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

来源：未知发布日期：2019-09-18 13:51【大中小】

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３００ｒ／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。

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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

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