛析法测量含砂量（Cs）的仪器，见图7-4-5。仪器的过滤筒中装有200目/in（80孔/cm）的滤网；玻璃量筒用来计量泥浆体积和砂粒体积，直径约45mm, 最大容积200mL底部细长，容积为5mL，最大分值为0.2mL。 测定方法是：将20mL40mL泥浆装入量筒中，用160mL清水稀释后再转移到过滤筒内用水冲洗，直至水清为止，并用毛刷将小泥团弄碎；再把漏斗套在过滤筒上，慢慢翻转过来插入玻璃量筒，用清水将筛网上的砂粒全部冲到玻璃量筒内；待砂粒全部沉淀后，读出其体积，按下式计算含砂量。 含砂量（Cs） （7-4-2）用沉淀法测量含砂量的仪器如图7-4-6所示。测试时取50mL泥浆和450mL清水注入含砂量测定杯内，充分摇晃混合均匀，静置1min后，从仪器下端刻度线上读出砂子的体积数，试验读数乘以2即为所测泥浆的含砂量，以%表示。使用这种仪器时，往往有许多未分 图7-4-5 ZNH型泥浆含砂量测定仪 1-过滤筒；2-滤网；3-漏斗；4-玻璃量筒图7-4-6 含砂量测定杯(单位：mm)散的泥团与沙子一起沉淀，影响了测量的准确性。2.2.4 胶体率测定 胶体率的测量方法为：将100mL搅拌均匀的泥浆倒入100mL之玻璃量筒中，盖上玻璃板，静置24h后，读出量筒上部泥浆析出的清水量，按下式计算胶体率，以%表示。 胶体率（%）=100清水量（mL） (7-4-3) 若量筒上部无清水，则该泥浆的胶体率为100% 。 2.2.5 稳定性测定 泥浆的稳定性可用专用稳定仪测定，也可普通的1000mL玻璃量筒测定。 稳定仪是一个在中部和下部装有出水口和阀门的特制量筒。将搅拌均匀的泥浆置于其中，静置24h后，将稳定仪中部阀门打开，放出上半部的泥浆，测出其密度。再从下阀门放出下部的泥浆，测出其密度。下部与上部泥浆的相对密度差即为泥浆的稳定性测值，以无量纲数值表示。用1000mL量筒测定时，稳定性测值为上、下部各500mL泥浆的相对密度差。重复试验一次，两次试验的误差应不超过0.03，否则进行第三次测定。 2.2.6 失水量和泥皮厚度测定泥浆的失水量和泥皮厚度的测定在同一测试仪器中同时进行。以往大多使用1009型重锤式泥浆失水量测定仪测定；现在膨润土泥浆一般是采用符合API标准的ZNS型气压式泥浆失水量仪测定。两种试验方法所用的仪器和压力均不相同，试验结果也不会相同（浓度6%9%、加碱率为4.5%3.5%的湖南澧县膨润土泥浆30min失水量气压法的实测值为1312mL,油压法的实测值为10.59.0mL,相差2.53.0mL）；因此，不同的试验方法应采用不同的检测标准。对于粘土泥浆，在制定新标准之前，宜继续沿用1009型泥浆失水量测定仪。1009型泥浆失水量测定仪的构造如图7-4-7所示。加压重锤质量为2kg，柱塞截面积为2cm2，工作压力为0.1MPa，柱塞行程全长100mm，滤板直径53mm。试验时将两张7cm中速滤纸润湿后贴在滤板上，装好泥浆罐，向泥浆罐中注入约120mL泥浆，将机油注入柱塞筒内，使油面距套筒的顶端约1cm。将加压重锤套在柱塞上，调整放油螺丝使重锤上的刻度标尺对齐“0”位；然后松开仪器底部的顶杆，使放水阀门打开，并同时启动计时器，计时至30min时，刻度标尺上的读数即为失水量的测定值（mL）。若测试前刻度零线低于指示线，且在10cm3以内，则仍可继续试验，但测定结果应减去指示线与刻度零线之间相差的数值。 图7-4-7 1009型泥浆失水量测定仪1-加压重锤；2-柱塞套筒；3-放油螺丝；4-泥浆罐；5-滤板；6-胶垫板；7-下壳；8-顶杆；9-支架；10-机油；11-泥浆；12-泥皮当不要求试验结果十分精确时，为了缩短时间，一般可只测定7.5min时间的失水量，然后乘以2就是30min的失水量，因为失水量与时间的平方根接近成正比。