黏土水泥膏漿流變性能及其對灌漿的影響

張貴金，劉 杰，胡大可，王江營

(1.長沙理工大學(xué) 水利工程學(xué)院， 長沙 410114； 2.中國電建集團 中南勘測設(shè)計研究院有限公司， 長沙 410014)

黏土水泥膏漿流變性能及其對灌漿的影響

張貴金1，劉 杰1，胡大可2，王江營1

(1.長沙理工大學(xué) 水利工程學(xué)院， 長沙 410114； 2.中國電建集團 中南勘測設(shè)計研究院有限公司， 長沙 410014)

黏土水泥膏漿性能優(yōu)越，可廣泛用于土木、水利等工程的防滲堵漏和基礎(chǔ)加固，其流變性能對灌漿工程施工及灌漿效果有重要影響。利用Brookfield+R/S流變儀對其流變參數(shù)進行測試，研究固化劑摻量、溫度及時間等因素對流變性能的影響。結(jié)果表明：膏漿的黏度及屈服應(yīng)力均隨時間增大；固化劑摻量為水泥質(zhì)量的1.0%左右時的膏漿為Herschel-Bulkey流體，并且具有觸變性，防滲堵漏效果最佳；溫度在5～40 ℃之間，溫度影響膏漿的黏度及屈服應(yīng)力，但不影響膏漿的流型，溫度越高，黏度越大，28 ℃下的屈服應(yīng)力最大。室內(nèi)灌漿模擬試驗及抗沖試驗，證明其擴散距離可控，抗水沖釋性能強，與純水泥膏漿相比，初始屈服應(yīng)力及黏度更大，觸變性可控，漿體的穩(wěn)定性更好。黏土水泥膏漿是含水及大孔隙地層、松軟地層等復(fù)雜地層灌漿防滲堵漏的優(yōu)選材料。

黏土水泥膏漿；流變性能；觸變性；灌漿工程；松軟地層

1 研究背景

黏土水泥膏漿是在水泥漿材的基礎(chǔ)上加入一定量的黏土和固化劑改良而成，可廣泛用于土木、水利等工程的防滲堵漏與基礎(chǔ)加固[1-2]。漿材的流變性能對其流動性、可灌性以及灌注效果均有直接影響，而黏土水泥膏漿的流變性與普通漿液存在顯著區(qū)別，故有必要對其進行專門研究。

王小萍等[3]探討了硅酸鈉溶液模數(shù)和濃度、礦渣及緩凝劑摻量對漿液流變性能的影響；馬昆林等[4]研究了水泥-粉煤灰-石灰石粉復(fù)合漿體的流變性能，分析了不同粉體含量以及石灰石粉顆粒粒徑對復(fù)合漿體屈服應(yīng)力、塑性黏度以及觸變性的影響；李術(shù)才等[5]研究了速凝漿材的黏度時變性能，得到了不同水泥漿水灰比和不同漿液混合體積比下的黏度時變方程；王星華等[6]研究了黏土水泥漿的流變特性及其影響因素，得到了一種雙曲流變模型；閆加旺等[7]研究了粉煤灰和石灰對加氣混凝土料漿流變性能、發(fā)氣速率和稠化速率的影響；王發(fā)洲等[8]研究了剪切速率對CA砂漿流變性的影響；何濤等[9]研究了不同外加劑對水泥基灌漿材料流變性能的影響，結(jié)果表明，不同條件下測得的流變曲線均符合Herschel-Bulkey(n<1)的流體模型；張景富等[10]探討了溫度、外加劑等對流變性能的影響規(guī)律及其本質(zhì)；何世明等[11]研究了注漿水泥流變學(xué)設(shè)計應(yīng)考慮溫度、壓力對水泥漿流變性的影響，溫度對流變性的影響要比壓力顯著得多。

