李相輝， 張慶松， 張 霄， 左金鑫， 藍(lán)雄東， 楊 騰(山東大學(xué) 土建與水利學(xué)院， 山東 濟(jì)南 250061)

水泥漿是隧道、基坑等地下工程常用的涌水封堵材料，具有易操作、強(qiáng)度高、價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn).目前，針對(duì)水泥漿擴(kuò)散理論的研究仍是一個(gè)熱門(mén)課題[1-3].漿液黏度是影響注漿擴(kuò)散的重要因素.析水是水泥漿的重要特性，隨著水分的析出，漿液黏度不斷變化，進(jìn)而影響注漿擴(kuò)散范圍[4-9]及涌水封堵效果.水泥顆粒粒徑大，且不溶于水是造成漿液析水的主要原因.重力作用下漿液會(huì)因顆粒沉淀造成漿水分離；壓濾環(huán)境中，壓力及濾過(guò)效應(yīng)會(huì)加速漿水分離過(guò)程.在特定條件下，漿液最終會(huì)達(dá)到水分停止析出、濃度不再變化的穩(wěn)定狀態(tài).

目前，針對(duì)水泥漿析水特性的系統(tǒng)研究相對(duì)較少.工程技術(shù)人員發(fā)現(xiàn)，析水會(huì)造成漿液性能發(fā)生變化，不利于控制注漿效果[10].楊志全等[11-12]開(kāi)展了水泥漿析水試驗(yàn)，測(cè)試了在重力影響下水泥漿的析水率，但并未深入研究析水對(duì)漿液性能的影響.為減弱析水對(duì)漿液性能的影響，部分研究人員提出了摻加外加劑以改善漿液析水性的方法，如在漿液中加入有機(jī)高分子材料.據(jù)此，瑞士學(xué)者隆巴迪[13]提出了穩(wěn)定漿液的概念，將2h內(nèi)析水率不超過(guò)5%的漿液定義為穩(wěn)定漿液.而在水泥漿擴(kuò)散理論研究中，大多數(shù)研究人員將水泥漿簡(jiǎn)化為黏度不變的流體[14]，只有少數(shù)人關(guān)注了析水對(duì)漿液黏度變化產(chǎn)生的影響，如趙自亮等[15]認(rèn)識(shí)到，析水會(huì)引起漿液流變性能的改變，并據(jù)此分析了其對(duì)注漿擴(kuò)散過(guò)程的影響.

為系統(tǒng)研究析水對(duì)水泥漿性能及注漿擴(kuò)散過(guò)程的影響，本文分別開(kāi)展了重力和壓力作用下水泥漿析水試驗(yàn)，研究了漿液析水規(guī)律及其對(duì)漿液密度和黏度等性能的影響；同時(shí)結(jié)合土體線(xiàn)性壓縮注漿擴(kuò)散公式，分析了水泥漿析水作用對(duì)注漿擴(kuò)散范圍的影響，證明了擴(kuò)散理論研究中考慮水泥漿析水的必要性.

1 試驗(yàn)

1.1 原材料

水泥為山東山水水泥集團(tuán)產(chǎn)P·O 42.5普通硅酸鹽水泥.表1為水泥主要化學(xué)組成.

表1 P·O 42.5水泥主要化學(xué)組成Table 1 Major chemical composition(by mass) of Portland cement %

1.2 重力作用下水泥漿析水特性

1.2.1試驗(yàn)設(shè)計(jì)

采用靜置方法，測(cè)試水泥漿在重力作用下的析水過(guò)程.初步試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)水灰比(mW/mC)≤0.7時(shí)，水泥漿析水率很小.因此，試驗(yàn)選取5種水灰比(0.8，1.0，1.2，1.5，2.0)進(jìn)行研究.

試驗(yàn)開(kāi)始前，篩除粒徑0.075mm以上水泥顆粒，確保水泥無(wú)結(jié)塊；漿液配制過(guò)程中先采用電動(dòng)攪拌機(jī)攪拌2min，再采用10mL玻璃量筒進(jìn)行水泥漿靜置析水試驗(yàn)，每間隔30s記錄1次漿液液面高度，每組試驗(yàn)至少重復(fù)3次，以保證獲得3組可靠試驗(yàn)數(shù)據(jù)，取其平均值.測(cè)定了水泥漿的初始密度ρ0，見(jiàn)表2.

