粘土水泥浆中流变性能检测方案(流变仪)

硅 酸 盐 通 报BULLETIN OFTHE CHINESE CERAMIC SOCIETY第36卷第1期2017年1月Vol.36 No.1January，2017 第1期张贵金等：粘土水泥系列浆材流变性能研究127 粘土水泥系列浆材流变性能研究 张贵金2，刘 杰，匡楚丰，杨东升，傅小姝 (1，长沙理工大学水利工程学院，长沙410114；2，长沙理工大学水沙科学与水灾害 防治湖南省重点实验室，长沙410004；3.湖南宏禹水利水电岩土工程有限公司，长沙410007) 摘要：粘土水泥系列浆材性能优越，价格低廉，可广泛应用于库堤防防、灌浆加固、溶洞充填、垃圾填填防护等工程中，其流变性能对灌浆施工及防渗加固效果的影响不可忽视。利用 Brookfield +R/S 流变仪系统研究粘土水泥系列浆材的流变性能，包括流变模型、粘度时变性和触变性，进而根据其各自流变性能分析其适用范围。结果表明：粘土水泥浆材的流变性能与水固比及粘土掺量有关，其初始粘度较普通水泥浆大，扩散范围可控，在大空隙多孔地层使用适宜配比的粘土水泥浆材进行防渗灌浆，可很好地解决跑浆、串浆的问题，提高灌浆效益；粘土水泥膏浆的流变性能主要与固化剂掺量有关，其初始屈服应力及粘度大，具有良好的抗水流冲释性能，可用于地下动水条件下的防渗堵漏；粘土水泥砂膏浆流变性能与固化剂掺量和砂灰比有关，添加砂料后，初始屈服应力及粘度更大，不易流失，可作为溶洞填充材料，节约工程成本，是耗浆量大的地质条件防渗的优选灌浆材料。 关键词：粘土水泥浆材；粘土水泥膏浆；粘土水泥砂膏浆；流变性能 中图分类号：TV441 文献标识码： A 文章编号：1001-1625(2017) 01-0126-08 Rheological Properties of Series Clay-cement Grouting Material ZHANG Gui-jin”，LIU Jie ，KUANG Chufeng ，YANG Dong-sheng，FU Xiao-shu (1. School of Hydraulic Engineering， Changsha University of Science and Technology， Changsha 410114，China；2. Key Laboratory of Water-SedimentSciences and Water Disaster prevention of Hunan Province，Changsha University of Science and Technology， Changsha 410004，China；3. Hunan Hong Yu Water Resource and Hydropower Geotechnical Engineering Ltd. ，Changsha 410007， China) Abstract： The series of clay-cement materials are fine grouting materials with low price. They have beenwidely used in areas of landfill， curtain grouting， side slope treatment， cavity-filling and engineering forseepage-proof consolidation. Its rheological properties have an inconvenient influence on process andperformance of the grouting engineering. The rheological model，viscosity time variation and thixotropy ofthis series of clay-cement materials are obtained by using Brookfield +R/S Rheometer. According to theirrheological properties，the application range is analyzed. The results show that the rheological propertiesof clay cement slurry are related to the water-solid ratio and the amount of clay. The initial viscosity islarger than ordinary cement slurry. And the diffusion area is controllable. The clay cement slurry groutingmaterial is widely used in the large space of porous formation. It can solve the problem of running slurryand grout leaking well and improve the efficiency of grouting. The rheological of clay cement