上述研究雖然取得了比較豐碩的成果，促進了巖土灌漿材料的發(fā)展與推廣應(yīng)用，但在有些方面仍值得進一步探討：首先，現(xiàn)有研究主要集中在普通水泥等細顆粒漿材，鮮有涉及黏土水泥膏漿，二者的流變性能和工程應(yīng)用范圍均存在顯著區(qū)別；其次，目前對于漿材流變性能的研究多局限于單個影響因素。張景富等[10]雖然探討了溫度和外加劑的影響，但卻未考慮時間因素，且研究對象并非黏土水泥膏漿；再次，已有研究成果多局限于材料本身性能的室內(nèi)試驗，未緊密結(jié)合漿材的實際工程應(yīng)用背景進行研究。與傳統(tǒng)水泥漿材相比，黏土水泥膏漿雖然具有凝膠時間可控、抗水沖釋性強、抗震性能好和價格低廉等優(yōu)點，但由于相關(guān)試驗研究和機理分析的不足，致使其工程應(yīng)用仍比較有限。

本文充分考慮實際灌漿工程環(huán)境和漿材在灌漿過程中的影響，擬通過大樣本試驗，研究固化劑摻量、溫度、時間等主要因素對黏土水泥膏漿流變性能的影響，分析其內(nèi)部機理，并與傳統(tǒng)純水泥膏漿進行對比，在此基礎(chǔ)上開展室內(nèi)模擬試驗，充分探討其流變性能對實際灌漿效果的影響，以期為相關(guān)理論研究和工程實踐提供一定參考和依據(jù)。

2 試驗概況

2.1 原材料

試驗使用湖南懷化托口水電站料場黏土，黏土總體偏酸性，天然含水率為20%～30%，塑性指數(shù)>14，液性指數(shù)為0.30～0.45，平均相對密度為2.73，主要成份為埃洛石(Al2[Si2O5](OH)4·2H2O)，次要成份為SiO2[12]。試驗所用水泥為湖南碧螺牌P·O42.5普通硅酸鹽水泥，添加研發(fā)的固化劑。材料配比如表1所示。

表1 漿材配比Table 1 Mix proportions of grouting materials

2.2 試驗方案

已有研究表明，固化劑摻量、溫度和時間是影響巖土灌漿材料流變性能的3個最主要因素，因此，本文在試驗中重點考慮了這3方面的影響。

時間對漿材流變性能的影響主要體現(xiàn)在屈服應(yīng)力方面，擬分別在0，10，20，30，60，90 min測試不同配比或溫度下漿材的屈服應(yīng)力。

固化劑摻量對漿材流變性能的影響試驗中，溫度取28 ℃，固化劑摻量如表2所示。

表2 固化劑摻量試驗方案Table 2 Test schemes of mixing amount of curing agent

注：試驗采用的黏土原漿相對密度為1.25；水泥∶黏土的質(zhì)量比為1∶1；固化劑摻量取水泥質(zhì)量的百分比。

《水工建筑物水泥灌漿施工技術(shù)規(guī)范》(1994)規(guī)定漿液溫度應(yīng)保持在5～40 ℃之間，因此，選擇試驗溫度為：5，15，24，28，35，40 ℃，固化劑摻量取1.0%，如表3所示。

表3 溫度試驗方案Table 3 Test schemes of temperature

2.3 試驗儀器

采用美國Brookfield公司的R/S+plus流變儀，測試系統(tǒng)采用V60-30-3tol 槳式轉(zhuǎn)子，并用Rheo3000軟件進行數(shù)據(jù)分析處理。

2.4 試驗方法

(1) 黏度測試。保持轉(zhuǎn)子剪切速率為30/s不變，測試2個點/min的數(shù)據(jù)，連續(xù)測定90 min 內(nèi)膏漿黏度的變化。

(2) 漿材的流變曲線。使轉(zhuǎn)子剪切速率在0～60/s范圍內(nèi)變化，變化1次/s剪切速率，連續(xù)測定120 s內(nèi)漿液的剪切應(yīng)力變化。

(3) 觸變性測試。在120 s內(nèi)使剪切速率從0增加到60/s，然后在相同時間內(nèi)從60/s降至0，測試剪切應(yīng)力隨剪切速率的關(guān)系。

3 試驗結(jié)果與分析

3.1 固化劑的影響

3.1.1 流變特性

圖1為黏土水泥膏漿和純水泥膏漿隨固化劑摻量變化的流變曲線。

圖1 不同固化劑摻量下的膏漿流變曲線Fig.1 Rheology curves of plaster slurries with different proportions of curing agent

