水膠比和硅灰摻量對灌漿水泥漿體流變性的影響

導讀:為了研究水膠比和硅灰摻量對改性超細灌漿水泥漿體流變特性的影響，采用旋轉粘度計和馬氏漏斗粘度計法對不同水膠比（０．６，０．７，０．８，１．０，１．５和２．０）的新拌

來源：未知發(fā)布日期：2019-09-18 13:51【大中小】

引言

在灌漿工程中，灌漿材料的流變性能直接影響灌漿加固效果．因普通水泥顆粒粒徑較大很難被灌注到細小巖石裂隙中，特別是在高水頭差透水細小孔隙或裂隙中．為了增強灌漿效果，常將灌漿水泥超細化處理．但水泥顆粒超細化后會增加漿體的黏度，與普通水泥漿體相比，相同水膠比下漿體黏度增大，這將會削弱灌漿效果乃至灌漿失敗．研究發(fā) 現(xiàn)，通過摻加摻合料和外加劑可以改善超細水泥漿體的流變性能和工程應用性能．隨著水膠比的增加，水泥漿體的屈服應力和塑性黏度都呈下降趨勢．超細水泥最大粒徑一般不大于２０μｍ，Ｄ５０小于５μｍ，密度約０．６～１ｇ／ｃｍ３，比表面積不小于１× １０４ｃｍ２／ｇ．由于超細水泥的高活性，其水化反應速度較快，需水量一般較普通水泥高，為了提高超細水泥的可灌性，需加入適量減水劑，約為水泥質量的０．５％．不同粒徑的粉煤灰摻和到水泥中，超細粉煤灰降低屈服應力和黏度的能力最強，并且對硬化后的水泥漿體性能影響不大，認為與超細粉煤灰的 “滾珠效應”有關［９］．但有些工程項目，從經(jīng)濟和安全性考慮，需要灌入的水泥漿體結石早強、適應性好及堵漏耐蝕，通過在超細水泥中摻入硅灰是一種可選辦法．不過，硅灰的摻量對漿體的流變性會產(chǎn)生一定影響．對于漿體的流變性，影響因素一般包括材料組成、水膠比、拌和工藝和顆粒特性等．

對此，本文借助上海昌吉旋轉粘度計和粘度計設備，對不同水膠比和硅灰摻量下改性超細灌漿水泥漿體流變性進行研究，分析水膠比和硅灰摻量對改性超細灌漿水泥流變性能的影響規(guī)律，研究成果可為現(xiàn)場灌漿施工水膠比的合理選擇提供參考．

試驗方案

１．１水泥凈漿流變學原理

研究者一般認為水泥漿體的流變性能滿足Ｅ．Ｃ．Ｂｉｎｇｈａｍ體模型，認為流體剪切應力與其屈服應力、塑性黏度以及剪切速率有關，水泥漿體的流變曲線斜率和塑性黏度與水泥顆粒的粒徑有關。

１．２試驗原材料

試驗所用改性超細灌漿水泥由質量分數(shù) １５％超細礦渣與４２．５級普通硅酸鹽水泥研磨制得．普通硅酸鹽水泥為唐山冀東水泥廠生產(chǎn)，超細礦渣取自唐山冀東水泥廠，硅灰為四川朗天牌．粒度采用激光粒度儀測試。

１．３試驗配合比

試驗主要對改性超細灌漿水泥內摻硅灰，替代率分別為０％，３％，５％，７％和１０％（質量比）．水膠比分別選用０．６，０．７，０．８，１．０，１．５和２．０（質量比）．試驗配合比如表２所示．其中普通水泥（代號取ＯＰＣ）為參照，對超細灌漿水泥（代號取ＭＣ）改性。

１．４試驗方法

水泥漿體的流動特性可用塑性黏度來表征，塑性黏度越大，水泥漿體的流動性越差．本試驗采用范式六速旋轉粘度計和馬氏漏斗粘度計測定結果來評價改性超細灌漿水泥漿液的流動性能，漿體采用水泥凈漿攪拌機拌。
（１）采用范式六速旋轉粘度計測試水泥漿液的流變性．其原理是采用屈服應力τ０和塑性黏度η兩個流變參數(shù)比較漿液的流動性．試驗過程是將盛有３５０ｍＬ新拌水泥漿液樣品杯放在設備托盤上，儀器從高速調整到低速，分別記錄以６００ｒ／ｍｉｎ和３００ｒ／ｍｉｎ轉動時的讀數(shù)，注意每次需待刻度盤的讀數(shù) 穩(wěn)定后記錄讀數(shù)。
（２）采用馬氏漏斗粘度計測試水泥漿液的流變性．即測試一定量的新鮮水泥漿體從漏斗中流出所經(jīng)歷的時間（ｓ），用以表征水泥漿體的流動性．試驗是使漏斗內１５００ｍＬ水泥漿液自由落體流出，記錄將９４６ｍＬ容量瓶注滿時所需的時間（ｓ），根據(jù)所需時間的長短評價水泥漿液的流變特性狀態(tài)．該試驗方法特點是簡單快捷。

