水泥漿析水性能試驗研究

李相輝， 張慶松， 張 霄， 左金鑫， 藍雄東， 楊 騰(山東大學(xué) 土建與水利學(xué)院， 山東 濟南 250061)

水泥漿是隧道、基坑等地下工程常用的涌水封堵材料，具有易操作、強度高、價格便宜等優(yōu)點.目前，針對水泥漿擴散理論的研究仍是一個熱門課題[1-3].漿液黏度是影響注漿擴散的重要因素.析水是水泥漿的重要特性，隨著水分的析出，漿液黏度不斷變化，進而影響注漿擴散范圍[4-9]及涌水封堵效果.水泥顆粒粒徑大，且不溶于水是造成漿液析水的主要原因.重力作用下漿液會因顆粒沉淀造成漿水分離；壓濾環(huán)境中，壓力及濾過效應(yīng)會加速漿水分離過程.在特定條件下，漿液最終會達到水分停止析出、濃度不再變化的穩(wěn)定狀態(tài).

目前，針對水泥漿析水特性的系統(tǒng)研究相對較少.工程技術(shù)人員發(fā)現(xiàn)，析水會造成漿液性能發(fā)生變化，不利于控制注漿效果[10].楊志全等[11-12]開展了水泥漿析水試驗，測試了在重力影響下水泥漿的析水率，但并未深入研究析水對漿液性能的影響.為減弱析水對漿液性能的影響，部分研究人員提出了摻加外加劑以改善漿液析水性的方法，如在漿液中加入有機高分子材料.據(jù)此，瑞士學(xué)者隆巴迪[13]提出了穩(wěn)定漿液的概念，將2h內(nèi)析水率不超過5%的漿液定義為穩(wěn)定漿液.而在水泥漿擴散理論研究中，大多數(shù)研究人員將水泥漿簡化為黏度不變的流體[14]，只有少數(shù)人關(guān)注了析水對漿液黏度變化產(chǎn)生的影響，如趙自亮等[15]認識到，析水會引起漿液流變性能的改變，并據(jù)此分析了其對注漿擴散過程的影響.

為系統(tǒng)研究析水對水泥漿性能及注漿擴散過程的影響，本文分別開展了重力和壓力作用下水泥漿析水試驗，研究了漿液析水規(guī)律及其對漿液密度和黏度等性能的影響；同時結(jié)合土體線性壓縮注漿擴散公式，分析了水泥漿析水作用對注漿擴散范圍的影響，證明了擴散理論研究中考慮水泥漿析水的必要性.

1 試驗

1.1 原材料

水泥為山東山水水泥集團產(chǎn)P·O 42.5普通硅酸鹽水泥.表1為水泥主要化學(xué)組成.

表1 P·O 42.5水泥主要化學(xué)組成Table 1 Major chemical composition(by mass) of Portland cement %

1.2 重力作用下水泥漿析水特性

1.2.1試驗設(shè)計

采用靜置方法，測試水泥漿在重力作用下的析水過程.初步試驗發(fā)現(xiàn)，當水灰比(mW/mC)≤0.7時，水泥漿析水率很小.因此，試驗選取5種水灰比(0.8，1.0，1.2，1.5，2.0)進行研究.

試驗開始前，篩除粒徑0.075mm以上水泥顆粒，確保水泥無結(jié)塊；漿液配制過程中先采用電動攪拌機攪拌2min，再采用10mL玻璃量筒進行水泥漿靜置析水試驗，每間隔30s記錄1次漿液液面高度，每組試驗至少重復(fù)3次，以保證獲得3組可靠試驗數(shù)據(jù)，取其平均值.測定了水泥漿的初始密度ρ0，見表2.

表2 水泥漿初始密度Table 2 Initial density of cement slurries

1.2.2漿液析水試驗結(jié)果

利用漿液初始密度及水泥漿析水量可計算出各時刻的水泥漿析水率η1與密度ρ.

(1)

ρ=(ρ0V0-ρWVW)/(V0-VW)

(2)

式中：ρW為水密度；V0為漿液初始體積,V0=10mL；VW為析出水體積.

重力作用下水泥漿試驗結(jié)果見表3.

