粘土水泥漿材流變性能及其對灌漿的影響
劉 杰 1 ，張貴金 1 ，楊東升 2，鐘 平 3
(1． 長沙理工大學水利工程學院，長沙 410114;2． 湖南宏禹水利水電巖土工程有限公司，長沙410007;3． 五凌電力有限公司，長沙 410004)
摘要:粘土水泥漿材性能優越，已廣泛應用于水利、礦山、垃圾填埋場等防滲堵漏及基礎加固工程，漿材的流變性能對其可灌性和擴散距離有重要影響。利用 Brookfield + Ｒ/S 流變儀對層流狀態下不同配比的粘土水泥漿材的流變參數進行了試驗研究，探討水固比、粘土摻量、溫度和巖土體吸附作用及壓濾作用等因素對其流變性能的影響。結果表明:粘土摻量對水固比為 0． 6∶ 1 與 1∶ 1 的漿材流變參數影響顯著，對水固比為 1． 5∶ 1 與 2∶ 1 的漿材影響微弱;同配比漿材在不同溫度下有不同的流變模型。由于巖土體對漿材的吸附作用，漿材的粘度和屈服應力隨時間逐漸增大;漿材在巖土體中的壓濾效應對粘土水泥漿的流變特性影響較純水泥漿小，但是同樣空隙條件下，粘土水泥漿材更易發生壓濾效應。漿材流變性能對其擴散距離的影響顯著，粘土水泥漿材的擴散距離明顯小于水泥漿材。
關鍵詞:粘土水泥漿材; 流變性能; 壓濾效應; 擴散距離
中圖分類號:TV441 文獻標識碼:A 文章編號:1001-1625(2016)08-2581-09
Ｒheological Properties of Clay-Cement Grouting Material and Influence on Grouting
LIU Jie 1 ，ZHANG Gui-jin 1 ，YANG Dong-sheng 2 ，ZHONG Ping 3
(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)
Abstract:The clay-cement material is a fine grouting material，which has been widely used in areas ofhydraulic，mining，landfill and other engineering for seepage preventing and foundation reinforcement． Therheological 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 usingBrookfield + Ｒ/S Ｒheometer，and the effects of water-solid ratio，amount of clay，temperature and filterpress 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，theinfluences are weak when water-solid ratio is greater than 1∶ 1． The temperature has strong influence onthe rheological properties． The viscosity and yield stress of the slurry increase with time due to soil＇sadsorption． Filter press has litter influences on rheological properties of clay-cement grouting materialcompared with pure