２試驗結果與分析

２．１上海昌吉旋轉粘度計測試結果

塑性變形的最大應力，主要與顆粒表面粗糙程度和附著力有關．屈服應力對漿體的變形能力起支配作用．對于普通硅酸鹽水泥，由圖４和圖５可知，隨著水膠比的增大，漿體塑性黏度和屈服應力都減小，在水膠比小于１．５時，其塑性黏度和屈服應力變化將變緩．也就是水膠比的增大，對塑性黏度和屈服應力影響不大．當超細礦渣水泥漿體中摻加硅灰時，由圖２和圖３可知，隨著水膠比的增大，各水泥漿體的塑性黏度均逐漸降低；隨著硅灰的摻加，超細灌漿水泥漿體黏度逐漸增大．通過對式最優(yōu)分析發(fā) 現(xiàn)，當水膠比為１．０左右時，５％硅灰摻量對應的黏度最小，說明存在硅灰的最優(yōu)摻量。

２．２上海昌吉粘度計測試結果

對上述樣品采用馬氏漏斗粘度計測試其流動性隨著水膠比增大，樣品馬氏漏斗所測時間縮短，說明樣品流動性變好，即樣品塑性黏度隨著水膠比的增大而減小．對于改性超細灌漿水泥漿體，當水膠比小于１．０時基本不漏，雖然漿體可以正常裝入漏斗，但不能自由流出，說明此時塑性黏度較大．另外，隨著硅灰摻量增加，漿體塑性黏度變得越來越大，水膠比在１左右時，流動性較差。綜上分析，當水膠比低于１時，漿體由牛頓流體狀態(tài)很快變成賓漢姆體狀態(tài)，樣品入模成型較困難．試驗中各改性超細灌漿水泥漿體的塑性黏度隨著水膠比增大而減小．相同水膠比下，改性超細灌漿水泥漿體的黏度比普通硅酸鹽水泥要大，并且隨著硅灰摻量增加，塑性黏度逐漸增強．在相同水膠比下，由于水泥、礦渣和硅灰的超細化，其比表面積很大，相比普通硅酸鹽水泥，吸附水需要量增加，體系需水量更高，使?jié){體變得粘稠．另外，由于超細水泥的水化反應比普通水泥更快，水化反應需水量也更多，所以需水量初期也較多，這是造成漿體黏度較大的重要原因．硅灰和超細礦渣雖然早期反應較慢，不會在化學反應上增加需水量，并且本次試驗采取內摻，替代部分水泥，減少水泥的用量，但由于超細的顆粒，當硅灰摻加量較少時，體系孔隙被細小硅灰顆粒填充，減小了需水量，但當硅灰摻量增加時，吸附水的量會增加較多．通過試驗發(fā)現(xiàn)，在水膠比為１．０時，硅灰摻量對漿體流動性有一個最優(yōu)值，約為５％。

結語

通過對摻加硅灰的改性超細灌漿水泥流變性室內試驗結果進行分析，發(fā)現(xiàn)新拌水泥漿體，水膠比是漿體流變性的主要影響因素．但在水膠比大于１．５時，影響不大．摻加硅灰，會迅速增大水泥漿體的黏度．結合工程應用和數(shù)據(jù)優(yōu)化分析發(fā)現(xiàn)，特定水膠比下，硅灰存在影響漿體流動性的最佳摻量．另外通過本試驗研究，拓展了馬氏漏斗在評價大黏度漿體方面的應用．具體結論如下：
（１）水膠比是影響水泥漿體流動性的主要因素，水膠比越大，漿體黏度越小，流動性越好．但水膠比大于１．５時，其影響不大。
（２）改性超細灌漿水泥在摻加硅灰后，隨著硅灰摻加量的增加，漿體流變性能總體變差．其中水膠比在１．０附近，存在最佳硅灰摻量，約為５％。
（３）對比六速旋轉粘度計法和馬氏漏斗粘度計法對改性灌漿水泥漿體流變性能測試結果，兩種方法結論基本吻合．其中六速旋轉粘度計法測試結果相對精確，馬氏漏斗粘度計法測試較快捷，但水膠比小的漿體，如水膠比小于１時，可能無法采集有效數(shù) 據(jù)．將馬氏時間指標轉化為馬氏流速指標，可有效揭示漿體流變特性，并與六速旋轉粘度計測試結果進行有效對比。

下一篇：旋轉粘度計間隙流及其對粘度測量的影響上一篇：粘度的測量方法及進展

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