不同温度条件下水泥注浆液性能的实验研究

不同温度条件下水泥注浆液性能的实验研究范利丹;胡彪;邵红超【摘要】针对不同温度条件下水泥注浆施工,在实验室进行了各温度条件下,水灰比对水泥浆液凝结时间、黏度、结石率和析水率影响的实验研究,并对结石率和析水率进行相关性分析.结果表明,随温度升高,浆液的初凝、终凝时间都缩短,但缩短的幅度越来越低;低水灰比时,随温度升高黏度增大,水灰比达到一定高度时,温度对黏度的影响不明显;随温度升高,结石率增大,析水率降低.而随水灰比的增大,浆液性能向相反的方向发展.相关性分析表明结石率和析水率有高度显著的一元线性关系.【期刊名称】《河南理工大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2016(035)002【总页数】7页(P274-280)【关键词】水泥细度;水灰比;浆液性能;浆液黏度【作者】范利丹;胡彪;邵红超【作者单位】河南省高等学校深部矿井建设重点学科开放实验室,河南焦作454000;河南理工大学土木工程学院,河南焦作454000;河南理工大学土木工程学院,河南焦作454000;河南理工大学土木工程学院,河南焦作454000【正文语种】中文【中图分类】TU528.2一方面随着经济的快速发展和隧道施工技术的日趋成熟，相继出现了长大深埋隧道，并遇见了高温地热水问题。

另一方面，随着煤矿开采深度的增加，巷道距离地表越远而离地心越近，岩石的温度随之升高。

高地温问题(热害)已成为隧道(洞)工程、采矿工程及其他地下工程中常遇到的地质灾害[1-2]，开展高地温地下工程注浆材料研究已成为当前十分紧迫的任务。

众多的注浆材料中，化学浆材易带来环境污染，水玻璃浆液存在强度低、耐久性差等问题，超细水泥具有成本较高的不利之处[3]。

通过往水泥浆材中掺入减水剂、膨润土等外加剂，使水泥浆液的流动性增强、析水率降低，在实现堵水功能方面取得良好效果[4]，但是存在浆液结石体强度相对传统水泥浆不足的问题。

因此，普通水泥浆仍在工程中被广泛应用[5-7]，探索高温环境下水泥浆材的性能变化规律，对解决实际高地温地下注浆工程中的难题具有重要的指导意义。

张欢等[8]研究了温度对掺有外加剂水泥浆流变性能的影响，发现温度升高会增大水泥浆的剪切应力和表观黏度。

刘泉生等[9]采用旋转黏度计对不同水灰比、温度及水化时间条件下的普通硅酸盐水泥浆的流变特性进行研究，发现水灰比大于1.0的浆液，表现出牛顿流体特征，动力黏度随温度增加而逐渐减小；水灰比为0.5和0.7的浆液表现出具有屈服应力的幂律流体模式，其屈服应力、稠度系数随着温度增加而增长，而流变指数随温度增加而减小。

刘人太等[10]利用砂浆凝结时间测定仪，对一种新型水泥基注浆材料进行初、终凝时间测定，发现其随温度升高大幅度缩短，指出浆材的配合比应根据现场温度和地下水温度合理确定。

当前研究主要局限在高温环境下水泥浆材流变性能的研究，对高温下会发生较大变化的浆液凝结时间等方面关注甚少。

本文通过在实验室中模拟高温地质条件，探究高温环境中水泥浆液在凝结时间、流变性、结石率和析水率等方面的性能变化规律，以期对实际高地温注浆工程提供指导。

1.1 实验材料水泥为焦作中晶水泥厂生产的P·O 42.5水泥，化学成分见表1。

1.2 实验方法(1)水泥细度：采用英国马尔文激光粒度仪MS3000对水泥细度进行分析。

(2)凝结时间：设计了图1所示的水浴保护套，按照GB/T 1346—2011《水泥标准稠度用水量、凝结时间、安定性检验方法》，将搅拌好的水泥浆液置入与净浆试模成一体的水浴保护套中，并将其置入HWS-28型电子恒温水浴锅(上海一恒科学仪器有限公司生产)中保证一定温度，以模拟不同环境温度，利用维卡仪测试浆液的初凝、终凝时间3次，求取平均值。