表3 重力作用下水泥漿析水試驗結(jié)果Table 3 Water-bleeding test results of cement slurries

1.2.3重力作用下水泥漿析水規(guī)律

為便于分析重力作用下水泥漿析水試驗結(jié)果，利用表3中的試驗數(shù)據(jù)，分別繪制水泥漿析水率及密度變化曲線，見圖1，2.

圖1 水泥漿析水率變化曲線Fig.1 Water-bleeding ratio growing curves along with time

圖2 水泥漿密度變化曲線Fig.2 Density growing curves along with time

由圖1，2可知：(1)隨水灰比的增大，水泥漿最終析水率增大；(2)不同水灰比漿液達到最終析水率的時間基本相等，均為30～40min，特別地，水灰比為2.0的水泥漿析水速率增長較快，在20min內(nèi)即達到最大析水率；(3)析水后水泥漿最終密度基本相等，對于0.8≤mW/mC≤2.0的常用水泥漿，析水后最終密度約為1.65g/cm3.

1.3 壓力作用下水泥漿析水特性

與重力作用下的漿液析水不同，在較高的注漿壓力(4～5MPa)作用下，水泥漿中的自由水被迫析出并滲入地層介質(zhì)中.據(jù)此，設(shè)計了壓力作用下的水泥漿析水過程模擬試驗裝置，來研究壓力作用下的水泥漿析水規(guī)律及其對漿液密度的影響，同時與重力作用下漿液析水試驗結(jié)論進行比較.

1.3.1壓濾試驗系統(tǒng)設(shè)計

壓濾試驗系統(tǒng)包括試驗裝置和注漿設(shè)備兩部分.壓濾試驗系統(tǒng)示意圖如圖3所示.

(1)試驗裝置.試驗裝置設(shè)計為圓筒形，內(nèi)徑100mm，高400mm，采用無縫鋼管加工而成，頂部螺旋連接密封蓋，底部焊接滲透底盤.密封蓋頂部安裝壓力表，監(jiān)測內(nèi)部壓力；底座均布2mm的出水孔.距試驗筒頂部150mm處，設(shè)8mm壓漿孔，以連接注漿管.在試驗裝置內(nèi)部，壓漿孔以下充填粒徑不大于0.625mm的河砂[17]，可有效阻擋水泥顆粒的滲入，在充填介質(zhì)頂部和底部各設(shè)置1塊直徑與試驗筒內(nèi)徑相當?shù)臑V水石，頂部濾水石確保漿液顆粒無法滲入介質(zhì)，底部濾水石防止河砂從底板滲水孔流出.壓漿孔以上空間為試驗過程中的漿液充填區(qū).

圖3 壓濾試驗系統(tǒng)設(shè)計示意圖Fig.3 Design of the filtration system

(2)注漿設(shè)備.注漿設(shè)備包括攪拌機和制漿桶.選用SDGJJ型手動水泥注漿泵進行壓漿，最大注漿壓力可達1MPa，壓漿速率不大于1L/min.

1.3.2試驗設(shè)計

選用漿液水灰比為2.0，1.5，1.2，1.0，0.8，0.7和0.6.受注漿泵性能影響，試驗過程無法保持壓力恒定，因此以壓力達到0.6MPa，且漿液基本不再析水作為試驗結(jié)束標準.按漿液水灰比將試驗分為7組，每組試驗至少獲得2組有效試驗數(shù)據(jù)，以保證試驗結(jié)果的準確性.

1.3.3試驗結(jié)果及分析

在壓力為0.6MPa條件下時，各水灰比水泥漿析水前后密度值及析水時間見表4.由表4可見，各水灰比水泥漿析水過程持續(xù)時間均在20min以內(nèi)，特別是水灰比為0.6的水泥漿析水時間不足10min.

表4 壓力作用下水泥漿析水試驗結(jié)果Table 4 Results of the water-bleeding tests of cement slurries under action of pressure

1.3.4漿液析水率分析

根據(jù)表4數(shù)據(jù)，通過下式計算水泥漿最終析水率η2：

η2=[(ρ-ρ0)/(ρ-ρW)]×100%

(3)

表5為壓力作用下水泥漿最終析水率.

表5 壓力作用下水泥漿最終析水率Table 5 Final water-bleeding ratio of cement slurries under action of pressure

由表5可見，水泥漿最終析水率隨水灰比的減小而減??；當mW/mC=0.6時，水泥漿的最終析水率小于5%，析水量很小.

