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水胶比和硅灰掺量对灌浆水泥浆体流变性的影响

返回列表 来源:未知 发布日期:2019-09-18 13:51【
引言

在灌浆工程中,灌浆材料的流变性能直接影响 灌浆加固效果.因普通水泥颗粒粒径较大很难被灌 注到细小岩石裂隙中,特别是在高水头差透水细小 孔隙或裂隙中.为了增强灌浆效果,常将灌浆水泥超 细化处理.但水泥颗粒超细化后会增加浆体的黏度, 与普通水泥浆体相比,相同水胶比下浆体黏度增大, 这将会削弱灌浆效果乃至灌浆失败.研究 发 现, 通过掺加掺合料和外加剂可以改善超细水泥浆体的 流变性能和工程应用性能.随着 水 胶 比 的 增 加, 水泥浆体的屈服应力和塑性黏度都呈下降趋势. 超细 水 泥 最 大 粒 径 一 般 不 大 于 20μm,D50 小 于 5μm,密度 约0.6~1g/cm3,比表 面 积 不 小 于1× 104cm2/g.由于超 细 水 泥 的 高 活 性,其 水 化 反 应 速 度较快,需水量一般较普通水泥高,为了提高超细水 泥的可灌性,需 加 入 适 量 减 水 剂,约为水泥质量的 0.5%.不同粒径的粉煤灰掺和到水泥中,超 细 粉 煤灰降低屈服应力和黏度的能力最强,并且对硬化 后的水泥浆体性能影响不大,认为与超细粉煤灰的 “滚珠效应”有关[9] .但有些工程项目,从经济和安全 性考虑,需要灌入的水泥浆体结石早强、适应性好及 堵漏耐蚀,通过在超细水泥中掺入硅灰是一种可选 办法.不过,硅灰的掺量对浆体的流变性会产生一定 影响.对于浆体的流变性,影响因素一般包括材料组 成、水胶比、拌和工艺和颗粒特性等.

对此,本文借助上海昌吉旋转粘度计和粘度计设备,对不同水胶比和硅灰掺量下改性超 细灌浆水泥浆体流变性进行研究,分析水胶比和硅 灰掺量对改性超细灌浆水泥流变性能的影响规律, 研究成果可为现场灌浆施工水胶比的合理选择提供 参考.

试验方案

1.1 水泥净浆流变学原理


研究者一般认为水泥 浆 体 的 流 变 性 能 满 足 E. C.Bingham 体模型,认为流体剪切应力与其屈服应 力、塑性黏度以及剪切速率有关,水泥浆体的流 变曲线斜率和塑性黏度与水泥颗粒的粒径有关。

1.2 试验原材料

试验所用改性超细灌浆水泥由质量分数 15% 超细矿渣与42.5级普通硅酸盐水泥研磨制得.普通 硅酸盐水泥为唐山冀东水泥厂生产,超细矿渣取自 唐山冀东水泥厂,硅灰为四川朗天牌.粒度采用激光 粒度仪测试。

1.3 试验配合比

试验主要对改性超细灌浆水泥内掺硅灰,替代 率分别为0%,3%,5%,7%和10%(质量 比).水 胶 比分别 选 用 0.6,0.7,0.8,1.0,1.5 和 2.0(质 量 比).试验配合比如表2所示.其中普通水泥(代号取 OPC)为参照,对超细灌浆水泥(代号取 MC)改性。

1.4 试验方法

水泥浆体的流动特性可用塑性黏度来表征,塑 性黏度越大,水泥浆体的流动性越差.本试验采用范 式六速旋转粘度计和马氏漏斗粘度计测定结果来评 价改性超细灌浆水泥浆液的流动性能,浆体采用水 泥净浆搅拌机拌。
(1)采用范式六速旋转粘度计测试水泥浆液的 流变性.其原理是采用屈服应力τ0 和塑性黏度η两 个流变参数比较浆液的流动性.试验过程是将盛有 350mL新拌水泥浆液样品杯放在设备托盘上,仪器 从高速 调 整 到 低 速,分 别 记 录 以600r/min和 300 r/min转动时的 读 数,注意每次需待刻度盘的读数 稳定后记录读数。
(2)采用马氏漏斗粘度计测试水泥浆液的流变 性.即测试一定量的新鲜水泥浆体从漏斗中流出所 经历的时间(s),用以表征水泥浆体的流动性.试验 是使漏斗内1500mL水泥浆液自由落体流出,记录 将946mL容量瓶注满时所需的时间(s),根据所需 时间的长短评价水泥浆液的流变特性状态.该试验 方法特点是简单快捷。

