磁处理对注浆用黏土浆液的改性作用_薛卫峰.pdf

第 47 卷 第 4 期 煤田地质与勘探 Vol. 47 No.4 2019 年 8 月 COAL GEOLOGY 2. Shaanxi Coal and Chemical Technology Institute, Xi’an 710065, China; 3. National clay slurry; modification; concretion rate; rheological perance 黏土是含沙粒很少、有黏性的土壤，具有较好 的可塑性。一般黏土均由硅酸盐矿物在地球表面风 化后形成，主要矿物为高岭石、蒙脱石、伊利石。 黏土浆液因具有抗渗性及可塑性，被广泛应用于地 质勘探、工程地质、矿井开采防治水领域[1-4]。根据 不同工程需要，针对黏土特性进行了一系列改性研 究，针对黏土在海洋污染治理[5]、路基处理[6]、垃圾 填埋场建设[7]等工程运用中的特点，利用化学试剂 ChaoXing 118 煤田地质与勘探 第 47 卷 或添加物对黏土进行改性[8-10]。但酸、碱和其他添 加物对黏土的改性会带来两个方面的问题一是环 境污染， 黏土作为一种天然矿物集合体对环境无害， 但添加剂的使用势必会带来环境污染的风险；另一 方面，黏土作为最廉价的工程材料在全球范围内大 面积分布，基于此，许多工程活动均将其纳入首选 的应用材料之列，添加剂的使用势必会造成工程造 价增加。与上述改性活动不同的是，磁处理本身具 备安全可靠性，不会带来新的污染，在黏土改性研 究方面显示了优势。以往黏土磁处理改性研究主要 集中在以下 2 个方面a. 石油钻井领域，对主要成 分为黏土浆液的钻井液进行磁化处理，揭示磁处理 技术在降黏、降切和抑制黏土造浆方面具有良性作 用[11-15]；b. 运用磁性氧化物对黏土进行磁处理，研 究磁性氧化物改性黏土及其聚合物–黏土， 揭示磁处 理后黏土对特定离子的良好吸附作用及良好的热稳 定性[16-17]。但针对黏土浆液在矿井防治水、注浆工 程领域中的应用特性，如磁处理后的结石率、析水 性、 可注性及抗渗性等物理性质的研究却鲜有报道。 本文针对注浆领域黏土浆液的应用特性，设计了固 定稀土永磁磁场对黏土浆液进行了磁处理研究，以 期为磁处理黏土浆液在注浆领域的应用提供参考。 1 实验材料及方法 1.1 实验材料 实验材料选取韩城地区红色黏土，过 30 到 35 目筛，黏土粒径 0.50.6 mm。 1.2 实验装置设计 磁化装置设计 永磁体类型单个为稀土永 磁，剩磁 13.714.1 kGs，磁场强度 1.371.41 T，单 个磁体尺寸为 100 mm25 mm10 mm，共 16 块， 该磁化装置包括上下放置的上壳体和下壳体，其结 构一致并上下对称放置，组成外壳体，在上下壳体 组成的空间内嵌有永磁体，上下各 8 块，各永磁体 横向间隔为 40 mm， 上下间隔 4 mm， 用固磁体固定， 上排磁体与下排磁体间隙内有水管通过，水管与外 部的水槽相通，水经过水泵的循环在上下磁体间流 动并被磁化[18]图 1。 渗透性测试装置设计 如图 2 所示， 取 2 个 3 L 放水瓶，分别选取粒径约 9 mm 石子 2.53 kg 装入放 水瓶， 石子体积约为 1.7 L， 将底部放水孔堵住备用。 1.3 实验方法 经测试该磁化实验装置磁场强度为 1 T， 分别将 不同液固比黏土浆液在该磁化装置中进行磁化，且 分别与未磁化黏土浆液进行对比，并测试黏土浆液 经磁化后的物理性质。 图 1 磁化装置图 Fig.1 Magnetic equipment 图 2 抗渗性测试装置 Fig.2 Impermeability testing equipment a. 未磁化黏土浆液对比样制作及测试 分别按水与黏土液固比 2︰1、1.7︰1、1.4︰1 配制 4 500 g、2 700 g、2 914 g 浆液。上述配比浆液 分别取 1 500 g、1 350 g、1 457 g 通过 100 L/h 水泵 循环 50 min 后作为磁化前对比样，用 1006 型漏斗 式泥浆黏度计测试黏度，用哈希 HQ430d 电导率仪、 HQ411dpH计分别测试电导率与pH值， 各量取100 mL 测试密度并观察析水率与结石率变化情况，其中将 液固比为 1.7︰1 浆液剩余部分倒入准备好的放水瓶 中。静置 28 d 后量取 1 000 mL 自来水装入放水瓶 中，打开底部放水孔接取 500 mL 并记录放水时间， 根据放水时间测量黏土浆液固结体的抗渗性。 b. 