即： (7-4-4)式中：Q1标准测定时间的失水量，mL；Q2实际测定时间的失水量，mL；t1标准测定时间，min；t2实际测定时间，min。如果所测泥浆的失水量超过了仪器的测量范围，也可采用此办法用较短时间的失水量测值按7-4-4式求出30min的失水量值。失水量试验完毕后，从滤板上将滤纸和泥饼一起揭起，用水轻轻冲洗泥饼上的浮泥，再用游标卡尺量出泥饼的厚度，精确到0.1mm。若测定的时间是7.5min，则泥饼的厚度应乘以2。使用“硬的”、“软的”、“韧性的”、“致密的”、“疏松的”“薄膜状的”等文字对泥饼质量作说明。 ZNS型气压式泥浆失水量测定仪的结构如图7-4-8所示，主要包括一个内径为76.2mm，高度至少为64.0mm的筒形泥浆盒，其顶部能很方便地使用压缩气体进行加压和卸压。压力盒底部的支撑板上放置直径90mm的滤纸，过滤面积为4530mm2，支撑板下有滴水管可将滤液排入量筒中。气源可用打气筒、气瓶、气泵、气弹等，工作压力为0.7MPa。图7-4-8 ZNS型气压失水仪120mL量筒；2泥浆杯；3放空阀；4输气部件；5、9气压表；6减压阀；7进气胶管；8打气筒；10储气缸 试验方法与步骤如下：将泥浆样品注入泥浆杯中，浆液面至顶部距离小于13mm；放好O型密封圈和一张滤纸，旋紧杯盖后装在放气阀上，在滴水管下方放置20mL量筒接收滤液；关闭放气阀和减压阀，连接气源并向高压室充气，当压力表显示压力为0.73MPa时停止充气；顺时针方向旋转调压手柄开启减压阀，使高压室气体进入低压室，将压力调整到0.7MPa；从第一滴水流出时开始计时，30min后关闭减压阀，打开放气阀，记录量筒中的滤出水量（精确到0.1mL）。这种方法也可用7.5min的测试结果换算成30min的失水量；但当7.5min的失水量小于8mL时，应继续测量30min的失水量。2.2.7 流变性测定（1）用旋转粘度计测定泥浆的表观粘度、塑性粘度、动切力、静切力等流变性指标可用ZNN-D6型旋转粘度计测量。其他型号的同类仪器有ZNN-D1型、ZNN-D2型等。ZNN-D6型旋转粘度计的结构如图7-4-9所示，其测量范围为：粘度：牛顿流体 0300mPas ; 非牛顿流体 0150 mPas 剪应力：0153.3Pa旋转粘度计的工作原理是：电动机带动外筒以一定速度旋转，扭矩通过流体的内摩擦力传到静止的内悬柱上，使内悬柱旋转一定角度，同时通过扭力弹簧与内悬柱相连的读数盘指示出扭转角。它反映了液体在某一剪切速率下承受的剪切应力的大小。（见图7-4-10） 图7-4-9 电动六速旋转粘度计 图7-4-10 旋转粘度计工作原理图 1-底座；2-开关；3-电机；4-支架；5- 1-外转筒；2-内悬柱；3-流体；4-泥浆杯 变速手柄；6-测量部分；7-读数窗；8 外筒； 9-泥浆杯；10-托盘；11-指示灯旋转粘度计的转速有3、6、100、200、300、600r/min等六个档次，分别测定内悬柱在各种转速下的扭转角，然后根据测定结果用下列各式计算流变性指标的数值。塑性粘度（P.V）：P =600300（mPas） （7-4-5）表观粘度（视粘度）（A.V）：A =600（mPas） （7-4-6）动切力（屈服值）（Y.V）：d =0.511(300P) （Pa） （7-4-7）静切力（凝胶强度）（G.S）：1 =0.5113（Pa） （7-4-8） 10 =0.5113（Pa） （7-4-9）式中：1初切力（10s或1min的静切力） 10终切力（10minr 静切力） 600、300、3分别为600、300、3 r/min时仪器刻度盘的读数。 