泥浆性能指标要求的探讨
摘 要 介绍了钻探泥浆的性能指标及要求，指出《建筑桩基技术规范》(JGJ94-94)6.3中泥浆性能指标存在的问题，提出解决的意见。
关键词 钻探泥浆 建筑桩基技术规范 泥浆性能指标
钻探泥浆是由粘土、水和处理剂组成的介于胶体和悬浮体之间的分散体系。在不同的钻探领域，钻探泥浆的功能不同，对其性能指标要求也不同。在钻孔灌柱桩成孔钻进中，泥浆具有冷却钻具、携带钻屑、平衡地层压力、稳定孔壁及润滑钻具等功能，对其性能指标要求与其它领域有较大的不同。
评价钻探泥浆质量的指标有泥浆的密度、粘度、含砂量、胶体率、失水量、泥皮厚度、静切力、稳定性、PH值、剪切稀释性、触变性、泥皮粘滞性等。《建筑桩基技术规范》(JGJ 94-94)对泥浆性能规定了上述指标中的9项对其评价，但在实际应用中发现，有些指标概念模糊，要求不符合实际，施工中难以操作或很难达到该规范的要求。现结合现场施工实际情况，探讨钻孔灌注桩成孔钻进对泥浆性能指标的要求。
1 泥浆的密度
泥浆的密度是指泥浆单位体积的质量，单位是kg/dm3或g/cm3。泥浆的相对密度是指泥浆的质量与同体积水的质量之比或泥浆与水的密度之比。由于水的密度是1g/cm3，因此，泥浆的密度和相对密度在数值上是相等的。
由于历史上的原因，人们在日常生活和生产实践中将质量习惯地称为重量，故密度常称为比重。但比重是一个很混乱的术语，从字面上看，它是相对重量的概念，可是实际上常将它作为相对体积质量的密度，甚至将其作为密度。在量和单位国家标准GB3100~3102-93中已不使用这个术语，在钻探领域也都改用密度了。国内泥浆仪器厂也均将以前的“泥浆比重计”改为“泥浆密度汁”，且刻度单位为g/cm3。
在泥浆流变学中常用“泥浆重度”这一术语，它是指泥浆单位体积的重量，以γ表示。泥浆重度γ和泥浆密度ρ的关系为
γ＝ρg
式中，g为重力加速度。
泥浆的密度目前常用密度秤来测量。不同的地层和不同的钻进工艺对泥浆密度的要求是不同的。例如，正循环钻进和泵吸反循环钻进对泥浆密度的要求就有较大差别。因此，《建筑桩基技术规范(JGJ94-94)》（以下简称JGJ94-94）规定的泥浆比重1.1～1.15应为密度1.1～1.15 g/cm3，这一数值对泵吸反循环钻进和一般地层太大，但对正循环钻进塌坍层又偏小。
研究和实践表明，钻进速度随泥浆密度的增大而降低，孔深时，尤为明显。但在坍塌底层，应适当提高泥浆密度，以维持压力平衡。因此，应针对泥浆循环
方式和地层条件推荐泥浆密度范围值。
2 泥浆的粘度
泥浆的粘度是衡量泥浆流动难易程度的指标，它反映泥浆流动时其内部摩擦阻力的大小。泥浆流动时，泥浆层面间单位面积上所受的内摩擦力称为剪切应力，垂直于流速方向单位距离两层间的流速增量称为流速梯度，单位流速梯度的切应力即为泥浆的粘度，单位是mPa?s。由于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，因此，可将高固相含量的泥浆看成是塑性流体，以表观粘度、塑性粘度及动切力等来表示。表观粘度是指泥浆在某一流速梯度下，单位流速梯度相应的切应力，即表观粘度是由塑性粘度和结构粘度两部分组成的。塑性粘度反映层流对泥浆中的网状结构处于破坏与恢复的动平衡稳定状态下固体颗粒与固体颗粒、固体颗粒与液体颗粒、液体与液体之间的内摩擦力，结构粘度是单位流速梯度的动切力。
表观粘度是随泥浆流速梯度大小而变化的，但对某一种泥浆在一定条件下，塑性粘度和动切力是不会随流速梯度改变而变化的。
理论上具有连续可变压头的毛细管粘度计、旋转粘度计以及其它凡能记录切应力—流速梯度变化的仪器皆可用来测定泥浆的塑性粘度。但毛细管粘度计测量误差太大，应用旋转粘度计可较准确地测定泥浆的塑性粘度等流变性能。对于钻孔灌注桩工程，最适用的是俄式漏斗粘度计。测量时，用量杯分别量取200mL和500mL泥浆注入漏斗，使泥浆从漏斗流出，流满500mL量杯所需的时间，即为所测泥浆的表观粘度，单位是s，清水的漏斗粘度是15 s。可见，用漏斗粘度计测定的是泥浆的相对粘度。
