普通硅酸盐-硫铝酸盐复合水泥浆液流变特性试验.pdfVIP

第 4 3卷第 1 O期 2 0 1 6年 1 0月 探矿工程( 岩土钻掘工程 ) E x p l o r a t io n E n g i n e e r in g f Ro ck S o il D r i l l in g a n d T u n n e l in g ) Vo 1 4 3 No 1 0 O ct 2 0 1 6： 6 36 7 普通硅酸盐 一 硫铝酸盐复合水泥浆液流变特性试验 王胜 ，华绪， 徐世桐 ，汪靖扉 ( 成都理工大学地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室， 四川 成都 6 1 0 0 5 9 ) 摘要： 普通硅酸盐 一硫铝酸盐复合水泥浆液在地质灾害快速治理 程中具有广阔的应用前景， 但复合浆液的流变 特性直接影响到应用效果。采用理论分析与试验相结合的方法对不同配合比的普通硅酸盐 一 硫铝酸盐复合水泥 浆液的流变特性进行了研究。根据试验结果绘制了复合水泥浆液的剪切应力 一剪切速率变化曲线； 通过测定浆液 的表观粘度随时间的变化情况分析了水泥浆液粘度的时变特性。试验结果表明， 水灰比对复合水泥浆液的流型有 较明显的影响， 减水剂对浆液的流型无明显影响， 但对浆液的流变参数的数值影响较大， 研究结果对于工程应用具 有 一定的指导意义。 关键词： 地质灾害治理； 灌浆 ； 普通硅酸盐 一硫锚酸盐复合水泥浆液； 流变特性； 粘度时变性 中图分类号 ： P 6 3 4 6 文献标识码 ： A 文章编号 ： 1 6 7 2 7 4 2 8 ( 2 0 1 6 ) 1 0 0 0 6 30 5 Rh e o l o g ica l Ch a r a ct e r is t ics o f P o r t l a n d - s u l p h u r Al u m in a t e Co m p o s it e Ce m e n t S l u r r y WA NG S h e n g，HU A Xu ，XU S h i t o n g ，W A N G J i n g -f e i ( S t a t e K e y L a b o r a t m 7 o f G e o h a z a r d P r e v e n t i o n&G e o e n v i r o n m e n t P r o t e ct io n ， C h e n g d u U n iv e r s i t y o f T e ch n o l o g y ， C h e n g d u S i cu a n 6 1 0 0 5 9 ， C h in a ) Ab s t r a ct ：P o r t l a n d s u l p h u r a l u min a t e co mp o s it e ce me n t s l u r r y h a s b r o a d a p p l ica t io n p r o s p e ct in r a p id g e o l o g ica l d is a s t e r ma n a g e m e n t p r o j e ct ， b u t t h e r h e o l o g ica l p r o p e r t i e s d i r e ct l y a f f e ct s t h e a p p l i ca t io n e f f e ct B y co mb i n i n g t h e o r e t ica l a n a l y s is wit h t e s t ，t he r e s e a r ch o n t h e r he o l o g ica l p r o pe rtie s o f po rtl a nd s u l ph u r a l umin a t e co mp o s it e ce me n t s l u r r y wit h d if f e r e nt mix ing p r o p o rtio n wa s ca ie d o ut Acco r d in g t o t he t e s t r e s