第４１卷第３２期 ２ ０ １ ５年１ １月 山 西 建 筑 ＳＨＡＮＸＩ ＡＲＣＨＩＴＥＣＴＵＲＥ Ｖｏ１．４１ Ｎｏ．３２ Ｎｏｖ． ２０１５ ・５９・ ・岩土工程・地基基础 文章编号：１００９・６８２５（２０１５）３２—００５９—０２ 估计普通水泥浆液粘度的经验公式★ 许宏发摘赵丽雅王晨耿汉生 ２１０００７） （解放军理工大学国防工程学院爆炸冲击防灾减灾国家重点实验室，江苏南京要：论述了研究浆液粘度时变特性的必要性，基于水泥基浆液的粘度存在时变性，其规律符合指数函数分布，对前人水泥浆液 粘度的试验数据进行了拟合分析，得到了普通水泥浆液粘度与水灰比和时间之间的经验公式，对水泥浆液注浆理论计算、数值模 拟、建立水泥基浆液注浆扩散模型具有一定的参考价值。 关键词：水泥基浆液，粘度，时变性，水灰比 中图分类号：ＴＵ５２８ 文献标识码：Ａ 反映水泥浆液的粘度时变性，可用于水泥浆液注浆理论计算 ０ 引言 地下工程建设在施工过程中由于面临着复杂的水文地质 和数值模拟。 注浆液的粘度、水灰比和时间关系 环境，时常发生突水、涌水灾害，严重影响了施工进度并带来 １注意到对于普通水泥注浆液，其粘度随着水灰比和时间的变 巨大的经济损失。水泥注浆作为水害治理的主要方法之一具 根据文献［１５］［１６］，水 。在地下水害治理工程中，注浆效果的 化而改变，在不添加其他附加剂的条件下， 好坏很大程度上取决于水泥浆液的流动性，而浆液粘度又是 泥浆液粘度与水灰比的关系见表１。有良好的治理效果 影响浆液流动性能的主要参数，浆液粘度时变性对计算注浆 扩散半径影响很大。因此浆液粘度也就成为了注浆封堵的关 键因素之一。 水灰比 ｍ 表１ 浆液粘度、水灰比和时间关系的试验值 不同时间ｔ（ｍｍ）所对应的粘度 ／ＭＰａ・ｓ Ｏ １Ｏ ２０ ３０ ４０ 资料来源 目前，人们对水泥浆液流变特性和浆液粘度影响因素开展了 较为深入的研究，研究成果认为水泥浆液的粘度不仅与水灰比， 外加剂，温度有关，还与时间有着密切的关系。水泥浆液是复杂 的多项混合体，从加水开始随着时间延长，浆液逐渐凝结硬化直 Ｏ．７５ １．Ｏ ７．５１ ３．６８ ９．Ｏ８ ４．５１ １０．５６ ５．９４ １２．８９ ８．０２ １５．３０ １０．１５ 文献［１５］ 文献［１５］ １．０ １．５ １．５ ２．０ ３．Ｏ ４．４２ ２．０ １．７４ １．４５ １ ２９７ 文献［１６］ 文献［１６］ ２．４０ １．６６ 至水泥浆固化。Ｇ．Ｌｏｍｂａｒｄｉ等 建立的注浆理论均未考虑注浆 材料粘度时变特性。在建立注浆扩散模型时采用的粘度固定为 初始粘度值，这样计算出的理论扩散半径远大于实际值，这与注 ３．７５ ２．２ｌ ４ ９７ ３ １７ ６．５９ ４．４６ 文献［１５］ 文献［１５］ 文献［Ｉ６］ ６．Ｏ ｌ０．Ｏ １．１５１ １．０９５ 文献［１６］ 文献［１６］ 浆实际情况不符，存在一定的局限性。徐润等 通过往水泥浆中 掺入膨润土、减水剂等外加剂，使水泥浆液的流动性增强，在实现 堵水功能方面取得良好效果。但是浆液的结石体强度相对传统 水泥浆的结石体较低，使得注浆后的加固效果大大减弱。Ｈａｓｓ— ｌｅｒ，葛家良，郑长成等 则得到了时变性流体的流动规律； Ｍ．Ｉｓｈ－ｓｈａｌｏｍ等 “ 针对普通水泥浆液和常用化学浆液的粘度时 ２浆液初始粘度的计算 对试验数据进行逐次拟合分析处理，发现水泥浆与时间的关 系满足式（１） Ｊ： ＝／ｘ０ｅｘｐ（Ｂｔ） （１） 变性做了深入的分析并对各种浆液的时变曲线进行函数拟合，但 其中， 为初始时刻浆液粘度，ＭＰａ・Ｓ；曰为拟合常数；ｔ为时 ｎ。 