CL-C型黏土水泥漿本構關系及流變參數時變性研究

田慶浩，高崗榮，劉書杰

(1.煤炭科學研究總院建井研究分院，北京 100013；2.北京中煤礦山工程有限公司，北京 100013)

CL-C型黏土水泥漿是當前注漿工程中應用最為廣泛的注漿材料之一，由黏土漿及少量水泥、水玻璃組成。該漿液具有性價比高、可注性好、耐久性及堵水效果好等優點，得到了廣泛地應用[1-3]。注漿是一個持續的過程，探究漿液的本構關系及表觀黏度、剪切應力等流變參數隨時間的變化規律，對于研究漿液性質以及漿液在裂隙擴散的過程具有重要意義[4-16]。

漿液的本構關系及流變性是指導研究漿液擴散規律的重要基礎條件，但針對CL-C黏土水泥漿的研究仍較少且多未考慮時間因素的影響。本文擬針對CL-C型黏土水泥漿設計室內試驗，探究不同配比漿液的流變本構模型，以確定黏土水泥漿流體類型。同時，考慮漿液攪拌時間及剪切速率因素的影響，研究漿液的表觀黏度及剪切應力等流變參數的變化規律。

1 CL-C型黏土水泥漿流變試驗

1.1 試驗材料

試驗材料包括：黏土、水泥和水玻璃。黏土取自施工現場，并經實驗室高速攪拌機造漿除砂(含砂量3%)后用于室內試驗，黏土成分及性能分析結果見表1。水泥為P·I 42.5硅酸鹽水泥。水玻璃為鈉質水玻璃，濃度37°Bé。

表1 試驗用黏土成分及性能分析結果

1.2 試驗儀器

1)流變參數測試采用NXS-11型旋轉黏度計，其主要技術指標如下，剪切速率可調范圍(γ)：1.23～996s；表觀黏度(η)測量范圍：2.8～1.78×107mPa·s；剪切應力(τ)測量范圍：27.67～2.2×104Pa。

2)攪拌儀器使用JJ-5型砂漿攪拌機，該攪拌機能夠實現對已配置黏土水泥漿較長時間的連續攪拌。

1.3 試驗設計

試驗選取具有代表性的四種配比漿液，各配比見表2。

表2 試驗配比

1.3.1 漿液流體本構模型試驗

按要求配置好各配比的黏土水泥漿液，通過旋轉黏度計測試共十五個檔位的流變數據，每個檔位對應不同的剪切速率γ，從讀數盤讀取對應的數據參數，經過對該參數進行計算處理，得到其對應的剪切應力及黏度值；然后根據該實驗結果繪制γ-τ曲線，并進行擬合處理，確定各配比漿液的本構模型。

1.3.2 不同剪切速率下漿液表觀黏度、剪切應力時變試驗

各配比漿液配置完成后，利用砂漿攪拌機進行連續攪拌，根據漿液配比每0.5h或1h取樣一次進行試驗。試驗測定不同剪切速率下，一段時間內的表觀黏度及剪切應力數據。配比1、2，使用旋轉黏度計A系統進行試驗，選擇1、10、15三個檔位，對應15.5/s、249/s、996.1/s三級剪切速率。配比3使用旋轉黏度計B系統，選擇5、10、15三個檔位，對應10.22/s、51.08/s、204.3/s三級剪切速率。配比4使用C系統5、9、15檔位，對應8.066/s、29.13/s、163.1/s三級剪切速率。試驗完成后，分析各剪切速率條件下，漿液表觀黏度及剪切應力隨時間的變化規律。

2 CL-C型黏土水泥漿試驗結果分析

2.1 流體本構關系簡介

本構方程的建立和流變參數的確定，是研究流體流動和流變特性的基礎，對于部分非牛頓流體本構關系的理論研究[17，18]：

1)賓漢流體其本構方程可表述為：τ=τ0+ηpγ；τ0為屈服應力，ηp為塑性黏度。

2)屈服假塑性流體有以下幾種模型：①H-B模型：就是將假塑流體加上屈服應力，形如τ=τ0+Kγn；τ0為屈服應力，K為稠度指數，n為冪律指數。②R-S模型：是一種三參數的流變模式，表達式為τ=A(γ-C)B，A為其稠度指數，B為流性指數、C為校正值。試驗將根據以上理論模型，分析試驗數據，通過函數擬合的方法對CL-C型黏土水泥漿的本構模型進行研究，找到準確描述CL-C型黏土水泥漿的本構關系。