u l t s，t h e cur v e s o f s h e a r s t r e s s a nd s h e a r r a t e o f co mpo s it e e e me nt s l ur r y we r e dr a wn；by me a s u r in g t h e t ime de pe n de n t ch a ng e o f a pp a r e nt v is co s it y o f t h e s l u r r y，t h e t ime v a r y ing pr o p e rt y o f ce me n t s l u r r y v is co s it y wa s a n a l y z e d T h e t e s t r e s u l t s s h o w t h a t t h e wa t e r ce me n t r a t io h a s o b v io u s in fl u e n ce o n t h e f l o w p a t t e r n o f co mp o s it e ce me n t s l u wy ；wa t e r r e d u cin g a g e n t h a s n o o b v io u s r u l e t o t h e fl o w p a t t e r n，b u t h a s g r e a t in fl u e n ce o n t h e r h e o l o g ica l p a r a me t e r s o f t h e s l u r ry Ke y wo r ds：g e o l o g ica l d is a s t e r t r e a t me nt ；g r o ut ing；po rtl a n d s u l ph u r a l umin a t e co mpo s it e ce me nt s l u r r y；t h e o r e t ica l pr o p e r t ie s ；t ime v a ryin g p r o pe rty o f v is co s it y 0 引言 近年来 ， 地质灾害越加频发 ， 在地质灾害快速治 理工程中 ， 具有特殊性能的水泥基材料应用前景广 阔 J 。在采用水泥浆 液用 于地 灾治 理灌浆 工程 中， 浆液 的流变性是灌浆材料配方设计 的核心及安 全施工的前提 。普通硅酸盐水泥相对于硫铝酸 盐水泥来说其凝结时间长 ， 早期强度也较低 ， 易被孔 内地下水 冲蚀 。添加外加剂的普通硅酸盐水泥虽然 可以在一定程度上缩短其凝结时问， 但在有大量地 下水存在的情况下 ， 凝结硬化效果和结石 强度大大 降低 ， 影响了其应用效果。而硫铝酸盐水泥 因其具 有快硬 、 早强 、 收缩小 、 抗冻和抗渗性能好等优点 ， 适 于抢修工程 、 防渗及低温工程 。但单独将硫铝酸盐 水泥用于地质灾害快速治理工程 ， 其流变性 、 凝结时 间以及结石强度等关键性能指标往往无法满足 ， 并 且也存在价格偏贵的问题。 复合化是改善水泥性能的有效途径 。各系 列水泥和辅助性胶凝材料复合方面的研究和成功应 用的经验已很多 ， 而不同系列水泥之间的复合研究 则起步较晚。前期研究成果表明 ， 将普通硅酸盐水 泥与硫铝酸盐水泥复合 ， 不仅可 以充分发挥各 自的 特点 ， 而且还具有“ 水化协 同效应 ” 。主要表现为浆 液快速凝结 ， 初凝与终凝间隔很短 ， 浆液在开始时流 动性很好 ， 到达某 时间点后 ， 突然凝结硬化 ， 即具有 “ 直角稠化” 特点。在充分利用普通硅 酸盐 一硫铝 酸盐复合水泥的水化协 同效应基础上 ， 进一步解决 收稿 日期 ： 2 0 1 60 71 9； 修 回日期 ： 2 0 1 60 91 1 基金项 目： 地质灾害防治 与地质环境保护 国家重点实验室 自由探索 课题 “ 硅 酸盐 一硫 铝酸盐水 泥水化协 同效应与钻孔 铸壁技术研究 ”( 编 号 ： S K L G P 2 0 1 5 Z 0 1 0 ) ； 四川省教育厅重点项 目“ 硅酸盐 一硫铝酸盐水 f 已 基钻孔铸壁材料研究 ” ( 编 号： 1 6 Z A 0 0 9 9 ) 作者简介 ： = F 胜 ， 男 ， 土家族 ， 1 9 8 2年生 ， 副教授 ， 博士 ， 研究方向为岩土钻掘T程 ， lX l J t l 省成都 市成华区二仙桥东三路 1号， 1 5 8 5 8 8 9 5 1 q q co i n 。 