cement grouting material． However，clay-cement grouting material is easier to occurfilter-pressing effect at the same pore condition． The rheological properties have a significant influence onthe diffusion distance． The diffusion distance of clay cement slurry is significantly smaller than the cementslurry．
Key words:clay-cement grouting material;rheological property;filter-pressing effect;diffusion distance
1 引 言
粘土水泥漿材性能優越，價格低廉。廣泛應用于垃圾填埋場、帷幕灌漿、邊坡處理、溶洞充填等防滲加固工程中。漿材的流變性能影響漿材的流動性、可灌性、甚至灌漿效果，漿材流變性能表征參數有粘度、屈服應力、流動度等。
James ［1］ 研究漿材的流變特性及添加劑對流變特性的影響，認為適當的流變性可提高灌漿質量;夏春等［2］ 對聚合物穩定劑水泥漿和膨潤土穩定劑水泥漿進行了流變試驗研究，按賓漢流變模型對其流變參數進行了理論計算。曾祥熹等［3］ 研究了水泥漿的粘度與屈服應力對漿液擴散距離的影響，其中動切力尤為顯著。水泥漿材粒徑越小，流動性越差，水膠比增大流動性增強［4］ 。李術才等 ［5］ 研究了速凝漿材的粘度時變性能，指出水泥-水玻璃粘度分為低粘期、上升期、固化期，高聚物改性水泥漿粘度分為上升期、穩定期、固化期。王小萍等［6］ 對堿激發碳酸鹽礦-礦渣復合灌漿材料流變性能研究發現，漿材的屈服應力和粘度值隨硅酸鈉溶液濃度及礦渣摻量增大而增大。盧爽等［7-10］ 研究了礦物摻合料與高效減水劑對水泥基灌漿材料流變性能的影響，指出攪拌時間幾乎不影響流變性能，水泥漿的屈服應力隨混合材的摻量增大而降低，磨細礦物摻合料與高效減水劑同摻時流動性增強;何濤［11］ 研究了生物膠、緩凝劑、消泡劑在恒定剪切速率與變化剪切速率下對漿材粘度的影響;王星華［12］ 指出粘土水泥漿屬于帶屈服值的假塑流體，其流變模型符合改進的雙曲模型。
上述研究主要集中在純水泥漿材的流變性能以及礦物摻合料的影響，很少涉及粘土水泥漿材，二者的流變特性與工程應用范圍均存在一定區別;此外，漿材的流變性能對其可灌性和擴散距離有非常顯著的影響，而這直接決定著灌漿效果能否達到預期目標。因此，本文在實際灌漿工程的背景下，擬通過大樣本試驗，研究水固比、粘土摻量、溫度、巖土體吸附作用及壓濾效應等因素對粘土水泥漿材流變性能及其灌漿效果的影響，以期為相關理論研究和工程實踐提供一定參考和依據。
2 試 驗
2． 1 試驗原材料
試驗使用湖南懷化托口水電站料場粘土，其總體偏酸性，天然含水率在 20 ～30%，塑性指數 ＞14，液性指數為 0． 3 ～0． 45，平均比重為2． 73。采用 ICDD 的 K值法對粘土進行定量分析，礦物光譜見圖 1，光譜中埃洛石(Al 2 ［Si 2 O 5 ］(OH) 4 ·2H 2 O) 的典型特征峰 d =7． 2302，石英(SiO 2 )的典型特征峰 d =3． 3459，埃洛石中礦物含量為 74． 96%，石英含量為 19． 57%。對粘土進行化學分析，測得其組分含量見表 1。試驗所用水泥為湖南碧螺牌 P·O42． 5 普通硅酸鹽水泥。將粘土浸泡 24 h 以上，用高速攪拌機攪拌均勻，原漿比重為1． 25。
