關(guān)于水泥漿材試驗相關(guān)問題的探討

唐應(yīng)鵬

（中國水利水電第七工程局成都水電建設(shè)工程有限公司， 四川 成都 611130）

0 引言

近年來，隨著水力資源的大力開發(fā),更多水電站出現(xiàn)在偏遠山區(qū)，氣候條件、工程及水文地質(zhì)條件越來越復(fù)雜，一個個基礎(chǔ)處理難題呈現(xiàn)在工程技術(shù)人員面前，漿材試驗在解決基礎(chǔ)處理技術(shù)難題中扮演重要角色。

國內(nèi)已有很多資料、文獻、技術(shù)規(guī)程規(guī)范涉及到漿材試驗，但零散且標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一，通過對漿材試驗的自身實踐和理解，參考國內(nèi)相關(guān)漿材試驗資料，對漿材試驗中的相關(guān)問題進行探討。

1 漿液析水率及其沉降穩(wěn)定性

1.1 析水率與穩(wěn)定析水率的區(qū)別

析水現(xiàn)象是由于漿液中固體顆粒的沉積而引起的，漿液的析水率是指漿液在靜止?fàn)顟B(tài)下由于水泥顆粒的沉降作用而析出水的比率，通常所說的析水率是漿液靜止2h后析出水的比率，但部分漿液2h內(nèi)不能完成析水過程，待漿液穩(wěn)定后測得的析水率為穩(wěn)定析水率，其沉降穩(wěn)定所需的時間稱為漿液的穩(wěn)定析水時間。

析水率與穩(wěn)定析水率的測定也有不同要求，漿液置入 100ml量筒后，漿液顆粒開始下沉，清水厚度自上而下逐漸增加，若僅需測定漿液的析水率，待2h時觀察量筒內(nèi)水與漿液分界線讀數(shù)即可。而穩(wěn)定析水率測定時，需每隔 10min讀記清水厚度一次，一直到連續(xù)三個析水值的讀數(shù)相同或差別微小（最大與最小值的差≤2ml）。該三個值的平均值為穩(wěn)定時間。

一般情況下，大多漿液能夠在2h內(nèi)穩(wěn)定，穩(wěn)定析水時間小于2h析水時間，但由于水泥品種、水灰比等因素的不同，穩(wěn)定析水時間也可能大于2h析水時間，如濃漿析水穩(wěn)定時間一般大于稀漿，可能在2h以上才能達到析水穩(wěn)定。

表1 普通水泥漿液析水率及穩(wěn)定析水時間

1.2 析水率與結(jié)石率的關(guān)系

常說析水率是在試驗室內(nèi)常壓情況下測量的數(shù)據(jù)，與現(xiàn)場實際灌漿時漿液的析水率有所不同。在實際灌漿過程中，由于灌漿壓力的作用，漿液穩(wěn)定析水時間會縮短，也要多擠出一部分水，析水率增大，因而結(jié)石更加密實，強度也會更高。

結(jié)石率是指漿液結(jié)石干縮后的體積與原漿液體積的比值，室內(nèi)試驗中，可用結(jié)石率=1-析水率，進行常溫常壓下結(jié)石率近似計算，在壓力作用下，其結(jié)石受壓力泌水和擠密作用的影響，結(jié)石率小于常溫常壓下結(jié)石率。

1.3 流動度測定用截錐圓模的使用

《水工建筑物水泥灌漿施工技術(shù)規(guī)范》DL/T 5148首次在2012版附錄規(guī)定測流動度截錐圓模為：上口直徑36mm、下口直徑64mm、高度60mm，內(nèi)壁光滑無接縫的金屬制品。

在此之前，水泥凈漿流動度測試均按照GB/T8077《混凝土外加劑勻質(zhì)性試驗方法》規(guī)定進行：截錐圓模為上口直徑36mm、下口直徑60mm、高度60mm，內(nèi)壁光滑無接縫的金屬制品。

對比發(fā)現(xiàn)，兩個規(guī)范對水泥凈漿流動度測試的操作方法均相同，唯一的區(qū)別是截錐圓模下口直徑GB/T8077為64mm，DL/T 5148為60mm。

上述截錐圓模下口徑，只要進行相互比較的試驗選擇同樣規(guī)格的試模，對測試結(jié)果無實質(zhì)性影響，若水泥漿材試驗也采用GB/T8077標(biāo)準(zhǔn)，則試驗結(jié)果不僅在行業(yè)內(nèi)比較，而且可與建筑、公路等行業(yè)進行比較。

