粘土水泥浆材流变性能及其对灌浆的影响

刘 杰，张贵金，杨东升，钟 平

(1.长沙理工大学水利工程学院,长沙 410114；2.湖南宏禹水利水电岩土工程有限公司,长沙 410007；3.五凌电力有限公司，长沙 410004)



粘土水泥浆材流变性能及其对灌浆的影响

刘 杰1，张贵金1，杨东升2，钟 平3

(1.长沙理工大学水利工程学院,长沙 410114；2.湖南宏禹水利水电岩土工程有限公司,长沙 410007；3.五凌电力有限公司，长沙 410004)

粘土水泥浆材性能优越，已广泛应用于水利、矿山、垃圾填埋场等防渗堵漏及基础加固工程，浆材的流变性能对其可灌性和扩散距离有重要影响。利用Brookfield+R/S流变仪对层流状态下不同配比的粘土水泥浆材的流变参数进行了试验研究，探讨水固比、粘土掺量、温度和岩土体吸附作用及压滤作用等因素对其流变性能的影响。结果表明：粘土掺量对水固比为0.6∶1与1∶1的浆材流变参数影响显著，对水固比为1.5∶1与2∶1的浆材影响微弱；同配比浆材在不同温度下有不同的流变模型。由于岩土体对浆材的吸附作用，浆材的粘度和屈服应力随时间逐渐增大；浆材在岩土体中的压滤效应对粘土水泥浆的流变特性影响较纯水泥浆小，但是同样空隙条件下，粘土水泥浆材更易发生压滤效应。浆材流变性能对其扩散距离的影响显著，粘土水泥浆材的扩散距离明显小于水泥浆材。

粘土水泥浆材； 流变性能； 压滤效应； 扩散距离

1 引 言

粘土水泥浆材性能优越，价格低廉。广泛应用于垃圾填埋场、帷幕灌浆、边坡处理、溶洞充填等防渗加固工程中。浆材的流变性能影响浆材的流动性、可灌性、甚至灌浆效果，浆材流变性能表征参数有粘度、屈服应力、流动度等。

James[1]研究浆材的流变特性及添加剂对流变特性的影响，认为适当的流变性可提高灌浆质量；夏春等[2]对聚合物稳定剂水泥浆和膨润土稳定剂水泥浆进行了流变试验研究,按宾汉流变模型对其流变参数进行了理论计算。曾祥熹等[3]研究了水泥浆的粘度与屈服应力对浆液扩散距离的影响，其中动切力尤为显著。水泥浆材粒径越小，流动性越差，水胶比增大流动性增强[4]。李术才等[5]研究了速凝浆材的粘度时变性能，指出水泥-水玻璃粘度分为低粘期、上升期、固化期，高聚物改性水泥浆粘度分为上升期、稳定期、固化期。王小萍等[6]对碱激发碳酸盐矿-矿渣复合灌浆材料流变性能研究发现，浆材的屈服应力和粘度值随硅酸钠溶液浓度及矿渣掺量增大而增大。卢爽等[7-10]研究了矿物掺合料与高效减水剂对水泥基灌浆材料流变性能的影响，指出搅拌时间几乎不影响流变性能，水泥浆的屈服应力随混合材的掺量增大而降低，磨细矿物掺合料与高效减水剂同掺时流动性增强；何涛[11]研究了生物胶、缓凝剂、消泡剂在恒定剪切速率与变化剪切速率下对浆材粘度的影响；王星华[12]指出粘土水泥浆属于带屈服值的假塑流体，其流变模型符合改进的双曲模型。

上述研究主要集中在纯水泥浆材的流变性能以及矿物掺合料的影响，很少涉及粘土水泥浆材，二者的流变特性与工程应用范围均存在一定区别；此外，浆材的流变性能对其可灌性和扩散距离有非常显著的影响，而这直接决定着灌浆效果能否达到预期目标。因此，本文在实际灌浆工程的背景下，拟通过大样本试验，研究水固比、粘土掺量、温度、岩土体吸附作用及压滤效应等因素对粘土水泥浆材流变性能及其灌浆效果的影响，以期为相关理论研究和工程实践提供一定参考和依据。

2 试 验

2.1 试验原材料

图1 粘土矿物光谱图Fig.1 Mineral spectrogram of clay

试验使用湖南怀化托口水电站料场粘土，其总体偏酸性，天然含水率在20～30%，塑性指数>14，液性指数为 0.3～0.45，平均比重为2.73。采用ICDD的K 值法对粘土进行定量分析，矿物光谱见图1，光谱中埃洛石(Al2[Si2O5](OH)4·2H2O) 的典型特征峰d=7.2302，石英(SiO2)的典型特征峰d=3.3459，埃洛石中矿物含量为74.96%，石英含量为19.57%。对粘土进行化学分析，测得其组分含量见表1。试验所用水泥为湖南碧螺牌P·O42.5普通硅酸盐水泥。将粘土浸泡24 h以上，用高速搅拌机搅拌均匀，原浆比重为1.25。