2． 2 試驗方案
已有研究表明，影響巖土灌漿材料流變性能的因素有水固比、粘土摻量、溫度、巖土體吸附作用和壓濾效應等，因此，本文在試驗中重點考慮了這幾個因素的影響。
水固比對漿材流變性能的影響試驗中采用 0． 6∶ 1、1． 0∶ 1、1． 5∶ 1 和 2． 0∶ 1 四種工程中常用水固比，粘土摻量 30%和 50%兩種，溫度取 35 ℃。
粘土摻量對漿材流變性能的影響試驗中采用 0、10%、30%、50% 四種摻量，水固比 0． 6∶ 1、1． 0∶ 1、1． 5∶ 1三種，溫度取 35 ℃。
溫度對漿材流變性能的影響試驗中選擇春、夏兩季平均氣溫 24 ℃和 35 ℃條件進行試驗，水固比取 1． 0∶ 1，粘土摻量為 10%、30%、50%。
巖土體吸附作用對漿材流變性能的影響試驗中，選取水固比 1∶ 1，粘土摻量為 30%的粘土水泥漿材進行測試，在滲透系數為 1． 0 ×10－3cm/s 自然濾水條件下，循環測定漿材流變參數。壓濾效應對漿材流變性能的影響試驗中，設定灌漿壓力為 0． 1 MPa，灌漿時間 120 s，水灰比為 1． 0∶ 1，粘土摻量取 0%、30%，用不同孔徑的濾網對灌漿材料進行濾過試驗，測試漿液的流變特性在濾過前后的變化。
2． 3 試驗儀器
采用美國 Brookfield 公司的 Ｒ/S + plus 流變儀，流變特性采用 V60-30-3tol 槳式轉子，粘度采用 CC40-3圓筒式轉子，并用 Ｒheo3000 軟件進行數據分析處理。
2． 4 試驗方法
(1)漿材的流變曲線。使轉子剪切速率在 0 ～50 s－1 范圍內變化，連續測定 60 s 內漿液的剪切應力變化。
(2)粘度測試。保持轉子剪切速率為 30 s－1 不變，每分鐘測試兩個點的數據，連續測定 90 min 內膏漿粘度的變化。
3 結果與討論
3． 1 水固比對流變性能的影響
(1)流變特性
圖 2 可看出，當水固比為 0． 6∶ 1 時，粘土水泥漿材具有明顯的屈服應力，剪切應力隨剪切速率的變化規律服從線性分布，為賓漢流體;當水固比為 1． 0∶ 1 時，漿材仍存在屈服應力，屬于賓漢流體;水固比增大到 1．5∶ 1 時、2． 0∶ 1 時，漿材的流變曲線接近于通過原點的直線，近似為牛頓流體。
(2)粘度時變性
定剪切速率流變試驗結果如圖 3 所示，對于水固比小于等于 1． 0∶ 1 的兩組漿材，相對初始粘度較高，隨測試時間延長，粘度呈上升趨勢，后基本趨于穩定;當水固比大于 1． 0∶ 1 時，粘度卻隨時間延長而逐漸變小。水固比為1． 5∶ 1 和2． 0∶ 1 的初始粘度值與1． 0∶ 1 的接近，隨時間的延長，逐漸減小接近于0;當水固比小于等于 1． 0∶ 1 時，粘度隨時間的延長而增加;大于 1． 0∶ 1 時，隨時間的變化不明顯。
3． 2 粘土摻量對流變性能的影響
(1)流變特性
圖 4 可知，水固比為 0． 6∶ 1 的漿材屬于賓漢流體:隨粘土摻量的增大，其屈服應力依次增大;水固比為1． 0∶ 1 時，粘土摻量為 0%、10%時，漿材的流變模型較為接近，剪切應力隨剪切速率增長，為具有剪脹性的冪律流體，粘土比例達到 30%和 50%時為賓漢流體，在 30%時存在剪脹現象;水固比為 1． 5∶ 1 時為牛頓流體，且粘土摻量對漿材流變模型的影響不大。
(2)粘度時變性
