海水环境下水泥浆液粘度时变特性试验研究

2020-08-12熊俊成郑春雨田伟权

硅酸盐通报 2020年7期

熊俊成，郑春雨，刘勇，李鹏，田伟权，王倩

(1.中国海洋大学工程学院,青岛 266100;2.中交一公局第一工程有限公司，北京 102205; 3.中铁十六局集团第三工程有限公司，湖州 313000;4.济南轨道集团有限公司，济南 250000)

0 引言

海底隧道工程建设的风险在很大程度上取决于穿越软弱破碎带所诱发的突水、突泥灾害，目前国内外一般采用注浆技术作为防渗和加固的工程措施，如日本青函海底隧道、厦门翔安海底隧道以及胶州湾海底隧道[1-5]。注浆工程设计主要涉及布孔间距[6-7]、浆液选型[8-10]、注入压力以及扩散半径[11-14]等关键参数，而浆液粘度时变特性对以上参数均有直接或间接的影响，有关此方面的研究近年来已成为热点。

一些学者对水泥基浆液进行了流型划分，并且给出了基于浆液粘度时变特性的注浆扩散模型[15-18]。李术才等[19-20]研究了动水条件下水泥水玻璃混合浆液以及高聚物改性材料速凝浆液的粘度时变特性规律，将浆液反应过程划分为3个阶段，并基于浆液粘度时变特性研究了C-S浆液扩散运移规律。戴国亮等[21]基于幂律型浆液粘度时变特性推导了桩端压力浆液上返的理论公式。袁敬强等[22]探究了水泥水玻璃混合浆液在静水条件下的粘度时变特性，得出了静水条件下低粘度期比无水条件下明显延长的结论。王胜等[23]研究了普通硅酸盐硫铝酸盐复合水泥浆液的表观粘度随时间的流变特性，试验发现水灰比对复合水泥浆液的流变参数有较大影响。以上研究丰富了对于浆液粘度时变特性的认知，也对浆液扩散模型的构建做了有益补充。但以上研究仅限于陆相岩土体注浆，浆液暴露于淡水环境，而受海水离子等因素的影响，相关研究结论无法直接应用于海底隧道注浆工程，需要展开针对性研究。

本研究选取注浆工程中普遍应用的水泥浆液，设计典型浆液配比，采用NDJ-8S数显式旋转粘度计测试浆液粘度时变规律，并对浆液在淡水和海水条件下的粘度时变特性进行了对比分析，对浆液在海水环境中的粘度时变规律进行了初探。

1 浆液粘度时变试验设计

1.1 原材料

试验选用水泥为山东山水水泥集团有限公司生产的42.5R普通硅酸盐水泥，水泥品质符合《硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥》(GB 175—99)标准。

所使用水玻璃为临沂市绿森化工有限公司生产，模数M=3.3。

1.2 试验仪器的选用

粘度测量仪器选用力辰NDJ-8S在线式数显旋转粘度计如图1所示，经过前期反复调试，使用2号转子为宜，参数为60 r/min,满量程500 mPa·s。

图1 力辰NDJ-8S数显旋转粘度计Fig.1 Digital display rotational viscometer of lichen NDJ-8S

采用比重计配制盐度为35‰的海水。

1.3 试验方案设计

(1)将海盐溶解于自来水并用比重计实时测量配制海水的浓度至天然海水的平均浓度。

(2)参照实际注浆工程常用配比，利用配制的海水按照水灰比W/C=1、1.5、1.75及2分别配制水泥浆液并用粘度计进行测量，同时进行录像，测试过程如图2所示。每间隔3 s读取一个粘度数据并记录，最后形成浆液粘度时变曲线。

图2 水泥浆液粘度测量过程Fig.2 Measurement process of cement slurry viscosity

2 粘度时变试验数据处理与分析

采用力辰NDJ-8S在线式数显旋转粘度计分别测量海水和淡水条件下水泥浆液的粘度，进行对比分析，并选出典型结果进行数据分析说明。

2.1 水泥单液浆粘度时变特性

分别测定了海水和淡水条件下设计配比水泥浆液粘度随时间变化的数据，并绘制粘度时变曲线，分别如图3和图4所示。

图3 海水条件下水泥浆液粘度时变曲线Fig.3 Time-dependent curves of cement slurry viscosity under seawater condition

图4 淡水条件下水泥浆液粘度时变曲线Fig.4 Time-dependent curves of cement slurry viscosity under freshwater condition

