黏土水泥膏浆流变性能及其对灌浆的影响

张贵金，刘 杰，胡大可，王江营

(1.长沙理工大学 水利工程学院， 长沙 410114； 2.中国电建集团 中南勘测设计研究院有限公司， 长沙 410014)

黏土水泥膏浆流变性能及其对灌浆的影响

张贵金1，刘 杰1，胡大可2，王江营1

(1.长沙理工大学 水利工程学院， 长沙 410114； 2.中国电建集团 中南勘测设计研究院有限公司， 长沙 410014)

黏土水泥膏浆性能优越，可广泛用于土木、水利等工程的防渗堵漏和基础加固，其流变性能对灌浆工程施工及灌浆效果有重要影响。利用Brookfield+R/S流变仪对其流变参数进行测试，研究固化剂掺量、温度及时间等因素对流变性能的影响。结果表明：膏浆的黏度及屈服应力均随时间增大；固化剂掺量为水泥质量的1.0%左右时的膏浆为Herschel-Bulkey流体，并且具有触变性，防渗堵漏效果最佳；温度在5～40 ℃之间，温度影响膏浆的黏度及屈服应力，但不影响膏浆的流型，温度越高，黏度越大，28 ℃下的屈服应力最大。室内灌浆模拟试验及抗冲试验，证明其扩散距离可控，抗水冲释性能强，与纯水泥膏浆相比，初始屈服应力及黏度更大，触变性可控，浆体的稳定性更好。黏土水泥膏浆是含水及大孔隙地层、松软地层等复杂地层灌浆防渗堵漏的优选材料。

黏土水泥膏浆；流变性能；触变性；灌浆工程；松软地层

1 研究背景

黏土水泥膏浆是在水泥浆材的基础上加入一定量的黏土和固化剂改良而成，可广泛用于土木、水利等工程的防渗堵漏与基础加固[1-2]。浆材的流变性能对其流动性、可灌性以及灌注效果均有直接影响，而黏土水泥膏浆的流变性与普通浆液存在显著区别，故有必要对其进行专门研究。

王小萍等[3]探讨了硅酸钠溶液模数和浓度、矿渣及缓凝剂掺量对浆液流变性能的影响；马昆林等[4]研究了水泥-粉煤灰-石灰石粉复合浆体的流变性能，分析了不同粉体含量以及石灰石粉颗粒粒径对复合浆体屈服应力、塑性黏度以及触变性的影响；李术才等[5]研究了速凝浆材的黏度时变性能，得到了不同水泥浆水灰比和不同浆液混合体积比下的黏度时变方程；王星华等[6]研究了黏土水泥浆的流变特性及其影响因素，得到了一种双曲流变模型；闫加旺等[7]研究了粉煤灰和石灰对加气混凝土料浆流变性能、发气速率和稠化速率的影响；王发洲等[8]研究了剪切速率对CA砂浆流变性的影响；何涛等[9]研究了不同外加剂对水泥基灌浆材料流变性能的影响，结果表明，不同条件下测得的流变曲线均符合Herschel-Bulkey(n<1)的流体模型；张景富等[10]探讨了温度、外加剂等对流变性能的影响规律及其本质；何世明等[11]研究了注浆水泥流变学设计应考虑温度、压力对水泥浆流变性的影响，温度对流变性的影响要比压力显著得多。

上述研究虽然取得了比较丰硕的成果，促进了岩土灌浆材料的发展与推广应用，但在有些方面仍值得进一步探讨：首先，现有研究主要集中在普通水泥等细颗粒浆材，鲜有涉及黏土水泥膏浆，二者的流变性能和工程应用范围均存在显著区别；其次，目前对于浆材流变性能的研究多局限于单个影响因素。张景富等[10]虽然探讨了温度和外加剂的影响，但却未考虑时间因素，且研究对象并非黏土水泥膏浆；再次，已有研究成果多局限于材料本身性能的室内试验，未紧密结合浆材的实际工程应用背景进行研究。与传统水泥浆材相比，黏土水泥膏浆虽然具有凝胶时间可控、抗水冲释性强、抗震性能好和价格低廉等优点，但由于相关试验研究和机理分析的不足，致使其工程应用仍比较有限。

本文充分考虑实际灌浆工程环境和浆材在灌浆过程中的影响，拟通过大样本试验，研究固化剂掺量、温度、时间等主要因素对黏土水泥膏浆流变性能的影响，分析其内部机理，并与传统纯水泥膏浆进行对比，在此基础上开展室内模拟试验，充分探讨其流变性能对实际灌浆效果的影响，以期为相关理论研究和工程实践提供一定参考和依据。