表2 水泥漿初始密度Table 2 Initial density of cement slurries

1.2.2漿液析水試驗(yàn)結(jié)果

利用漿液初始密度及水泥漿析水量可計(jì)算出各時(shí)刻的水泥漿析水率η1與密度ρ.

(1)

ρ=(ρ0V0-ρWVW)/(V0-VW)

(2)

式中：ρW為水密度；V0為漿液初始體積,V0=10mL；VW為析出水體積.

重力作用下水泥漿試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3.

表3 重力作用下水泥漿析水試驗(yàn)結(jié)果Table 3 Water-bleeding test results of cement slurries

1.2.3重力作用下水泥漿析水規(guī)律

為便于分析重力作用下水泥漿析水試驗(yàn)結(jié)果，利用表3中的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，分別繪制水泥漿析水率及密度變化曲線(xiàn)，見(jiàn)圖1，2.

圖1 水泥漿析水率變化曲線(xiàn)Fig.1 Water-bleeding ratio growing curves along with time

圖2 水泥漿密度變化曲線(xiàn)Fig.2 Density growing curves along with time

由圖1，2可知：(1)隨水灰比的增大，水泥漿最終析水率增大；(2)不同水灰比漿液達(dá)到最終析水率的時(shí)間基本相等，均為30～40min，特別地，水灰比為2.0的水泥漿析水速率增長(zhǎng)較快，在20min內(nèi)即達(dá)到最大析水率；(3)析水后水泥漿最終密度基本相等，對(duì)于0.8≤mW/mC≤2.0的常用水泥漿，析水后最終密度約為1.65g/cm3.

1.3 壓力作用下水泥漿析水特性

與重力作用下的漿液析水不同，在較高的注漿壓力(4～5MPa)作用下，水泥漿中的自由水被迫析出并滲入地層介質(zhì)中.據(jù)此，設(shè)計(jì)了壓力作用下的水泥漿析水過(guò)程模擬試驗(yàn)裝置，來(lái)研究壓力作用下的水泥漿析水規(guī)律及其對(duì)漿液密度的影響，同時(shí)與重力作用下漿液析水試驗(yàn)結(jié)論進(jìn)行比較.

1.3.1壓濾試驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

壓濾試驗(yàn)系統(tǒng)包括試驗(yàn)裝置和注漿設(shè)備兩部分.壓濾試驗(yàn)系統(tǒng)示意圖如圖3所示.

(1)試驗(yàn)裝置.試驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)為圓筒形，內(nèi)徑100mm，高400mm，采用無(wú)縫鋼管加工而成，頂部螺旋連接密封蓋，底部焊接滲透底盤(pán).密封蓋頂部安裝壓力表，監(jiān)測(cè)內(nèi)部壓力；底座均布2mm的出水孔.距試驗(yàn)筒頂部150mm處，設(shè)8mm壓漿孔，以連接注漿管.在試驗(yàn)裝置內(nèi)部，壓漿孔以下充填粒徑不大于0.625mm的河砂[17]，可有效阻擋水泥顆粒的滲入，在充填介質(zhì)頂部和底部各設(shè)置1塊直徑與試驗(yàn)筒內(nèi)徑相當(dāng)?shù)臑V水石，頂部濾水石確保漿液顆粒無(wú)法滲入介質(zhì)，底部濾水石防止河砂從底板滲水孔流出.壓漿孔以上空間為試驗(yàn)過(guò)程中的漿液充填區(qū).

圖3 壓濾試驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)示意圖Fig.3 Design of the filtration system

(2)注漿設(shè)備.注漿設(shè)備包括攪拌機(jī)和制漿桶.選用SDGJJ型手動(dòng)水泥注漿泵進(jìn)行壓漿，最大注漿壓力可達(dá)1MPa，壓漿速率不大于1L/min.

