地質(zhì)工程中水泥漿主要流變參數(shù)的確定與分析

【摘要】介紹塑性流體水泥漿的流變性、以及確定水泥漿主要流變參數(shù)的一般方法；文中分析了旋轉(zhuǎn)式粘度計(jì)與漏斗式粘度計(jì)在測(cè)定水泥漿塑性粘度、表觀粘度時(shí)的區(qū)別，進(jìn)而說(shuō)明漏斗式粘度計(jì)在使用上的局限性；又針對(duì)粘聚力（動(dòng)切力）的測(cè)定進(jìn)行分析，提出粘聚力與動(dòng)切力為不同的概念；文章最后，通過(guò)對(duì)水泥漿流變性分析，提出自己的水泥漿充填機(jī)理。

【關(guān)鍵詞】塑性粘度；動(dòng)切力；表觀粘度；流變性；水泥漿充填機(jī)理

在水電工程中，對(duì)大壩的基礎(chǔ)進(jìn)行加固和防滲處理方法運(yùn)用比較多的灌漿。在灌漿工藝中，使用比較廣泛的是穩(wěn)定水泥漿，這種漿液雖然有其優(yōu)點(diǎn)，但水泥漿參數(shù)的確定并沒(méi)有統(tǒng)一的方法，在這種情況下，研究水泥漿流變參數(shù)確定方法，并比較分析各種方法的優(yōu)劣具有十分重要的意義。

1、水泥漿的流變性能

1.1水泥漿的流變性。外力作用下，流體流動(dòng)時(shí)，流體各層流速有很大不同。流體層間距離用dX表示，流體流層相互之間的流速增量用dV表示，則流速梯度應(yīng)為dV/dX，各流層間會(huì)產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，根據(jù)物理學(xué)原理，不同方向和速度的物體在發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生內(nèi)摩擦力，表現(xiàn)在水泥漿的相互流動(dòng)中，則為流體的粘滯性，其中內(nèi)摩擦力受水泥漿流體性質(zhì)、剪切速率及流層間接觸面積影響，及流層間接觸面積和剪切速率越大，流層間的內(nèi)摩擦力也越大。其粘度與剪切應(yīng)力關(guān)系式如下：

F=η·S·dV/dX；F/S=η·dV/dX；令：τ= F/S；即：τ=η·dV/dX或η=τ/（dV/dX）………（1）其中：η—粘滯系數(shù)，稱為粘度；τ—單位面積上的內(nèi)摩擦力，即剪切應(yīng)力，簡(jiǎn)稱切力。

流體的流型有牛頓型、膨脹型、假塑性型、塑性型等，不同的流型流變性是不同的，一般認(rèn)為，水泥漿是有結(jié)構(gòu)的塑性流體（賓漢流體），Ⅰ—不流動(dòng)；Ⅱ—塞流；Ⅲ—層流；Ⅳ—紊流。

1.2影響水泥漿流變性的因素。以上是把水泥漿看作塑性流體，其流變曲線僅反映了水泥漿在外切力作用下，流體的流態(tài)及粘度的變化。試驗(yàn)證明，水灰比確實(shí)是影響水泥漿流變特征的主要因素。

2、水泥漿流變性能主要參數(shù)的測(cè)量

水泥漿流變性能測(cè)量，主要是對(duì)水泥漿靜切力、觸變性、粘度、動(dòng)切力、流性指數(shù)和稠度系數(shù)等的測(cè)量。一般測(cè)量的儀器有電動(dòng)轉(zhuǎn)筒式水泥漿靜切力計(jì)、野外漏斗式粘度計(jì)、毛細(xì)管粘度計(jì)、旋轉(zhuǎn)式粘度計(jì)等以上粘度測(cè)量?jī)x器在使用時(shí)應(yīng)滿足不同的條件，因此其粘度測(cè)量范圍有限。