没有联系水灰比与拟合参数的关系；赵自亮等 用不同的函数对 间，ｍｉ根据表１，先对初始时刻浆液粘度进行拟合分析，如图１所 泥浆液粘度试验数据进行了拟合，理论推导了水泥浆液粘度随时 得到如下经验公式。 问而变化的渗透扩散公式。阮文军 副建立了基于粘度时变特性 示，的注浆扩散模型，对浆液流变性、粘度时变性等对注浆扩散的浆 液性能的影响作了较深入研究。李术才等 分析了不同的水灰 ０＝１＋３ｍ （２） 其中，相关系数Ｒ：＝０．９８９ ３６。 比、混合体积比和不同材料混合后水泥浆液的粘度和温度随时间 的变化规律并做了材料适用性分析。 前人对各种浆液的粘度变化进行的大量试验研究均表明： —－试验数据 拟合曲线 —浆液粘度存在时变性。因此水泥浆液注浆理论的建立和数值 计算中必须考虑注浆材料的粘度时变特性。但时变性的具体 规律还需要深入研究。但目前的研究工作没有揭示浆液粘度 随时间变化的具体关系，本文通过对文献［１５］［１６］的试验数 据进行拟合分析得出普通水泥浆液粘度的经验公式，较好地 水灰比ｍ 图１初始粘度与水灰比的关系 收稿日期：２０１５—０９—０２★：江苏省自然科学基金（项目编号：ＢＫ２０１４１０６７） 作者简介：许宏发（１９６４一），男，博士，博士生导师，教授： 赵丽雅（１９９２－），女，在读硕士； 王展（１９９０一），男，在读硕士 耿汉生（１９８９一），男，在读博士 ・６０・ 第４１卷第３２期 ２ ０ １ ５年１ １月 山 西 建 筑 ３）浆液粘度的大小与水灰比的大小关系十分密切，在粘度上 升期，浆液的粘度增长主要由水泥浆液的水灰比决定。水灰比越 ３浆液粘度与时间的关系 ＝／ｚ０ｅｘｐ（Ｂｔ）。 ∞ ６ ４ ２ Ｏ ８ ６ ４ ２ Ｏ 再将式（２）代人式（１），并对试验数据进行拟合分析（见图 小，粘度增长的幅度越大，且同一时刻水灰比越大，所测的粘度 Ｏ ∞∞ 如勰 Ｏ Ｏ Ｏ Ｏ Ｏ ∞硌 Ｍ Ｏ Ｏ Ｏ Ｏ Ｏ ∞ 越小。 ２），获得了不同水灰比下粘度与时间的关系，拟合参数见表２。 表２不同水灰ｔＢ下拟合参数Ｂ 水灰比ｍ ０．７５ １．０ １．５ ２．０ 因此，在水泥浆液的流变性与扩散规律的研究中，不但要考 虑不同水灰比对浆液粘度的影响，同时还应该考虑浆液粘度随时 间变化的特性。 ｆ式（１）） ７．５ｌ５ ９４ ３．５６７ ８３ １ ８５８ ６ｌ １．２４８ ０３ Ｏ．０１７ ７５ ０．０２２ ９１ ０．０２９ ８８ ０．Ｏ２６ ８９ 相关系数月 ０．９９８ ８５ ０．９８０ ３４ ０．９８８ ４７ ０．９６８ ８７ 参考文献： ［１］ 冯志强，康红普，杨景贺．裂隙岩体注浆技术探讨［Ｊ］．煤炭 科学技术，２００５，３３（４）：６３—６６． ［２］ 张霄，李术才，张庆松，等．矿井高压裂隙涌水综合治理方 ・ｍ＝０．７５试验数据 ・ｍ＝１．０试验数据 ▲ｍ＝１．５试验数据 ．ｍ＝２．０试验数据 拟合曲线 法的现场试验［Ｊ］．煤炭学报，２０１０，３５（８）：１３１４—１３１８． ［３］ 刘招伟，何满潮，王树仁．圆梁山隧道岩溶突水机制及防治 对策研究［Ｊ］．岩土力学，２００６，２７（２）：２２８—２３２． ［４］Ｌｏｍｂａｒｄｉ Ｇ．水泥灌浆浆液是稠好还是稀好［Ａ］．现代灌浆 技术译文集［ｃ］．１９９１：７６ ８１． ［５］ 杨晓东，刘嘉材．水泥浆材灌入能力研究［Ｍ］．