表1 粘土化学组成Tab.1 Chemical composition of clay /%

2.2 试验方案

已有研究表明，影响岩土灌浆材料流变性能的因素有水固比、粘土掺量、温度、岩土体吸附作用和压滤效应等，因此，本文在试验中重点考虑了这几个因素的影响。

水固比对浆材流变性能的影响试验中采用0.6∶1、1.0∶1、1.5∶1和2.0∶1四种工程中常用水固比，粘土掺量30%和50%两种，温度取35 ℃。

粘土掺量对浆材流变性能的影响试验中采用0、10%、30%、50%四种掺量，水固比0.6∶1、1.0∶1、1.5∶1三种，温度取35 ℃。

温度对浆材流变性能的影响试验中选择春、夏两季平均气温24 ℃和35 ℃条件进行试验，水固比取1.0∶1，粘土掺量为10%、30%、50%。

岩土体吸附作用对浆材流变性能的影响试验中，选取水固比1∶1，粘土掺量为30%的粘土水泥浆材进行测试，在渗透系数为1.0×10-3cm/s自然滤水条件下，循环测定浆材流变参数。压滤效应对浆材流变性能的影响试验中，设定灌浆压力为0.1 MPa，灌浆时间120 s，水灰比为1.0∶1，粘土掺量取0%、30%，用不同孔径的滤网对灌浆材料进行滤过试验，测试浆液的流变特性在滤过前后的变化。

2.3 试验仪器

采用美国Brookfield公司的R/S+plus流变仪，流变特性采用V60-30-3tol 桨式转子，粘度采用CC40-3圆筒式转子，并用Rheo3000软件进行数据分析处理。

2.4 试验方法

(1)浆材的流变曲线。使转子剪切速率在0～50 s-1范围内变化，连续测定60 s内浆液的剪切应力变化。

(2)粘度测试。保持转子剪切速率为30 s-1不变，每分钟测试两个点的数据，连续测定90 min 内膏浆粘度的变化。

3 结果与讨论

3.1水固比对流变性能的影响

(1)流变特性

图2可看出，当水固比为0.6∶1时，粘土水泥浆材具有明显的屈服应力，剪切应力随剪切速率的变化规律服从线性分布，为宾汉流体；当水固比为1.0∶1时，浆材仍存在屈服应力，属于宾汉流体；水固比增大到1.5∶1时、2.0∶1时，浆材的流变曲线接近于通过原点的直线，近似为牛顿流体。

图2 不同水固比浆材的流变曲线(a)粘土掺量30%;(b)粘土掺量50%Fig.2 Rheological model test

(2)粘度时变性

定剪切速率流变试验结果如图3所示，对于水固比小于等于1.0∶1的两组浆材，相对初始粘度较高，随测试时间延长，粘度呈上升趋势，后基本趋于稳定；当水固比大于1.0∶1时，粘度却随时间延长而逐渐变小。水固比为1.5∶1和2.0∶1的初始粘度值与1.0∶1的接近，随时间的延长，逐渐减小接近于0；当水固比小于等于1.0∶1时，粘度随时间的延长而增加；大于1.0∶1时，随时间的变化不明显。

图3 浆材粘度时变性(a) 粘土掺量30%;(b) 粘土掺量50%Fig.3 Constant shear rate viscosity test

3.2 粘土掺量对流变性能的影响

(1)流变特性

图4可知，水固比为0.6∶1的浆材属于宾汉流体：随粘土掺量的增大，其屈服应力依次增大；水固比为1.0∶1时，粘土掺量为0%、10%时，浆材的流变模型较为接近,剪切应力随剪切速率增长，为具有剪胀性的幂律流体，粘土比例达到30%和50%时为宾汉流体，在30%时存在剪胀现象；水固比为1.5∶1时为牛顿流体，且粘土掺量对浆材流变模型的影响不大。

