估計普通水泥漿液粘度的經(jīng)驗公式★

許宏發(fā) 趙麗雅 王 晨 耿漢生

(解放軍理工大學國防工程學院爆炸沖擊防災減災國家重點實驗室，江蘇 南京 210007)

·巖土工程·地基基礎(chǔ)·

估計普通水泥漿液粘度的經(jīng)驗公式★

許宏發(fā) 趙麗雅 王 晨 耿漢生

(解放軍理工大學國防工程學院爆炸沖擊防災減災國家重點實驗室，江蘇 南京 210007)

論述了研究漿液粘度時變特性的必要性，基于水泥基漿液的粘度存在時變性，其規(guī)律符合指數(shù)函數(shù)分布，對前人水泥漿液粘度的試驗數(shù)據(jù)進行了擬合分析，得到了普通水泥漿液粘度與水灰比和時間之間的經(jīng)驗公式，對水泥漿液注漿理論計算、數(shù)值模擬、建立水泥基漿液注漿擴散模型具有一定的參考價值。

水泥基漿液，粘度，時變性，水灰比

0 引言

地下工程建設(shè)在施工過程中由于面臨著復雜的水文地質(zhì)環(huán)境，時常發(fā)生突水、涌水災害，嚴重影響了施工進度并帶來巨大的經(jīng)濟損失。水泥注漿作為水害治理的主要方法之一具有良好的治理效果[1-3]。在地下水害治理工程中，注漿效果的好壞很大程度上取決于水泥漿液的流動性，而漿液粘度又是影響漿液流動性能的主要參數(shù)，漿液粘度時變性對計算注漿擴散半徑影響很大。因此漿液粘度也就成為了注漿封堵的關(guān)鍵因素之一。

目前,人們對水泥漿液流變特性和漿液粘度影響因素開展了較為深入的研究,研究成果認為水泥漿液的粘度不僅與水灰比，外加劑，溫度有關(guān)，還與時間有著密切的關(guān)系。水泥漿液是復雜的多項混合體,從加水開始隨著時間延長,漿液逐漸凝結(jié)硬化直至水泥漿固化。G.Lombardi等[4，5]建立的注漿理論均未考慮注漿材料粘度時變特性。在建立注漿擴散模型時采用的粘度固定為初始粘度值，這樣計算出的理論擴散半徑遠大于實際值，這與注漿實際情況不符，存在一定的局限性。徐潤等[6]通過往水泥漿中摻入膨潤土、減水劑等外加劑，使水泥漿液的流動性增強，在實現(xiàn)堵水功能方面取得良好效果。但是漿液的結(jié)石體強度相對傳統(tǒng)水泥漿的結(jié)石體較低，使得注漿后的加固效果大大減弱。Hassler，葛家良，鄭長成等[7-9]則得到了時變性流體的流動規(guī)律；M.Ish-shalom等[10,11]針對普通水泥漿液和常用化學漿液的粘度時變性做了深入的分析并對各種漿液的時變曲線進行函數(shù)擬合，但沒有聯(lián)系水灰比與擬合參數(shù)的關(guān)系；趙自亮等[12]用不同的函數(shù)對泥漿液粘度試驗數(shù)據(jù)進行了擬合，理論推導了水泥漿液粘度隨時間而變化的滲透擴散公式。阮文軍[13]建立了基于粘度時變特性的注漿擴散模型，對漿液流變性、粘度時變性等對注漿擴散的漿液性能的影響作了較深入研究。李術(shù)才等[14]分析了不同的水灰比、混合體積比和不同材料混合后水泥漿液的粘度和溫度隨時間的變化規(guī)律并做了材料適用性分析。

前人對各種漿液的粘度變化進行的大量試驗研究均表明：漿液粘度存在時變性。因此水泥漿液注漿理論的建立和數(shù)值計算中必須考慮注漿材料的粘度時變特性。但時變性的具體規(guī)律還需要深入研究。但目前的研究工作沒有揭示漿液粘度隨時間變化的具體關(guān)系，本文通過對文獻[15][16]的試驗數(shù)據(jù)進行擬合分析得出普通水泥漿液粘度的經(jīng)驗公式，較好地反映水泥漿液的粘度時變性，可用于水泥漿液注漿理論計算和數(shù)值模擬。