由圖1可知，固化劑影響膏漿的流型，摻量較低時，均為賓漢流體，摻量較高時，均為帶屈服值的偽塑性流體，即Herschel-Bulkey流體；摻量較高時，剪切應(yīng)力先隨剪切速率增加而減少，最終趨于穩(wěn)定，且穩(wěn)定時的剪切應(yīng)力值相近；在同一剪切速率下，剪切應(yīng)力先隨固化劑摻量的增加而增大，最終趨于穩(wěn)定。

3.1.2 黏度時變性

圖2為黏土水泥膏漿和純水泥膏漿黏度時變曲線?？芍?，黏土水泥膏漿黏度隨時間呈先增加后保持穩(wěn)定的趨勢，各組黏度值交替增長，趨于穩(wěn)定的時間點隨固化劑摻量的增加而增長，而各組黏土水泥膏漿黏度值較接近。固化劑摻量對純水泥膏漿黏度的影響較黏土水泥膏漿大，黏度先隨時間增長逐漸增大，最終趨于穩(wěn)定，穩(wěn)定時間約20～30 min，穩(wěn)定后的黏度隨摻量增加而增長。

圖2 膏漿黏度時變曲線Fig.2 Time-history curves of viscosity of different plaster slurries

3.1.3 屈服應(yīng)力隨時間的變化

表4為黏土水泥膏漿，表5為純水泥膏漿隨時間的屈服應(yīng)力變化值，均隨時間增大，且增長速率隨固化劑摻量增加而增大。相同固化劑摻量時，黏土水泥膏漿的屈服應(yīng)力較純水泥膏漿大，隨時間增長速率也較純水泥膏漿大。

表4 黏土水泥膏漿屈服應(yīng)力Table 4 Yield stresses of clay-cement plaster slurries

表5 純水泥膏漿屈服應(yīng)力Table 5 Yield stresses of cement plaster slurries

對于固化劑摻量為1.0%的黏土水泥膏漿，60 min后屈服應(yīng)力增長緩慢，膏漿基本穩(wěn)定，因而灌漿施工宜在60 min內(nèi)進行。

3.1.4 對膏漿觸變性和振凝性的影響

由圖3可知，黏土水泥膏漿的觸變性及振凝性比較復(fù)雜。固化劑摻量為1.0%的膏漿表現(xiàn)出振凝性，1.5%的膏漿表現(xiàn)出觸變性，總的來看，隨固化劑的增加，黏土水泥膏漿表現(xiàn)從振凝性向觸變性轉(zhuǎn)變的趨勢；純水泥膏漿則表現(xiàn)為單純振凝性, 即隨時間越來越稠，且隨固化劑摻量的增加，振凝性增強。

與純水泥膏漿相比，黏土水泥膏漿穩(wěn)定性更好，觸變性可控。

圖3 膏漿觸變性曲線

3.2 溫度的影響

3.2.1 對流變特性的影響

圖4為黏土水泥膏漿隨溫度的流變曲線。由圖4可知，溫度影響膏漿的剪切應(yīng)力，但不影響膏漿的流型，固化劑摻量為1.0%時，黏土水泥膏漿在各溫度下均為Herschel-Bulkey流體。

圖4 黏土水泥膏漿流變曲線

3.2.2 對黏度的影響

圖5為典型溫度下黏土水泥膏漿的黏度隨時間變化曲線。對于所選用的漿材配比，在5～35 ℃之間，溫度越高，黏度越大。

圖5 黏土水泥膏漿黏度時變曲線

圖6 不同溫度下 屈服應(yīng)力值Fig.6 Yield stresses at different temperatures

3.2.3 對屈服應(yīng)力的影響

圖6為不同溫度下屈服應(yīng)力值，可知，溫度對黏土水泥膏漿初始屈服應(yīng)力的影響呈明顯的階段性，當(dāng)溫度低于28 ℃時，初始屈服應(yīng)力隨溫度升高而增大，當(dāng)高于28 ℃時，隨溫度升高而降低。即在28 ℃左右黏土水泥膏漿的屈服應(yīng)力可達到最大值。