图4 不同粘土掺量流变曲线(a)水固比0.6∶1;(b)水固比1∶1;(c)水固比1.5∶1Fig.4 Rheological model test

(2)粘度时变性

图5可知，水固比为0.6∶1时，纯水泥浆与粘土掺量10%时浆材粘度随时间变化微小；粘土掺量30%、50%的浆材粘度随时间的延长迅速增大，并在40 min处保持稳定；水固比为1.0∶1时，四种不同粘土比例浆材的粘度值均随时间呈先降低后增长的趋势，随粘土比例增大，浆材初始粘度值依次增大；水固比1.5∶1时，纯水泥浆粘度开始保持0不变，在30 min后逐渐增加，其它各组浆材粘度均随时间先降低后增长，除粘土掺量50%的浆材外，其余各组浆材均出现了粘度为0的时段。浆材粘度随时间先降低后增长的原因可能是：水固比较高时，浆材为不稳定浆液，析水分层较快，在析水过程中浆液粘度会降低，当浆液析水完全后，浆材逐渐胶凝，粘度逐渐增大。

3.3 温度对流变性能的影响

(1)流变特性随温度的变化

图6表明，粘土掺量10%时，不同温度条件下浆材的流型大体相同，均为具有剪胀性的幂律流体；粘土掺量30%，当温度较低时，浆材为剪胀性的幂律流体，温度较高时，服从宾汉流体，具有剪胀特性；粘土掺量50%时，浆材流型为宾汉体，温度较低时存在剪胀特性。

当粘土含量较低时，温度对浆材的流型产生微弱影响，可忽略不计；当粘土掺量较大时，温度对浆材的流变特性影响较大，不同的温度条件下甚至服从不同的流型。

图5 不同粘土掺量粘度曲线(a)水固比0.6∶1;(b)水固比1∶1;(c)水固比1.5∶1Fig.5 Constant shear rate viscosity test

图6 温度浆材流变曲线的影响(a)10%;(b) 粘土掺量30%;(c) 粘土掺量50%Fig.6 Rheological model of different temperatures

(2)粘度时变性

图7表明，粘土掺量为10%和30%时，各温度下浆材的粘度随时间先降低后增大，24 ℃条件下的浆材粘度较35 ℃时大；当粘土为50%时，20 min前35 ℃条件下的浆材粘度较24 ℃大，20 min后相反。

图7 两种温度条件下粘度曲线(a) 粘土掺量10%;(b) 粘土掺量30%;(c)粘土掺量50%Fig.7 Constant shear rate viscosity test of different temperatures

3.4 岩土体主要特性对流变性能的影响

(1)岩土体对浆材的吸附作用

岩土体中水分较少时，浆液扩散流动过程中，其中的水分被岩土体吸附会逐渐减少，浆液的流变参数会发生变化。

图8 浆材自然滤水流变曲线 Fig.8 Natural filtration flow change curve

图9 屈服应力、粘度时变规律Fig.9 Yield stress and viscosity change over time

如图8、9所示，水固比1∶1，粘土掺量30%的浆材为宾汉流体，随时间增加，浆材的流变曲线整体上移；浆材的粘度和屈服应力随试验时间的增加逐渐增大。表明岩土体对浆材的吸附作用导致浆材中水分减少最终会影响浆材的流变特性，而流变特性会影响浆材的可灌性和扩散距离等。

(2)浆材在岩土体内的压滤效应

众所周知，浆材在灌浆过程中会发生压滤效应，已有研究成果表明压滤效应会对强度产生较大影响[14]，而关于发生压滤效应后浆材的流变性能的变化却少有研究。

产生压滤效应孔隙大小试验。图10、图11为试验装置图。表2可知，两种浆材压滤前后密度、粘度均发生了变化。粘土水泥浆材的密度变化为0.075 kg/m3，粘度变化为0.017 Pa·s；纯水泥浆材的密度变化为0.030 kg/m3，粘度变化为0.0202 Pa·s。粘土水泥浆材密度变化较大，但粘度变化较小；纯水泥浆密度变化较小，但粘度变化较大。图12看出，相同水固比的两种浆材通过同一目数滤网的量不一。滤网孔径0.3 mm时几乎全部通过，粘土水泥浆材滤过量在孔径0.3～0.25 mm之间大幅下降，而纯水泥浆在孔径0.25～0.18 mm之间大幅下降。说明同样空隙的条件下，粘土水泥浆材发生压滤效应的程度更重。

压滤效应前后的流变性能对比试验。对纯水泥浆选取孔径0.212 mm的滤网进行过滤，对粘土水泥浆选取孔径0.25 mm滤网进行过滤。从图13可知，纯水泥浆材在滤过前后均为具有剪胀性的幂律流体，滤过前呈现出剪胀特性；粘土水泥浆材的流变曲线变化微小。浆材的压滤作用对流变参数有影响，压滤对粘土水泥浆的流变特性影响较纯水泥浆小。