(3)黏度：采用上海华峰试验仪器厂1006型泥浆黏度计测定浆液流出时间，即漏斗黏度，单位s。

(4)结石率和析水率：结石率的测定是采用量筒量取一定体积搅拌均匀的水泥浆，置于密闭容器并放置在恒温水浴中，待其初凝后，用排液法测出凝结后的体积。

析水率的测定：取1 000 mL搅拌均匀的水泥浆，注入有刻度的玻璃量筒内，盖上玻璃板，并将其放置在恒温水浴中。

每隔1～2 min读取上部清水与下部沉淀液之间刻度，直至达到稳定标准为止，稳定标准即连续三个读数完全相同。

1.3 实验设计在20，40，60，80 ℃ 的温度环境条件下，采用水泥净浆搅拌机配置水灰比为0.6，0.8，1.0和1.2的水泥浆，测试其凝结时间、结石率和析水率。

黏度的测定是将水泥和水分别放置到密闭的容器中，加热至相应的温度，加入到搅拌锅中搅拌至设定时间，然后用泥浆黏度计快速测定。

2.1 水泥细度对浆液可注性影响分析对于岩体裂隙渗透注浆，浆液的可注性主要取决于浆材的粒径和岩体裂隙的大小。

当岩体裂隙尺寸小于浆材颗粒直径时，不能实行有效注浆。

一般认为，只有当裂隙尺寸大于浆材最粗粒径的3倍时，才具有可注性；若小于这个界限，其中的最粗颗粒有可能首先被裂隙的两侧壁各“吸附”固定住一个，使第三个形成“架桥”，以至于其他颗粒也无法进入。

对于岩体裂隙介质，Mitchell给出了式(1)定义可注比。

式中：GR为可注比；Df为岩体裂隙宽度；Dmax为浆材最大颗粒对应的粒径。

本实验所用水泥粒度测试结果如图2和表2所示，不考虑粒径特别大的杂质颗粒，取Dmax为111.5 μm，利用式(1)定义的岩体裂隙介质的可注比，取GR≥3，则可保证注浆成功的岩体最小裂隙宽度为0.335 mm。

2.2 温度和水灰比对浆液凝结时间的影响浆液的凝结时间对注浆施工可操作性影响很大，因为浆液要有一定的扩散半径，所以凝结时间不能太短，但凝结时间过长，不仅浆体产生强度太晚，还会跑浆漏浆，造成浪费。

不同温度下各水灰比浆液的凝结时间如表3所示。

可以看出，浆液凝结时间介于3～20 h的范围内，因为地质条件和施工部位不同，对凝结时间要求各异，可根据现场温度、地下水温度、岩体裂隙大小选定合适的水灰比，此外，在满足强度要求的情况下也可加入早强剂、缓凝剂等外加剂进行调节。

从表3还可以看出，相同温度环境下，随水灰比增大，凝结时间延长，且终凝和初凝之间的时间差稍有增大，20 ℃环境下，水灰比0.6的浆液，终凝和初凝的时间差为0:51，水灰比0.8,1.0,1.2的终凝时间分别为1:00,1:32,2:48。

40，60，80 ℃环境下，有着类似的规律。

根据表3分别作出如图3所示的凝结时间随温度变化曲线图及图4所示的凝结时间随水灰比变化曲线图。

从图3可以看出：当水灰比一定时，随着温度的递增，初凝和终凝时间都缩短，从20～40 ℃，时间缩短的幅度比较大，但从40～80 ℃，缩短幅度逐渐减小。

从图4中可以看出，水灰比对初凝时间和终凝时间的影响规律基本相同。

随水灰比增大，水泥净浆的凝结时间呈不断递增，但递增趋势逐渐变缓；随温度升高，水灰比对浆液凝结时间的影响程度递减，60 ℃和80 ℃环境下不同水灰比浆液的凝结时间，尤其是初凝时间已差别很小。

从上面的分析可以看出，在低温下，水灰比是影响凝结时间的主要因素，但温度升高，尤其是60 ℃之后，温度成为影响凝结时间的主要因素，不同水灰比的浆液凝结时间已差别很小。

