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水胶比和硅灰掺量对灌浆水泥浆体流变性的影响

导读:为了研究水胶比和硅灰掺量对改性超细灌浆水泥浆体流变特性的影响,采用旋转粘度计和马氏漏斗粘度计法对不同水胶比(0.6,0.7,0.8,1.0,1.5和2.0)的新拌


返回列表 来源:未知 发布日期:2019-09-18 13:51【
引言

在灌浆工程中,灌浆材料的流变性能直接影响 灌浆加固效果.因普通水泥颗粒粒径较大很难被灌 注到细小岩石裂隙中,特别是在高水头差透水细小 孔隙或裂隙中.为了增强灌浆效果,常将灌浆水泥超 细化处理.但水泥颗粒超细化后会增加浆体的黏度, 与普通水泥浆体相比,相同水胶比下浆体黏度增大, 这将会削弱灌浆效果乃至灌浆失败.研究 发 现, 通过掺加掺合料和外加剂可以改善超细水泥浆体的 流变性能和工程应用性能.随着 水 胶 比 的 增 加, 水泥浆体的屈服应力和塑性黏度都呈下降趋势. 超细 水 泥 最 大 粒 径 一 般 不 大 于 20μm,D50 小 于 5μm,密度 约0.6~1g/cm3,比表 面 积 不 小 于1× 104cm2/g.由于超 细 水 泥 的 高 活 性,其 水 化 反 应 速 度较快,需水量一般较普通水泥高,为了提高超细水 泥的可灌性,需 加 入 适 量 减 水 剂,约为水泥质量的 0.5%.不同粒径的粉煤灰掺和到水泥中,超 细 粉 煤灰降低屈服应力和黏度的能力最强,并且对硬化 后的水泥浆体性能影响不大,认为与超细粉煤灰的 “滚珠效应”有关[9] .但有些工程项目,从经济和安全 性考虑,需要灌入的水泥浆体结石早强、适应性好及 堵漏耐蚀,通过在超细水泥中掺入硅灰是一种可选 办法.不过,硅灰的掺量对浆体的流变性会产生一定 影响.对于浆体的流变性,影响因素一般包括材料组 成、水胶比、拌和工艺和颗粒特性等.

对此,本文借助上海昌吉旋转粘度计和粘度计设备,对不同水胶比和硅灰掺量下改性超 细灌浆水泥浆体流变性进行研究,分析水胶比和硅 灰掺量对改性超细灌浆水泥流变性能的影响规律, 研究成果可为现场灌浆施工水胶比的合理选择提供 参考.

试验方案

1.1 水泥净浆流变学原理


研究者一般认为水泥 浆 体 的 流 变 性 能 满 足 E. C.Bingham 体模型,认为流体剪切应力与其屈服应 力、塑性黏度以及剪切速率有关,水泥浆体的流 变曲线斜率和塑性黏度与水泥颗粒的粒径有关。

1.2 试验原材料

试验所用改性超细灌浆水泥由质量分数 15% 超细矿渣与42.5级普通硅酸盐水泥研磨制得.普通 硅酸盐水泥为唐山冀东水泥厂生产,超细矿渣取自 唐山冀东水泥厂,硅灰为四川朗天牌.粒度采用激光 粒度仪测试。

1.3 试验配合比

试验主要对改性超细灌浆水泥内掺硅灰,替代 率分别为0%,3%,5%,7%和10%(质量 比).水 胶 比分别 选 用 0.6,0.7,0.8,1.0,1.5 和 2.0(质 量 比).试验配合比如表2所示.其中普通水泥(代号取 OPC)为参照,对超细灌浆水泥(代号取 MC)改性。

1.4 试验方法

水泥浆体的流动特性可用塑性黏度来表征,塑 性黏度越大,水泥浆体的流动性越差.本试验采用范 式六速旋转粘度计和马氏漏斗粘度计测定结果来评 价改性超细灌浆水泥浆液的流动性能,浆体采用水 泥净浆搅拌机拌。
(1)采用范式六速旋转粘度计测试水泥浆液的 流变性.其原理是采用屈服应力τ0 和塑性黏度η两 个流变参数比较浆液的流动性.试验过程是将盛有 350mL新拌水泥浆液样品杯放在设备托盘上,仪器 从高速 调 整 到 低 速,分 别 记 录 以600r/min和 300 r/min转动时的 读 数,注意每次需待刻度盘的读数 稳定后记录读数。
(2)采用马氏漏斗粘度计测试水泥浆液的流变 性.即测试一定量的新鲜水泥浆体从漏斗中流出所 经历的时间(s),用以表征水泥浆体的流动性.试验 是使漏斗内1500mL水泥浆液自由落体流出,记录 将946mL容量瓶注满时所需的时间(s),根据所需 时间的长短评价水泥浆液的流变特性状态.该试验 方法特点是简单快捷。