北京：水利电 力出版社．１９８７：１８４—１９１． 关系 ［６］徐润，左永江．黏土水泥浆性能及其堵水机制的研究［Ｊ］． ４参数确定 关性，如图３所示。 煤炭学报，１９９６，２１（６）：６１３—６１７． 对表２中参数曰进行分析，发现与水灰比之问具有很好的相 ［７］Ｈａｓｓｌｅｒ Ｌ．Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ ｇｒｏｕｔｉｎｇ ｉｎ ｊｏｉｎｔｅｄ ｒｏｃｋ［Ａ］．Ｐｒｏｃ ６ｔｈ Ｉｎｔ Ｃｏｎｆ ｏｎ Ｒｏｃｋ Ｍｅｃｈ［Ｃ］．１９８７． ［８］ 葛家良．基岩结构面特征及其注浆浆液扩散的ＧＪＬ二维模 ・表２ 一型［Ａ］．全国基岩与混凝土裂缝化学灌浆处理学术研讨会 论文集［Ｃ］．２００２：２７． 拟合曲线 ［９］ 郑长成．裂隙岩体灌浆的模拟研究［Ｄ］．长沙：中南３７－业大 学，１９９９． ［１Ｏ］ Ｉｓｈ—ｓｈａｌｏｍ Ｍ，Ｇｒｅｅｎｂｅｒｇ Ｓ Ａ．Ｔｈｅ ｒｈｅｏｌｏｇｙ ｏｆ ｆｒｅｓｈ Ｐｏｒｔｌａｎｄ ｃｅｍｅｎｔ ｐａｓｔｅｓ［Ｃ］．Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ ｔｈｅ ４ｔｈ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｓｙｍ— ０－ｏ Ｕ． １．０ １．Ｚ １．４１．Ｏ １． Ｚ．０ Ｚ．Ｚ ｍ ｐｏｓｉｕｍ Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ Ｃｅｍｅｎｔ．［ｓ．１．］：［ｓ．ｎ．］，１９６０：７２１． ［１１］ 阮文军．注浆扩散与浆液若干基本性能研究［Ｊ］．岩土工程 学报，２００５，２７（１）：６９－７３． （３） 图３参数Ｂ与水灰比的关系 通过非线性拟合分析，得到下式： Ｂ＝０．１２ｍ ・５ｅ （Ｒ ＝０．９９７ １６） ［１２］ 赵自亮，张可能，邓迎芳，等．水泥浆液流变特性研究及渗 透公式优化［Ｊ］．广州建筑，２０１ １，３９（４）：５９—６２． 将式（２）和式（３）代入式（１）得到浆液粘度、水灰比和时间之 间的关系式为： ／．ｔ＝（１＋３ｍ ’）ｅｘｐ（０．１２ｍ ｅ ・ ｔ） （４） ［１３］ 阮文军．基于浆液粘度时变性的岩体裂隙注浆扩散模型 ［Ｊ］．岩石力学与工程学报，２００５，２４（１５）：２７０９－２７１４． ［１４］ 李术才，韩伟伟，张庆松，等．地下工程动水注浆速凝浆液 粘度时变特性研究［Ｊ］．岩石力学与工程学报，２０１３，３２ （１）：１－７． 其中，ｔ为时间，ｍｉｎ。 ５结语 从试验数据拟合和浆液粘度时间曲线可得出以下结论： １）拟合所得的经验方程能较好的反映水泥浆液粘度随时问 ［１５］ 王雄鹰．水泥浆液粘度随时间变化的试验研究［Ｊ］．山西建 变化特征，与试验数据曲线能够很好的吻合。 筑，２００９，３５（１６）：１０－１２． ２）在不同水灰比的情况下，浆液粘度随时间的延长均有逐渐 ［１６］ 邝健证，昝月稳，王 杰，等．岩土注浆理论与工程实践 增大的趋势，且变化非常的明显。 ［Ｍ］．