钻孔灌注桩成孔钻进泥浆相对粘度视泥浆循环方式和地层而定。一般正循环钻进为18~22s，反循环钻进为15~20s，坍塌底层可再提高。JGJ94-94规定的泥浆粘度指标是10～25s，检验方法是50000/70000漏斗法。但到目前为止，笔者还不会使用这种方法。请教了几位泥浆专家也无从回答，至于现场实际操作人员就更无从谈起。诚然，用漏斗法测定泥浆相对粘度对注入漏斗的泥浆量及漏斗大小是人为规定的，除我国目前常用的俄式漏斗粘度计外，还有API(美国石油协会)规定使用马氏标准漏斗粘度计［5］(注入漏斗1500mL泥浆，测定流出946mL的时间)及日本常用的漏斗粘度计［6］(注入500mL泥浆，测定全部流出的时间)，但作为一种编入规范的泥浆粘度测定方法，应该是为大多数人知晓的。否则，就没有什么意义。
泥浆的粘度对钻进效果有重要影响。泥浆粘度高，其携带钻屑、护壁能力强，但泥皮厚、净化能力差，并影响钻进
效率、清孔时间及混凝土的灌注，尤其用泵吸反循环钻进时，将导致抽吸困难；泥浆粘度过低，其携带钻屑、护壁能力又差，漏失也大。因此，泥浆的粘度应根据钻进地层和泥浆的循环方式等确定。通常以能较好地携带钻屑和能稳定孔壁的最低值为宜。正循环钻进一般地层为18～22s，易坍地层为22～30s［7］。
3 泥浆的含砂率
泥浆的含砂量是指泥浆中大于0.74 mm(不能通过200目筛网)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。其占泥浆总体积的百分含量为泥浆的含砂率。泥浆的含砂量测定仪有泥浆含砂量杯和ZNH型泥浆含砂量测定仪。前者操作简便，但误差大，后者操作较繁，但误差较小。二者测得的泥浆含砂量会有较大的出入。
泥浆的含砂率高，会降低泥浆粘度，增大泥浆密度，造成泥皮松散，护壁性差，增加孔底沉渣厚度，同时还易磨损泥浆泵，泥浆循环中断时易埋钻。因此，对于正、反循环钻进，要求泥浆的含砂率越小越好。一般要求新配制的泥浆含砂率＜4%，JGJ94-94规定用膨润土配置的泥浆含砂率＜6%，这在用优质膨润土配制泥浆时是很容易达到要求。如果用劣质粘土或自然造浆，这一指标往往不易达到。钻孔灌注桩施工中，使用优质膨润土配制泥浆的极少，显然这一规定也欠妥。现场施工人员关心的往往是循环泥浆的性能指标，配制泥浆性能指标再好，如果维护不好，对施工也是没有意义的。
4 泥浆的胶体率和稳定性
泥浆的胶体率是泥浆中粘土颗粒分散和水化程度以及保持悬浮状态的粗略衡量，分散和水化好的粘土颗粒不易聚结沉降，可长时间维持悬浮状态。
泥浆的稳定性表示泥浆静置时粘土颗粒沉降的程度，是说明泥浆沉降稳定性的指标。
泥浆稳定性的测定方法是：将一定量的泥浆倒入特制量筒(稳定性测定仪中)，静放24 h后测定上、下两部分泥浆的密度，用密度之差表示泥浆稳定性的好坏。差值越小，泥浆的稳定性越好。
泥浆的胶体率测定方法是：将100mL泥浆倒入有刻度的量筒中，静放24h后，量筒顶部从泥浆中析出水的数量即为泥浆的胶体率。
JGJ94-94规定泥浆的胶体率＞95%、稳定性＜0.03g/cm2，对前者规定得合理，而对后者却令人费解。在《灌注桩基础技术规程》(YSJ212-92、YBJ42-92)［9］中也是规定稳定性＜0.03g/cm2，查多种泥浆技术专著也不得而知，而在《钻孔灌注桩施工规程》(DZ/T0155-95［7］中规定稳定性＜0.03g/cm3，由于泥浆的稳定性是用密度差表示，故笔者认为JGJ94-94对泥浆稳定性的规定是一个笔误。
影响泥浆的胶体率和稳定性的主要因素有粘土的分散程度、
水化程度、粘土含量、处理剂种类和加量等。若粘土颗粒分散程度高，处理剂对粘土的分散、水化作用好，液相粘度高，则泥浆的胶体率高、稳定性好。泥浆胶体率高，稳定性好是泥浆具有良好流变性和失水特征的保证。因此，一般要求泥浆的胶体率＞95%、24h后的密度差＜0.03g/cm3是合适的。
5 泥浆的失水量和造壁能