1.3.2試驗(yàn)設(shè)計(jì)

選用漿液水灰比為2.0，1.5，1.2，1.0，0.8，0.7和0.6.受注漿泵性能影響，試驗(yàn)過(guò)程無(wú)法保持壓力恒定，因此以壓力達(dá)到0.6MPa，且漿液基本不再析水作為試驗(yàn)結(jié)束標(biāo)準(zhǔn).按漿液水灰比將試驗(yàn)分為7組，每組試驗(yàn)至少獲得2組有效試驗(yàn)數(shù)據(jù)，以保證試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性.

1.3.3試驗(yàn)結(jié)果及分析

在壓力為0.6MPa條件下時(shí)，各水灰比水泥漿析水前后密度值及析水時(shí)間見(jiàn)表4.由表4可見(jiàn)，各水灰比水泥漿析水過(guò)程持續(xù)時(shí)間均在20min以?xún)?nèi)，特別是水灰比為0.6的水泥漿析水時(shí)間不足10min.

表4 壓力作用下水泥漿析水試驗(yàn)結(jié)果Table 4 Results of the water-bleeding tests of cement slurries under action of pressure

1.3.4漿液析水率分析

根據(jù)表4數(shù)據(jù)，通過(guò)下式計(jì)算水泥漿最終析水率η2：

η2=[(ρ-ρ0)/(ρ-ρW)]×100%

(3)

表5為壓力作用下水泥漿最終析水率.

表5 壓力作用下水泥漿最終析水率Table 5 Final water-bleeding ratio of cement slurries under action of pressure

由表5可見(jiàn)，水泥漿最終析水率隨水灰比的減小而減?。划?dāng)mW/mC=0.6時(shí)，水泥漿的最終析水率小于5%，析水量很小.

1.3.5漿液密度變化

對(duì)比試驗(yàn)前后水泥漿密度變化，發(fā)現(xiàn)：(1)析水后各水灰比漿液的最終密度趨近于同一值，約為1.71g/cm3；(2)隨水灰比減小，析水對(duì)漿液密度增長(zhǎng)的影響逐漸減小.

1.4 重力及壓力作用下水泥漿析水特性對(duì)比

1.4.1最終析水時(shí)間對(duì)比

由前文可知：(1)重力作用下，水灰比0.8以上的水泥漿析水時(shí)間在30～40min(水灰比為2.0的水泥漿除外)；(2)壓力作用下，各水灰比水泥漿析水時(shí)間均不超過(guò)20min，這說(shuō)明壓力作用下，漿液析水速率更快.因?yàn)橹亓ξ鏊怯伤囝w粒沉淀引起的，顆粒沉淀動(dòng)力僅為自身重力，僅僅受浮力和摩擦力等阻力的影響，沉淀速率緩慢；壓力析水時(shí)，漿液中的自由水以壓力為滲流動(dòng)力透過(guò)濾水介質(zhì)，滲透阻力主要是摩擦力，試驗(yàn)壓力遠(yuǎn)大于滲流阻力.因此，壓力析水過(guò)程中，漿液中的自由水流失速率較快，加速了漿液析水過(guò)程.

1.4.2最終密度及析水率對(duì)比

(1)水泥漿最終密度對(duì)比 重力作用下，各水灰比漿液析水后的最終密度基本相等，約為1.65g/cm3；壓力作用下，各水灰比水泥漿析水后的最終密度基本相等，約為1.71g/cm3，較重力作用下的析水試驗(yàn)結(jié)果高出0.06g/cm3.

(2)水泥漿最終析水率對(duì)比 利用水泥漿析水試驗(yàn)數(shù)據(jù)，繪制重力及壓力作用下漿液最終析水率的對(duì)比圖(圖4).由圖4可見(jiàn)，與重力析水相比，壓力作用下，漿液最終析水率偏高，最終密度偏大.這是由于兩種作用下水泥顆粒的堆積密實(shí)程度不同：重力作用下，水泥顆粒為自然堆積，顆粒間距較大；壓力作用下，水泥顆粒受壓力擠密作用，結(jié)合緊密.因此，壓力作用下，水泥漿中的自由水析出更充分，析水后水泥顆粒密度更高，造成漿液濃度及密度偏大.