磁化黏土浆液样制作及测试 选取液固比 2︰1、 1.7︰1、 1.4︰1 浆液 1 500 g、 ChaoXing 第 4 期 薛卫峰等 磁处理对注浆用黏土浆液的改性作用 119 1 350 g、1 457 g 进行磁化，磁化时间为 50 min[19]， 磁化完毕后同样测试电导率与 pH 值。量取 100 mL 测试密度并观察析水率与结石率变化情况。其中将 液固比为 1.7︰1 浆液剩余部分倒入准备好的放水瓶 中，静置 28 d 后量取 1 000 mL 自来水装入放水瓶 中，打开底部放水孔接取 500 mL 并记录放水时间， 根据放水时间测量黏土浆液固结体的抗渗性。 另外选 取液固比2︰1浆液1 500 g进行磁化， 分别在20 min、 30 min、 50 min 量取 100 mL 观察析水率与结石率变 化情况。 2 实验结果与分析 根据上述实验测试得出液固比分别为 2︰1、 1.7︰1、1.4︰1 黏土浆液磁化和非磁化的密度、黏度、 pH、电导率、析水率和结石率的变化特性表1。 2.1 密度与黏度变化 液固比分别为 2︰1、1.7︰1、1.4︰1 的黏土浆液 在磁化 50 min 后，如图 3、图 4 所示密度与黏度均呈 现下降趋势，但下降幅度较小。密度是因物质受到重 力作用而产生的一种效果， 以单位体积的重量来表示， 黏度是分子间力的作用效果，是物质分子微观作用的 宏观表现。流体密度与流体黏度无本质相关性，但对 同一种物质而言，重力场强度大，其静观密度与表观 黏度都会变大。所以黏土浆液在经过磁化后密度与黏 度变化表现了一致性，不同液固比黏土浆液在磁化后 密度较磁化前减小，其表观黏度亦降低。 表 1 磁化前后黏土浆液物理特性测试结果 Table 1 Testing results of the physical properties of clay slurry before and after magnetization 密度/gcm–3 黏度/Pas pH 电导率/μscm–124 h 析水率/ 24 h 结石率/浆液配比 水 ︰黏土 浆液质量/g 非磁化磁化 非磁化磁化非磁化磁化非磁化磁化非磁化 磁化 非磁化磁化 2︰1 1 500 118 116 17.4517.22 8.46 8.55372 40859.0 51 41.049 1.7︰1 1 350 122 120 17.5417.36 8.41 8.58394 41953.5 33 46.567 1.4︰1 1 457 130 129 18.2817.91 8.13 8.31436 45747.0 26 53.074 图 3 不同液固比黏土浆液磁化前后密度变化 Fig.3 Density variation of clay slurry with different liq- uid-solid ratio before and after magnetization 图 4 不同液固比黏土浆液磁化前后黏度变化 Fig.4 Viscosity variation of clay slurry different liquid-solid ratio before and after magnetization 2.2 pH 值与电导率变化 磁化后黏土浆液的 pH 值与电导率均有增加， 其中电导率增加最为明显。不同液固比黏土浆液的 电导率在磁化后增大了 5左右，pH 值和电导率变化 与浆液的液固比相关，随着浆液浓度的增大而增大。 磁化黏土浆液与非磁化黏土浆液均保持了这一特性。 2.3 析水率及结石率变化24 h a. 不同液固比黏土浆液析水率及结石率变化 规律24 h 在磁化 50 min 条件下，液固比为 2︰1 浆液经 磁化后析水率减小 13.56，结石率增大 19.51； 液固比为 1.7︰1 析水率减小 38.32，结石率增大 44.09，液固比 1.4︰1 浆液析水率减小 44.68， 结石率增大 39.62。不同液固比黏土浆液析水率均 呈现减小趋势，结石率呈现增大趋势，且增减幅度 明显图 5，改性效果显著，随着液固比的降低磁化 对黏土浆液的改性作用更为明显。 图 5 不同液固比黏土浆液磁化前后析水率变化曲线 Fig.5 Syneresis rate change of different liquid-solid ratio clay slurry ChaoXing 120 煤田地质与勘探 第 47 卷 b. 黏土浆液析水率及结石率随时间变化规律 在磁化 50 min 条件下，对液固比分别为 1.7︰1 与 1.4︰1 的黏土浆液析水率与结石率在 24 h 内进行了观 察，未经磁化的 2 种液固比黏土浆液析水率与结石率随 时间变化曲线均呈 L 状图 6，析水率与结石率在浆液 静置初期急剧变化，在较短时间达到稳定，其中液固比 1.7︰1 浆液在3 h 左右达到稳定，液固比1.4︰1 浆液在 1.5 h 左右达到稳定表 2，液固比较小浆液提前达到稳 定。