不同配合比水泥漿流動性試驗研究

劉運思，肖坤浩，劉澤，馬兆生

（1.湖南科技大學，湖南湘潭 411201；2.浙江省交通集團高速公路溫州管理中心，浙江溫州 325000）

0 引言

隨著我國公路交通建設的不斷發展，我們在追求效率時也更加注重工程質量安全。其中許多漿砌片石擋土墻隨著運營時間長，墻面砂漿風化嚴重會出現垮塌、開裂以及整體強度低的問題[1]。在整治方案中不能中斷交通、施工安全、施工條件、經濟等因素的影響下，決定采用側面注漿加固方法，因此，本文分析出不同含砂率水泥漿配比的運動黏度[2]為后續水泥漿的選取做依據。

其中張喬生[3]按照國家標準《混凝土外加劑勻質試驗方法》（GB/T 8077—2012）中的相關要求，測定了以兩種緩凝劑蔗糖和HNJ-10 為研究對象摻入之后水泥漿的流動性和力學性能的影響，結果表明緩凝劑蔗糖推薦最佳加量為2.0%，而緩凝劑HNJ-10 的最佳加量為1.0%。夏國輝等[4]研究了聚丙烯酰胺（PAM）對水泥漿體流動度的影響規律。歐志華等[5]采用NDJ-1B 型旋轉黏度計分析了硫酸鈉對纖維素醚溶液和纖維素醚改性水泥漿的黏度的影響，結果表明當硫酸鈉超過一定比例時，可以使纖維素醚發生鹽析，使纖維素醚失去對水泥漿的增黏作用；不同種類的纖維素醚，發生鹽析時的最低硫酸鈉摻量不同。王振華[6]主要研究摻入膨潤土的低彈性模量水泥漿的流變性能。陳錫[7]測試水泥砂漿的流動度及水泥凈漿的流變參數，研究石粉顆粒特性對水泥砂漿流動性的影響規律，結果表明不同顆粒級配的石粉對水泥凈漿和砂漿流動性不同，顆粒越小，對流動度、塑性黏度和屈服應力的影響越顯著。岳琴等[8]試驗表面，通過調整合適配方及摻量，用丙烯酸羥乙酯表面活性劑與醇胺類外加劑混合，改進開發了一種新型流動型水泥外加劑。外加劑能夠有效改善水泥粉體流動性，有利于防止水泥結庫，且對水泥的物理性能無影響。因此，本文試驗出水泥漿流動性能，分析出漿液在擋墻中流動性能為后續選取最佳配合比提供參考依據。

1 試驗材料和方法

1.1 試驗材料與儀器

細砂、32.5 級普通硅酸鹽水泥、漏斗黏度計、秒表、電子秤、量筒等。

1.2 試樣原理與方法

制備不同含砂率（0、15%、30%、40%、50%、60%）的水泥漿（水灰比1:0.5、1:0.75、1:1、1:1.25），采用1006 型泥漿黏度計測量其流動性。

基于流動性試驗結果分析不同含砂率漿液流動性、動切力與時間，分析含砂率及水灰比對水泥漿流動性的影響。

1.3 水泥漿黏度試驗

黏度試驗主要步驟。

（1）先準備32.5 型號水泥和細砂（細度模數2.2~1.6、平均粒徑為0.35~0.25mm）。

（2）按水灰比為1:0.5、1:0.75、1:1、1:1.25 分別對應不同含砂率（0、15%、30%、40%、50%、60%）來制備水泥漿，充分攪拌均勻。

（3）試驗進行測量時采用1006 型號泥漿黏度計。先按上述比例稱量適當的水、水泥、細砂，配置700mL水泥漿。固定好黏度計并且流水口用手指堵住，不讓其流出；在將配備的500mL 量杯置于流出口下，然后放開堵住的出口手指，同時開動秒表，當流出的泥漿流滿500mL 量筒即達到它的邊緣，停止計時；記錄下所用的時間，該時間為漿液的漏斗黏度，測砂漿黏度如圖1 所示。同時按照式（1）計算出密度。

圖1 測砂漿黏度

式中：ρ——水泥漿密度，kg/m3；m——水泥漿質量，kg；V——水泥漿體積，m3。

2 試驗結果分析

探索水泥漿黏度發展規律。試驗獲得了不同水灰比和不同含砂率的水泥漿的漏斗黏度如圖2 所示。

圖2 不同配合比下水泥漿漏斗黏度變化

由于在后續漿液擴散半徑和圓管中流動速度等計算中規范要求用的是漿液的動力黏度而不是漏斗黏度，因此二者可通過式（2）和式（3）進行換算。

式中：ν——試樣運動黏度，mm2/s；A——試樣漏斗黏度，s。

其中，動力黏度和運動黏度的關系式：

式中：μ——試樣動力黏度，mPa·s；ρ——漿液密度，g/cm3。

其中各含砂率下水泥漿運動黏度與水灰比的關系曲線如圖3 所示。還有4 種水灰比下水泥漿運動黏度與含砂率的關系曲線圖如圖4 所示。從中可知，總體上黏度隨著水灰比和含砂率的增加而增加。