圖 5 可知，水固比為 0． 6∶ 1 時，純水泥漿與粘土摻量 10% 時漿材粘度隨時間變化微小;粘土摻量 30%、50%的漿材粘度隨時間的延長迅速增大，并在 40 min 處保持穩定;水固比為 1． 0∶ 1 時，四種不同粘土比例漿材的粘度值均隨時間呈先降低后增長的趨勢，隨粘土比例增大，漿材初始粘度值依次增大;水固比 1． 5∶ 1 時，純水泥漿粘度開始保持 0 不變，在 30 min 后逐漸增加，其它各組漿材粘度均隨時間先降低后增長，除粘土摻量 50%的漿材外，其余各組漿材均出現了粘度為 0 的時段。漿材粘度隨時間先降低后增長的原因可能是:水固比較高時，漿材為不穩定漿液，析水分層較快，在析水過程中漿液粘度會降低，當漿液析水完全后，漿材逐漸膠凝，粘度逐漸增大。
3． 3 溫度對流變性能的影響
(1)流變特性隨溫度的變化
圖 6 表明，粘土摻量 10%時，不同溫度條件下漿材的流型大體相同，均為具有剪脹性的冪律流體;粘土摻量 30%，當溫度較低時，漿材為剪脹性的冪律流體，溫度較高時，服從賓漢流體，具有剪脹特性;粘土摻量50%時，漿材流型為賓漢體，溫度較低時存在剪脹特性。當粘土含量較低時，溫度對漿材的流型產生微弱影響，可忽略不計;當粘土摻量較大時，溫度對漿材的流變特性影響較大，不同的溫度條件下甚至服從不同的流型。
(2)粘度時變性
圖 7 表明，粘土摻量為 10% 和 30% 時，各溫度下漿材的粘度隨時間先降低后增大，24 ℃條件下的漿材粘度較 35 ℃時大;當粘土為 50%時，20 min 前 35 ℃條件下的漿材粘度較 24 ℃大，20 min 后相反。
3． 4 巖土體主要特性對流變性能的影響
(1)巖土體對漿材的吸附作用
巖土體中水分較少時，漿液擴散流動過程中，其中的水分被巖土體吸附會逐漸減少，漿液的流變參數會發生變化。
如圖 8、9 所示，水固比 1∶ 1，粘土摻量 30%的漿材為賓漢流體，隨時間增加，漿材的流變曲線整體上移;漿材的粘度和屈服應力隨試驗時間的增加逐漸增大。表明巖土體對漿材的吸附作用導致漿材中水分減少最終會影響漿材的流變特性，而流變特性會影響漿材的可灌性和擴散距離等。
(2)漿材在巖土體內的壓濾效應
眾所周知，漿材在灌漿過程中會發生壓濾效應，已有研究成果表明壓濾效應會對強度產生較大影響 ［14］ ，而關于發生壓濾效應后漿材的流變性能的變化卻少有研究。產生壓濾效應孔隙大小試驗。圖 10、圖 11 為試驗裝置圖。表 2 可知，兩種漿材壓濾前后密度、粘度均發生了變化。粘土水泥漿材的密度變化為 0． 075 kg/m 3 ，粘度變化為 0． 017 Pa·s;純水泥漿材的密度變化為0． 030 kg/m 3 ，粘度變化為 0． 0202 Pa·s。粘土水泥漿材密度變化較大，但粘度變化較小;純水泥漿密度變化較小，但粘度變化較大。圖 12 看出，相同水固比的兩種漿材通過同一目數濾網的量不一。濾網孔徑 0． 3 mm時幾乎全部通過，粘土水泥漿材濾過量在孔徑 0． 3 ～0． 25 mm 之間大幅下降，而純水泥漿在孔徑 0． 25 ～0． 18mm 之間大幅下降。說明同樣空隙的條件下，粘土水泥漿材發生壓濾效應的程度更重。
壓濾效應前后的流變性能對比試驗。對純水泥漿選取孔徑 0． 212 mm 的濾網進行過濾，對粘土水泥漿選取孔徑 0． 25 mm 濾網進行過濾。從圖 13 可知，純水泥漿材在濾過前后均為具有剪脹性的冪律流體，濾過前呈現出剪脹特性;粘土水泥漿材的流變曲線變化微小。漿材的壓濾作用對流變參數有影響，壓濾對粘土水泥漿的流變特性影響較純水泥漿小。
圖 10 中標注如下:1-壓力源:為實驗提供氣體壓力，工作壓力 12 ～15 MPa; 2-減壓器:量程為 4 MPa，工作壓力大于 2 MPa;3-輸氣管:連通壓力源與儲漿罐，工作壓力大于 2 MPa;4-儲漿罐:儲存漿液的容器，工作壓力不小于 4 MPa;5-灌漿漿材;6-輸漿管:輸漿管路為鋼絲皮管，工作壓力 4 MPa;7-簡易閥門;8-壓力容器:其工作壓力不小于 4 MPa;9-過濾網。