4 機理分析

試驗所用黏土化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，因而固化劑主要通過影響水泥的水解進而影響膏漿的流變性，主要反應(yīng)如下：

NaAlO2+2H2O→Al(OH)3+NaOH ；

(1)

2NaAlO2+3CaO+7H2O→3CaO·Al2O3·6H2O+2NaOH；

(2)

2NaOH+CaSO4→Na2SO4+Ca(OH)2。

(3)

鋁酸鈉與水作用生成氫氧化鈉，氫氧化鈉與水泥中的石膏反應(yīng)生成過渡性的產(chǎn)物硫酸鈉，使水泥漿中起緩凝作用的可溶性的濃度明顯降低，同時水化產(chǎn)物C3AH6可加速漿液的凝結(jié)。表現(xiàn)為隨固化劑摻量的增加剪切應(yīng)力增大，當(dāng)水泥中的石膏充分反應(yīng)后，再增加固化劑，漿液的流變性不再變化。

漿液的剪切應(yīng)力隨膏漿的剪切速率提高而減小，是由于隨著剪切速率的增大，膏漿結(jié)構(gòu)被破壞，結(jié)構(gòu)阻力減小，導(dǎo)致膏漿黏滯阻力降低，當(dāng)膏漿中的結(jié)構(gòu)全部破壞時，體系剪切應(yīng)力會保持一穩(wěn)定值，剪切應(yīng)力最終趨于穩(wěn)定。

固化劑摻量對黏土水泥膏漿觸變性的影響規(guī)律原因包括：固化劑濃度較高時，其膠結(jié)程度較高，形成一種內(nèi)部結(jié)構(gòu)，當(dāng)受到外力作用和持續(xù)剪切時，這種內(nèi)部構(gòu)造被破壞從而導(dǎo)致分子間的各種作用力的減弱或消失，最終宏觀上表現(xiàn)為變形和流動；而當(dāng)外力消失時，分子間又自發(fā)形成新的有序排列，但較剪切前的結(jié)構(gòu)弱，從而表現(xiàn)出觸變性。而低濃度固化劑下的膏漿由于分子的相互作用力較弱，分子的布朗運動范圍較大，在一個方向上持續(xù)作用外力，那么分子做有方向性的積聚，最后分子容易接近和相互作用，從而產(chǎn)生某種凝結(jié)，最終宏觀上表現(xiàn)為膏漿屈服應(yīng)力變大，及振凝性。

黏土化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，本身具有較大黏性，且對漿材的黏度起主要作用，因此黏土水泥膏漿的初始屈服應(yīng)力及黏度較純水泥膏漿大。

溫度對黏土水泥膏漿黏度的影響規(guī)律的原因：溫度升高，分子間熱運動加劇，范德華力作用增大，從而使黏度增大。

溫度對黏土水泥膏漿屈服應(yīng)力的影響規(guī)律原因：28 ℃是固化劑與水泥及水反映的最佳溫度，在此溫度下，其反應(yīng)速率最快，因此，28 ℃時膏漿屈服應(yīng)力最大。

5 黏土水泥膏漿流變性能對灌漿工程的影響

當(dāng)作用于膏漿上的剪切力小于屈服強度時，漿體靜止不動，只有當(dāng)剪切力超過屈服強度之后漿體才開始運動，因而膏漿的流變性能對漿液的抗水沖釋性能和擴散距離有很大影響。

5.1 抗沖釋性能

用于動水堵漏的漿液必須能在一定的動水流速下不被水流沖散、沖走, 然后要能夠迅速凝固、膠結(jié),并具備一定的強度, 從而逐步實現(xiàn)截斷水流, 達到堵漏的目的。為了檢驗摻入外加劑后的黏土水泥膏漿的抗水沖釋性能, 在室內(nèi)進行了不同流速下的抗沖模擬試驗。試驗溫度控制為28 ℃，采用固化劑摻量為1.0%的黏土水泥膏漿進行試驗，水流速度分別為0.2，0.5，0.8，1.2 m/s ?？紤]到膏漿的抗水流沖擊能力及擴散距離，模型水槽尺寸為4.00 m×0.35 m×1.00 m(長×寬×高)，如圖7所示，采用給水泵調(diào)節(jié)流速和流量。