目前，市場上的截錐圓模均為上口直徑36mm、下口直徑60mm、高度60mm的規(guī)格，與水泥灌漿規(guī)范規(guī)定有所差異，實際應(yīng)用中，可采用車床進行加工，也可利用下口徑為60mm的截錐圓模進行測定，以做參照。

2 表觀粘度

2.1 馬氏漏斗與標(biāo)準(zhǔn)漏斗的區(qū)別

漿液的流動性可用MLN-2型馬氏漏斗粘度計、1006型泥漿粘度計進行測定，分別稱為馬氏漏斗粘度、標(biāo)準(zhǔn)漏斗粘度。馬氏漏斗粘度是以注入馬氏漏斗中1500mL漿液流出946mL所需時間表示，標(biāo)準(zhǔn)漏斗是以注入標(biāo)準(zhǔn)漏斗中700mL，漿液流出500mL所需的時間表示。

馬氏漏斗粘度計的標(biāo)準(zhǔn)時間為26±0.5s，標(biāo)準(zhǔn)漏斗粘度計的標(biāo)準(zhǔn)時間為15±0.5s。表觀粘度測試應(yīng)在同一型號漏斗、同一溫度測試條件下進行比較。

2.2 充分利用粘度計配套量杯

在測量過程中，馬氏漏斗配置有 2000ml量杯和 946ml的漏斗，因此，先用2000ml量杯向馬氏漏斗注入1500ml被測漿液，將其946ml配套量杯放入漏斗下按要求進行測量即可。

標(biāo)準(zhǔn)漏斗配套的量杯一端體積為 200mL，另一端為500mL，分別用配套量杯的兩端向標(biāo)準(zhǔn)漏斗注入被測漿液，即剛好700ml，然后將200ml一端向上，放在標(biāo)準(zhǔn)漏斗下按要求進行測量。

若采用購買有刻度的量杯放在漏斗下進行測量，操作和讀數(shù)不方便，不能準(zhǔn)確把握流出漿液的體積，影響表觀粘度測量的準(zhǔn)確性，另外，在倒入被測漿液至漏斗時，必須加蓋過濾網(wǎng)，避免漿液中雜質(zhì)流入漏斗，影響測量準(zhǔn)確性。因此，充分利用配套量杯和漏斗的功能，操作方便，測量準(zhǔn)確。

3 漿液流變參數(shù)

3.1 塑性粘度的大小是流變曲線直線段斜率的倒數(shù)

塑性粘度大的漿液，采用 NXS-11型旋轉(zhuǎn)粘度計測定。該型旋轉(zhuǎn)粘度計，分15檔調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速。測量范圍2.803～1.78×107mPa?s。

①賓漢流體流動方程：

式中：τ——剪切應(yīng)力，Pa；

τ0——屈服強度，Pa；

η——塑性粘度，Pa·s；

dv/dx——剪切速率，l/s。

以不同的剪切速率通過測量獲得相應(yīng)的剪切應(yīng)力，繪制τ～dv/dx 關(guān)系曲線，求出塑性粘度和屈服強度。

圖1 流變參數(shù)測試曲

當(dāng)dv/dx=0時，切應(yīng)力為τ ，這個最低切應(yīng)力τ 稱作靜切力。當(dāng)泥漿所受切應(yīng)力超過靜切力時，泥漿結(jié)構(gòu)開始變形，呈塞流狀態(tài)，此時泥漿粘度η為變值，它隨切應(yīng)力的增大而降低。當(dāng)切應(yīng)力增大到某一數(shù)值時，曲線變直，也即η不再隨切應(yīng)力變化。這時的η 值稱作塑性粘度。

按照賓漢公式求塑性粘度η、抗剪屈服強度（動切力）τ0，要在圖中塑性流變曲線的直線部分任意測出兩組流速梯度和切應(yīng)力的讀數(shù)（τ1、D1；τ2、D2），然后將其帶入賓漢公式，得下列聯(lián)立方程：