paste slurryis mainly related to the amount of curing agent. Its initial yield stress and viscosity are large. And it hasgreat resistance to water flow which can be used for blocking leakage and anti-seepage in the condition ofunderground dynamic water. The rheological of clay cement sand paste slurry is related to the amount ofcuring agent and sand-cement ratio. The initial yield stress and viscosity are larger and it’s not easy to ( 基金项目：国家自然科学基金项目(51279019)；中国电力投资集团公司重大科技计划项目(2011-036-WLD-KJ-X) ) ( 作者简介：张贵金(1963)，男，教授，博士.主要从事水利工程基础处理的研究. ) drain after adding sand into the slurry. The sand materials can be used as filler material in the cave，whi can save the cost of the engineering. It is the preferred material for anti-seepage grouting withmuch soil in rock and cave. Key words： clay cement slurry； clay cement paste slurry； clay cement sand paste slurry； rheologicalproperty 引 言 粘土水泥系列浆材性能优越，价格低廉，主要包括粘土水泥浆材、粘土水泥膏浆以及粘土水泥砂膏浆等系列，可广泛应用于库堤防渗灌浆加固、溶洞充填、垃圾填埋防护等工程中，其流变性能对灌浆施工及防渗加固效果的影响不可忽视，包括对其流动性、可灌性以及灌注效果均有直接影响。浆材的流变性能主要为流变模型、粘度时变性及触变性，而粘土水泥浆材、粘土水泥膏浆以及粘土水泥砂膏浆的流变性能各有其特点，故有必要对其进行系统研究。 Warner研究了添加剂对水泥浆材流变性能的影响，发现合适的流变性对提高灌浆质量有重要意义；王小萍等“探讨了硅酸钠溶液模数和浓度、矿渣及缓凝剂掺量对浆液流变性能的影响；马昆林等研究了水泥-粉煤灰石灰石粉复合浆体的流变性能，分析了不同粉体含量以及石灰石粉颗粒粒径对复合浆体屈服应力、塑性粘度以及触变性的影响；李术才等研究了速凝浆材的粘度时变性能，得到了不同水泥浆水灰比和不同浆液混合体积比下的粘度时变方程；王星华等”研究了粘土水泥浆的流变特性及其影响因素，得到了一种双曲流变模型；曾祥熹等在总结前人对水泥浆流变性研究的基础上，利用模拟计算方法，定量地研究了浆液流变性对灌浆的影响；王发洲等研究了剪切速率对 CA 砂浆流变性的影响；何涛等10研究了不同外加剂对水泥基灌浆材料流变性能的影响，结果表明，不同条件下测得的流变曲线均符合 Herschel-Bulkey(n<1)的流体模型；刘义峰系统研究了配合比及机制砂特性对砂浆屈服应力和塑性粘度的影响。 上述研究成果促进了岩土灌浆材料的发展与推广应用，但仍有值得进一步探讨的问题：首先，现有研究主要集中在普通水泥等细颗粒浆浆，对于掺加了粘土的水泥浆材研究较少，而二者的流变性能有较大差大，并会影响其工程应用；再者，现有对浆液流变特性研究成果多局限于单种浆材，或局限于浆材流变性能的某一方面，并没有对其进行全面研究。比如，李术才等研究了速凝浆材的粘度时变性能，没有涉及浆材的流变模型及触变性。与传统水泥浆材相比，粘土水泥系列浆材具有凝胶时间可控、抗水冲释性强、抗震性能好和价格低廉等优点，本文充分考虑实际灌浆工程环境和浆材在灌浆过程中的影响，拟通过大样本试验，系统研究粘土水泥系列浆材流变性能，对比分析其各自特点，并对其适用性进行分析，以期为灌浆理论研究及工程实践提供科学可靠的参考依据。 2 试 验 2.1 原材料 试验用粘土湖南怀化生产，其天然含水率为20%~30%，总体偏酸性，塑性指数大于14，液性指数为 0.3~0.45，平均比重为2.732。采用ICDD的K值法对粘土进行定量分析13，图1为矿物 XRD 图谱，各化学组分含量见表1。试验前须将粘土浸泡24h以上，并用高速搅拌机搅拌均匀。试验用水泥为长沙县跳马涧建材公司生产的42.5R普通硅酸盐水泥，水泥品质符合《通用硅酸盐水泥国家标准》(GB175-2007)。试验用砂为标准砂，膏浆添加自主改性的固化剂(主要成份为 NaAlO，)。 表1 粘土化学组成 Tab.1 Chemical composition of clay /% 成分 SiO， Al20： Fe0： K20 CaO MgO 烧失量 含量 45.8 37.3 0.5 0.11 低微 低微 14.50 2.2 试验方案 现有研究发现，水灰比、粘土掺量、固化剂掺量及含砂量是影响浆材流变性能的主要因素7，10，11，14，因此，本文在试验中重点考虑这几个方面的影响。 