2.1旋轉(zhuǎn)式粘度計(jì)。旋轉(zhuǎn)式粘度計(jì)在測(cè)量水泥漿粘度時(shí)，效果比較明顯，因其具備多種測(cè)量系統(tǒng)，因此其運(yùn)用范圍相當(dāng)廣泛。在對(duì)水泥漿進(jìn)行測(cè)量時(shí)，通常選取某一特定的測(cè)組，連續(xù)記錄轉(zhuǎn)速讀數(shù)，即可在相應(yīng)的坐標(biāo)紙上繪制出準(zhǔn)確直觀的水泥漿流變曲線。若用快速兩點(diǎn)法（轉(zhuǎn)速600r/min及轉(zhuǎn)速300r/min）測(cè)量水泥漿時(shí)，以φ600代表600r/min時(shí)的參數(shù)，φ300代表300r/min時(shí)的讀數(shù)，則可得流變參數(shù)：塑性粘度：ηp=0.001（φ600-φ300）（Pa·s）；動(dòng)切力：τd=4.9（φ300-ηp）（mg/cm2）；表觀粘度：ηA=0.001×φ600/2（Pa·s）；流性指數(shù)：n=3.321lg（φ600/φ300）；稠度系數(shù)：k=5φ300/500n

2.2漏斗式粘度計(jì)。常用的漏斗式粘度計(jì)有馬氏漏斗（Marsh Funnel）、梅開(kāi)索漏斗（Mecasol Funnel）、普里帕克漏斗（Prepakt Funnel）等。在對(duì)水泥漿粘度進(jìn)行測(cè)量時(shí)，應(yīng)采用1000mL標(biāo)準(zhǔn)量杯盛放水泥漿，然后將漿液全部倒入漏斗，記錄水泥漿從漏斗完全流完所需的時(shí)間，即完成了對(duì)其粘度的測(cè)量。此外還可用尺寸不同的漏斗式粘度計(jì)進(jìn)行粘度測(cè)量，其測(cè)量方法是一樣的。如使用規(guī)格符合美國(guó)API 標(biāo)準(zhǔn)的馬氏漏斗時(shí)，應(yīng)注意水泥粘度測(cè)量應(yīng)滿足的條件：加入 1500ml 清水，流出時(shí)間須為28±0.5s；若將前面所列公式（2）代入（1），可得出：η=ηp +τd /（dV/dX ）塑性流體粘度η為區(qū)別于其它流體，定義為ηA ，并稱為表觀粘度（視粘度），即：ηA =ηp +τd /（dV/dX ）………（3）漏斗式粘度計(jì)的測(cè)量值是水泥漿的表觀粘度ηA，由式（3）分析，在塑性流體ηp、τd為定值情況下，ηA隨（dV/dX）增大而減小，在以往用旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)測(cè)試水泥漿時(shí)，也證實(shí)了這一規(guī)律。漏斗式粘度計(jì)具有使用簡(jiǎn)單、現(xiàn)場(chǎng)適用能力強(qiáng)和結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，但其測(cè)量效果很有限，具體表現(xiàn)在其只能反映某一特定條件下水泥漿表觀層面的粘度，而對(duì)設(shè)計(jì)參數(shù)有重要參考意義的流變參數(shù)粘度卻不能放映出來(lái)。

2.3粘聚力（動(dòng)切力）的測(cè)量。粘聚力的測(cè)試方法是：用10cm×10cm的鋼板，厚約3.2mm，并在鋼板表面上輕輕鏤刻成條寬1.6mm的交叉網(wǎng)格；在鋼板的一側(cè)邊緣焊上一個(gè)鋼棒或銅棒，以便將鋼板浸入漿液試樣中，在鋼板浸入試樣前后分別稱量，以測(cè)定粘在板上的漿液重量，該重量除以鋼板兩面面積之和，即為粘聚力，用g/cm2表示。