圖4 水泥漿析水率對(duì)比柱狀圖Fig.4 Comparison of water-bleeding ratio of cement slurry under different actions

2 析水對(duì)水泥漿黏度的影響

為研究析水對(duì)水泥漿黏度的影響，測(cè)定各水灰比水泥漿黏度值.采用插值法，計(jì)算試驗(yàn)過(guò)程中各時(shí)刻水泥漿黏度值.黏度計(jì)算時(shí)假定同種水泥漿密度相等時(shí)，其黏度也相等.

2.1 水泥漿初始黏度測(cè)定

黏度測(cè)試選用SY-10型黏度測(cè)定儀，量程為0～10mPa·s.試驗(yàn)中，每種水灰比水泥的漿液黏度測(cè)定4次，取4次結(jié)果的平均值作為其初始黏度.各水灰比水泥漿初始黏度見(jiàn)表6.

表6 水泥漿初始黏度Table 6 Initial viscosity of cement slurries

2.2 重力作用下析水對(duì)漿液黏度的影響分析

利用表6中水泥漿初始黏度測(cè)試結(jié)果，結(jié)合表3中的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，采用插值法，計(jì)算相應(yīng)時(shí)刻的漿液黏度值.水泥漿黏度隨時(shí)間變化曲線(xiàn)見(jiàn)圖5.

圖5 水泥漿黏度隨時(shí)間變化曲線(xiàn)Fig.5 Viscosity increase curve under the action of gravity

由圖5可見(jiàn)，水泥漿黏度隨時(shí)間逐漸增長(zhǎng)，達(dá)到最終黏度后，不再變化；析水會(huì)造成水泥漿黏度的大幅度增長(zhǎng)，特別是mW/mC≥0.8的水泥漿，其黏度增大約2倍以上；隨著水灰比的減小，漿液黏度受析水作用的影響逐漸減小；各水灰比漿液析水后最終黏度值相差較大,這是因?yàn)殡S密度的增大，其對(duì)水泥漿黏度的影響更加顯著，同時(shí)受析水試驗(yàn)中誤差累積的影響，導(dǎo)致計(jì)算出的水泥漿最終黏度相差較大.實(shí)際上，水泥漿最終黏度也應(yīng)相等.

2.3 壓力作用下析水對(duì)漿液黏度的影響分析

壓力作用下，各水灰比水泥漿析水后最終密度約為1.71g/cm3.結(jié)合前文分析可知，各水灰比水泥漿析水后最終黏度應(yīng)相等.因此，取密度為1.71g/cm3的水泥漿初始黏度作為其最終黏度.配制密度為1.71g/cm3的水泥漿，測(cè)得其黏度為32.6mPa·s.壓力作用下，析水前后水泥漿初始及最終黏度對(duì)比柱狀圖見(jiàn)圖6.由圖6可見(jiàn)，壓力作用下，水泥漿黏度受析水作用影響更大，特別是mW/mC≥0.8的水泥漿，其黏度增長(zhǎng)2.5倍以上.

圖6 壓力作用下漿液黏度變化對(duì)比圖Fig.6 Comparison of viscosity of cement slurries under action of pressure

3 析水對(duì)水泥漿擴(kuò)散的影響分析

在劈裂、壓密及裂隙管道封堵等注漿擴(kuò)散過(guò)程中，水泥漿均存在析水現(xiàn)象，如劈裂及壓密[16]過(guò)程中的壓濾作用，裂隙封堵中的漿液流動(dòng)沉積[1-2].以土體劈裂擴(kuò)散為例，研究漿液析水對(duì)漿液擴(kuò)散過(guò)程的影響.假設(shè)在劈裂通道中水泥漿驅(qū)替擴(kuò)散，且不考慮其他因素對(duì)水泥漿黏度的影響.以注漿孔為擴(kuò)散起點(diǎn)，注漿擴(kuò)散過(guò)程可分為2個(gè)階段：(1)黏度增長(zhǎng)階段，漿液黏度隨水分的析出不斷增大；(2)黏度不變階段，漿液中多余的自由水完全析出后，其黏度不再增長(zhǎng)，達(dá)到最終值.