2.2 本構模型試驗結果分析

分析配比1試驗數據可知，該漿液整體符合賓漢流體線性相關的特征，但屈服假塑性流型擬合程度也較高，配比1漿液γ-τ擬合曲線對比如圖1所示。從簡化計算的角度考慮，認為配比1漿液為賓漢流體。

圖1 配比1漿液γ-τ擬合曲線對比

分析配比2數據發現，在低剪切速率情況下漿液存在明顯假塑性特征，且集中在剪切速率γ<250/s的范圍內；在高剪切速率部分也出現剪切應力偏小導致偏離線性的賓漢曲線的現象，且γ-τ曲線凹向γ軸的曲率更大，屈服應力較配比1增大，配比2漿液γ-τ擬合曲線對比如圖2所示。分析擬合數據，同時考慮相關系數及簡化計算等原因，認為整體上仍可以將該配比漿液認定為賓漢流體進行計算。

圖2 配比2漿液γ-τ擬合曲線對比

分析試驗曲線發現，配比3漿液較前兩種配比，屈服應力增加，同時曲率更大，配比3漿液γ-τ擬合曲線對比如圖3所示。在整個試驗數據范圍，均出現了不同程度的偏離線性賓漢流體的數據，同時參考擬合相關系數也出現了0.02左右的差值。因此，認為配比3漿液為屈服假塑性流體，且對于兩種流變模型R-S模型與H-B模型，兩者均具有較高的擬合度。

圖3 配比3漿液γ-τ擬合曲線對比

因為漿液黏度的提高以及旋轉粘度計量程的限制，配比4漿液采用剪切速率范圍略小于A系統的B系統進行了流變試驗。從數據曲線可知，該配比漿液線性特征已不明顯，非線性特征顯著，屈服強度進一步增大，配比4漿液γ-τ擬合曲線對比如圖4所示。結合擬合數據相關系數可以認為配比4漿液屬屈服假塑性流體，同樣的H-B模型與R-S模型均擬合度較高。

圖4 配比4漿液γ-τ擬合曲線對比

綜上所述，隨著剪切速率的增加，黏土水泥漿的剪切應力隨之增長，兩者之間存在明顯的相關性。密度及黏稠度較低配比漿液線性相關特征明顯，但隨著黏土水泥漿配比黏稠度的增加，非線性特征則越來越顯著，同時各配比漿液均存在一定的屈服應力。通過擬合曲線分析并從簡化計算的角度，認為線性特征更明顯的配比1、2符合賓漢流體的本構模型，配比3、4漿液則更符合非線性的屈服假塑性流體本構模型。

2.3 表觀黏度及剪切應力時變性試驗結果分析

注漿過程中，漿液在攪拌池呈連續攪拌狀態，以供注漿泵直接抽取。隨著注漿泵流量的不同，漿液注入速度亦隨之變化且處于運動剪切狀態。因此，在研究CL-C型黏土水泥漿的表觀黏度及剪切應力時變性規律時，利用小型砂漿攪拌機對已配置好漿液連續攪拌，并隔0.5h或1h取樣測量其在不同剪切速率下的表觀黏度及剪切應力大小。

根據配比1漿液試驗數據發現，隨著攪拌時間的增加，各剪切速率下的表觀黏度及剪切應力亦隨之增加，且呈現非線性相關特征，配比1漿液表觀黏度及剪切應力時變擬合曲線如圖5所示。分析數據后，通過指數函數η(t)=AeBt對時變曲線進行擬合處理，擬合度較高，相關系數均在0.95以上。因此，認為CL-C型黏土水泥漿在連續攪拌狀態下，表觀黏度及剪切應力增長規律符合指數型增長規律。

