顶管施工中的泥浆技术（二）

膨润土作为支撑润滑介质
1890年，美国的福特·本顿首先发现了膨胀。其主要成分及其作为支撑和润滑介质的性能起决定性作用，但它是一种被称为蒙脱石的粘土矿物，因其在法国南部的蒙脱石矿床而得名。在联邦德国的巴伐利亚州，有一些酸性火山玻璃凝灰岩矿是大约1000万年前作为风化产物形成的，用于这种应用。
蒙脱石是一种层状结构的结晶氢硅酸铝。硅酸盐多层膜是三层结构，包括一层二氧化硅四面体、一层氢氧化铝八面体和一层二氧化硅四面体。蒙脱石晶体由许多这样的硅酸盐叠层组成。蒙脱石晶体遇水膨胀，同时水分子渗入层间。所以两层蒙脱石之间的距离增加了一倍。晶体内部膨胀的原因在于层板中电荷分布不均匀。
我们可以想象在静态溶胀的上悬浮液中，片状蒙脱土颗粒形成了一种卡屋结构，在这种结构中，这些颗粒用它们的棱角相互接触或支撑。一旦静态被例如搅拌、振动或抽吸等扰乱。，大部分“卡屋”倒塌，静止状态下凝聚的悬浮液变成溶胶。当这种溶胶再次静止时，片状的蒙脱土颗粒会相互堆积形成纸牌屋结构，于是溶胶再次固化。悬浮液静止时形成凝胶，一旦运动又变成溶胶。这种从静止状态到运动状态以及从运动状态到静止状态的结构可以无休止地重复。这种特性称为触变性。
膨润土作为顶管施工中的支撑润滑介质，其重要特征在于膨胀性能。这取决于层状蒙脱石颗粒的大小和数量。
膨润土主要有两种，即钙基膨润土和钠基膨润土。
两者的区别在于决定性的蒙脱石是钙蒙脱石还是钠蒙脱石。
当膨润土含量相同时，钠基膨润土悬浮液中极薄硅酸盐薄片的量约为钙溶胀悬浮液中的15至20倍。由于极薄的硅酸盐叠层片的数量较多，有利于蒙脱土颗粒形成卡屋结构，从而也有利于改善悬浮液的溶胀性能，不仅可以改善溶胶态悬浮液的流动性，还可以改善凝胶态悬浮液的固结性。因此，钠基膨润土比钙基膨润土更适合顶管施工。
但巴伐利亚煤层只含膨胀性能差的钙基膨润土。
但是钙蒙脱石有一个特点，就是结合的钙离子可以被钠离子取代。通过这样的离子交换，钙基膨润土的性质将会发生很大的变化，从而被赋予钠膨润的优良特性。
由于钠离子置换活化的针膨润土和钙膨润土——也叫活性膨润土——在一定程度上可以满足顶管施工的要求，所以下面的讨论是以这两种膨润土为基础的。
化学分析表明，膨润土中约有56%的二氧化硅和20%的氧化铝，它们共同构成了蒙脱石上晶体的基本物质。相应的，矿物成分中有75%的蒙脱石。筛分分析也值得注意。根据筛分分析，55%的膨润土的粒径小于0.025毫米。
膨润土与水混合形成悬浮液。这里对水质的要求和搅拌混凝土是一样的。判断膨润土悬浮液是否适合承载润滑介质的标准在于其物理特性。悬浮液中膨润土的含量是后者的决定性因素。在表2中，按照每立方米30、40、60、80 kg溶胀四种情况，列出了每种悬浮液的主要参数。【/br/】首先，从轻量数据可以看出，膨润土含量对容重影响不大。在我们检查的样品上，体积密度从1020到1050 kg/m3不等，所以它只比纯水略高。因此，膨润土悬浮液也可以作为水下顶管施工的支撑和润滑介质，不用担心因容重不同而造成悬浮液的损失。因此，堆积密度不是膨润土悬浮液的重要标准。
相反，流变极限的测定结果表明，无论是在运动状态下还是在静止状态下，悬浮液中膨润土含量对流变极限的影响都很大。如先前考虑所预测的，流动极限达到运动状态的下限。从表2中可以看出，当溶胀含量从30 kg/m3增加到60 kg时，即当溶胀含量增加一倍时，运动流动极限从22.4 g(力)/cm2增加到204 g(力)/cm2，这大约是9倍。当膨润土含量从40公斤/立方米增加到80公斤/立方米时，也增加1。此时，运动电流极限从44.6 g(力)/cm2增加到439 g(力)/cm2，即增加到约10倍。
静置一分钟后的比例也和流动状态下的比例差不多。在此条件下，当膨润土含量从30千克/立方米增加到60千克/立方米时，流动极限从42.8克(力)/厘米2增加到320克(力)/厘米2，即增加到7.5倍。当膨润土含量从40公斤/立方米增加到80公斤/立方米时，流动极限以100: 696—1: 7的比例增加。
最后，静置24小时后膨胀量从30 kg/m3增加到60 kg/m3时，限流比为198: 1265-1: 6，受现有测量技术条件限制，无法测得80 kg/m3的对应值。
因此得出结论，膨润土含量加倍可使溶胀悬浮体的支撑效果提高7至10倍。但这也意味着，如果膨润土含量减少1/2，支护效果可能会降低到1/10。因此，测定悬浮液中的溶胀度具有重要意义。
另一个结论是，在从运动状态向静止状态过渡的过程中，流动极限的增加取决于悬浮液中膨润土的含量。
每立方米悬浮液中含30公斤膨润土。静置1分钟后，流量限值以42.8: 22.4 = 1.9: 1的比例增加。当膨润土含量为40 kg/m3时，静置1分钟后的增加率达到100: 44.6 = 2.2: 1。但当膨润土含量为60 kg/m3时，该比值降为320: 204 = 1.6: 1，当膨润土含量为80 kg/m3时，该比值仍为696: 439 = 1.6: 1。
静置24小时后的限流值与运动状态的比值，悬浮液中溶胀含量为30公斤/立方米时为22.4: 198 = 1: 8.8，40公斤/立方米时为44.6: 584 = 1: 13.3，60公斤/立方米时为204: 13.3。当溶胀后的悬浮液作为支撑-润滑介质时，静态流量极限与运动流量极限同样重要:
静态流量极限决定了悬浮液是否适合作为支撑介质，而运动流量极限决定了悬浮液是否适合作为润滑介质。