磁化后黏土浆液析水率与结石率随时间变化曲线整 体呈线性变化，斜率趋向于1，且在经过24 h 静置后并 未达到稳定状态，析水率呈增大、结石率呈减小趋势。 图 6 黏土浆液结石率随时间变化曲线 Fig.6 Variation of concretion rate of clay slurry with magnetization time 表 2 黏土浆液析水率与结石率随时间变化表 Table 2 Variation of syneresis rate and concretion rate of clay slurry with magnetization time 析水率/ 结石率/ 浆液配比水︰黏土 浆液量/g 静置时间/h 磁化 非磁化 磁化 非磁化 0.23 1.5 11.5 98.5 88.5 0.43 2.0 20.0 98.0 80.0 1.18 5.0 46.0 95.0 54.0 2.87 10.0 51.0 90.0 49.0 4.68 13.5 52.5 86.5 47.5 6.0 15.5 53 84.5 47.0 1.7︰1 1 350 24.0 33.0 53.5 67.0 46.5 0.13 0.5 6 99.5 94 0.37 1 13 99 87 0.95 2 35 98 65 1.10 2 43 98 57 1.48 3 46 97 54 1.80 3 46.5 97 53.5 2.23 4 47 96 53 2.46 4 47 96 53 17.28 20 47 80 53 1.4︰1 1 457 24.00 26 47 74 53 c. 不同磁化时间黏土浆液析水率及结石率变 化规律24 h 在液固比为 1.4︰1 条件下，黏土浆液经过不同 时间磁化，测定其静置 24 h 后析水率与结石率。图 7 为不同磁化时间黏土浆液的析水率与结石率测试 结果，显而易见，随着磁化时间的增长析水率减小， 结石率增大。而磁化 30 min 黏土浆液较磁化 20 min 析水率减小 18.92， 结石率增大 11.11， 磁化 50 min 黏土浆液较磁化 30 min 析水率减小 13.33，结石率 增大 5.71表 3。磁化时间从 20 min 增长到 30 min， 对析水率与结石率的影响明显大于从 30 min增长到 50 min，由此证明随着磁化时间的增长，磁化对黏 土浆液析水率与结石率的影响逐渐减弱， 趋于稳定。 图 7 不同磁化时间黏土浆液析水率与结石 率测试结果图 Fig.7 Syneresis rate and concretion rate of magnetized clay slurry in different magnetization time ChaoXing 第 4 期 薛卫峰等 磁处理对注浆用黏土浆液的改性作用 121 表 3 不同磁化时间黏土浆液析水率与结石率变化表 Table 3 Variation of syneresis rate and concretion rate with different magnetization time 析水率/ 结石率/ 浆液配比水︰黏土 浆液量/g 磁化时间/min 磁化 非磁化 磁化 非磁化 20 37 63 30 30 70 1.4︰1 1 457 50 26 47 74 53 2.4 可注性及渗透性变化 磁化黏土浆液黏度较未磁化浆液减小，由于 黏度与浆液的可注性关系密切，黏度的减小会使 得浆液的可注性提高，此外，根据磁化 50 min 液 固比 1.7︰1 黏土浆液渗透性测试结果，磁化黏土浆液 的抗渗性能要远远大于未磁化黏土浆液， 2 种浆液注入 渗透性测试装置固结 28 d 后， 分别倒入 1 000 mL 自来 水，打开底部放水孔接取 500 mL 水并记录放水时 间，磁化黏土浆液所需时间为 83 s，非磁化黏土浆 液为 48 s。如图 12 可见，磁化黏土浆液的结石率要 远远大于未磁化黏土浆液，28 d 后，磁化黏土浆液 依旧将石子完全覆盖，而未磁化黏土浆液顶部石子 已随着浆液的沉淀完全露出，在加入等量自来水情 况下，磁化黏土浆液由于其结石率较高，使得自来 水的渗流通道变长，提高了其自身的抗渗性。磁处 理对黏土浆液抗渗性的提高是显著的。 