在不同剪切速率條件下，隨著剪切速率的增高，漿液的表觀黏度則隨之減小，且曲線斜率所表征的隨時間的增長速度也隨之減小；而剪切應力則恰恰相反，隨剪切速率增加表觀黏度隨之增加，增長速度也隨之變大。

圖5 配比1漿液表觀黏度及剪切應力時變擬合曲線

配比2漿液在表觀黏度及剪切應力的時變規律上，通過擬合分析同樣符合指數型的增長規律，如圖6所示。其表觀黏度隨剪切速率的增大而減小，且表觀黏度的增速隨剪切速率的增大而變小。而剪切速率對剪切應力的影響則與表觀黏度相反。

圖6 配比2漿液表觀黏度及剪切應力時變擬合曲線

綜合1、2兩種配比漿液的時變曲線可發現，在高剪切速率條件下表觀黏度的增長是十分緩慢的，且保持在較低的黏度水平接近于線性增長。這說明在高剪切狀態下，漿液處在相對黏度較低且穩定的狀態。因此，注漿過程中需根據地下裂隙含水情況合理的選擇注漿速度。在地層裂隙含水量大的地層應先選擇黏度更大的漿液，并減緩注漿速度，一段時間后，隨著漿液黏度的上升再逐步提高注漿速度。

配比3漿液采用旋轉黏度計B系統進行時變試驗，剪切速率測量范圍比1、2配比小，配比3漿液表觀黏度及剪切應力時變擬合曲線如圖7所示。同樣地，配比3漿液的表觀黏度及剪切應力隨時間的變化仍符合指數型的增長規律，表觀黏度隨剪切速率的增大而減小且增長速度變的緩慢，剪切應力則與之相反。

圖7 配比3漿液表觀黏度及剪切應力時變擬合曲線

配比4漿液采用旋轉黏度計C系統試驗。漿液的表觀黏度及剪切應力隨時間的變化符合指數型的增長規律，但對比1、2、3配比漿液，其不同剪切速率下表觀黏度增長相對較平緩，如圖8所示。表觀黏度隨剪切速率的增大而減小且增長速度變的緩慢，但區別不明顯，剪切應力與之相反。

圖8 配比4漿液表觀黏度及剪切應力時變擬合曲線

綜合分析各配比漿液，可知CL-C型黏土水泥漿漿液表觀黏度及剪切應力存在時變性，且隨時間的延長而增加。分析流變參數曲線并通過數據擬合處理，發現其表觀黏度及剪切應力時變性的增長規律符合指數型分布。剪切速率對漿液時變性的影響顯著，根據試驗結果可知同一配比漿液的表觀黏度是隨剪切速率的提高而減小的，且表觀黏度的增長速度隨之減小的，剪切速率對剪切應力的影響則與表觀黏度相反。

3 結 論

1)CL-C型黏土水泥漿屬非牛頓流體，不同配比漿液的流變本構模型也有所不同，部分配比漿液賓漢特征更明顯，符合賓漢流型τ=τ0+ηpγ，而部分較稠配比漿液則更符合屈服假塑性流體特征，分析了H-B及R-S兩種描述屈服假塑性流體的模型，擬合程度均較高。

2)通過分析各配比漿液時變試驗，認為CL-C型黏土水泥漿的流變參數受剪切速率影響，且在低剪切速率條件下，表觀黏度更大且增長更快速，而高剪切速率條件下則與之相反。漿液表觀黏度及剪切應力存在時變性規律，且符合指數增長模式η(t)=AeBt及τ(t)=AeBt。

3)指出了表觀黏度的增長是與漿液配比以及注漿速度緊密相關的，在設計注漿量較大的區域或地層，可以通過控制注漿速度在較高水平，同時選用較稀配比的漿液，以保持漿液在低表觀黏度狀態，延長可注漿時間，從而達到設計注漿量。對于地層裂隙含水量大的地層，應先選擇黏度更大的漿液并減緩注漿速度，隨著漿液黏度的上升再逐步提高注漿速度。CL-C型黏土水泥漿上述性質對于指導實際注漿工程中注漿漿液配比、注漿速度及泵量的選擇具有現實意義。