过去一般采用泥浆静止1min和10min后测定的静切力分别作为初切力和终切力的标准，现在按API标准，普遍采用泥浆静止10s和10min后测定的静切力分别作为初切力和终切力的标准；式（7-4-8）中的1适用于这两种情况。操作要点及注意事项：试验前检查刻度盘上的指针是否对准“0”，如未对准应进行调整。泥浆杯内的泥浆应加至刻度线处（约350mL）；调整托盘高度，使泥浆面与外筒上的刻度线对齐。若使用其他样品杯，杯底与外筒之间的距离不得小于1.3cm。即时变换转速，迅速由高速至低速进行测试，分别记录各转速下的读数，转速为600r/min和300r/min时应取最小读数。测定泥浆静切力的方法。先用600r/min的转速搅拌泥浆1min，静置10s（或1min）后以3r/min的转速测试其初切力，再静置10min后同样以3r/min的转速测试其终切力，每次均读取最大读数。（2）用1007型泥浆静切力计测定泥浆的静切力还可用1007型泥浆静切力计测定，该仪器的结构见图7-4-10，测量范围见表7-4-6。图7-4-11 1007型泥浆静切力计1-悬柱体；2-钢丝；3-布芯；4-支柱；5-泥浆筒6-转盘；7-轴承；8-电动机；9-弹簧圈；10-底盘；11-刻度盘；12-标线架；13-量勺1007型泥浆静切力计的工作原理是：电动机带动泥浆筒旋转，在泥浆切力的作用下内悬柱和连接在内悬柱上部的刻度盘也随之转动；同时，一端与内悬柱相连另一端固定在支架顶部的钢丝受扭；当钢丝的扭矩与泥浆的切力平衡时，内悬柱的转角达到最大值。根据已知的钢丝单位转角力矩即可计算出泥浆的切力。表7-4-6 1007型泥浆静切力计的测量范围钢丝编号钢丝直径（mm）钢丝系数C（Pa/1）测量范围（Pa）1、20.30.029430.0392403.9243、40.40.107910.1177209.815、60.50.284490.2943019.62 用1007型静切力测定仪测定泥浆静切力按下述方法操作：选择好钢丝（先选取粗的后选细的），其一端固定在悬柱体裁上。将悬柱体挂在支架上，钢丝的另一端与支架固定，调好中心，使之与外转筒同心，指针对正刻度盘零位。将要测试的泥浆搅拌均匀后，取120mL倒进泥浆筒里，泥浆面应与内悬柱顶面齐平。把悬柱体扭转6070，利用钢丝的扭力再把泥浆搅动10s，停止后，开动秒表记录时间，并同时记下刻度盘上的起始度数0。在泥浆恰好静置1min（或10s）时，开动电动机带动泥浆筒转动，读出悬柱体随着转动时刻度盘所示的最大转角值1。在泥浆静置10min时，再起动电动机，读出刻度盘上的最大转角10，按下式计算泥浆的静切力： 1 = C（10） (7-4-10) 10 = C（100） (7-4-11)式中：1泥浆静止1min（或10s）时的静切力（初切力）（Pa）；10泥浆静止10min时的静切力（终切力）（Pa）；C钢丝的刚性系数(9.8110-2Pa/1)；0转动角度的起始读数（）；1泥浆静止1min（或10s）后再启动时刻度盘转动的最大角度（）。10泥浆静止10min后再启动时刻度盘的最大转角（）。 由泥浆的1min和10min的静切力可以得到泥浆的触变性（Sn），即 (7-4-12)式中：Sn泥浆的触变性（Pa）；1、10意义同前。用旋转粘度计测得泥浆的表观粘度和用漏斗粘度计测得的漏斗粘度之间没有的固定的比例关系。