圖7 漿液擴(kuò)散過(guò)程Fig.7 Process of grouting diffusion

在軟弱破碎巖土體的劈裂注漿治理中，單孔注漿時(shí)間多在幾個(gè)小時(shí)以上；黏度增長(zhǎng)階段相對(duì)于整個(gè)注漿過(guò)程十分短暫，擴(kuò)散過(guò)程主要處于黏度不變階段.注漿擴(kuò)散范圍計(jì)算時(shí)可采用析水后的漿液最終黏度.對(duì)于線(xiàn)性壓密土體的單個(gè)圓形劈裂通道注漿過(guò)程，注漿壓力與擴(kuò)散半徑存在如下關(guān)系[17]:

(4)

式中：P為注漿壓力；μ為漿液黏度；q為注漿速率；D為注漿影響范圍；Es為土體壓縮模量；r為注漿擴(kuò)散半徑；r0為注漿孔半徑；σ3為最小主應(yīng)力.

以水灰比為1.0和2.0的水泥漿為例，探究析水作用對(duì)漿液擴(kuò)散范圍的影響.不考慮析水對(duì)黏度的影響時(shí)，取μ=3.25mPa·s；考慮析水對(duì)黏度的影響時(shí)，取μ=32.6mPa·s.計(jì)算當(dāng)q=100L/min，r0=0.05m，D=4m，Es=8MPa，σ3=1MPa時(shí)的注漿擴(kuò)散半徑，結(jié)果見(jiàn)圖8.

圖8 漿液擴(kuò)散半徑比Fig.8 Comparison of diffusion radius

由圖8可知，擴(kuò)散半徑相等時(shí)，漿液黏度越大，需要的注漿壓力越高.這是由于漿液黏度的增長(zhǎng)會(huì)增加漿液擴(kuò)散阻力；對(duì)于水灰比為1.0的水泥漿來(lái)說(shuō)，考慮析水對(duì)漿液黏度的影響時(shí)，計(jì)算得出的注漿壓力是不考慮析水影響時(shí)的1.42倍；對(duì)于水灰比為2.0的水泥漿來(lái)說(shuō),此值為1.78倍.即漿液擴(kuò)散阻力分別增加42%和78%.

研究表明，析水作用通過(guò)影響水泥漿黏度的變化來(lái)增加注漿擴(kuò)散阻力，對(duì)其擴(kuò)散過(guò)程產(chǎn)生了很大影響.因此，在注漿工程的設(shè)計(jì)與施工中，特別是劈裂與壓密注漿中，必須充分考慮析水對(duì)水泥漿擴(kuò)散范圍的影響，根據(jù)選用的漿液性質(zhì)及工程需要，適當(dāng)增大設(shè)計(jì)注漿壓力，以保障注漿擴(kuò)散范圍及效果.

4 結(jié)論

(1)不同配比的漿液在相同條件下析水后，最終密度相等；重力作用下，0.8≤mW/mC≤2.0的水泥漿最終密度約為1.65g/cm3；0.6MPa的壓力作用下，mW/mC≥0.6水泥漿最終密度約為1.71g/cm3.

(2)水泥漿黏度隨水分的析出而增大，壓力作用下，mW/mC≥1.0水泥漿黏度可增大3倍以上.相同條件下，不同水灰比的水泥漿完全析水后，最終黏度相等.

(3)與重力作用相比，壓力作用下，水泥漿析水速率更快，最終析水率、密度及黏度偏大，最終密度平均高出0.05g/cm3.

(4)基于線(xiàn)性壓密土體劈裂注漿擴(kuò)散方程，分析了析水作用對(duì)漿液擴(kuò)散距離的影響；考慮析水影響時(shí)，mW/mC≥1.0水泥漿漿液擴(kuò)散阻力增大了42%以上，因此在注漿工程的設(shè)計(jì)與施工中，需考慮析水作用對(duì)水泥漿擴(kuò)散范圍的影響必要性.

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