图 8 磁化黏土浆液抗渗性实验图 Fig.8 Impermeability test of magnetized clay slurry 3 磁处理对黏土浆液 Zeta 电位的影响及对黏土 浆液的改性机理 为了研究磁处理对黏土浆液的改性机理，现对 实验用黏土浆磁处理前后的 Zeta 电位进行测量，采 用仪器为马尔文 Zeta 电位测试仪Zetasizer Nano， 该仪器测试原理为利用检测样品散射光的微小频率 移动得到带电颗粒电泳运动速度，利用 Herry 方程 得到电位。 由于该仪器对待测试样品浓度有严苛要求， 需要样品保持较高的透光度，一般测试样品浓度不能 大于 1‰，所以取待测黏土 2 g 将其溶于 2 000 mL 水 中，分别在磁处理前与磁处理 20、30、50 min 后对 其 Zeta 电位进行测量，测试结果见表 4 及图 9。 表 4 不同磁化时间黏土浆液 Zeta 电位值 Table 4 Zeta potential value of clay slurry in different magnetization time 分类 未磁化 磁化 磁化时间/min 0 20 30 50 Zeta 电位/mV –13.2 –13.4 –14.0–14.3 图 9 不同磁化时间黏土浆液 Zeta 电位值变化曲线 Fig.9 Zeta potential value of clay slurry with different mag- netization time 黏土浆液随着磁化时间的加长，其 Zeta 电位绝 对值增大图 9，磁化 20、30、50 min 其 Zeta 电位 值分别增长 1.5、6.0、8.3 表 4。磁处理对黏 土浆液 Zeta 值产生了较大影响。 颗粒性浆液是不稳定的，黏土浆液的析水率、 结石率、黏度受到固相含量、黏土颗粒分散程度的 影响。同等条件下，黏土浆液越分散其体系越稳定， 越不容易产生沉淀，其析水率越低，结石率也就越 高，磁处理后黏土浆液的 Zeta 电位提高了，证明其 浆液体系的稳定性提高了，浆液更为分散，而浆液 的分散程度与析水率紧密相关，分散程度的提高会 使得浆液的析水率降低，结石率变大。此外，pH 值 对黏土悬液性状具有重要的影响，低 pH 值会引起 颗粒带正电荷的边缘与带负电荷的表面相互作用， 导致颗粒从悬液中絮凝[5]； 高 pH 值使悬液稳定或黏 土颗粒分散[10]。黏土浆液经磁化后 pH 值增大，使 其分散程度提高，降低了析水率，提高了结石率。 不同液固比黏土浆液结石率提高 19.5144.09， ChaoXing 122 煤田地质与勘探 第 47 卷 同等质量黏土浆液抗渗性的提高完全得益于磁处理 后黏土浆液结石率的大幅增大。 固液悬浮体系可藉凝聚或与絮凝作用形成固 体颗粒的网状结构，而网状结构的形成是决定体系 流变特性的主要因素[20]。黏土浆液形成的网状结构 在磁场作用下，黏土晶胞中的-OH 基极化后更易于 在碱性条件下电离， 使黏土颗粒表面的负电荷增多， 黏土颗粒表面发生电荷变化[14]，其 Zeta 电位提高 了， 而 Zeta 电位是衡量颗粒边界带静电荷量的指标， 体系具有高 Zeta 电位，不论是正值还是负值，表明 颗粒间有较强的排斥力，当黏土颗粒间互相碰撞时 易分开不易聚结，使得黏土浆液体系稳定性进一步 提高，黏土浆液的网状结构变弱，内部摩擦力变弱， 从而使得其黏度降低。 4 结 论 a. 在磁场强度为 1 T 的条件下，磁处理减小了 黏土浆液的密度与黏度，在一定程度改善了黏土浆 液的流变性。不同液固比黏土浆液的析水率与结石 率在磁处理后均有明显改善，且随着液固比的减小 磁处理对黏土浆液改性作用变得更为显著，磁处理 后的黏土浆液具有更高结石率，使其抗渗性能有明 显提升，其在注浆工程中的益处是显而易见的。 b. 磁处理增大了黏土浆液的 Zeta 电位与 pH 值，对提升浆液分散程度与稳定性均有正向作用， 黏土浆液分散程度提高，进而降低析水率，提高结 石率。 同等质量黏土浆液抗渗性的提高得益于磁处 理后黏土浆液结石率的大幅增大，而其黏度的降 低， 是因磁处理后黏土浆液颗粒间有较强的排斥力 导致。 c. 本次实验初步阐述了磁化处理对注浆用黏 土的改性作用，但要完全揭示磁处理对注浆用黏土 浆液的改性作用仍需针对实际工程应用中黏土颗粒 粒径与黏土成分存在差异的具体情况，采用不同磁 场，针对含有不同黏土颗粒粒径、不同黏土成分的 浆液进行磁处理，进一步揭示磁处理对注浆用黏土 浆液的改性机理。 参考文献 [1] 王星华. 黏土固化浆液在地下工程中的应用[M]. 北京中国 铁道出版社，1998. 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