研究粘土水泥浆材流变性能时，主要考虑水灰比及粘土掺量的影响。选取四种常用粘土掺量分别为0、10%、30%、50%，三种典型水固比分别为0.6：1、1.0：1、1.5：1。研究粘土水泥膏浆时，主要考虑固化剂掺量的影响。固化剂取0.5%、0.75%、1.0%、1.25%、1.5%五种掺量，水灰比取1：1，粘土掺量取50%。研究粘土水泥砂膏浆，考虑固化剂掺量及砂灰比的影响，固化剂取0.5%、1.0%、1.5%三种掺量，砂灰比取1： 1、1.5：1、2：1三种比例。 图1 粘土矿物 XRD 图谱 Fig.1 XRD pattern of clay mineral 2.3 试验仪器 采用美国 Brookfield 公司的 R/S + plus 流变仪，粘土水泥浆材采用 CC40-3圆筒式转子，粘土水泥膏浆及粘土水泥砂膏浆采用 V60-30-3tol 桨式转子，并用 Rheo3000 软件进行数据分析处理。 2.4 试验方法 (1)浆材粘度测试，使流变仪转速保持恒定，剪切速率为30s，每30s测试一个数据，连续测定1.5h内浆材的粘度。 (2)屈服应力测试。使转子剪切速率从0s匀速增加到60s，剪切速率每1s变化一次，连续测定2min 内浆液的剪切应力变化。 (3)触变性测试。在120 s内使剪切速率先匀速从0s增加到60s，然后在相同时间内从60s降至0 s，测试剪切应力随剪切速率的变化曲线。 3 结果与讨论 3.1 粘土水泥浆材 (1)流变模型 不同粘土掺量下粘土水泥浆材流变曲线如图2所示，水固比为0.6：1的粘土水泥浆材为宾汉姆流体，其均具有明显的屈服应力，且屈服应力粘土掺量的增加而增大；水固比为1.0：1时，粘土掺量影响浆材的流变模型，掺量较低时，浆材的流变模型较为接近，为具有剪胀性的幂律流体，而粘土掺量达到30%及50%时，其变为宾汉姆流体，并当掺量为30%时具有剪胀性；水固比为1.5：1时均为牛顿流体，各流变曲线变化趋势一致，即粘土掺量对浆材流变模型的影响不大。 (2)粘度时变性 不同粘土掺量下粘土水泥浆材粘度时变曲线如图3所示，水固比为0.6：1时，掺量较低(0%及10%)时两种浆材粘度较为接近，且粘度随时间变化微小；掺量30%、50%时，粘度先随时间迅速增大后逐渐趋于稳定，稳定时间大致在40 min；水固比为1.0：1时，四种浆材的粘度均随时间呈先降低后增长的趋势，浆材初始粘度均随粘土掺量增加而增大；水固比1.5：1时，粘土掺量为10%、30%、50%浆材粘度均随时间呈先降低后增长的趋势，且粘土掺量0%、10%、30%的浆材均出现了粘度为0的时段。粘度随时间先降低后增长的原因为：水固比为1.5：1时的浆材不稳定，浆液析水分层严重，在析水过程中浆液粘度会降低，等析水完全后，浆材逐渐胶凝，因而粘度逐渐增大 。 3.2 粘土水泥膏浆 图2不同粘土掺量流变曲线(a)水固比0.6：1；(b)水固比1：1；(c)水固比1.5：1 Fig.2Rheological curves with different clay content 图3 不同粘土掺量粘度曲线(a)水固比0.6：1；(b)水固比1：1；(c)水固比1.5：1 Fig.3 Viscosity curves with different clay content 图4为粘土水泥膏浆不同固化剂掺量下的流变曲线。可知，固化剂影响膏浆的流流，掺量较低时，均为宾汉流体，掺量较高时，均为带屈服值的伪塑性流体，即 Herschel-Bulkey 流体；掺量较高时，剪切应力先随剪切速率增加而减少，最终趋于稳定，且稳定时的剪切应力值相近；在同一剪切速率下，剪切应力先随固化剂掺量的增加而增大，最终趋于稳定。 (2)粘度时变性 图5为粘土水泥膏浆不同固化剂掺量下的粘度时变曲线。可知，粘土水泥膏浆粘度随时间呈先增加后保持稳定的趋势，各组粘度值交替增长，趋于稳定的时间点随固化剂掺量的增加而增长，而各组粘土水泥膏浆粘度值较接近。 图5 膏浆粘度时变图 图4 膏浆随固化剂掺量变化的流变曲线 Fig.4 Rheology curves of different plaster slurries Fig.5 Constant shear rate viscosity testof different plaster slurries (3)触变性 粘土水泥膏浆触变性曲线图如图6所示，固化剂掺量对粘土水泥膏浆的触变性有较明显的影响，使其变化比较复杂。固化剂掺量为0.5%和1.0%的膏浆上升曲线在下降曲线下面，表现出振凝性，1.5%的膏浆上升曲线在下降曲线上面，表现出触变性，总的来看，随固化剂的增加，粘土水泥膏浆表现出从振凝性向触变性转变的趋势；粘土水泥膏浆稳定性好，触变性可控。 3.3 粘土水泥砂膏浆 图6 粘土水泥膏浆触变性 (1)流变模型 Fig.6Thixotropy of different plaster slurries 粘土水泥砂膏浆流变曲线如图7所示，可知，固化 剂掺量对其流变模型及屈服应力有影响。当固化剂掺量为0.5%时，粘土水泥砂膏浆流变曲线为一条不经过原点的直线，此时的浆材属于宾汉流体；当固化剂掺量为1.0%和1.5%时，浆材的剪切应力先随剪切速率减少，最终逐渐趋于稳定，为带屈服值的伪塑性流体，即 Herschel-Bulkey 流体；相同剪切速率下，固化剂参量越高，屈服应力值越大。