探 矿工 程( 岩土钻掘工程) 其流变性 、 凝结时间与结石强度之间的协调统一 问 题 ， 成为解决地质灾害快速治理提 供新的思路 J 。 目前关于普通硅酸盐与硫铝酸盐水泥的研究尤其是 对其流变性的专 门研究甚少 9 。因此， 根据相关 问题的科学意义和工程需求， 对普通硅酸盐 一硫铝酸 盐复合水泥浆液的流变特性开展试验研究是十分必 要 的 1 试验材料与方法 1 1 试验材料 普通硅酸盐水泥 ( P O 4 2 5 ) 选用华润水泥厂 产品， 以下简称 P 。硫铝酸盐水泥 ( R S A C 4 2 5 ) 选 用 中泰硫铝酸盐水泥厂产品， 以下简称 R。减水剂 ( J S S ) 为成都理工大学钻掘工程材料实验室 自主研 发的高效减水剂 ， 此减水剂具有减水率高、 混凝土拌 合物的流动性好等优点。试验表明此减水剂在加量 为 3 e 时 ， 其作用效果较好 ， 因此本次试验直接选取 减水剂加量为 3 v 。 1 2 试验仪器 此次试验使用的主要仪器有 ： Z N ND 6型 电动 六速旋转 粘度计 ， 规 格为 2 0 0 m L的量筒 ， 精度 为 0 1 g的天平等。 1 3 试 验方 法 按照水泥浆液流变性 的测量方法 ， 在常温条件 下 ， 测量出不同转速下粘度计的读数 。为了进行粘 度时变特性研究 ， 针对不同水灰 比的水泥浆液 ， 每隔 一 定的时间测量并记录一次。连续测量直至水泥浆 液无法测量为止 。每次测量前要用低速搅拌水泥浆 液 1 ra in ， 以防水泥浆液发生沉淀影响测量精度 。根 据已有的资料 ， 复合水泥浆液比常规单一水泥浆液 的凝结时问要短。所 以试验时 ， 要密切注意测量 的 时间间隔 。 2 试验结果与讨论 2 1 流变模式 为了研究复合水泥浆液的流变特性 ， 本次试验 选取了普通硅酸盐 一硫铝酸盐复合水泥浆液的配合 比 P ：R为 1 ：4 、 1 ：1 、 4 ：1 。每个配合 比均设置水 灰 比 ( w C) 为 0 4 、 0 5 、 0 5+3 J S S 、 0 6 、 0 7 、 0 8 、 0 9 、 1 0 。试验处理结果如图 1 所示 。 从图 1 可 以看 出， 无论在哪种配合 比下 ， 水泥浆 液的剪 切应力 均 随剪切 速率 的增大 而增大 。 而且 l 4O l 2O 1 OO 8o 6 0 4 O 2 0 U ZU U 4 UU b ut ) UU l UU U l Z UU 剪切速率 s P ：R =4 ：1 图 1 复合水泥浆液流 型图 几乎所有浆液的流型图均随水灰比的增大而更接近 于线性形式。 普通硅酸盐 一 硫铝酸盐复合水泥浆液流变方程 和所属流型见表 1 、 表 2 、 表 3 。 通过对上述水泥浆液的流型及流变模式分析 ， 可以初步得到以下几方面认识。 对于复合水泥浆液而言， 取用配合 比 P ：R为 4 ：1 、 1 ： 1以及 1 ：4三组 比较有代表性 的拟合结 果 。研究发现 ， 配合 比 P ：R为 1 ：1时， 水灰 比为 0 4和0 5时的水泥浆液幂律模精度更高； 而水灰 比为 0 61 0时 的水泥浆液宾汉模式精度更 高。 在水灰 比为 0 5时， 未加减水剂 的浆液更适用于幂 律模式 ， 加减水剂后 ， 水泥浆液更适用于宾汉模式。 第 4 3卷第 1 0期 王胜等： 普通硅酸盐 一硫铝酸盐复合水泥浆液流变特性试验 6 5 探矿工程( 岩土钻掘工程) 2 0 1 6年 1 0月 配合比P ：R为 1 ：4时， 水灰 比为 0 4 、 0 5 、 0 6 时的水泥浆液幂律模式精度更高； 当水灰 比为 0 7 1 0时 ， 水泥浆液宾汉模式精度更高 ， 此时浆液更适 用于宾汉模式。而加减水剂后 ， 浆液幂律模式精度 更高 ， 未改变流变模式。但浆液 的流变参 数值的改 变较前几组发生了较大变化 ， 其塑性粘度 、 动切力和 流性指数均减小 ， 稠度系数增大。 