北京：科学出版社，２００１． Ｔｈｅ ｅｍｐｉｒｉｃａｌ ｅｑｕａｔｉｏｎｓ ｏｆ ｏｒｄｉｎａｒｙ ｃｅｍｅｎｔ—ｂａｓｅｄ ｇｒｏｕｔｓ ｖｉｓｃｏｓｉｔｙ★ Ｘｕ Ｈｏｎｇｆａ Ｚｈａｏ Ｌｉｙａ Ｗａｎｇ Ｃｈｅｎ Ｇｅｎｇ Ｈａｎｓｈｅｎｇ （Ｓｔａｔｅ Ｋｅｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｏｆ Ｅｘｐｌｏｓｉｖｅ Ｉｍｐａｃｔ ａｎｄ Ｄｉｓａｓｔｅｒ Ｐｒｅｖｅｎｔｉｏｎ，Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｆＮａｔｏｉｏｎａｌ Ｄｅｆｅｎｓｅ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｐ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｆＳｃｉｏｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｎａｎｊｉｎｇ ２１０００７，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｔ ｉｓ ｎｅｃｅｓｓａｒｙ ｔｏ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｔｈｅ ｔｉｍｅ—ｖａｒｉａｎｃｅ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｖｉｓｃｏｓｉｔｙ．Ｌｏｔｓ ｏｆ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ ｈａｖｅ ｂｅｅｎ ｃｏｎｄｕｃｔｅｄ ｔｏ ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅ ｔｈｅ ｔｉｍｅ—ｖａｒｉａｎｃｅ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ，ａｎｄ ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔ ｓｈｏｗｓ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｖｉｓｃｏｓｉｔｙ ｃｈａｎｇｅｓ ｉｎ ｔｈｅ ｗａｙ ｏｆ ｅｘｐｏｎｅｎｔｉｌ ｆｏｒａｍ．Ｏｎ ｔｈｅ ｂａｓｉｓ ｏｆ ｅｘｉｓｔｉｎｇ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｄａｔａ，ａｎ ｅｍｐｉｒｉｃａｌ ｅｑｕａｔｉｏｎ ｏｆ ｖｉｓｃｏｓｉｔｙ ｖｅｒｓｕｓ ｔｉｍｅ ａｎｄ ｗａｔｅｒ—ｃｅｍｅｎｔ ｒａｔｉｏ ｉｓ ｏｂｔａｉｎｅｄ ｂｙ ｔｈｅ ｗａｙ ｏｆ ｄａｔａ ｆｉｔｔｉｎｇ ｍｅｔｈｏｄ，ｗｈｉｃｈ ｃａｎ ｂｅ ｕｓｅｄ ｉｎ ｃｅ— ｍｅｎｔ—ｂａｓｅｄ ｇｒｏｕｔｓ ｇｒｏｕｔｉｎｇ ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｓ，ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ａｎｄ ｂｕｉｌｄｉｎｇ ｇｒｏｕｔｓ ｓｐｒｅａｄｉｎｇ ｍｏｄｅｌ ｏｆ ｃｅｍｅｎｔ—ｂａｓｅｄ ｇｒｏｕｔｓ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｃｅｍｅｎｔ—ｂａｓｅｄ ｇｒｏｕｔ，ｖｉｓｃｏｓｉｔｙ，ｔｉｍｅ—ｄｅｐｅｎｄｅｎｔ ｂｅｈａｖｉｏｒ，ｗａｔｅｒ—ｃｅｍｅｎｔ ｒａｔｉｏ