2 试验结果与分析

2.1 上海昌吉旋转粘度计测试结果


塑性变形的最大应力,主要与颗粒表面粗糙程度和 附着力有关.屈服应力对浆体的变形能力起支配作 用.对于普通硅酸盐水泥,由图4和图5可知,随着 水胶比的增大,浆体塑性黏度和屈服应力都减小,在 水胶比小于1.5时,其塑性黏度和屈服应力变化将 变缓.也就是水胶比的增大,对塑性黏度和屈服应力 影响不大.当超细矿渣水泥浆体中掺加硅灰时,由图 2和图3可知,随着水胶比的增大,各水泥浆体的塑 性黏度均逐渐降低;随着硅灰的掺加,超细灌浆水泥 浆体黏度逐渐增大.通过对式最优分析发 现,当水胶比为1.0左右时,5%硅灰掺量对应的黏 度最小,说明存在硅灰的最优掺量。

2.2 上海昌吉粘度计测试结果

对上述样品采用马氏漏斗粘度计测试其流动 性随着水胶比增大,样品马氏漏斗所 测时间缩短,说明样品流动性变好,即样品塑性黏度 随着水胶比的增大而减小.对于改性超细灌浆水泥 浆体,当水胶比小于1.0时基本不漏,虽然浆体可以 正常装入漏斗,但不能自由流出,说明此时塑性黏度 较大.另外,随着硅灰掺量增加,浆体塑性黏度变得 越来越大,水胶比在1左右时,流动性较差。综上分析,当水胶比低于1时,浆体由牛顿流体 状态很快变成宾汉姆体状态,样品入模成型较困难. 试验中各改性超细灌浆水泥浆体的塑性黏度随着水胶比增大而减小.相同水胶比下,改性超细灌浆水泥 浆体的黏度比普通硅酸盐水泥要大,并且随着硅灰 掺量增加,塑性黏度逐渐增强.在相同水胶比下,由 于水泥、矿渣和硅灰的超细化,其比表面积很大,相 比普通硅酸盐水泥,吸附水需要量增加,体系需水量 更高,使浆体变得粘稠.另外,由于超细水泥的水化 反应比普通水泥更快,水化反应需水量也更多,所以 需水量初期也较多,这是造成浆体黏度较大的重要 原因.硅灰和超细矿渣虽然早期反应较慢,不会在化 学反应上增加需水量,并且本次试验采取内掺,替代 部分水泥,减少水泥的用量,但由于超细的颗粒,当 硅灰掺加量较少时,体系孔隙被细小硅灰颗粒填充, 减小了需水量,但当硅灰掺量增加时,吸附水的量会 增加较多.通过试验发现,在水胶比为1.0时,硅灰 掺量对浆体流动性有一个最优值,约为5%。

结语

通过对掺加硅灰的改性超细灌浆水泥流变性室 内试验结果进行分析,发现新拌水泥浆体,水胶比是 浆体流变性的主要影响因素.但在水胶比大于1.5 时,影响不大.掺加硅灰,会迅速增大水泥浆体的黏 度.结合工程应用和数据优化分析发现,特定水胶比 下,硅灰存在影响浆体流动性的最佳掺量.另外通过 本试验研究,拓展了马氏漏斗在评价大黏度浆体方面的应用.具体结论如下:
(1)水胶比是影响水泥浆体流动性的主要因 素,水胶比越大,浆体黏度越小,流动性越好.但水胶 比大于1.5时,其影响不大。
(2)改性超 细 灌 浆 水 泥 在 掺 加 硅 灰 后,随 着 硅 灰掺加量的增加,浆体流变性能总体变差.其中水胶 比在1.0附近,存在最佳硅灰掺量,约为5%。
(3)对比六速旋转粘度计法和马氏漏斗粘度计 法对改性灌浆水泥浆体流变性能测试结果,两种方法结论基本吻合.其中六速旋转粘度计法测试结果 相对精确,马氏漏斗粘度计法测试较快捷,但水胶比 小的浆体,如水胶比小于1时,可能无法采集有效数 据.将马氏时间指标转化为马氏流速指标,可有效揭 示浆体流变特性,并与六速旋转粘度计测试结果进 行有效对比。