图10 压滤装置示意图 Fig.10 Schematic diagram of filter device

图11 过滤网 Fig.11 Filter screen

图10中标注如下：1-压力源：为实验提供气体压力，工作压力12～15 MPa； 2-减压器：量程为4 MPa，工作压力大于2 MPa；3-输气管：连通压力源与储浆罐，工作压力大于2 MPa；4-储浆罐：储存浆液的容器，工作压力不小于4 MPa；5-灌浆浆材；6-输浆管：输浆管路为钢丝皮管，工作压力4 MPa；7-简易阀门；8-压力容器：其工作压力不小于4 MPa；9-过滤网。

表2 滤过前后浆材参数对比Tab.2 Parameters before and after filtration

图12 浆材滤过量(a)纯水泥浆材；(b)粘土水泥浆材Fig.12 Amount of slurry material filtration

图13 过滤前后流变曲线(a) 纯水泥浆材；(b) 粘土水泥浆材Fig.13 Rheological model test

4 粘土水泥浆材流变特性对灌浆的影响

当作用于膏浆上的剪切力小于屈服强度时，浆体静止不动，只有当剪切力超过屈服强度之后浆体才开始运动，因而浆材的流变特性对灌浆的影响主要体现在可灌性和扩散距离等方面。

4.1 对可灌性的影响

浆材的可灌性指浆材进入地层孔隙以及在空隙内扩散的能力。

一方面，浆材粒径大小表明，粘土颗粒粒径远小于普通水泥，粘土水泥浆材的可灌性优于普通水泥浆；另一方面，浆材的粘度等流变性能和灌浆过程中的压滤效应等表明，粘土水泥浆材的可灌性又不如普通水泥浆，扩散范围有限，但水泥浆材较差的稳定性和结石率低使得施工需要复灌。

在大孔(裂)隙岩层或多孔土质、沙质地层灌浆应用时，粘土水泥浆材可控性好；在裂隙岩体、可灌性差的土质地层灌浆应用时，宜选用水泥浆材。

4.2 对扩散距离的影响

为研究流变性对扩散距离的影响，引用前人研究的成果分析浆材流变特性对扩散半径的影响[15-18]。以水固比0.6∶1的浆材为例,计算结果见表3。可得出以下结论：

对水固比0.6∶1的粘土水泥浆流动距离进行计算。模型1计算结果表明，粘土掺量10%时流动距离为纯水泥浆的56%，30%时为32%，50%时为22%。模型2计算结果表明，粘土掺量10%的浆液的流动距离为纯水泥浆的80%，粘土掺量30%的为纯水泥浆的65%，粘土掺量50%的为纯水泥浆的38%。

综上所述，粘土水泥浆中粘土掺量会影响浆材的流变特性，因此会影响扩散距离。水固比0.6∶1的宾汉流体，只考虑屈服应力对扩散距离的影响时，扩散距离在粘土掺量为10%时下降最大；同时考虑粘度与屈服应力时，扩散距离随粘土掺量的增加基本呈现出线性减小。

表3 扩散距离Tab.3 Diffusion distance

5 结 论

通过大样本实验，对粘土水泥系列浆材在不同环境下的流变特性及其对灌浆的影响进行研究，得到如下结论：

(1)影响粘土水泥浆材流变特性的因素有水固比、粘土掺量、温度、岩土体吸附作用以及灌浆过程中的压滤效应；

(2)水固比既影响浆材的流变模型，又影响浆材的粘度。水固比较高时，浆材属于牛顿流体，粘度基本保持不变；水固比较低时，浆材为宾汉流体，粘度随时间呈先增加后保持稳定的趋势；

(3)粘土掺量对浆材的流变性能有较大影响。水固比为1∶1时，粘土掺量较低时，浆材为具有剪胀性的幂律流体，粘土掺量较高时为宾汉流体；水固比为0.6∶1时，浆材各时间点的粘度随粘土掺量的增加而增大；

(4)温度影响浆材的流变性能。粘土掺量不小于30%时，不同温度下浆材的流变模型不同，粘土掺量小于30%时，24 ℃条件下的浆材粘度大于35 ℃时的粘度；

(5)岩土体的主要特性会影响浆材的流变特性，由于对浆材的吸附作用，浆材的粘度和屈服应力随时间逐渐增大；浆材在岩土体中的压滤效应对粘土水泥浆的流变特性影响较纯水泥浆小，但是同样空隙条件下，粘土水泥浆材更易发生压滤效应。浆材流变性能对其扩散距离的影响显著，粘土水泥浆材的扩散距离明显小于纯水泥浆材。

[1] James Warner P,Fellow E,Geo-Institute,et al.Proper grout rheology assures quality work[J].GroutingforGroundImprovement.2007:1-11.