2 试验概况

2.1 原材料

试验使用湖南怀化托口水电站料场黏土，黏土总体偏酸性，天然含水率为20%～30%，塑性指数>14，液性指数为0.30～0.45，平均相对密度为2.73，主要成份为埃洛石(Al2[Si2O5](OH)4·2H2O)，次要成份为SiO2[12]。试验所用水泥为湖南碧螺牌P·O42.5普通硅酸盐水泥，添加研发的固化剂。材料配比如表1所示。

表1 浆材配比Table 1 Mix proportions of grouting materials

2.2 试验方案

已有研究表明，固化剂掺量、温度和时间是影响岩土灌浆材料流变性能的3个最主要因素，因此，本文在试验中重点考虑了这3方面的影响。

时间对浆材流变性能的影响主要体现在屈服应力方面，拟分别在0，10，20，30，60，90 min测试不同配比或温度下浆材的屈服应力。

固化剂掺量对浆材流变性能的影响试验中，温度取28 ℃，固化剂掺量如表2所示。

表2 固化剂掺量试验方案Table 2 Test schemes of mixing amount of curing agent

注：试验采用的黏土原浆相对密度为1.25；水泥∶黏土的质量比为1∶1；固化剂掺量取水泥质量的百分比。

《水工建筑物水泥灌浆施工技术规范》(1994)规定浆液温度应保持在5～40 ℃之间，因此，选择试验温度为：5，15，24，28，35，40 ℃，固化剂掺量取1.0%，如表3所示。

表3 温度试验方案Table 3 Test schemes of temperature

2.3 试验仪器

采用美国Brookfield公司的R/S+plus流变仪，测试系统采用V60-30-3tol 桨式转子，并用Rheo3000软件进行数据分析处理。

2.4 试验方法

(1) 黏度测试。保持转子剪切速率为30/s不变，测试2个点/min的数据，连续测定90 min 内膏浆黏度的变化。

(2) 浆材的流变曲线。使转子剪切速率在0～60/s范围内变化，变化1次/s剪切速率，连续测定120 s内浆液的剪切应力变化。

(3) 触变性测试。在120 s内使剪切速率从0增加到60/s，然后在相同时间内从60/s降至0，测试剪切应力随剪切速率的关系。

3 试验结果与分析

3.1 固化剂的影响

3.1.1 流变特性

图1为黏土水泥膏浆和纯水泥膏浆随固化剂掺量变化的流变曲线。

图1 不同固化剂掺量下的膏浆流变曲线Fig.1 Rheology curves of plaster slurries with different proportions of curing agent

由图1可知，固化剂影响膏浆的流型，掺量较低时，均为宾汉流体，掺量较高时，均为带屈服值的伪塑性流体，即Herschel-Bulkey流体；掺量较高时，剪切应力先随剪切速率增加而减少，最终趋于稳定，且稳定时的剪切应力值相近；在同一剪切速率下，剪切应力先随固化剂掺量的增加而增大，最终趋于稳定。

3.1.2 黏度时变性

图2为黏土水泥膏浆和纯水泥膏浆黏度时变曲线。可知，黏土水泥膏浆黏度随时间呈先增加后保持稳定的趋势，各组黏度值交替增长，趋于稳定的时间点随固化剂掺量的增加而增长，而各组黏土水泥膏浆黏度值较接近。固化剂掺量对纯水泥膏浆黏度的影响较黏土水泥膏浆大，黏度先随时间增长逐渐增大，最终趋于稳定，稳定时间约20～30 min，稳定后的黏度随掺量增加而增长。

图2 膏浆黏度时变曲线Fig.2 Time-history curves of viscosity of different plaster slurries

3.1.3 屈服应力随时间的变化

表4为黏土水泥膏浆，表5为纯水泥膏浆随时间的屈服应力变化值，均随时间增大，且增长速率随固化剂掺量增加而增大。相同固化剂掺量时，黏土水泥膏浆的屈服应力较纯水泥膏浆大，随时间增长速率也较纯水泥膏浆大。

表4 黏土水泥膏浆屈服应力Table 4 Yield stresses of clay-cement plaster slurries

表5 纯水泥膏浆屈服应力Table 5 Yield stresses of cement plaster slurries

对于固化剂掺量为1.0%的黏土水泥膏浆，60 min后屈服应力增长缓慢，膏浆基本稳定，因而灌浆施工宜在60 min内进行。

3.1.4 对膏浆触变性和振凝性的影响

由图3可知，黏土水泥膏浆的触变性及振凝性比较复杂。固化剂掺量为1.0%的膏浆表现出振凝性，1.5%的膏浆表现出触变性，总的来看，随固化剂的增加，黏土水泥膏浆表现从振凝性向触变性转变的趋势；纯水泥膏浆则表现为单纯振凝性, 即随时间越来越稠，且随固化剂掺量的增加，振凝性增强。