表7-4-7是煤矿行业根据一些实例整理得出的近似关系。可供参考。表7-4-7 漏斗与旋转粘度计测值的近似关系漏斗粘度(s)17192022232526282931323435373840414344464750表观粘度(mPas)23467910121314151617181920212223242527 2.2.8 泥浆的pH值测定 测试泥浆的pH值常用试纸比较法。取一条pH试纸浸入失水仪滤过的水或泥浆的液面，半分钟后取出与标准色比较，同色的标准pH值即为泥浆的pH值。如果试纸的颜色在两种标准颜色中间，则取其中间值。3 制浆材料3.1制浆粘土泥浆是粘土颗粒（小于2m）分散在水中所形成的溶胶悬浮体系。粘土的性质对泥浆的性能及化学处理效果均有直接的影响。这里所说的粘土是广义的粘土，包括普通粘土和膨润土。3.1.1 粘土的成分和粘土矿物（1）粘土的成分粘土的主要成分是粘土矿物（含水的铝硅酸盐）；此外，还有不定量的非粘土矿物（如石英、长石等）和少量的有机物及可溶性盐类（如碳酸盐、硫酸盐、硅酸盐、氯化物等）。（2）粘土矿物大多数粘土是多种矿物的混合物。各种粘土矿物虽然单位晶层的叠置方式不同；但其化学组成却基本相同，它们均属于含水铝硅酸盐。不同类型的粘土矿物，其化学成分不同，氧化硅含量较高的粘土矿物造浆性能较好；蒙脱石的氧化硅含量大于高岭石和伊利石。一般要求粘土化学成分的克分子比为：SiO2/(Al2O3+Fe2O3)=34。粘土矿物按构造特点分类的情况见表7-4-8。表7-4-8 粘土矿物的分类序号构造类型粘土矿物族粘 土 矿 物1两层构造的铝硅酸盐高岭石族高岭石、地开石、珍珠陶土等2埃洛石族埃洛石等4三层构造的铝硅酸盐蒙脱石族蒙脱石、拜耒石、囊脱石、皂石等5水云母族伊利石、海绿石等6混合层构造的铝硅酸盐绿泥石族等各种绿泥石等7链状构造的铝硅酸盐海泡石族海泡石、凹凸棒石、坡缕缟石等常见的粘土矿物有高岭石、蒙脱石、伊利石三种，它们的化学组成见表7-4-9，构造及特性见表7-4-10。表7-4-9 几种主要粘土矿物的化学组成矿物名称化 学 组 成高岭石Al4Si4O10OH8或2Al2 O3 4SiO2 4H2O 蒙脱石（Al2，Mg3）Si4O10OH2 nH2O伊利石K1Al2(Si，Al)4O10OH2 nH2O表7-4-10 粘土矿物晶体构造和物理化学特性表矿物名称晶格结构晶格间距（A）晶层排列情况层间引力颗粒大小阳离子交换容量（m mol/100g土）膨胀（%）比重高岭石117.2OH层与O层相接有氢键，引力强大31552.582.61蒙脱石219.621.4O层与O层相接分子间引力弱小80150901002.352.74伊利石2110.0O层与O层相接中间有K+引力较强中10402.52.652.69几种主要粘土矿物的特性分述如下：高岭石高岭石的每个构造单位由一个硅氧四面体晶片和一个铝氧八面体晶片组成（11型），呈六角形鳞片状结构，克分子比SiO2/(Al2O3+Fe2O3)=2。其特点是晶胞之间连接紧密，晶格底面间距小，仅为7.2 A（1A=10-8cm），分散度较低，小于2m的颗粒含量多在10%40%间，结构稳定，阳离子交换容量小，几乎不存在晶格中的离子取代现象。水分不容易进入晶层间，为非膨胀型粘土矿物，水化能力差，造浆性能不好。蒙脱石蒙脱石的每个构造单位由二层硅氧四面体和夹在它们中间的一层铝氧八面体组成（21型），克分子比SiO2/(Al2O3+Fe2O3)=4。其特点是晶格间连接不紧密，水分子容易进入两个晶胞之间；各晶胞能吸附水分子和阳离子，水分的吸附量与吸附的阳离子种类有关；吸水后晶格的间距加大，体积发生膨胀。