2 试验结果与分析

2.1 上海昌吉旋转粘度计测试结果


塑性变形的最大应力,主要与颗粒表面粗糙程度和 附着力有关.屈服应力对浆体的变形能力起支配作 用.对于普通硅酸盐水泥,由图4和图5可知,随着 水胶比的增大,浆体塑性黏度和屈服应力都减小,在 水胶比小于1.5时,其塑性黏度和屈服应力变化将 变缓.也就是水胶比的增大,对塑性黏度和屈服应力 影响不大.当超细矿渣水泥浆体中掺加硅灰时,由图 2和图3可知,随着水胶比的增大,各水泥浆体的塑 性黏度均逐渐降低;随着硅灰的掺加,超细灌浆水泥 浆体黏度逐渐增大.通过对式最优分析发 现,当水胶比为1.0左右时,5%硅灰掺量对应的黏 度最小,说明存在硅灰的最优掺量。

2.2 上海昌吉粘度计测试结果

对上述样品采用马氏漏斗粘度计测试其流动 性随着水胶比增大,样品马氏漏斗所 测时间缩短,说明样品流动性变好,即样品塑性黏度 随着水胶比的增大而减小.对于改性超细灌浆水泥 浆体,当水胶比小于1.0时基本不漏,虽然浆体可以 正常装入漏斗,但不能自由流出,说明此时塑性黏度 较大.另外,随着硅灰掺量增加,浆体塑性黏度变得 越来越大,水胶比在1左右时,流动性较差。综上分析,当水胶比低于1时,浆体由牛顿流体 状态很快变成宾汉姆体状态,样品入模成型较困难. 试验中各改性超细灌浆水泥浆体的塑性黏度随着水胶比增大而减小.相同水胶比下,改性超细灌浆水泥 浆体的黏度比普通硅酸盐水泥要大,并且随着硅灰 掺量增加,塑性黏度逐渐增强.在相同水胶比下,由 于水泥、矿渣和硅灰的超细化,其比表面积很大,相 比普通硅酸盐水泥,吸附水需要量增加,体系需水量 更高,使浆体变得粘稠.另外,由于超细水泥的水化 反应比普通水泥更快,水化反应需水量也更多,所以 需水量初期也较多,这是造成浆体黏度较大的重要 原因.硅灰和超细矿渣虽然早期反应较慢,不会在化 学反应上增加需水量,并且本次试验采取内掺,替代 部分水泥,减少水泥的用量,但由于超细的颗粒,当 硅灰掺加量较少时,体系孔隙被细小硅灰颗粒填充, 减小了需水量,但当硅灰掺量增加时,吸附水的量会 增加较多.通过试验发现,在水胶比为1.0时,硅灰 掺量对浆体流动性有一个最优值,约为5%。

结语

通过对掺加硅灰的改性超细灌浆水泥流变性室 内试验结果进行分析,发现新拌水泥浆体,水胶比是 浆体流变性的主要影响因素.但在水胶比大于1.5 时,影响不大.掺加硅灰,会迅速增大水泥浆体的黏 度.结合工程应用和数据优化分析发现,特定水胶比 下,硅灰存在影响浆体流动性的最佳掺量.另外通过 本试验研究,拓展了马氏漏斗在评价大黏度浆体方面的应用.具体结论如下:
(1)水胶比是影响水泥浆体流动性的主要因 素,水胶比越大,浆体黏度越小,流动性越好.但水胶 比大于1.5时,其影响不大。
(2)改性超 细 灌 浆 水 泥 在 掺 加 硅 灰 后,随 着 硅 灰掺加量的增加,浆体流变性能总体变差.其中水胶 比在1.0附近,存在最佳硅灰掺量,约为5%。
(3)对比六速旋转粘度计法和马氏漏斗粘度计 法对改性灌浆水泥浆体流变性能测试结果,两种方法结论基本吻合.其中六速旋转粘度计法测试结果 相对精确,马氏漏斗粘度计法测试较快捷,但水胶比 小的浆体,如水胶比小于1时,可能无法采集有效数 据.将马氏时间指标转化为马氏流速指标,可有效揭 示浆体流变特性,并与六速旋转粘度计测试结果进 行有效对比。