1 注漿液的粘度、水灰比和時間關(guān)系

注意到對于普通水泥注漿液，其粘度隨著水灰比和時間的變化而改變，在不添加其他附加劑的條件下，根據(jù)文獻[15][16]，水泥漿液粘度與水灰比的關(guān)系見表1。

表1 漿液粘度、水灰比和時間關(guān)系的試驗值

2 漿液初始粘度的計算

對試驗數(shù)據(jù)進行逐次擬合分析處理，發(fā)現(xiàn)水泥漿與時間的關(guān)系滿足式(1)[16]：

μ=μ0exp(Bt)

(1)

其中，μ0為初始時刻漿液粘度，MPa·s；B為擬合常數(shù)；t為時間，min。

根據(jù)表1，先對初始時刻漿液粘度進行擬合分析，如圖1所示，得到如下經(jīng)驗公式。

μ0=1+3m-2.7

(2)

3 漿液粘度與時間的關(guān)系

μ=μ0exp(Bt)。

再將式(2)代入式(1)，并對試驗數(shù)據(jù)進行擬合分析(見圖2)，獲得了不同水灰比下粘度與時間的關(guān)系，擬合參數(shù)見表2。

表2 不同水灰比下擬合參數(shù)B

4 參數(shù)確定

對表2中參數(shù)B進行分析，發(fā)現(xiàn)與水灰比之間具有很好的相關(guān)性，如圖3所示。

通過非線性擬合分析，得到下式：

B=0.12m2.5e-1.6m(R2=0.997 16)

(3)

將式(2)和式(3)代入式(1)得到漿液粘度、水灰比和時間之間的關(guān)系式為：

μ=(1+3m-2.7)exp(0.12m2.5e-1.6mt)

(4)

其中，t為時間，min。

5 結(jié)語

從試驗數(shù)據(jù)擬合和漿液粘度時間曲線可得出以下結(jié)論：

1)擬合所得的經(jīng)驗方程能較好的反映水泥漿液粘度隨時間變化特征，與試驗數(shù)據(jù)曲線能夠很好的吻合。

2)在不同水灰比的情況下，漿液粘度隨時間的延長均有逐漸增大的趨勢,且變化非常的明顯。

3)漿液粘度的大小與水灰比的大小關(guān)系十分密切,在粘度上升期，漿液的粘度增長主要由水泥漿液的水灰比決定。水灰比越小，粘度增長的幅度越大，且同一時刻水灰比越大,所測的粘度越小。

因此,在水泥漿液的流變性與擴散規(guī)律的研究中,不但要考慮不同水灰比對漿液粘度的影響,同時還應(yīng)該考慮漿液粘度隨時間變化的特性。

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[16] 鄺健證,昝月穩(wěn)，王 杰,等.巖土注漿理論與工程實踐[M].北京:科學出版社,2001.

The empirical equations of ordinary cement-based grouts viscosity★

Xu Hongfa Zhao Liya Wang Chen Geng Hansheng

(StateKeyLaboratoryofExplosiveImpactandDisasterPrevention,InstituteofNationalDefenseEngineering,PLAUniversityofScienceandTechnology,Nanjing210007,China)

It is necessary to research the time-variance characteristics of viscosity. Lots of experiments have been conducted to investigate the time-variance characteristics, and the result shows that the viscosity changes in the way of exponential form. On the basis of existing experimental data, an empirical equation of viscosity versus time and water-cement ratio is obtained by the way of data fitting method, which can be used in cement-based grouts grouting theoretical calculations, numerical simulation and building grouts spreading model of cement-based grouts.

cement-based grout， viscosity， time-dependent behavior， water-cement ratio

1009-6825(2015)32-0059-02

2015-09-02★:江蘇省自然科學基金(項目編號：BK20141067)

許宏發(fā)(1964- )，男，博士，博士生導師，教授； 趙麗雅(1992- )，女，在讀碩士； 王 晨(1990- )，男，在讀碩士； 耿漢生(1989- )，男，在讀博士

TU528

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