1.3.5漿液密度變化

對比試驗前后水泥漿密度變化，發(fā)現(xiàn)：(1)析水后各水灰比漿液的最終密度趨近于同一值，約為1.71g/cm3；(2)隨水灰比減小，析水對漿液密度增長的影響逐漸減小.

1.4 重力及壓力作用下水泥漿析水特性對比

1.4.1最終析水時間對比

由前文可知：(1)重力作用下，水灰比0.8以上的水泥漿析水時間在30～40min(水灰比為2.0的水泥漿除外)；(2)壓力作用下，各水灰比水泥漿析水時間均不超過20min，這說明壓力作用下，漿液析水速率更快.因為重力析水是由水泥顆粒沉淀引起的，顆粒沉淀動力僅為自身重力，僅僅受浮力和摩擦力等阻力的影響，沉淀速率緩慢；壓力析水時，漿液中的自由水以壓力為滲流動力透過濾水介質(zhì)，滲透阻力主要是摩擦力，試驗壓力遠大于滲流阻力.因此，壓力析水過程中，漿液中的自由水流失速率較快，加速了漿液析水過程.

1.4.2最終密度及析水率對比

(1)水泥漿最終密度對比 重力作用下，各水灰比漿液析水后的最終密度基本相等，約為1.65g/cm3；壓力作用下，各水灰比水泥漿析水后的最終密度基本相等，約為1.71g/cm3，較重力作用下的析水試驗結(jié)果高出0.06g/cm3.

(2)水泥漿最終析水率對比 利用水泥漿析水試驗數(shù)據(jù)，繪制重力及壓力作用下漿液最終析水率的對比圖(圖4).由圖4可見，與重力析水相比，壓力作用下，漿液最終析水率偏高，最終密度偏大.這是由于兩種作用下水泥顆粒的堆積密實程度不同：重力作用下，水泥顆粒為自然堆積，顆粒間距較大；壓力作用下，水泥顆粒受壓力擠密作用，結(jié)合緊密.因此，壓力作用下，水泥漿中的自由水析出更充分，析水后水泥顆粒密度更高，造成漿液濃度及密度偏大.

圖4 水泥漿析水率對比柱狀圖Fig.4 Comparison of water-bleeding ratio of cement slurry under different actions

2 析水對水泥漿黏度的影響

為研究析水對水泥漿黏度的影響，測定各水灰比水泥漿黏度值.采用插值法，計算試驗過程中各時刻水泥漿黏度值.黏度計算時假定同種水泥漿密度相等時，其黏度也相等.

2.1 水泥漿初始黏度測定

黏度測試選用SY-10型黏度測定儀，量程為0～10mPa·s.試驗中，每種水灰比水泥的漿液黏度測定4次，取4次結(jié)果的平均值作為其初始黏度.各水灰比水泥漿初始黏度見表6.

表6 水泥漿初始黏度Table 6 Initial viscosity of cement slurries

2.2 重力作用下析水對漿液黏度的影響分析

利用表6中水泥漿初始黏度測試結(jié)果，結(jié)合表3中的試驗數(shù)據(jù)，采用插值法，計算相應(yīng)時刻的漿液黏度值.水泥漿黏度隨時間變化曲線見圖5.

圖5 水泥漿黏度隨時間變化曲線Fig.5 Viscosity increase curve under the action of gravity

由圖5可見，水泥漿黏度隨時間逐漸增長，達到最終黏度后，不再變化；析水會造成水泥漿黏度的大幅度增長，特別是mW/mC≥0.8的水泥漿，其黏度增大約2倍以上；隨著水灰比的減小，漿液黏度受析水作用的影響逐漸減?。桓魉冶葷{液析水后最終黏度值相差較大,這是因為隨密度的增大，其對水泥漿黏度的影響更加顯著，同時受析水試驗中誤差累積的影響，導(dǎo)致計算出的水泥漿最終黏度相差較大.實際上，水泥漿最終黏度也應(yīng)相等.

2.3 壓力作用下析水對漿液黏度的影響分析

壓力作用下，各水灰比水泥漿析水后最終密度約為1.71g/cm3.結(jié)合前文分析可知，各水灰比水泥漿析水后最終黏度應(yīng)相等.因此，取密度為1.71g/cm3的水泥漿初始黏度作為其最終黏度.配制密度為1.71g/cm3的水泥漿，測得其黏度為32.6mPa·s.壓力作用下，析水前后水泥漿初始及最終黏度對比柱狀圖見圖6.由圖6可見，壓力作用下，水泥漿黏度受析水作用影響更大，特別是mW/mC≥0.8的水泥漿，其黏度增長2.5倍以上.