圖7 抗沖試驗裝置Fig.7 Anti-scouring test device

試驗結(jié)果(見表6)表明，流速增加到1.2 m/s時，漿液的沖釋率為34%，表明黏土水泥膏漿具有良好的抗水流沖釋性能，抗水流沖釋性可以提高膏體作為整體抵抗水流的稀釋和沖刷作用，適合動水情況下灌漿堵漏。

表6 黏土水泥膏漿抗沖試驗結(jié)果Table 6 Anti-scouring test results of clay-cement plaster slurries

5.2 擴散距離

5.2.1 幾類漿液擴散現(xiàn)象對比

試驗裝置如圖8所示，采用長L=1 m，直徑D=0.07 m的玻璃圓管，將粒徑、壓實度一致的松散土樣填充至圓管0.8 m高處，在28 ℃下，分別向各管中加入500 mL的不同漿液，1 h后觀察漿液自然擴散范圍，試驗漿材配比及結(jié)果見表7。

圖8 不同漿液在均質(zhì)土中自然下滲擴散比較試驗Fig.8 Comparative test of natural seepage and diffusion of different slurries in homogeneous soil

編號名稱水∶土∶灰∶固化劑擴散距離/cm1黏土水泥膏漿1∶0.5∶0.5∶0.00522純水泥膏漿1∶0∶1∶0.0123純水泥膏漿1∶0∶1∶0.005564純水泥漿1∶0∶1∶056

由表7知，純水泥漿及固化劑摻量為0.5%的純水泥膏漿的擴散距離為56 cm，固化劑摻量為1.0%的黏土水泥膏漿及純水泥膏漿為2 cm，表明固化劑的加入可通過增大漿液的初始屈服應(yīng)力，從而減少漿液的擴散距離，實現(xiàn)擴散距離可控。

5.2.2 室內(nèi)灌漿模擬試驗

采用研制的一套松散地層室內(nèi)灌漿模擬試驗裝置，由壓力系統(tǒng)、儲漿系統(tǒng)、受灌體容器、圍壓系統(tǒng)和監(jiān)測系統(tǒng)等5個部分組成，如圖9所示。使用脈動灌漿[13]的方式灌注黏土水泥膏漿。

圖9 灌漿試驗裝置Fig.9 Laboratory device of grouting test

試驗溫度控制為28 ℃，采用固化劑摻量為1.0%的黏土水泥膏漿進行試驗，試驗結(jié)果見表8。

表8 室內(nèi)灌漿模擬試驗結(jié)果Table 8 Results of laboratory grouting test

由表7可知，灌漿壓力從0.2 MPa增大到0.6 MPa，漿脈擴散直徑從0.95 m增至1.20 m，漿材的擴散半徑可控。

普通水泥漿穩(wěn)定性較差，不具備抗水抗沖性，在松軟地層灌注時擴散半徑不可控，跑漿、失流現(xiàn)象嚴重，對工期及成本不利；水泥水玻璃漿液早期強度低、耐久性差的缺點致使其難以廣泛應(yīng)用；普通水泥膏漿抗水性較差，制漿工藝復(fù)雜，成本較高[14]。黏土水泥膏漿具有初始黏度大、觸變性可控、穩(wěn)定性良好、抗沖稀釋能力強等優(yōu)點，很好地解決了松軟地層中普遍存在的跑漿、失流等問題，同時，黏土價格低廉可顯著降低灌漿成本。

試驗表明，漿材配制固化劑加量以水泥質(zhì)量的1.0%為宜，施工溫度28 ℃最佳，應(yīng)待制漿充分攪拌后開始泵送，宜在60 min內(nèi)施工完畢。

6 結(jié) 論

比較研究了黏土水泥膏漿與純水泥膏漿的流變特性影響因素。

(1) 固化劑摻量較少時，均為賓漢流體，較多時為帶屈服值的偽塑性流體，即Herschel-Bulkey流體；摻量變化對黏土水泥膏漿觸變性影響較大，較低時表現(xiàn)出振凝性，較高時表現(xiàn)出較強的觸變性；而純水泥膏漿則隨固化劑摻量的增加，振凝性增強。