分析海水和淡水条件下水泥浆液的粘度时变曲线，可将水泥浆液的粘度时变历程划分为三个阶段：初始上升期、稳定期和上升期，如图5所示。配制完成后，水泥浆液首先进入初始上升期，该阶段浆液粘度值缓慢增加且粘度值较低；随后水泥浆液粘度进入稳定期，该阶段粘度值变化不大，且持续时间较长，由于粘度值整体较低，稳定期之前是浆液发生扩散行为的主要阶段；进入上升期后，水泥浆液粘度迅速上升，该阶段持续时间最长，但由于粘度值整体较高，在该阶段浆液扩散范围不会显著增长。

图5 水泥浆液粘度阶段划分示意图Fig.5 Schematic diagram of cement slurry viscosity stage division

为甄别海水条件对于水泥浆液粘度时变特性的影响，将海水和淡水条件下不同配比浆液初始上升期、稳定期和上升期的持续时间和平均粘度值统计，如表1所示，并绘制海水和淡水条件下浆液配比对粘度时变历程和粘度的影响规律，如图6～图9所示。

表1 水泥浆液各阶段参数Table 1 Parameters of each stage of cement slurry

图6 水灰比对浆液粘度时变历程的影响规律(淡水)Fig.6 Effect of water-cement ratio on process for time-dependent of viscosity (freshwater)

图7 水灰比对浆液粘度时变历程的影响规律(海水)Fig.7 Effect of water-cement ratio on process for time-dependent of viscosity (seawater)

图8 水灰比对浆液平均粘度的影响规律(淡水)Fig.8 Effect of water-cement ratio on average viscosity of slurry (freshwater)

图9 水灰比对浆液平均粘度的影响规律(海水)Fig.9 Effect of water-cement ratio on average viscosity of slurry (seawater)

分析表1与图6～图9可获得如下结论：(1)初始上升期阶段，淡水条件下增加水灰比将缩短该阶段持续时间，并使平均粘度值迅速降低，当水灰比由1增加至2,持续时间由64 s缩短至20 s，平均粘度由28.90 mPa·s降低至1.91 mPa·s，而海水条件下，增加水灰比将延长该阶段持续时间，当水灰比由1增加至2,持续时间由33 s增加至46 s，粘度值同样呈现降低趋势，但相比于淡水条件，海水条件下水泥浆液初始上升期粘度较高。(2)稳定期阶段，随着水泥浆液水灰比的增加，该阶段持续时间并无明显变化规律，但平均粘度仍然呈逐渐下滑趋势。当水灰比由1增加至2，淡水条件下粘度由48 mPa·s降低至10 mPa·s，而海水条件下由60 mPa·s降低至23 mPa·s。与淡水条件相比，相同配比下海水可显著增加浆液粘度，在本试验设计配比下，稳定期海水条件下浆液粘度相对淡水条件增加25%～172%。(3)上升期阶段，随着水泥浆液水灰比的增加，无论是在海水条件还是淡水条件，该阶段持续时间和平均粘度呈现相同的变化规律，即持续时间逐渐延长，平均粘度逐渐降低。与初始上升期和稳定期相比，该阶段浆液平均粘度值大幅提高,其中海水条件下可达236.81～266.97 mPa·s，相比前两个阶段可增加数十倍。(4)浆液在被注介质中的扩散行为主要发生在初始上升期和稳定期，上升期因浆液粘度骤增而扩散难度加大。海水条件下，浆液扩散的有效时间(初始上升期+稳定期)为189～300 s，当水灰比为1.75时，浆液的有效扩散时间最长。

2.2 粘度时变方程

根据试验实测数据拟合获取海水和淡水条件下水泥浆液粘度时变方程，可以用于理论分析、数值计算和工程实际中浆液扩散半径和注浆压力等参数的计算，具有重要价值。表2分别拟合了海水和淡水条件下代表性配比水泥浆液的粘度时变方程，并绘制了拟合曲线，如图10和图11所示，拟合方程采用多项式型式，通过对比分析，证明该拟合方式较为适宜。以期为相关计算提供参考。

表2 水泥浆液粘度时变方程Table 2 Time-dependent equation of cement slurry viscosity

图10 海水条件下水泥浆液拟合曲线图Fig.10 Fitting curves of cement slurry under seawater condition

图11 淡水条件下水泥浆液拟合曲线图Fig.11 Fitting curves of cement slurry under freshwater condition

根据拟合曲线图及粘度时变方程的分析可知：(1)淡水条件下水泥浆液稳定期、上升期的粘度时变方程符合指数函数形式，而海水条件下水泥浆液稳定期、上升期的粘度时变方程符合多项式形式。(2)淡水条件下水泥浆液上升期的粘度随着水灰比的增大，呈现出先增大后减小的趋势，海水条件下水泥浆液上升期粘度随着水灰比的增大，呈现出递增的趋势。