蒙脱石由于晶格取代作用，晶胞常带有负电性；因此具有较强的水化能力和离子交换能力，在水中的分散性较好，所制泥浆的稳定性也相应较好，同时也便于用化学处理剂调整其性能。伊利石伊利石矿物的晶体构造与蒙脱石相类似；不同之点在于其硅氧四面体中有较多的硅被铝所代替，所缺的正电荷由处在相邻两个硅氧层之间的钾离子补偿。由于钾离子存在于晶层间，并进入相邻氧层的空穴中，使各晶胞间拉得很紧，成为一个相当牢固的结构形式，水分子不易进入层间；因此它不是易膨胀的粘土矿物，所制泥浆的分散性和稳定性不好。3.1.2 粘土的吸附性能粘土颗粒表面浓集处理剂分子（或离子）的现象称作粘土的吸附。通过吸附作用，可改变粘土颗粒表面的性质，从而改进泥浆的性能。各种盐类侵入损害泥浆性能，也是这个过程。泥浆中粘土的吸附性能根据原因不同，可分为物理吸附和离子交换吸附。（1）物理吸附物理吸附是分子间力的作用而产生的吸附。物理吸附现象是由于表面分子具有表面能而引起的；比表面积越大，吸附性越强。由于粘土在泥浆中的分散度很高，比表面积很大，所以吸附现象很明显。为了改善泥浆的性能，加入各种处理剂多数是利用这种作用。物理吸附是可逆的，在一定的温度、浓度条件下呈动态平衡。（2）离子交换吸附粘土颗粒吸附的离子与溶液中的离子之间所进行的当量交换作用，即为粘土的离子交换吸附。例如在钠基泥浆中加入石灰，泥浆的性能发生变化，就是由于粘土颗粒吸附的Na+被Ca+所取代。由于粘土矿物通常是带负电荷的，所以一般只在阳离子之间发生交换；而且是等电量的交换，如一个Ca+和二个Na+互相交换。离子交换吸附的反应是可逆的，吸附和脱附的速度受离子浓度的影响。当钠基泥浆中的Ca+浓度增加时，部分粘土颗粒表面吸附的Na+便被Ca+替换，使泥浆的性能变坏。这时如果加入纯碱增加钠离子的浓度，Na+又能把部分Ca+交换下来，从而泥浆的性能又得到改善。粘土的阳离子交换容量是指在pH值为7的条件下，粘土所能吸附的阳离子总量，数值以每100克土所吸附的毫克当量数来表示。影响阳离子交换容量大小有三方面的因素：粘土矿物的本性；粘土的分散程度；溶液的酸碱条件。引起粘土阳离子交换吸附的电荷中，以晶格取代所占的比重最大；因此，晶格取代越多的粘土矿物，它的交换容量也越大。高岭石无晶格取代现象，故交换容量最小。蒙脱石和伊利石都有晶格取代现象，但由于晶体结构不同，蒙脱石的交换容量要大大高于伊利石（见表7-4-10）。粘土颗粒的分散程度越高，其阳离子交换容量也越大，但蒙脱石受粘土分散度的影响较小。在粘土矿物和分散度相同的情况下，在碱性环境中，阳离子交换容量增大，其中对高岭石矿物的影响尤为明显。3.1.3 粘土的水化作用粘土的水化作用是影响泥浆性能的重要因素。在粘土矿物中除含有化学结合水（晶格水）外，由于电荷作用，在其表面还有以水化膜形式存在的吸附水。吸附水在物理性质上与粘土颗粒之间的自由水不同，它失去了自由运动的能力。粘土的水化作用分为两个阶段，第一阶段是被粘土吸附的阳离子的水化，第二阶段是粘土矿物晶体层面的水化。在第一阶段，由于粘土颗粒通常带有负电荷，某些水化阳离子被吸附到粘土颗粒表面上，便给粘土颗粒带来了吸附水化膜。粘土颗粒吸附的阳离子不同，形成的水化膜厚度也不同。钠蒙脱石的水化作用强于钙蒙脱石，是因为Na+与Ca+的半径相近，而Ca+的电荷比Na+多一倍，故Na+的数目比Ca+约多一倍，因此钠蒙脱石的水化膜较厚。在第二阶段，水分子沿粘土矿物晶体层面进入结构中，使相邻的片状体分开，层间距离增加，从而引起体积膨胀。不同的粘土矿物，因其结晶构造不同，水化作用也有很大的差异。蒙脱石