砂灰比对粘土水泥砂膏浆的流型无影响，但会影响浆材屈服应力，同一固化剂掺量下，砂灰比为1.5：1的浆材的屈服应力大于砂灰比为1：1及2：1的浆材。 图7 粘土水泥砂膏浆流变曲线(a)砂灰比1：1；(b)砂灰比1.5：1；(c) 砂灰比2：1 Fig. 7 Rheology curves of different sand plaster slurries 图8 粘土水泥砂膏浆粘度时变曲线(a)砂灰比1：1；(b)砂灰比1.5：1；(c) 砂灰比2：1 Fig.8 Constant shear rate viscosity test of different sand plaster slurries (2)粘度时变性 粘土水泥砂膏浆粘度时变曲线如图8所示。可知，固化剂掺量对粘土水泥砂膏浆的粘度时变曲线有影响。当固化剂掺量为0.5%时，浆材的粘度基本保持不变，当固化剂掺量为1.0%、1.5%时，浆材的初始粘度大，随后随时间急剧下降，最终趋于稳定。不同固化剂掺量下的浆材稳定后的粘度值相差不大。砂灰比不影 响浆材粘度的变化规律，但对粘度值得大小有影响，粘度随砂灰比增大而增大。 (3)触变性 粘土水泥砂膏浆触变性如图9所示。可知，粘土水泥砂膏浆上升曲线在下降曲线上方，均具有触变性，且触变性随固化剂掺量增加而增强。砂灰比对浆材的触变性无影响。 400 图9 粘土水泥砂膏浆触变性(a)砂灰比1：1；(b)砂灰比1.5：1；(c)砂灰比2：1 Fig.9 Thixotropy of different sand plaster slurries 3.4 浆材屈服应力及粘度对比 粘度、屈服应力对浆材的流动性、可灌性及灌浆效果均有重要影响，膏浆内部存在较大的粘聚力，只有当作用于膏浆的剪切力大于其屈服应力之后浆体才开始运动；当浆材开始运动后，粘度便是影响浆材扩散距离主要内在因素，因而膏浆的粘度及屈服应力对浆液的扩散距离和灌浆效果有很大影响。 图10、图11分别为三类浆材的初始屈服应力及粘度条形图。粘土水泥浆材选用的是水灰比为0.6：1，粘土掺量分别为0、10%、30%的三种浆材；粘土水泥膏浆选用的是固化剂掺量为0.5%、1.0%、1.5%的三种浆材；粘土水泥砂膏浆选用的是砂灰比1：1，固化剂化量为0.5%、1.0%、1.5%的三种浆材。由图可知，三类浆材的初始屈服应力及粘度各不相同，粘土水泥砂膏浆最大，粘土水泥膏浆次之，粘土水泥浆材最最。因而，其各自适用地层各不相同。 图10 浆材初始屈服应力值(Pa) 图11 浆材粘度值( Pas) Fig. 10 Yield stress of the slurries( Pa) Fig. 11 Viscosities of the slurries( Pa·s) 4 适用性分析 普通水泥浆稳定性较差，不具备抗水抗冲性，在松软地层灌注时扩散范围不可控，跑浆、失流现象严重，对工期及成本不利；水泥水玻璃浆液早期强度低、耐久性差的缺点致使其难以广泛应用；普通水泥膏浆抗水性较差，制浆工艺复杂，成本较高16。而粘土水泥系列浆材具有初初粘度大、触变性可控、稳定性良好、抗冲稀释能力强等优点，很好地解决了大孔隙地层中普遍存在的跑浆、失流等问题，同时，粘土及砂可就地取材，价格低廉可显著降低灌浆成本，12，17。 大空隙多孔地层的灌浆普遍存在不易起压、无效灌注严重(漏浆、串浆致耗浆量大)，灌浆过程难于控制等技术难题，粘土水泥浆材初始粘度较普通水泥浆大，因而灌浆扩散范围可控，应用于大空隙多孔地层防渗灌浆，可很好地解决跑浆、串浆的问题，大大降低浆材的耗费量。 水电站建设及运行过程中，大坝基础往往存在地下动水，普通水泥浆及粘土水泥浆由于粘度低，不能有效地实现防渗堵漏，而粘土水泥膏浆一方面由于含有大量粘土和膨润土，粘土的黏接作用和抗渗透作用使膏浆能自成一个整体，可在一定的流速下有效地抵抗水流冲释；另一方面由于添加了固化剂，浆材能够迅速凝固、胶结，具备一定的强度，可逐步实现截断水流。试验及工程应用表明粘土水泥膏浆初始屈服应力及粘度大，具有良好的抗水流冲释性能，可用于地下动水条件下的防滲堵漏。 对于宽大裂隙、溶洞、地下水流速度很大以及耗浆量很大的岩土体中防渗灌浆可用粘土水泥砂膏浆。其初始屈服应力及粘度大，浆液流动度较小，不易流失，稳定性好，砂料可作为溶洞填充材料，并且砂料可就地取材，节约水泥，是优选材料。 5 结 论 通过大样本实验，系统研究了粘土水泥浆材、粘土水泥膏浆与粘土水泥砂膏浆等系列浆材的流变特性。得出以下结论： (1)粘土水泥浆材的流变性能与水固比及粘土掺量有关。水固比为0.6：1的浆材属于宾汉流体，浆材各时间点的粘度随粘土掺量的增加而增大；水固比为1.0：1时，粘土参量影响浆材的流变模型，掺量较低时，为具有剪胀性的幂律流体，而掺量达到30%及50%时，变为宾汉姆流体，粘度值均随时间呈先降低后增长的趋势；水固比为1.5：1时为牛顿流体，粘度均随时间先降低后增长。 (2)粘土水泥膏浆的流变性能主要与固化剂掺量有关。固化剂掺量较低时，为宾汉流体，掺量较高时，为 Herschel-Bulkey 流体，粘度随时间呈先增加后保持稳定的趋势，趋于稳定的时间点随固化剂掺量的增加而增长，随固化剂的增加，表现出从振凝性向触变性转变的趋势； (3)粘土水泥砂膏浆流变性能与固化剂掺量和砂灰比有关。固化剂掺量较低时，为宾汉流体，粘度基本保持不变，掺量较高时，为 Herschel-Bulkey 流体，粘度随时间急剧下降，最终趋于稳定，触变性随固化剂掺量增加而增强。