估計普通水泥漿液粘度的經驗公式★

許宏發 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·

估計普通水泥漿液粘度的經驗公式★

許宏發 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，其規律符合指數函數分布，對前人水泥漿液粘度的試驗數據進行了擬合分析，得到了普通水泥漿液粘度與水灰比和時間之間的經驗公式，對水泥漿液注漿理論計算、數值模擬、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

地下工程建設在施工過程中由于面臨著復雜的水文地質環境，時常發生突水、涌水災害，嚴重影響了施工進度并帶來巨大的經濟損失。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，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，還與時間有著密切的關系。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，在實現堵水功能方面取得良好效果。但是漿液的結石體強度相對傳統水泥漿的結石體較低，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擬合，但沒有聯系水灰比與擬合參數的關系；趙自亮等[12]用不同的函數對泥漿液粘度試驗數據進行了擬合，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系，本文通過對文獻[15][16]的試驗數據進行擬合分析得出普通水泥漿液粘度的經驗公式，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值模擬。

1 注漿液的粘度、水灰比和時間關系

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，根據文獻[15][16]，水泥漿液粘度與水灰比的關系見表1。

表1 漿液粘度、水灰比和時間關系的試驗值

2 漿液初始粘度的計算

對試驗數據進行逐次擬合分析處理，發現水泥漿與時間的關系滿足式(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；t為時間，min。

根據表1，先對初始時刻漿液粘度進行擬合分析，如圖1所示，得到如下經驗公式。

μ0=1+3m-2.7

(2)

3 漿液粘度與時間的關系

μ=μ0exp(Bt)。

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

表2 不同水灰比下擬合參數B

4 參數確定

對表2中參數B進行分析，發現與水灰比之間具有很好的相關性，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系式為：

μ=(1+3m-2.7)exp(0.12m2.5e-1.6mt)

(4)

其中，t為時間，min。

5 結語

從試驗數據擬合和漿液粘度時間曲線可得出以下結論：

1)擬合所得的經驗方程能較好的反映水泥漿液粘度隨時間變化特征，與試驗數據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,同時還應該考慮漿液粘度隨時間變化的特性。

[1] 馮志強,康紅普,楊景賀.裂隙巖體注漿技術探討[J].煤炭科學技術，2005，33(4)：63-66.

[2] 張 霄,李術才,張慶松,等.礦井高壓裂隙涌水綜合治理方法的現場試驗[J].煤炭學報，2010，35(8)：1314-1318.

[3] 劉招偉,何滿潮,王樹仁.圓梁山隧道巖溶突水機制及防治對策研究[J].巖土力學，2006，27(2)：228-232.

[4] Lombardi G.水泥灌漿漿液是稠好還是稀好[A].現代灌漿技術譯文集[C].1991：76-81.

[5] 楊曉東，劉嘉材.水泥漿材灌入能力研究[M].北京：水利電力出版社，1987：184-191.

[6] 徐 潤，左永江.黏土水泥漿性能及其堵水機制的研究[J].煤炭學報，1996，21(6)：613-617.

[7] Hassler L.Simulation of grouting in jointed rock[A].Proc 6th Int Conf on Rock Mech[C].1987.

[8] 葛家良.基巖結構面特征及其注漿漿液擴散的GJL二維模型[A].全國基巖與混凝土裂縫化學灌漿處理學術研討會論文集[C].2002:27.

[9] 鄭長成.裂隙巖體灌漿的模擬研究[D].長沙:中南工業大學,1999.

[10] Ish-shalom M，Greenberg S A. The rheology of fresh Portland cement pastes[C].Proceedings of the 4th International Symposium Chemistry Cement.[S.l.]：[s.n.]，1960：721.

[11] 阮文軍.注漿擴散與漿液若干基本性能研究[J].巖土工程學報，2005，27(1)：69-73.

[12] 趙自亮,張可能,鄧迎芳,等.水泥漿液流變特性研究及滲透公式優化[J].廣州建筑,2011,39(4)：59-62.

[13] 阮文軍.基于漿液粘度時變性的巖體裂隙注漿擴散模型[J].巖石力學與工程學報，2005，24(15)：2709-2714.

[14] 李術才，韓偉偉，張慶松，等.地下工程動水注漿速凝漿液粘度時變特性研究[J].巖石力學與工程學報,2013,32(1):1-7.

[15] 王雄鷹.水泥漿液粘度隨時間變化的試驗研究[J].山西建筑,2009,35(16):10-12.

[16] 鄺健證,昝月穩，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(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

A