解此方程得到：

從上述方程求解結(jié)果可以看出，η 的大小是該曲線直線段斜率的倒數(shù)。大壩基巖灌漿等參考資料中認為η 的大小是該曲線直線段斜率，是錯誤的。

將上述直線延伸與切應(yīng)力軸相交于τ0，τ0稱為動切力（也叫抗剪屈服強度）當(dāng)泥漿的切應(yīng)力達到τ0時，流體呈層流狀態(tài)。塑性粘度和動切力是泥漿處于層流狀態(tài)下的兩個重要參數(shù)。

3.2 流變參數(shù)與表觀黏度的區(qū)別

抗剪屈服強度的大小關(guān)系到層流狀態(tài)下泥漿內(nèi)部的結(jié)構(gòu)狀態(tài)，它可證實漿液懸浮和攜帶巖屑的能力。塑性粘度反映了泥漿在層流狀態(tài)下，內(nèi)部網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的破壞和恢復(fù)處于動態(tài)平衡時，泥漿中懸浮固相之間、固相與液相之間、液相與液相之間的內(nèi)摩擦力。它本身不包含泥漿結(jié)構(gòu)的影響，僅決定于組成物質(zhì)的性質(zhì)?？傊?，塑性粘度與抗剪屈服強度從不同方面反映了泥漿的本質(zhì)。

3.3 膏狀漿液抗剪屈服強度的界定

《水工建筑物水泥灌漿施工技術(shù)規(guī)范》DL/T5148-2001規(guī)定:膏狀漿液系指塑性屈服強度大于20Pa的混合漿液，DL/T5148-2012規(guī)定：膏狀漿液系指以水泥、黏土為主要材料初始塑性屈服強度大于 50Pa的混合漿液。在實際應(yīng)用中，0.5:1水泥漿液屈服強度一般大于30Pa，初始流動度可達160mm以上，而0.45：1的水泥漿液屈服強度一般大于60Pa，其初始流動度可達145mm以上，但無論0.5:1還是 0.45:1水泥漿液并不成膏狀，也不具有膏狀漿液應(yīng)有的自堆積性能，因此，上述膏狀漿液抗剪屈服強度的界定是偏小的，通過現(xiàn)場試驗認為，膏狀漿液的抗剪屈服強度至少應(yīng)在200Pa以上。

4 漿液凝結(jié)時間測定

4.1 初凝時間測定注意事項

在最初測定的操作時應(yīng)輕輕扶持金屬柱，使其徐徐下降，以防試針撞彎，但結(jié)果以自由下落為準(zhǔn)，在整個測試過程中試針沉入的位置至少要距試模內(nèi)壁10mm。

每次測定不能讓試針落入原孔。每次測試完畢須將試針擦凈并將試模放回濕氣養(yǎng)護箱內(nèi)，整個測試過程要防止試模受振。

4.2 終凝時間測定試件是否翻轉(zhuǎn)的討論

由于水泥漿材比水泥標(biāo)準(zhǔn)稠度測試用水量大，試件是依靠顆粒不均勻自由析水沉淀形成，為防止試件沒有整體達到初凝狀態(tài)導(dǎo)致其變形而影響測試結(jié)果，在初凝時間測定完成時，一般不采用翻轉(zhuǎn)試件的方式，而是直接進行終凝時間測定，同時，可避免或減小玻璃片對終凝時間的影響；但若試件翻轉(zhuǎn)不易引起試件損壞，或者在初凝時，上表面針孔已經(jīng)較多，則宜按GB/T1346水泥凈漿凝結(jié)時間試驗，對試件翻轉(zhuǎn)180°進行終凝時間測量。

4.3 凝結(jié)時間試樣制備應(yīng)加模套

由于水泥漿液的析水作用，試件制備時，采取多次添加漿材或加高試模的方式制取試件，加高試模與原試模間用黃油防止?jié){材滲漏，但必須禁止黃油混進漿材中。每次補充添加漿材前，應(yīng)先用吸水球?qū)⑸喜课龀龅那逅?，為減少漿材的沉降不均勻性對漿材性能的影響，要求在添加漿材時必須重新攪拌均勻，否則不能添加。

上述數(shù)據(jù)是在常壓下20℃測得的數(shù)據(jù)，凝結(jié)時間還受溫度、壓力的影響，在5～40℃范圍內(nèi)，溫度越高，漿液凝結(jié)越快，在壓力作用下，由于漿液的壓力泌水作用，其漿液凝結(jié)時間遠遠小于常壓下漿液的凝結(jié)時間。