砂灰比越高，浆材屈服应力及粘度越大； 粘土水泥浆材初始粘度较普通水泥浆大，扩散范围可控，在大空隙多孔地层使用粘土水泥浆材进行防渗灌浆，可很好地解决跑浆、串浆的问题，大大降低耗浆量；粘土水泥膏浆初始屈服应力及粘度大，具有良好孔抗水流冲释性能，可用于地下动水条件下的防渗堵漏；粘土水泥砂膏浆初始屈服应力及粘度更大，不易流失，是溶洞等耗浆量很大的岩土体中防渗灌浆的优选材料。 ( 参 考 文 献 ) ( 张贵金，胡荣宗，钟 平，等.新型可控性粘土水泥膏浆试验研究[.水利水电技术，2013，44(02)：66-70. ) ( 赵迪华，杨松林，张贵金.控制灌浆技术在托口水电站河湾防渗工程中的应用[.水利水电技术，2014，45(12)：7-10. ) ( Warner J. 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All rights reserved. http：//www.cnki.net 摘要:粘土水泥浆材性能优越，已广泛应用于水利、矿山、垃圾填埋场等防渗堵漏及基础加固工程，浆材的流变性能对其可灌性和扩散距离有重要影响。利用 Brookfield + Ｒ/S 流变仪对层流状态下不同配比的粘土水泥浆材的流变参数进行了试验研究，探讨水固比、粘土掺量、温度和岩土体吸附作用及压滤作用等因素对其流变性能的影响。结果表明:粘土掺量对水固比为 0． 6∶ 1 与 1∶ 1 的浆材流变参数影响显著，对水固比为 1． 5∶ 1 与 2∶ 1 的浆材影响微弱;同配比浆材在不同温度下有不同的流变模型。由于岩土体对浆材的吸附作用，浆材的粘度和屈服应力随时间逐渐增大;浆材在岩土体中的压滤效应对粘土水泥浆的流变特性影响较纯水泥浆小，但是同样空隙条件下，粘土水泥浆材更易发生压滤效应。浆材流变性能对其扩散距离的影响显著，粘土水泥浆材的扩散距离明显小于水泥浆材。关键词:粘土水泥浆材; 流变性能; 压滤效应; 扩散距离Ｒheological Properties of Clay-Cement Grouting Material and Influence on Grouting LIU Jie 1 ，ZHANG Gui-jin 1 ，YANG Dong-sheng 2 ，ZHONG Ping 3 (1． School of Hydraulic Engineering，Changsha University of Science and Technology，Changsha 410114，China;2． Hunan Hong Yu Water Ｒesource and Hydropower Geotechnical Engineering Ltd，Changsha 410007，China;3． Wu Ling Power Co． Ltd． ，Changsha 410004，China)  Abstract:The clay-cement material is a fine grouting material，which has been widely used in areas ofhydraulic，mining，landfill and other engineering for seepage preventing and foundation reinforcement． Therheological properties of the slurry have an important influence on groutability and diffusion distance． Series of rheological parameters of clay-cement grouting material on layer flow state are obtained by usingBrookfield + Ｒ/S Ｒheometer，and the effects of water-solid ratio，amount of clay，temperature and filterpress on the rheological properties are studied． The results show that the amount of clay may strongly influence the rheological parameters when the water-solid ratio is not more than 1∶ 1，on the contrary，theinfluences are weak when water-solid ratio is greater than 1∶ 1． The temperature has strong influence onthe rheological properties． The viscosity and yield stress of the slurry increase with time due to soil＇sadsorption． Filter press has litter influences on rheological properties of clay-cement grouting materialcompared with pure cement grouting material． However，clay-cement grouting material is easier to occurfilter-pressing effect at the same pore condition． The rheological properties have a significant influence onthe diffusion distance． The diffusion distance of clay cement slurry is significantly smaller than the cementslurry．