这是因为低温下，水泥的水化速率较低，水化产物沉淀、相互搭接、黏连、挤压并形成具有一定强度网状结构的快慢主要取决于水泥颗粒之间的距离，即水泥浆体的水灰比。

而高温条件下，水泥溶解加快、水化反应剧烈，水化产物沉淀速率增大，围绕未反应的水泥颗粒的水化物组合更快扩散[11]，水泥浆体的初始状态即水泥颗粒之间的距离已不足以对凝结时间造成太大影响。

2.3 温度和水灰比对浆液黏度的影响浆液黏度代表浆液的流变性，其大小直接影响浆液的扩散半径、沉降速率，同时决定着注浆压力、流量等参数的确定。

本实验测出的黏度如表4所示。

对于水灰比0.6的浆液，其在80 ℃环境下，从漏斗流出的速度非常缓慢，后期阶段几乎成液滴状滴落。

除了该浆液黏度过大外，其余都可满足注浆施工要求[3]，现场可根据施工机具、环境温度和岩体裂隙发育程度等进行选择。

根据表4分别做出了图5所示黏度-温度曲线和黏度-水灰比曲线，为了使数据有较好的区分度，80 ℃环境下水灰比0.6的浆液黏度只在表中列出而未在图中显示。

从图5(a)可以看出：水灰比一定时，浆液黏度随温度升高而增大，温度对水灰比为0.6的浆液黏度影响强烈，但对水灰比0.8以上的浆液黏度的影响不明显。

从图5(b)还可以看出，同一温度下，水泥净浆的黏度随着水灰比的增加而递减，并当水灰比达到一定高度时，浆液的黏度值趋向于一定值，不再受温度和水灰比影响。

可以看出，水灰比达到1.2时，已接近于水的黏度。

一般流体的黏度随温度升高而降低，但水泥浆体的黏度还和浆液的微观结构絮凝速率有关[8]，而絮凝速率又取决于水泥的水化速率，温度升高，水泥水化速率加快，絮凝速率也随之加快，表现为黏度增大。

而水灰比相对较高的浆液(0.8，1.0，1.2)，温度升高导致水分子运动加剧，浆液中作为润滑作用的水分子之间的黏度减小[9]，减小的总和作用和水泥水化絮凝作用相当，因此，浆液呈现出黏度随温度变化不大的性能。

2.4 温度和水灰比对浆液结石率、析水率的影响结石率是指浆液凝固后结石体的体积占原浆液体积的百分比。

一方面在强度指标得到满足的条件下，结石率越高，浆液的充填、堵水和加固效果就越好。

另一方面，水泥浆是一种悬浮液，静止状态下由于水泥颗粒的沉淀作用而发生沉析，常用析出水的比率即析水率表征浆液的稳定性。

表5列出不同温度下各水灰比浆液的结石率和析水率，据表5分别做出如图6(a)、图6(b)所示的随温度和水灰比变化曲线。

从图6中可以看出，随温度升高，结石率不断增加，而析水率不断降低；较低水灰比(0.6，0.8)的水泥浆，其结石率和析水率受温度的影响也较低，较高水灰比的浆液(1.0，1.2)受温度的影响也大。

这是因为高温条件下，水泥水化速率很快，沉析水分会减少；温度升高，分子扩散运动加剧，析水率也会很大程度降低；此外，高温、高湿环境中的热胀、湿胀也会使得结石率升高，这也从另一方面解释了水灰比为0.6的浆液在高温下结石率大于100%的原因。

从图6中还可以看出，在40 ℃以上的温度环境中，不同水灰比浆液的结石率基本都在90%以上，能够满足注浆充填的要求。

水灰比为1.2的浆液在20 ℃条件下的结石率最低为79.52%，析水率最高为31.22%，后续的研究中将考虑向高水灰比浆液中添加分散剂、稳定剂等改善浆液的沉淀析水性。

2.5 结石率和析水率的相关性分析从2.4的实验数据中可以明显看出，随温度或水灰比的变化，结石率和析水率的变化趋势是截然相反的，表现出一定的关联性。

为验证两者之间是否存在相关性以及相关性的大小，对结石率和析水率两组数据的相关系数做了计算，如表6所示。