在钻孔内循环的泥浆，因受压力差作用，泥浆中有一部分水被行之有效地渗入孔壁中，这种现象叫泥浆的失水，失水的多少以失水量表示。在泥浆失水的同时，泥浆中的粘土颗粒被阻留在孔壁上形成一层泥皮，泥浆在孔壁上形成泥皮的能力叫造壁能，其厚度叫泥皮厚。失水量的大小，我国过去采用重锤加压的油压失水仪测定0.1MPa下的静失水，现在采用气压失水仪测定API失水，即压差0.7MPa，过滤面积45.3 cm2，常温20～25℃，测量30min的失水量，单位是mL，泥皮厚度单位是mm。
JGJ94-94规定的泥浆失水量为＜30mL/30min，检验方法是失水量仪。这种失水量仪操作复杂，不便于施工现场使用，我国已很少使用［8］，不宜再列入现行规范。我国生产的打气筒式气压失水仪是比较适合施工现场的失水量测定仪。在施工现场没有失水仪的情况下，可用滤纸法测量大致了解泥浆的失水量。取一张干滤纸平放在玻璃板上，将欲测定的泥浆1mL滴在滤纸上并使其直径在20～25 mm，待30 min后测量泥浆至润湿1mL印痕边缘的距离。如其平均值≤15mm，则泥浆失水量符合要求。否则，失水量偏大。一般情况下，泥浆的失水量宜控制在20mL/30min。
泥浆的失水量小，泥皮薄而致密，有利于护壁清孔，提高单桩承载力；泥浆失水量大，泥皮存而疏松，不利于保护孔壁，且降低桩的侧壁摩阻力。
泥浆的失水量大小主要与造浆粘土矿物的类型、粘土的水化和分散度、压差的大小、泥皮松散或致密程度等因素有关。
6 泥浆的静切力
泥浆的静切力是指泥浆刚开始运动所需要的最低剪切应力。它表示泥浆静止时其内部形成网状结构的强度，即凝胶结构的强度，通常以破坏单位面积的网状结构所需的切力作为泥浆的静切力，单位是Pa。
泥浆的静切力大小取决于形成网状结构的各种因素，即与粘土类型、含量、分散度、水化膜厚薄等有关。在钻进过程中，泥浆的静切力大，其内部网状结构强度高，有利于悬浮钻屑。
泥浆的静切力用旋转粘度计或静切力法测量。用旋转粘度汁测量时，先使泥浆在粘度法杯中静止一段时间，然后用低速(通常为3r/min)旋转，度盘的最大读数即为泥浆的静切力。静置时间为10 s后测得的静切力为初切力，静置10min后测得的
静切力为终切力，用终切力与初切力之差来表示泥浆的触变性，差值越大触变性能越好。用静切力法量测泥浆静切力的原理与旋转粘度计相同。
JGJ94-94规定的泥浆静切力值为：1min，20～30mg/cm2；10min，50～100mg/cm2。按SI制应为：1min，2～3Pa；10min，5～10Pa。这里有3个问题：一是测量静切力可以是泥浆静置10s后，也可以是泥浆静置1min，但API规定是静置10s；二是静切力的单位应是Pa，而不是mg/cm2；三是钻孔灌注桩工程施工大多采用就地取土或自然造浆，泥浆质量较差，静切力值很难达到规定的要求。一般情况下，要求泥浆的静切力为1～４Pa即可。
7 泥浆的PH值
泥浆的PH值表示泥浆中含酸、碱的程度。泥浆一般在碱性范围内比较稳定，否则会引起泥浆粘度、静切力和失水量等性能的变化。一般泥浆的PH值以8～9为宜。如果PH值接近于10，那么就开始显现出水泥的影响。
泥浆的PH值用PH值试纸测定。JGJ94-94规定泥浆的PH值为7～9，基本满足工程施工要求，但不同的粘土和处理剂只有在其所处的PH值＞7的条件下，才能充分发挥作用［8］，故在非自然造浆且必须加泥浆处理剂的场合，这一规定也尚显不足。
泥浆俗称钻探的“血液”，在钻孔灌注桩成孔钻进中具有极其重要的作用，其性能的好坏直接影响钻进速度、孔壁稳定、悬浮携带钻渣、孔内事故的预防及单桩承载力大小。钻孔灌注桩成孔钻进具有孔径大、孔浅、环空面积大和钻进时间短等特点，且多是就地取土造浆或自然造浆，照搬地质岩心钻探或石油钻井工程对泥浆的性能指标及其要求显然是不合适的。JGJ94-94对钻孔灌注桩成孔钻进泥浆规定的部分性能指标，有些测定方法鲜为人知，有些指标范围不合理，不能够正确地指导工程施工。尽管泥浆的性能指标在JGJ94-94中不是一项重要的内容，但作为监理工程师检验施工单位过程质量控制的一项指标，往往会与施工技术人员发生冲突，甚至导致出现质量问题。
根据现场测试的可能性及对工程施工的意义，笔者认为钻孔灌注桩成孔钻进泥浆性能可用密度、粘度、含砂率、胶体率、PH值作为主要指标，而失水量、稳定性、造壁能、静切力作为辅助指标。其指标大小应根据实际重新规定。