Key words:clay-cement grouting material;rheological property;filter-pressing effect;diffusion distance1 引 言 粘土水泥浆材性能优越，价格低廉。广泛应用于垃圾填埋场、帷幕灌浆、边坡处理、溶洞充填等防渗加固工程中。浆材的流变性能影响浆材的流动性、可灌性、甚至灌浆效果，浆材流变性能表征参数有粘度、屈服应力、流动度等。 James ［1］ 研究浆材的流变特性及添加剂对流变特性的影响，认为适当的流变性可提高灌浆质量;夏春等［2］ 对聚合物稳定剂水泥浆和膨润土稳定剂水泥浆进行了流变试验研究，按宾汉流变模型对其流变参数进行了理论计算。曾祥熹等［3］ 研究了水泥浆的粘度与屈服应力对浆液扩散距离的影响，其中动切力尤为显著。水泥浆材粒径越小，流动性越差，水胶比增大流动性增强［4］ 。李术才等 ［5］ 研究了速凝浆材的粘度时变性能，指出水泥-水玻璃粘度分为低粘期、上升期、固化期，高聚物改性水泥浆粘度分为上升期、稳定期、固化期。王小萍等［6］ 对碱激发碳酸盐矿-矿渣复合灌浆材料流变性能研究发现，浆材的屈服应力和粘度值随硅酸钠溶液浓度及矿渣掺量增大而增大。卢爽等［7-10］ 研究了矿物掺合料与高效减水剂对水泥基灌浆材料流变性能的影响，指出搅拌时间几乎不影响流变性能，水泥浆的屈服应力随混合材的掺量增大而降低，磨细矿物掺合料与高效减水剂同掺时流动性增强;何涛［11］ 研究了生物胶、缓凝剂、消泡剂在恒定剪切速率与变化剪切速率下对浆材粘度的影响;王星华［12］ 指出粘土水泥浆属于带屈服值的假塑流体，其流变模型符合改进的双曲模型。   上述研究主要集中在纯水泥浆材的流变性能以及矿物掺合料的影响，很少涉及粘土水泥浆材，二者的流变特性与工程应用范围均存在一定区别;此外，浆材的流变性能对其可灌性和扩散距离有非常显著的影响，而这直接决定着灌浆效果能否达到预期目标。因此，本文在实际灌浆工程的背景下，拟通过大样本试验，研究水固比、粘土掺量、温度、岩土体吸附作用及压滤效应等因素对粘土水泥浆材流变性能及其灌浆效果的影响，以期为相关理论研究和工程实践提供一定参考和依据。2 试 验  2． 1 试验原材料 试验使用湖南怀化托口水电站料场粘土，其总体偏酸性，天然含水率在 20 ～30%，塑性指数 ＞14，液性指数为 0． 3 ～0． 45，平均比重为2． 73。采用 ICDD 的 K值法对粘土进行定量分析，矿物光谱见图 1，光谱中埃洛石(Al 2 ［Si 2 O 5 ］(OH) 4 ·2H 2 O) 的典型特征峰 d =7． 2302，石英(SiO 2 )的典型特征峰 d =3． 3459，埃洛石中矿物含量为 74． 96%，石英含量为 19． 57%。对粘土进行化学分析，测得其组分含量见表 1。试验所用水泥为湖南碧螺牌 P·O42． 5 普通硅酸盐水泥。将粘土浸泡 24 h 以上，用高速搅拌机搅拌均匀，原浆比重为1． 25。    2． 2 试验方案 已有研究表明，影响岩土灌浆材料流变性能的因素有水固比、粘土掺量、温度、岩土体吸附作用和压滤效应等，因此，本文在试验中重点考虑了这几个因素的影响。   水固比对浆材流变性能的影响试验中采用 0． 6∶ 1、1． 0∶ 1、1． 5∶ 1 和 2． 0∶ 1 四种工程中常用水固比，粘土掺量 30%和 50%两种，温度取 35 ℃。   粘土掺量对浆材流变性能的影响试验中采用 0、10%、30%、50% 四种掺量，水固比 0． 6∶ 1、1． 0∶ 1、1． 5∶ 1三种，温度取 35 ℃。   温度对浆材流变性能的影响试验中选择春、夏两季平均气温 24 ℃和 35 ℃条件进行试验，水固比取 1． 0∶ 1，粘土掺量为 10%、30%、50%。   岩土体吸附作用对浆材流变性能的影响试验中，选取水固比 1∶ 1，粘土掺量为 30%的粘土水泥浆材进行测试，在渗透系数为 1． 0 ×10－3cm/s 自然滤水条件下，循环测定浆材流变参数。压滤效应对浆材流变性能的影响试验中，设定灌浆压力为 0． 1 MPa，灌浆时间 120 s，水灰比为 1． 0∶ 1，粘土掺量取 0%、30%，用不同孔径的滤网对灌浆材料进行滤过试验，测试浆液的流变特性在滤过前后的变化。  2． 3 试验仪器 采用美国 Brookfield 公司的 Ｒ/S + plus 流变仪，流变特性采用 V60-30-3tol 桨式转子，粘度采用 CC40-3圆筒式转子，并用 Ｒheo3000 软件进行数据分析处理。  2． 4 试验方法 (1)浆材的流变曲线。