[2] 夏 春,冯秀梅. 稳定水泥浆流变性试验研究[J].水利水电技术,2004,35(10):78-81.

[3] 曾祥熹,郑长成.水泥浆的流变性及其对浆液运动的影响[J].华东地质学院学报,1996,22(6):137-141.

[4] 王道平.超细灌浆水泥流变性能研究[J].广东建材,2010(4):13-16

[5] 李术才,韩伟伟,张庆松等.地下工程动水注浆速凝浆液黏度时变特性研究[J].岩石力学与工程学报,2013,32(1):1-7.

[6] 王小萍,殷素红,赵三银,等.碱激发碳酸盐矿-矿渣复合灌浆材料流变性能的研究[J].长江科学院院报,2006,23(6):80-83.

[7] 卢 爽.磨细矿物掺合料对水泥基灌浆材料流变性能的影响[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学学位论文,2006.

[8] 张 驰,袁晓露,周世华.矿物掺合料与高效减水剂对水泥基材料流变性能的影响[J].混凝土,2004(9):43-46.

[9] 万惠文,唐春刚,张 瑜.矿物掺和料与高效减水剂对浆体流变性的影响[J].武汉理工大学报,2007,29(12):11-14.

[10] 张 雄,韩继红,郭利群.特殊混合材对水泥浆流变特性的影响[J].同济大学学报,1998,26(3):299-302.

[11] 何 涛,赵青林,徐奇威,等.不同外加剂对水泥基灌浆材料流变性能的影响[J].硅酸盐通报,2010,29(3):728-733.

[12] 王星华.粘土-水泥浆流变性及其影响因素研究[J].岩土工程学报,1997,19(5):43-48.

[13] 张贵金,杨松林,陈安重,等.适应深厚复杂岩土层渗灌浆的可控性黏土水泥稳定浆材及快速配制[J].岩石力学与工程学报,2012,31(增1):3428-3436.

[14] 张贵金,杨东升,梁经纬,等.粘土水泥复合浆材强度研究[J].水利水电技术,2015,46(1):20-24.

[15] 杨秀竹,王星华,雷金山.宾汉体浆液扩散半径的研究及应用[J].水力学报,2004(6):75-79.

[16] 郝 哲,王介强,刘 斌.岩体渗透注浆理论研究[J].岩石力学与工程学报,2001,20(4):492-496.

[17] 郝 哲.岩体注浆理论与应用[M].北京:地质出版社,2006.

[18] 杨晓东,刘嘉材.水泥浆材灌入能力研究[A]//水利水电科学研究院科学研究论文集[C],1985.

Rheological Properties of Clay-Cement Grouting Material and Influence on Grouting

LIUJie1,ZHANGGui-jin1，YANGDong-sheng2，ZHONGPing3

(1.School of Hydraulic Engineering，Changsha University of Science and Technology，Changsha 410114，China；2.Hunan Hong Yu Water Resource and Hydropower Geotechnical Engineering Ltd，Changsha 410007，China；3.Wu Ling Power Co.Ltd.，Changsha 410004，China)

The clay-cement material is a fine grouting material,which has been widely used in areas of hydraulic,mining,landfill and other engineering for seepage preventing and foundation reinforcement. The rheological properties of the slurry have an important influence on groutability and diffusion distance. Series of rheological parameters of clay-cement grouting material on layer flow state are obtained by using Brookfield+R/S Rheometer,and the effects of water-solid ratio,amount of clay,temperature and filter press on the rheological properties are studied. The results show that the amount of clay may strongly influence the rheological parameters when the water-solid ratio is not more than 1∶1,on the contrary,the influences are weak when water-solid ratio is greater than 1∶1. The temperature has strong influence on the rheological properties. The viscosity and yield stress of the slurry increase with time due to soil's adsorption. Filter press has litter influences on rheological properties of clay-cement grouting material compared with pure cement grouting material. However,clay-cement grouting material is easier to occur filter-pressing effect at the same pore condition. The rheological properties have a significant influence on the diffusion distance. The diffusion distance of clay cement slurry is significantly smaller than the cement slurry.

clay-cement grouting material;rheological property;filter-pressing effect;diffusion distance

国家自然科学基金项目(51279019)；中国电力投资集团公司重大科技计划项目(2011-036-WLD-KJ-X)

刘 杰(1992-)，男，硕士研究生.主要从事水利工程基础处理方面的研究.

TV441

A

1001-1625(2016)08-2581-09