与纯水泥膏浆相比，黏土水泥膏浆稳定性更好，触变性可控。

图3 膏浆触变性曲线

3.2 温度的影响

3.2.1 对流变特性的影响

图4为黏土水泥膏浆随温度的流变曲线。由图4可知，温度影响膏浆的剪切应力，但不影响膏浆的流型，固化剂掺量为1.0%时，黏土水泥膏浆在各温度下均为Herschel-Bulkey流体。

图4 黏土水泥膏浆流变曲线

3.2.2 对黏度的影响

图5为典型温度下黏土水泥膏浆的黏度随时间变化曲线。对于所选用的浆材配比，在5～35 ℃之间，温度越高，黏度越大。

图5 黏土水泥膏浆黏度时变曲线

图6 不同温度下 屈服应力值Fig.6 Yield stresses at different temperatures

3.2.3 对屈服应力的影响

图6为不同温度下屈服应力值，可知，温度对黏土水泥膏浆初始屈服应力的影响呈明显的阶段性，当温度低于28 ℃时，初始屈服应力随温度升高而增大，当高于28 ℃时，随温度升高而降低。即在28 ℃左右黏土水泥膏浆的屈服应力可达到最大值。

4 机理分析

试验所用黏土化学性质稳定，因而固化剂主要通过影响水泥的水解进而影响膏浆的流变性，主要反应如下：

NaAlO2+2H2O→Al(OH)3+NaOH ；

(1)

2NaAlO2+3CaO+7H2O→3CaO·Al2O3·6H2O+2NaOH；

(2)

2NaOH+CaSO4→Na2SO4+Ca(OH)2。

(3)

铝酸钠与水作用生成氢氧化钠，氢氧化钠与水泥中的石膏反应生成过渡性的产物硫酸钠，使水泥浆中起缓凝作用的可溶性的浓度明显降低，同时水化产物C3AH6可加速浆液的凝结。表现为随固化剂掺量的增加剪切应力增大，当水泥中的石膏充分反应后，再增加固化剂，浆液的流变性不再变化。

浆液的剪切应力随膏浆的剪切速率提高而减小，是由于随着剪切速率的增大，膏浆结构被破坏，结构阻力减小，导致膏浆黏滞阻力降低，当膏浆中的结构全部破坏时，体系剪切应力会保持一稳定值，剪切应力最终趋于稳定。

固化剂掺量对黏土水泥膏浆触变性的影响规律原因包括：固化剂浓度较高时，其胶结程度较高，形成一种内部结构，当受到外力作用和持续剪切时，这种内部构造被破坏从而导致分子间的各种作用力的减弱或消失，最终宏观上表现为变形和流动；而当外力消失时，分子间又自发形成新的有序排列，但较剪切前的结构弱，从而表现出触变性。而低浓度固化剂下的膏浆由于分子的相互作用力较弱，分子的布朗运动范围较大，在一个方向上持续作用外力，那么分子做有方向性的积聚，最后分子容易接近和相互作用，从而产生某种凝结，最终宏观上表现为膏浆屈服应力变大，及振凝性。

黏土化学性质稳定，本身具有较大黏性，且对浆材的黏度起主要作用，因此黏土水泥膏浆的初始屈服应力及黏度较纯水泥膏浆大。

温度对黏土水泥膏浆黏度的影响规律的原因：温度升高，分子间热运动加剧，范德华力作用增大，从而使黏度增大。

温度对黏土水泥膏浆屈服应力的影响规律原因：28 ℃是固化剂与水泥及水反映的最佳温度，在此温度下，其反应速率最快，因此，28 ℃时膏浆屈服应力最大。

5 黏土水泥膏浆流变性能对灌浆工程的影响

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，因而膏浆的流变性能对浆液的抗水冲释性能和扩散距离有很大影响。

5.1 抗冲释性能

用于动水堵漏的浆液必须能在一定的动水流速下不被水流冲散、冲走, 然后要能够迅速凝固、胶结,并具备一定的强度, 从而逐步实现截断水流, 达到堵漏的目的。为了检验掺入外加剂后的黏土水泥膏浆的抗水冲释性能, 在室内进行了不同流速下的抗冲模拟试验。试验温度控制为28 ℃，采用固化剂掺量为1.0%的黏土水泥膏浆进行试验，水流速度分别为0.2，0.5，0.8，1.2 m/s 。考虑到膏浆的抗水流冲击能力及扩散距离，模型水槽尺寸为4.00 m×0.35 m×1.00 m(长×宽×高)，如图7所示，采用给水泵调节流速和流量。