使转子剪切速率在 0 ～50 s－1 范围内变化，连续测定 60 s 内浆液的剪切应力变化。 (2)粘度测试。保持转子剪切速率为 30 s－1 不变，每分钟测试两个点的数据，连续测定 90 min 内膏浆粘度的变化。3 结果与讨论  3． 1 水固比对流变性能的影响 (1)流变特性 图 2 可看出，当水固比为 0． 6∶ 1 时，粘土水泥浆材具有明显的屈服应力，剪切应力随剪切速率的变化规律服从线性分布，为宾汉流体;当水固比为 1． 0∶ 1 时，浆材仍存在屈服应力，属于宾汉流体;水固比增大到 1．5∶ 1 时、2． 0∶ 1 时，浆材的流变曲线接近于通过原点的直线，近似为牛顿流体。 (2)粘度时变性 定剪切速率流变试验结果如图 3 所示，对于水固比小于等于 1． 0∶ 1 的两组浆材，相对初始粘度较高，随测试时间延长，粘度呈上升趋势，后基本趋于稳定;当水固比大于 1． 0∶ 1 时，粘度却随时间延长而逐渐变小。水固比为1． 5∶ 1 和2． 0∶ 1 的初始粘度值与1． 0∶ 1 的接近，随时间的延长，逐渐减小接近于0;当水固比小于等于 1． 0∶ 1 时，粘度随时间的延长而增加;大于 1． 0∶ 1 时，随时间的变化不明显。  3． 2 粘土掺量对流变性能的影响 (1)流变特性 图 4 可知，水固比为 0． 6∶ 1 的浆材属于宾汉流体:随粘土掺量的增大，其屈服应力依次增大;水固比为1． 0∶ 1 时，粘土掺量为 0%、10%时，浆材的流变模型较为接近，剪切应力随剪切速率增长，为具有剪胀性的幂律流体，粘土比例达到 30%和 50%时为宾汉流体，在 30%时存在剪胀现象;水固比为 1． 5∶ 1 时为牛顿流体，且粘土掺量对浆材流变模型的影响不大。   (2)粘度时变性 图 5 可知，水固比为 0． 6∶ 1 时，纯水泥浆与粘土掺量 10% 时浆材粘度随时间变化微小;粘土掺量 30%、50%的浆材粘度随时间的延长迅速增大，并在 40 min 处保持稳定;水固比为 1． 0∶ 1 时，四种不同粘土比例浆材的粘度值均随时间呈先降低后增长的趋势，随粘土比例增大，浆材初始粘度值依次增大;水固比 1． 5∶ 1 时，纯水泥浆粘度开始保持 0 不变，在 30 min 后逐渐增加，其它各组浆材粘度均随时间先降低后增长，除粘土掺量 50%的浆材外，其余各组浆材均出现了粘度为 0 的时段。浆材粘度随时间先降低后增长的原因可能是:水固比较高时，浆材为不稳定浆液，析水分层较快，在析水过程中浆液粘度会降低，当浆液析水完全后，浆材逐渐胶凝，粘度逐渐增大。  3． 3 温度对流变性能的影响 (1)流变特性随温度的变化 图 6 表明，粘土掺量 10%时，不同温度条件下浆材的流型大体相同，均为具有剪胀性的幂律流体;粘土掺量 30%，当温度较低时，浆材为剪胀性的幂律流体，温度较高时，服从宾汉流体，具有剪胀特性;粘土掺量50%时，浆材流型为宾汉体，温度较低时存在剪胀特性。当粘土含量较低时，温度对浆材的流型产生微弱影响，可忽略不计;当粘土掺量较大时，温度对浆材的流变特性影响较大，不同的温度条件下甚至服从不同的流型。 (2)粘度时变性 图 7 表明，粘土掺量为 10% 和 30% 时，各温度下浆材的粘度随时间先降低后增大，24 ℃条件下的浆材粘度较 35 ℃时大;当粘土为 50%时，20 min 前 35 ℃条件下的浆材粘度较 24 ℃大，20 min 后相反。3． 4 岩土体主要特性对流变性能的影响 (1)岩土体对浆材的吸附作用 岩土体中水分较少时，浆液扩散流动过程中，其中的水分被岩土体吸附会逐渐减少，浆液的流变参数会发生变化。   如图 8、9 所示，水固比 1∶ 1，粘土掺量 30%的浆材为宾汉流体，随时间增加，浆材的流变曲线整体上移;浆材的粘度和屈服应力随试验时间的增加逐渐增大。表明岩土体对浆材的吸附作用导致浆材中水分减少最终会影响浆材的流变特性，而流变特性会影响浆材的可灌性和扩散距离等。   (2)浆材在岩土体内的压滤效应 众所周知，浆材在灌浆过程中会发生压滤效应，已有研究成果表明压滤效应会对强度产生较大影响 ［14］ ，而关于发生压滤效应后浆材的流变性能的变化却少有研究。产生压滤效应孔隙大小试验。图 10、图 11 为试验装置图。表 2 可知，两种浆材压滤前后密度、粘度均发生了变化。粘土水泥浆材的密度变化为 0． 075 kg/m 3 ，粘度变化为 0． 017 Pa·s;纯水泥浆材的密度变化为0． 030 kg/m 3 ，粘度变化为 0． 0202 Pa·s。粘土水泥浆材密度变化较大，但粘度变化较小;纯水泥浆密度变化较小，但粘度变化较大。图 12 看出，相同水固比的两种浆材通过同一目数滤网的量不一。滤网孔径 0． 3 mm时几乎全部通过，粘土水泥浆材滤过量在孔径 0． 3 ～0． 25 mm 之间大幅下降，而纯水泥浆在孔径 0． 25 ～0． 18mm 之间大幅下降。说明同样空隙的条件下，粘土水泥浆材发生压滤效应的程度更重。   压滤效应前后的流变性能对比试验。对纯水泥浆选取孔径 0． 212 mm 的滤网进行过滤，对粘土水泥浆选取孔径 0． 25 mm 滤网进行过滤。从图 13 可知，纯水泥浆材在滤过前后均为具有剪胀性的幂律流体，滤过前呈现出剪胀特性;粘土水泥浆材的流变曲线变化微小。浆材的压滤作用对流变参数有影响，压滤对粘土水泥浆的流变特性影响较纯水泥浆小。   