3、研究水泥漿流變性的意義

我國(guó)石油鉆井行業(yè)對(duì)水泥漿的研究已經(jīng)進(jìn)入了比較成熟的階段，并在實(shí)踐中積累了一定經(jīng)驗(yàn)，形成了一套比較完整的體系；相比之下，我國(guó)水利建設(shè)行業(yè)相關(guān)研究工作還在進(jìn)一步探索改進(jìn)階段，主要是研究水泥漿在大壩基礎(chǔ)灌漿中的運(yùn)用。水泥漿配合比及水泥漿灌漿工藝的改進(jìn)，有待研究者們進(jìn)一步做深入研究。

3.1水泥漿充填機(jī)理。通過(guò)分析水泥漿流變性，筆者認(rèn)為，水泥漿流變性與其充填機(jī)理有某種特殊的聯(lián)系，即水泥漿充填機(jī)理其實(shí)就是水泥漿流變性的逆過(guò)程；對(duì)于塑性流體的水泥漿，可一言概之，水泥漿充填機(jī)理是水泥漿在裂隙中實(shí)現(xiàn)從紊流→層流→塞流→不流動(dòng)的轉(zhuǎn)變過(guò)程。

3.2確定影響水泥漿擴(kuò)散的主要因素。目前一些灌漿工作者通過(guò)研究水泥漿流變性，對(duì)水泥漿發(fā)生擴(kuò)散現(xiàn)象的影響因素有了新的發(fā)現(xiàn)。其中水泥漿粘度對(duì)水泥漿擴(kuò)散速度影響比較大，通過(guò)相關(guān)計(jì)算可知，水泥漿粘度與擴(kuò)散速度成反比。分析水泥漿流變曲線，可以看出，動(dòng)切力是影響水泥漿擴(kuò)散距離的主要因素，這改變了以往人們的推測(cè)，以為是靜切力在其中起限制作用。從物理力學(xué)角度來(lái)講，水泥漿的流動(dòng)必須有外力作用，且這種外力必須大于水泥漿的靜切力。

3.3為合理設(shè)計(jì)灌漿參數(shù)提供理論依據(jù)。灌漿設(shè)計(jì)者在設(shè)計(jì)水泥漿參數(shù)、灌漿參數(shù)和灌漿工藝時(shí)，通常會(huì)事先熟悉并掌握水泥漿流變性，因?yàn)樗酀{流變性可為其提供設(shè)計(jì)所必須的理論依據(jù)。通過(guò)水泥漿參數(shù)，設(shè)計(jì)者可以實(shí)現(xiàn)：①計(jì)算灌漿線路各控制點(diǎn)的壓力分布狀況；②可以清楚的掌握水泥漿在裂隙環(huán)境下的漿液流態(tài)變化；③了解水泥漿在此種環(huán)境下的擴(kuò)散距離和擴(kuò)散速度；④控制水泥漿在使用泵機(jī)下的可泵性。另外設(shè)計(jì)者還可以根據(jù)水泥漿灌制漿液段的裂隙率、水泥漿漿液壓力及裂隙張開(kāi)度等參數(shù)，計(jì)算出水泥漿灌漿漿液面高度和水泥漿填入量等。設(shè)計(jì)人員為保證灌漿質(zhì)量，降低施工成本以及優(yōu)化施工工藝，應(yīng)該對(duì)不同參數(shù)進(jìn)行準(zhǔn)確計(jì)算，確保設(shè)計(jì)參數(shù)的合理性。

參考文獻(xiàn)

[1]曾祥熹等.《鉆孔護(hù)璧堵漏原理》.北京：地質(zhì)出版社，1986.

[2]李世忠.《鉆探工藝學(xué)》.北京：地質(zhì)出版社，1981.

[3]張景秀.壩基防滲與灌漿技術(shù).北京：水利電力出版社，1992.

[4]張應(yīng)力，楊柏科，周玉華編.《 現(xiàn)代混凝土配合比設(shè)計(jì)手冊(cè)》.人民交通出版社，2013.5.