当配合 比 P ：R为 4 ：1时 ， 水灰 比为 0 6、 0 7 时的水泥浆液宾汉模式精度更高 ， 而水灰 比为 0 4、 0 5 、 0 8 、 0 9和 1 0时幂律模式精度更高 ； 但从整体 来看 ， 水灰 比0 41 0的所有水泥浆液在幂律模式 下的相关系数都高于 0 9 5 。未加减水剂的浆液更适 用于幂律模式 ， 外加减水剂后 ， 水泥浆液更适用于宾 汉模式。 2 2 复合浆液粘度的时变性 水泥浆液粘度的时变性是指浆液粘度 随时间的 变化而不断增大的特性。前人 已经研究证明了水泥 基浆液的粘度存在时变性 ， 但对复合水泥浆液的 粘度时变性研究较少。根据试 验测得数据 ， 对普通 硅酸盐 一硫铝酸盐复合水泥浆液的粘度时变性进行 了模拟。为了便 于比较 ， 对 6 0 0 r mi n下的表观粘度 时变性进行了分析 。 2 2 1 水灰 比对复合水泥浆液粘度 时变特性 的影 响 对不同水灰 比的水泥浆液的表观粘度随时间变 化 曲线来表征水泥浆液粘度时变性 。水灰 比对 复合 水泥浆液的粘度时变特性的影响如 图 2所示 。 ( 1 ) 从图 2 ( a ) 中可以看出， 配合比 P ：R为 1 ： 4时， 随着时间的改变 ， 不同水灰 比下 的复合水泥浆 液表观粘度均 随时间 的增 大而增加。当水 灰 比为 0 7和 0 8时 ， 复合浆液表观粘度 的时变性曲线表现 为指数函数形式 ； 当水灰 比为 0 9和 1 0时 ， 复合浆 液表观粘度的时变性曲线图表现为对数函数形式。 ( 2 ) 从 图 2 ( b ) 中可以看 出水灰 比在 0 50 6 时 ， 表观粘度的时变性表现为线性 ， 即表观粘度随时 间的增大而成 比例增加 ； 但在水灰 比为 0 7及 以上 时， 不同水灰比下的复合水泥浆液表观粘度的时变 性表现为对数 函数形式 ， 即表观粘度随时问的增大 而增加 ， 但增加的趋势在不断减小。 ( 3 ) 从图 2 ( c) 中可 以看出， 水灰 比越 大的复合 水泥浆液， 相同时刻下其表观粘度变化越小。但所 有水灰 比下的复合水泥浆液 ， 其表观粘度的时变性 时 【H J m i n ( c ) P： R = l：1 图 2 水灰 比对复合水泥浆液粘度时变特性的影响 均表现为指数 函数形式 ， 特别是对水灰 比 0 7及 以 上的复合浆液 ， 时变 曲线表现出一定 的“ 直角稠化” 现象 。且随着水灰 比的增大 ， “ 直角稠化” 现象更为 显著。 2 2 2 减水剂对复合水 泥浆液粘度时变特性 的影 响 减水剂对配合 比P ：R为 1 ：1和 4 ：1的复合 水泥浆液粘度时变特性的影响如图 3所示 。 从图3 可以看出， 添加减水剂能显著降低复合水 泥浆液的表观粘度 ， 延长水泥浆液的凝结 时间， 但对 原有浆液的粘度时变性趋势的影响不明显。 其中， 第 4 3卷第 1 0期 王胜等： 普通硅酸盐 一硫铝酸盐复合水泥浆液流变特性试验 6 7 摇 饔 一 篥 露 时间 m in ( a ) P ： R = I：1 0 5 0 ， 5 + J S S 一 0 5 0 5 + J S S 时 日 _ m in ( b ) P：R = 4：1 图 3 减水剂对复合 水泥 浆液粘度时变特性的影响 图 3 ( a ) 中无论是否添加减水剂 ， 复合水泥浆液表观 粘度 的时变特性趋势大致相同 ， 均呈现为指数 函数 形式 ； 图 3( b ) 中可以看出无论是否添加减水剂 ， 水 泥浆液表观粘度的时变特性趋势大致相 同， 且都近 似呈现为线性关系。 3 结论 ( 1 ) 外加减水剂会使复合水泥浆液宾汉模式精 度更高 ， 随水灰 比的增大复合水泥浆 液总体更倾 向 于宾汉模式 。 ( 2 ) 普通硅酸盐 一硫铝酸盐复合水泥浆液体系 表现出了复合水泥浆液水化凝结速度加快 ， 在配合 比为 1 ：4和 1 ：1时普通硅酸盐 一硫铝酸盐复合水 泥浆液体系的凝结速度甚至快于相同试验条件下的 硫铝酸盐水泥。当配合比 P ：R值越接近于 1时 ， 复 合浆液的粘度时变性 的“ 直角稠化” 特点显著。 ( 3 ) 添加减水剂对原有浆液粘度时变性趋势的 影响不明显。 参考文献 ： 1 叶青 纳米复合水泥结 构材料 的研究与开发 J 建筑石膏与建 筑材料 ， 2 0 0 1 ， ( 1 1 )： 4 6 2 阮文军 ， 王文 臣， 胡安兵 新型水 泥复合 浆液 的研制 及其 应用 J 岩土工程学报 ， 2 0 0 1