图7 抗冲试验装置Fig.7 Anti-scouring test device

试验结果(见表6)表明，流速增加到1.2 m/s时，浆液的冲释率为34%，表明黏土水泥膏浆具有良好的抗水流冲释性能，抗水流冲释性可以提高膏体作为整体抵抗水流的稀释和冲刷作用，适合动水情况下灌浆堵漏。

表6 黏土水泥膏浆抗冲试验结果Table 6 Anti-scouring test results of clay-cement plaster slurries

5.2 扩散距离

5.2.1 几类浆液扩散现象对比

试验装置如图8所示，采用长L=1 m，直径D=0.07 m的玻璃圆管，将粒径、压实度一致的松散土样填充至圆管0.8 m高处，在28 ℃下，分别向各管中加入500 mL的不同浆液，1 h后观察浆液自然扩散范围，试验浆材配比及结果见表7。

图8 不同浆液在均质土中自然下渗扩散比较试验Fig.8 Comparative test of natural seepage and diffusion of different slurries in homogeneous soil

编号名称水∶土∶灰∶固化剂扩散距离/cm1黏土水泥膏浆1∶0.5∶0.5∶0.00522纯水泥膏浆1∶0∶1∶0.0123纯水泥膏浆1∶0∶1∶0.005564纯水泥浆1∶0∶1∶056

由表7知，纯水泥浆及固化剂掺量为0.5%的纯水泥膏浆的扩散距离为56 cm，固化剂掺量为1.0%的黏土水泥膏浆及纯水泥膏浆为2 cm，表明固化剂的加入可通过增大浆液的初始屈服应力，从而减少浆液的扩散距离，实现扩散距离可控。

5.2.2 室内灌浆模拟试验

采用研制的一套松散地层室内灌浆模拟试验装置，由压力系统、储浆系统、受灌体容器、围压系统和监测系统等5个部分组成，如图9所示。使用脉动灌浆[13]的方式灌注黏土水泥膏浆。

图9 灌浆试验装置Fig.9 Laboratory device of grouting test

试验温度控制为28 ℃，采用固化剂掺量为1.0%的黏土水泥膏浆进行试验，试验结果见表8。

表8 室内灌浆模拟试验结果Table 8 Results of laboratory grouting test

由表7可知，灌浆压力从0.2 MPa增大到0.6 MPa，浆脉扩散直径从0.95 m增至1.20 m，浆材的扩散半径可控。

普通水泥浆稳定性较差，不具备抗水抗冲性，在松软地层灌注时扩散半径不可控，跑浆、失流现象严重，对工期及成本不利；水泥水玻璃浆液早期强度低、耐久性差的缺点致使其难以广泛应用；普通水泥膏浆抗水性较差，制浆工艺复杂，成本较高[14]。黏土水泥膏浆具有初始黏度大、触变性可控、稳定性良好、抗冲稀释能力强等优点，很好地解决了松软地层中普遍存在的跑浆、失流等问题，同时，黏土价格低廉可显著降低灌浆成本。

试验表明，浆材配制固化剂加量以水泥质量的1.0%为宜，施工温度28 ℃最佳，应待制浆充分搅拌后开始泵送，宜在60 min内施工完毕。

6 结 论

比较研究了黏土水泥膏浆与纯水泥膏浆的流变特性影响因素。

(1) 固化剂掺量较少时，均为宾汉流体，较多时为带屈服值的伪塑性流体，即Herschel-Bulkey流体；掺量变化对黏土水泥膏浆触变性影响较大，较低时表现出振凝性，较高时表现出较强的触变性；而纯水泥膏浆则随固化剂掺量的增加，振凝性增强。

(2) 膏浆的黏度均先随时间增大后趋于稳定；屈服应力均随时间增大，且增长速率随固化剂掺量增加而增大。相同固化剂掺量时，黏土水泥膏浆的屈服应力较纯水泥膏浆大，随时间增长速率也较纯水泥膏浆大。

(3) 在5～40 ℃之间，温度影响黏土水泥膏浆的屈服应力和黏度，但不影响膏浆的流型；温度越高，黏度越大；温度对初始屈服应力的影响呈现较明显的阶段性变化，变化趋势转变点大约为28 ℃，当低于该温度时，初始屈服应力随温度升高而增大，高于该温度时，随温度升高而降低。

(4) 与纯水泥膏浆相比，黏土水泥膏浆的初始屈服应力及黏度更大，触变性可控，浆体的稳定性更好，在灌浆过程中，当浆体的运动速率减慢或停止运动时，浆体结构的恢复使得水泥颗粒不至分层沉淀；在大裂隙或孔洞中灌浆，触变性可防止浆体流失过远，减少浆材的浪费；在地下水流速较大的地段灌浆，触变性可提高抗冲释能力，是含水及大孔隙地层、松软地层等复杂地层灌浆防渗堵漏的优选材料。

[1] 张贵金,胡荣宗,钟 平,等. 新型可控性黏土水泥膏浆试验研究[J]. 水利水电技术,2013,44(2):66-70.