圖6 壓力作用下漿液黏度變化對比圖Fig.6 Comparison of viscosity of cement slurries under action of pressure

3 析水對水泥漿擴散的影響分析

在劈裂、壓密及裂隙管道封堵等注漿擴散過程中，水泥漿均存在析水現(xiàn)象，如劈裂及壓密[16]過程中的壓濾作用，裂隙封堵中的漿液流動沉積[1-2].以土體劈裂擴散為例，研究漿液析水對漿液擴散過程的影響.假設(shè)在劈裂通道中水泥漿驅(qū)替擴散，且不考慮其他因素對水泥漿黏度的影響.以注漿孔為擴散起點，注漿擴散過程可分為2個階段：(1)黏度增長階段，漿液黏度隨水分的析出不斷增大；(2)黏度不變階段，漿液中多余的自由水完全析出后，其黏度不再增長，達到最終值.

圖7 漿液擴散過程Fig.7 Process of grouting diffusion

在軟弱破碎巖土體的劈裂注漿治理中，單孔注漿時間多在幾個小時以上；黏度增長階段相對于整個注漿過程十分短暫，擴散過程主要處于黏度不變階段.注漿擴散范圍計算時可采用析水后的漿液最終黏度.對于線性壓密土體的單個圓形劈裂通道注漿過程，注漿壓力與擴散半徑存在如下關(guān)系[17]:

(4)

式中：P為注漿壓力；μ為漿液黏度；q為注漿速率；D為注漿影響范圍；Es為土體壓縮模量；r為注漿擴散半徑；r0為注漿孔半徑；σ3為最小主應(yīng)力.

以水灰比為1.0和2.0的水泥漿為例，探究析水作用對漿液擴散范圍的影響.不考慮析水對黏度的影響時，取μ=3.25mPa·s；考慮析水對黏度的影響時，取μ=32.6mPa·s.計算當q=100L/min，r0=0.05m，D=4m，Es=8MPa，σ3=1MPa時的注漿擴散半徑，結(jié)果見圖8.

圖8 漿液擴散半徑比Fig.8 Comparison of diffusion radius

由圖8可知，擴散半徑相等時，漿液黏度越大，需要的注漿壓力越高.這是由于漿液黏度的增長會增加漿液擴散阻力；對于水灰比為1.0的水泥漿來說，考慮析水對漿液黏度的影響時，計算得出的注漿壓力是不考慮析水影響時的1.42倍；對于水灰比為2.0的水泥漿來說,此值為1.78倍.即漿液擴散阻力分別增加42%和78%.

研究表明，析水作用通過影響水泥漿黏度的變化來增加注漿擴散阻力，對其擴散過程產(chǎn)生了很大影響.因此，在注漿工程的設(shè)計與施工中，特別是劈裂與壓密注漿中，必須充分考慮析水對水泥漿擴散范圍的影響，根據(jù)選用的漿液性質(zhì)及工程需要，適當增大設(shè)計注漿壓力，以保障注漿擴散范圍及效果.

4 結(jié)論

(1)不同配比的漿液在相同條件下析水后，最終密度相等；重力作用下，0.8≤mW/mC≤2.0的水泥漿最終密度約為1.65g/cm3；0.6MPa的壓力作用下，mW/mC≥0.6水泥漿最終密度約為1.71g/cm3.

(2)水泥漿黏度隨水分的析出而增大，壓力作用下，mW/mC≥1.0水泥漿黏度可增大3倍以上.相同條件下，不同水灰比的水泥漿完全析水后，最終黏度相等.

(3)與重力作用相比，壓力作用下，水泥漿析水速率更快，最終析水率、密度及黏度偏大，最終密度平均高出0.05g/cm3.

(4)基于線性壓密土體劈裂注漿擴散方程，分析了析水作用對漿液擴散距離的影響；考慮析水影響時，mW/mC≥1.0水泥漿漿液擴散阻力增大了42%以上，因此在注漿工程的設(shè)計與施工中，需考慮析水作用對水泥漿擴散范圍的影響必要性.

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