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水膠比和硅灰摻量對灌漿水泥漿體流變性的影響

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


返回列表 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(xì)小巖石裂隙中，特別是在高水頭差透水細(xì)小 孔隙或裂隙中．為了增強(qiáng)灌漿效果，常將灌漿水泥超 細(xì)化處理．但水泥顆粒超細(xì)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(xì)水泥漿體的 流變性能和工程應(yīng)用性能．隨著 水 膠 比 的 增 加， 水泥漿體的屈服應(yīng)力和塑性黏度都呈下降趨勢． 超細(xì) 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(xì) 水 泥 的 高 活 性，其 水 化 反 應(yīng) 速 度較快，需水量一般較普通水泥高，為了提高超細(xì)水 泥的可灌性，需 加 入 適 量 減 水 劑，約為水泥質(zhì)量的 ０．５％．不同粒徑的粉煤灰摻和到水泥中，超 細(xì) 粉 煤灰降低屈服應(yīng)力和黏度的能力最強(qiáng)，并且對硬化 后的水泥漿體性能影響不大，認(rèn)為與超細(xì)粉煤灰的 “滾珠效應(yīng)”有關(guān)［９］ ．但有些工程項(xiàng)目，從經(jīng)濟(jì)和安全 性考慮，需要灌入的水泥漿體結(jié)石早強(qiáng)、適應(yīng)性好及 堵漏耐蝕，通過在超細(xì)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(zhuǎn)粘度計(jì)和粘度計(jì)設(shè)備，對不同水膠比和硅灰摻量下改性超 細(xì)灌漿水泥漿體流變性進(jìn)行研究，分析水膠比和硅 灰摻量對改性超細(xì)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(yàn)方案

１．１ 水泥凈漿流變學(xué)原理

研究者一般認(rèn)為水泥 漿 體 的 流 變 性 能 滿 足 Ｅ． Ｃ．Ｂｉｎｇｈａｍ 體模型，認(rèn)為流體剪切應(yīng)力與其屈服應(yīng) 力、塑性黏度以及剪切速率有關(guān)，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(guān)。

１．２ 試驗(yàn)原材料

試驗(yàn)所用改性超細(xì)灌漿水泥由質(zhì)量分?jǐn)?shù) １５％ 超細(xì)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(xì)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(yàn)配合比

試驗(yàn)主要對改性超細(xì)灌漿水泥內(nèi)摻硅灰，替代 率分別為０％，３％，５％，７％和１０％（質(zhì)量 比）．水 膠 比分別 選 用 ０．６，０．７，０．８，１．０，１．５ 和 ２．０（質(zhì) 量 比）．試驗(yàn)配合比如表２所示．其中普通水泥（代號取 ＯＰＣ）為參照，對超細(xì)灌漿水泥（代號取 ＭＣ）改性。

１．４ 試驗(yàn)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(yàn)采用范 式六速旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)和馬氏漏斗粘度計(jì)測定結(jié)果來評 價(jià)改性超細(xì)灌漿水泥漿液的流動性能，漿體采用水 泥凈漿攪拌機(jī)拌。
（１）采用范式六速旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)測試水泥漿液的 流變性．其原理是采用屈服應(yīng)力τ０ 和塑性黏度η兩 個(gè)流變參數(shù)比較漿液的流動性．試驗(yàn)過程是將盛有 ３５０ｍＬ新拌水泥漿液樣品杯放在設(shè)備托盤上，儀器 從高速 調(diào) 整 到 低 速，分 別 記 錄 以６００ｒ／ｍｉｎ和 ３００ ｒ／ｍｉｎ轉(zhuǎn)動時(shí)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(jì)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(shí)間（ｓ），用以表征水泥漿體的流動性．試驗(yàn) 是使漏斗內(nèi)１５００ｍＬ水泥漿液自由落體流出，記錄 將９４６ｍＬ容量瓶注滿時(shí)所需的時(shí)間（ｓ），根據(jù)所需 時(shí)間的長短評價(jià)水泥漿液的流變特性狀態(tài)．該試驗(yàn) 方法特點(diǎn)是簡單快捷。

２ 試驗(yàn)結(jié)果與分析

２．１ 上海昌吉旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)測試結(jié)果

塑性變形的最大應(yīng)力，主要與顆粒表面粗糙程度和 附著力有關(guān)．屈服應(yīng)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(yīng)力都減小，在 水膠比小于１．５時(shí)，其塑性黏度和屈服應(yīng)力變化將 變緩．也就是水膠比的增大，對塑性黏度和屈服應(yīng)力 影響不大．當(dāng)超細(xì)礦渣水泥漿體中摻加硅灰時(shí)，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(xì)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(dāng)水膠比為１．０左右時(shí)，５％硅灰摻量對應(yīng)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(jì)測試結(jié)果

對上述樣品采用馬氏漏斗粘度計(jì)測試其流動 性隨著水膠比增大，樣品馬氏漏斗所 測時(shí)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(xì)灌漿水泥 漿體，當(dāng)水膠比小于１．０時(shí)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(shí)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(shí)，流動性較差。綜上分析，當(dāng)水膠比低于１時(shí)，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(yàn)中各改性超細(xì)灌漿水泥漿體的塑性黏度隨著水膠比增大而減?。嗤z比下，改性超細(xì)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(qiáng)．在相同水膠比下，由 于水泥、礦渣和硅灰的超細(xì)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(xì)水泥的水化 反應(yīng)比普通水泥更快，水化反應(yīng)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(xì)礦渣雖然早期反應(yīng)較慢，不會在化 學(xué)反應(yīng)上增加需水量，并且本次試驗(yàn)采取內(nèi)摻，替代 部分水泥，減少水泥的用量，但由于超細(xì)的顆粒，當(dāng) 硅灰摻加量較少時(shí)，體系孔隙被細(xì)小硅灰顆粒填充， 減小了需水量，但當(dāng)硅灰摻量增加時(shí)，吸附水的量會 增加較多．通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在水膠比為１．０時(shí)，硅灰 摻量對漿體流動性有一個(gè)最優(yōu)值，約為５％。

結(jié)語

通過對摻加硅灰的改性超細(xì)灌漿水泥流變性室 內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)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(shí)，影響不大．摻加硅灰，會迅速增大水泥漿體的黏 度．結(jié)合工程應(yīng)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(yàn)研究，拓展了馬氏漏斗在評價(jià)大黏度漿體方面的應(yīng)用．具體結(jié)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(shí)，其影響不大。
（２）改性超 細(xì) 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(zhuǎn)粘度計(jì)法和馬氏漏斗粘度計(jì) 法對改性灌漿水泥漿體流變性能測試結(jié)果，兩種方法結(jié)論基本吻合．其中六速旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)法測試結(jié)果 相對精確，馬氏漏斗粘度計(jì)法測試較快捷，但水膠比 小的漿體，如水膠比小于１時(shí)，可能無法采集有效數(shù) 據(jù)．將馬氏時(shí)間指標(biāo)轉(zhuǎn)化為馬氏流速指標(biāo)，可有效揭 示漿體流變特性，并與六速旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)測試結(jié)果進(jìn) 行有效對比。