[2] 赵迪华,杨松林,张贵金. 控制灌浆技术在托口水电站河湾防渗工程中的应用[J]. 水利水电技术,2014,45(12):7-10.

[3] 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.

[4] 马昆林，龙广成，谢友均,等.水泥-粉煤灰-石灰石粉复合浆体的流变性能[J]. 硅酸盐学报,2013,41(5): 582-587，596.

[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] 王星华. 黏土-水泥浆流变性及其影响因素研究[J]. 岩土工程学报,1997,19(5):45-50.

[7] 闫加旺,韦江雄,庄梓豪,等. 加气混凝土料浆的流变性能及其与发气和稠化速率的关系[J]. 混凝土,2009,9(11):27-30.

[8] 王发洲,王 涛,胡曙光,等. CA砂浆的流变特性[J]. 武汉大学学报(工学版),2008,41(4):69-72.

[9] 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.

[10]张景富,徐 明,高丽丽,等. 温度及外加剂对水泥浆流变性的影响[J]. 钻井液与完井液,2003,20(3):35-38.

[11]何世明,刘崇建,邓建民,等. 温度压力对水泥浆流变性的影响规律研究[J]. 石油钻采工艺,1999,21(6):7-12.

[12]张贵金,杨松林,陈安重,等. 适应深厚复杂岩土层防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.

[13]张贵金,许毓才,陈安重,等. 一种适合松软地层高效控制灌浆的新工法——自下而上、浆体封闭、高压脉动灌浆[J]. 水利水电技术,2012,43(3):38-41.

[14]孙 亮,夏可风.灌浆材料及应用[M].北京：中国电力出版社，2013:43-65.

(编辑：姜小兰)

Rheological Properties of Plaster Slurry of Clay-cement andIts Influence on Grouting Engineering

ZHANG Gui-jin1,LIU Jie1,HU Da-ke2,WANG Jiang-ying1

(1.School of Hydraulic Engineering, Changsha University of Science and Technology, Changsha 410114, China; 2.Power China Zhongnan Engineering Corporation Limited, Changsha 410014, China)

Plaster slurry of clay-cement can be widely used in seepage and leakage prevention and foundation strengthening in civil and hydraulic engineering. Its rheological properties have important influence on the construction and performance of grouting projects. The influences of curing agent’s content, temperature, and time on the rheological properties of clay-cement plaster slurry were researched by testing the rheological parameters through Brookfield+R/S rheometer. Results revealed that 1) the viscosity and yield stress of the slurry increased with time; 2) when the dosage of curing agent reached about 1.0% of cement mass, plaster slurry had optimum anti-seepage performance and belonged to Herschel-Bulkey fluid; 3) at temperature ranging from 5-40 ℃, temperature had impact on the viscosity and yield stress of the slurry, but had no effect on the fluidity, and the higher temperature led to larger viscosity, and in the meantime yield stress reached its maximum at 28 ℃. Through indoor grouting simulation test and anti-scour test, clay-cement plaster slurry was verified to have good water-dilution resistance and controllable diffusion range. Compared with pure cement slurry, clay-cement plaster slurry has larger initial yield stress and viscosity and better stability with controllable thixotropy. It is a preferred material for the seepage prevention in grouting of complex strata such as water-bearing and large-porosity strata as well as loose and soft strata.

plaster slurry of clay-cement; rheological properties；thixotropy; grouting engineering; weak stratum

2016-01-07； 俢回日期：2016-01-19

国家自然科学基金项目(51279019)；湖南省重大水利科技项目(湘财农指[2015]245号)

张贵金(1963-)，男，湖南慈利人，教授，博士，研究方向为水利工程基础处理，(电话)13873199807(电子信箱)gjzhang84@126.com。

刘 杰(1992-)，男，湖南祁东人，硕士研究生，研究方向为水利工程基础处理，(电话)17775757230(电子信箱)240864104@qq.com。

10.11988/ckyyb.20160008

2017,34(3):119-125

TV441

A

1001-5485(2017)03-0119-07