图 10 中标注如下:1-压力源:为实验提供气体压力，工作压力 12 ～15 MPa; 2-减压器:量程为 4 MPa，工作压力大于 2 MPa;3-输气管:连通压力源与储浆罐，工作压力大于 2 MPa;4-储浆罐:储存浆液的容器，工作压力不小于 4 MPa;5-灌浆浆材;6-输浆管:输浆管路为钢丝皮管，工作压力 4 MPa;7-简易阀门;8-压力容器:其工作压力不小于 4 MPa;9-过滤网。  4 粘土水泥浆材流变特性对灌浆的影响   当作用于膏浆上的剪切力小于屈服强度时，浆体静止不动，只有当剪切力超过屈服强度之后浆体才开始运动，因而浆材的流变特性对灌浆的影响主要体现在可灌性和扩散距离等方面。  4． 1 对可灌性的影响 浆材的可灌性指浆材进入地层孔隙以及在空隙内扩散的能力。一方面，浆材粒径大小表明，粘土颗粒粒径远小于普通水泥，粘土水泥浆材的可灌性优于普通水泥浆;另一方面，浆材的粘度等流变性能和灌浆过程中的压滤效应等表明，粘土水泥浆材的可灌性又不如普通水泥浆，扩散范围有限，但水泥浆材较差的稳定性和结石率低使得施工需要复灌。在大孔(裂)隙岩层或多孔土质、沙质地层灌浆应用时，粘土水泥浆材可控性好;在裂隙岩体、可灌性差的土质地层灌浆应用时，宜选用水泥浆材。  4． 2 对扩散距离的影响 为研究流变性对扩散距离的影响，引用前人研究的成果分析浆材流变特性对扩散半径的影响 ［15-18］ 。以水固比 0． 6∶ 1 的浆材为例，计算结果见表 3。可得出以下结论:   对水固比 0． 6∶ 1 的粘土水泥浆流动距离进行计算。模型 1 计算结果表明，粘土掺量 10% 时流动距离为纯水泥浆的 56%，30%时为 32%，50%时为 22%。模型 2 计算结果表明，粘土掺量 10% 的浆液的流动距离为纯水泥浆的 80%，粘土掺量 30%的为纯水泥浆的 65%，粘土掺量 50%的为纯水泥浆的 38%。   综上所述，粘土水泥浆中粘土掺量会影响浆材的流变特性，因此会影响扩散距离。水固比 0． 6∶ 1 的宾汉流体，只考虑屈服应力对扩散距离的影响时，扩散距离在粘土掺量为 10% 时下降最大;同时考虑粘度与屈服应力时，扩散距离随粘土掺量的增加基本呈现出线性减小。     注:模型 1: Ｒ =p 0 δ2τ0+ Υ0 ，Ｒ 扩散半径，灌浆压力 P 0 =0． 6 MPa，灌浆管半径 r 0 =3 cm，τ n 屈服应力，裂缝宽度 σ =0． 1 cm，适用条件:岩体裂隙宾汉流体;模型 2: △P =3τBh(r － r 0 ) + 6ηQπh3 lnrr 0，r 扩散半径，灌浆压力，灌浆管半径 r 0 =3 cm，τ B 屈服应力，裂缝宽度 h =0． 1 cm，灌浆量 2000 mL ，适用 条件:岩体裂隙宾汉流体。  5 结 论   通过大样本实验，对粘土水泥系列浆材在不同环境下的流变特性及其对灌浆的影响进行研究，得到如下结论: (1)影响粘土水泥浆材流变特性的因素有水固比、粘土掺量、温度、岩土体吸附作用以及灌浆过程中的压滤效应; (2)水固比既影响浆材的流变模型，又影响浆材的粘度。水固比较高时，浆材属于牛顿流体，粘度基本保持不变;水固比较低时，浆材为宾汉流体，粘度随时间呈先增加后保持稳定的趋势; (3)粘土掺量对浆材的流变性能有较大影响。水固比为 1∶ 1 时，粘土掺量较低时，浆材为具有剪胀性的幂律流体，粘土掺量较高时为宾汉流体;水固比为 0． 6∶ 1 时，浆材各时间点的粘度随粘土掺量的增加而增大; (4)温度影响浆材的流变性能。粘土掺量不小于 30%时，不同温度下浆材的流变模型不同，粘土掺量小于 30%时，24 ℃条件下的浆材粘度大于 35 ℃时的粘度; (5)岩土体的主要特性会影响浆材的流变特性，由于对浆材的吸附作用，浆材的粘度和屈服应力随时间逐渐增大;浆材在岩土体中的压滤效应对粘土水泥浆的流变特性影响较纯水泥浆小，但是同样空隙条件下，粘土水泥浆材更易发生压滤效应。浆材流变性能对其扩散距离的影响显著，粘土水泥浆材的扩散距离明显小于纯水泥浆材。 参 考 文 献 ［1］ James Warner P，Fellow E，Geo-Institute，et al． Proper grout rheology assures quality work［J］． Grouting for Ground Improvement． 2007:1-11． ［2］ 夏 春，冯秀梅． 稳定水泥浆流变性试验研究［J］． 水利水电技术，2004，35(10):78-81． ［3］ 曾祥熹，郑长成． 水泥浆的流变性及其对浆液运动的影响［J］． 华东地质学院学报，1996，22(6):137-141． ［4］ 王道平． 超细灌浆水泥流变性能研究［J］． 广东建材，2010(4):13-16 ［5］ 李术才，韩伟伟，张庆松等． 地下工程动水注浆速凝浆液黏度时变特性研究［J］． 岩石力学与工程学报，2013，32(1):1-7． ［6］ 王小萍，殷素红，赵三银，等． 碱激发碳酸盐矿-矿渣复合灌浆材料流变性能的研究［J］． 长江科学院院报，2006，23(6):80-83． ［7］ 卢 爽． 磨细矿物掺合料对水泥基灌浆材料流变性能的影响［D］． 哈尔滨:哈尔滨工业大学学位论文，2006． ［8］ 张 驰，袁晓露，周世华． 矿物掺合料与高效减水剂对水泥基材料流变性能的影响［J］． 混凝土，2004(9):43-46． ［9］ 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