4 粘土水泥漿材流變特性對灌漿的影響
當作用于膏漿上的剪切力小于屈服強度時，漿體靜止不動，只有當剪切力超過屈服強度之后漿體才開始運動，因而漿材的流變特性對灌漿的影響主要體現在可灌性和擴散距離等方面。
4． 1 對可灌性的影響
漿材的可灌性指漿材進入地層孔隙以及在空隙內擴散的能力。一方面，漿材粒徑大小表明，粘土顆粒粒徑遠小于普通水泥，粘土水泥漿材的可灌性優于普通水泥漿;另一方面，漿材的粘度等流變性能和灌漿過程中的壓濾效應等表明，粘土水泥漿材的可灌性又不如普通水泥漿，擴散范圍有限，但水泥漿材較差的穩定性和結石率低使得施工需要復灌。在大孔(裂)隙巖層或多孔土質、沙質地層灌漿應用時，粘土水泥漿材可控性好;在裂隙巖體、可灌性差的土質地層灌漿應用時，宜選用水泥漿材。
4． 2 對擴散距離的影響
為研究流變性對擴散距離的影響，引用前人研究的成果分析漿材流變特性對擴散半徑的影響 ［15-18］ 。以水固比 0． 6∶ 1 的漿材為例，計算結果見表 3。可得出以下結論:
對水固比 0． 6∶ 1 的粘土水泥漿流動距離進行計算。模型 1 計算結果表明，粘土摻量 10% 時流動距離為純水泥漿的 56%，30%時為 32%，50%時為 22%。模型 2 計算結果表明，粘土摻量 10% 的漿液的流動距離為純水泥漿的 80%，粘土摻量 30%的為純水泥漿的 65%，粘土摻量 50%的為純水泥漿的 38%。
綜上所述，粘土水泥漿中粘土摻量會影響漿材的流變特性，因此會影響擴散距離。水固比 0． 6∶ 1 的賓漢流體，只考慮屈服應力對擴散距離的影響時，擴散距離在粘土摻量為 10% 時下降最大;同時考慮粘度與屈服應力時，擴散距離隨粘土摻量的增加基本呈現出線性減小。
注:模型 1: Ｒ =p 0 δ2τ0+ Υ0 ，Ｒ 擴散半徑，灌漿壓力 P 0 =0． 6 MPa，灌漿管半徑 r 0 =3 cm，τ n 屈服應力，裂縫寬度 σ =0． 1 cm，適用條件:巖體裂隙賓漢流體;模型 2: △P =3τBh(r － r 0 ) + 6ηQπh3 lnrr 0，r 擴散半徑，灌漿壓力，灌漿管半徑 r 0 =3 cm，τ B 屈服應力，裂縫寬度 h =0． 1 cm，灌漿量 2000 mL ，適用
條件:巖體裂隙賓漢流體。
5 結 論
通過大樣本實驗，對粘土水泥系列漿材在不同環境下的流變特性及其對灌漿的影響進行研究，得到如下結論:
(1)影響粘土水泥漿材流變特性的因素有水固比、粘土摻量、溫度、巖土體吸附作用以及灌漿過程中的壓濾效應;
(2)水固比既影響漿材的流變模型，又影響漿材的粘度。水固比較高時，漿材屬于牛頓流體，粘度基本保持不變;水固比較低時，漿材為賓漢流體，粘度隨時間呈先增加后保持穩定的趨勢;
(3)粘土摻量對漿材的流變性能有較大影響。水固比為 1∶ 1 時，粘土摻量較低時，漿材為具有剪脹性的冪律流體，粘土摻量較高時為賓漢流體;水固比為 0． 6∶ 1 時，漿材各時間點的粘度隨粘土摻量的增加而增大;
(4)溫度影響漿材的流變性能。粘土摻量不小于 30%時，不同溫度下漿材的流變模型不同，粘土摻量小于 30%時，24 ℃條件下的漿材粘度大于 35 ℃時的粘度;
(5)巖土體的主要特性會影響漿材的流變特性，由于對漿材的吸附作用，漿材的粘度和屈服應力隨時間逐漸增大;漿材在巖土體中的壓濾效應對粘土水泥漿的流變特性影響較純水泥漿小，但是同樣空隙條件下，粘土水泥漿材更易發生壓濾效應。漿材流變性能對其擴散距離的影響顯著，粘土水泥漿材的擴散距離明顯小于純水泥漿材。
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