(2) 膏漿的黏度均先隨時間增大后趨于穩(wěn)定；屈服應(yīng)力均隨時間增大，且增長速率隨固化劑摻量增加而增大。相同固化劑摻量時，黏土水泥膏漿的屈服應(yīng)力較純水泥膏漿大，隨時間增長速率也較純水泥膏漿大。

(3) 在5～40 ℃之間，溫度影響?zhàn)ね了喔酀{的屈服應(yīng)力和黏度，但不影響膏漿的流型；溫度越高，黏度越大；溫度對初始屈服應(yīng)力的影響呈現(xiàn)較明顯的階段性變化，變化趨勢轉(zhuǎn)變點大約為28 ℃，當(dāng)?shù)陀谠摐囟葧r，初始屈服應(yīng)力隨溫度升高而增大，高于該溫度時，隨溫度升高而降低。

(4) 與純水泥膏漿相比，黏土水泥膏漿的初始屈服應(yīng)力及黏度更大，觸變性可控，漿體的穩(wěn)定性更好，在灌漿過程中，當(dāng)漿體的運動速率減慢或停止運動時，漿體結(jié)構(gòu)的恢復(fù)使得水泥顆粒不至分層沉淀；在大裂隙或孔洞中灌漿，觸變性可防止?jié){體流失過遠，減少漿材的浪費；在地下水流速較大的地段灌漿，觸變性可提高抗沖釋能力，是含水及大孔隙地層、松軟地層等復(fù)雜地層灌漿防滲堵漏的優(yōu)選材料。

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(編輯：姜小蘭)

Rheological Properties of Plaster Slurry of Clay-cement andIts Influence on Grouting Engineering

ZHANG Gui-jin1,LIU Jie1,HU Da-ke2,WANG Jiang-ying1

(1.School of Hydraulic Engineering, Changsha University of Science and Technology, Changsha 410114, China; 2.Power China Zhongnan Engineering Corporation Limited, Changsha 410014, China)

Plaster slurry of clay-cement can be widely used in seepage and leakage prevention and foundation strengthening in civil and hydraulic engineering. Its rheological properties have important influence on the construction and performance of grouting projects. The influences of curing agent’s content, temperature, and time on the rheological properties of clay-cement plaster slurry were researched by testing the rheological parameters through Brookfield+R/S rheometer. Results revealed that 1) the viscosity and yield stress of the slurry increased with time; 2) when the dosage of curing agent reached about 1.0% of cement mass, plaster slurry had optimum anti-seepage performance and belonged to Herschel-Bulkey fluid; 3) at temperature ranging from 5-40 ℃, temperature had impact on the viscosity and yield stress of the slurry, but had no effect on the fluidity, and the higher temperature led to larger viscosity, and in the meantime yield stress reached its maximum at 28 ℃. Through indoor grouting simulation test and anti-scour test, clay-cement plaster slurry was verified to have good water-dilution resistance and controllable diffusion range. Compared with pure cement slurry, clay-cement plaster slurry has larger initial yield stress and viscosity and better stability with controllable thixotropy. It is a preferred material for the seepage prevention in grouting of complex strata such as water-bearing and large-porosity strata as well as loose and soft strata.

plaster slurry of clay-cement; rheological properties；thixotropy; grouting engineering; weak stratum

2016-01-07； 俢回日期：2016-01-19

國家自然科學(xué)基金項目(51279019)；湖南省重大水利科技項目(湘財農(nóng)指[2015]245號)

張貴金(1963-)，男，湖南慈利人，教授，博士，研究方向為水利工程基礎(chǔ)處理，(電話)13873199807(電子信箱)gjzhang84@126.com。

劉 杰(1992-)，男，湖南祁東人，碩士研究生，研究方向為水利工程基礎(chǔ)處理，(電話)17775757230(電子信箱)240864104@qq.com。

10.11988/ckyyb.20160008

2017,34(3):119-125

TV441

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1001-5485(2017)03-0119-07