圖3 不同含砂率下水灰比與水泥漿運動黏度關系曲線

圖4 4 種水灰比下含砂率與水泥漿運動黏度關系曲線

從圖3 可知，①純水泥漿下（即含砂率0），運動黏度變化極小，當水灰比為1 時，幾乎沒有變化。其中一方面是水泥顆粒可以和水發生反應，并且由于重力下沉，使得有潤滑作用的水分子充分聚集。另一方面水泥顆粒過小，本身黏聚力也不夠。②含砂率0%~30%的3條曲線基本上變化不大，說明此時細砂并沒有發揮很大作用。③40%和50%兩條曲線可以看出，當水灰比中水比較多時，曲線比較平緩。隨著水灰比減小，曲線斜率逐漸增大，呈非線性。④因此說明水泥摻量為30%以下時，對水泥漿的運動黏度影響和變化不大，從大于30%開始，水泥摻量對運動黏度的影響逐漸增加，其中60%時摻砂量最大。

從圖4 可知，①在水灰比1:0.5 和1:0.75 時，曲線變化趨勢相似，且運動黏度隨著含砂率增加也基本變化不大。②而水灰比為1:1 和1:1.25 時，含砂率30%之前曲線平緩，斜率不變，大于30%之后，斜率便逐步增加，其中對于水灰比1:1 而言，在含砂率30%~50%，處于呈線性增加，斜率基本不變，即增長趨勢不變，水灰比1:1.25 時，斜率有所波動，屬于正常狀態，總體依舊是持續增加。③大體上，在同一水灰比的條件下，當含砂率不大于30%時，含砂率增加黏度變化較小，曲線趨于平緩。但是當含砂率大于50%時，隨著含砂率的增加黏度迅速增大，曲線斜率逐步增加，因此就流動性來說，含砂率60%不太適用于注漿實際工程中。

其中，黏度作為水泥漿流動性的一個參數，同時也是后續計算漿液擴散半徑的一個主要指數，同時擴散半徑和規律還和流型有關，如冪律流體、牛頓流體、賓漢流體等不同流型。

再將含砂率為0 也就是純水泥漿單獨拿出來，可得到純水泥漿運動黏度與水灰比關系，如圖5 所示。從中我們可以看出，當水灰比為0.8~1.4 之間時，隨著水灰比增加水泥漿的運動黏度呈非線性減小。符合冪函數關系式。當水灰比1.4~2.0 時，隨著水灰比的增加水泥漿運動黏度呈線性關系，直至接近于純水的運動黏度，將會趨于平穩。此純水泥漿的運動黏度曲線分析也可以為后續摻其他物質例如：粉煤灰、礦渣、或者黃土等物質與純水泥漿做對比試驗用于參考。

圖5 純水泥漿黏度與水灰比關系

當然，水泥漿流動性影響不僅僅只受到水灰比和含砂率，還有時間、溫度等其他影響。因為有水泥水化反應過程影響，中間會釋放熱能，導致溫度升高，而且會有凝固。因此通常水泥漿的黏度會隨著水化溫度升高和時間的延長而增大。

在水泥漿配合比中，水:水泥:細砂=3:3:4 較符合規范以及實際工程的流動性要求，且符合水灰比為1:0.5和1:0.75，含砂率為30%~50%，因此可得到該配合比下運動黏度和動力黏度。其中密度1.65g/cm3，因此其中運動黏度ν=0.08 189cm2·s-1和動力黏度μ=0.135mPa·s。當然具體水泥漿配合比還需要繼續進行抗壓、抗剪等試驗操作，流動性指標結合其他指標，確定最佳注漿參數，同時也可以根據實際工程需要摻入適量的速凝劑或玻璃水，以此滿足不同的流動半徑。

3 結論

通過不同水灰比及含砂率的水泥漿的流動性進行試驗，可以得出以下結論。①黏度隨著摻砂率和水灰比的增加而增大，且當含砂率不大于30%時，含砂率增加黏度變化較小，含砂率到達50%時，黏度會增加較大。②含砂率為30%以下時，運動黏度基本上變化不大，因此逐漸范圍比較寬廣，但是漿液流失性也比較高，水泥漿利用率較低。當含砂率為60%時，運動黏度過大，水泥漿流動性較低，不利于漿液進行注漿加固墻體內部流動，因此含砂率選擇30%~50%較合適。③而水灰比為1:0.5 和1:0.75 時，漿液運動黏度過小，容易造成漿液流失造成浪費。因此水灰比1:1 和1:1.25 比較適合注漿。④最終漿液配合比，還需考慮抗剪強度系數，抗壓性能等其他所需方面，因此本文流動性試驗研究可給后續實際研究需要提供參考。