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粘土水泥浆中流变性能检测方案(流变仪) 【刊物发表】

  • 应用领域: 建筑/建材/家具
  • 检测样品: 水泥/混凝土
  • 检测项目:流变性能
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  • 发布时间:2020-09-25
  • 参考标准:上海柜谷科技-brookfield博勒飞触屏流变仪RST
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。
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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 distance

1 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
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