水泥稳定浆液配比及适用条件研究 .pdf

第46卷第12期 2014 年 第12期 煤炭工程 C O A L E N G IN E E R IN G V o1 46 N o 12 N o 12 20 14 d oi 10 1 l 799 ce20 14 120 32 水泥稳定浆液配 比及适用条件研究 单仁亮 杨 昊 张 雷 郭志明 刘校东 中国矿业大学 北京 力学与建筑工程学院 北京100083 摘要 为了确定水泥稳定浆液的配比 研究了不同水灰比 不同外加剂含量条件下 水泥 浆液的析水率 粘度 抗压强度 初 终 凝时间的变化特性 结果表 明 水灰 比为 0 8 膨润土 掺入量为2 5 减水剂掺入量为 0 8 时 水泥浆液的各项性能指标 均满足稳定浆液的要 求 且最经济 因此 该配比可作为水泥稳定浆液的适宜配比 然后 通过粘度时变曲线确定浆液的 最佳可注时间为 2h 最后 依 据稳 定浆液在 裂隙中的流动特性 给 出了稳 定浆液 的注浆压力 扩散半径与裂隙宽度的关 系表达式 关键词 稳定浆液 水泥注浆 适用条件 立井注浆 中图分类号 TU457 文献标识码 A 文章编号 1671 0959 20 14 12 0097 0 4 R esearch on P rop orti on and A pp l i cab l e C ond i ti on s of C em en t S tab l e Sl u rry S H AN R e n l i ang YANG Hao Z HANG L ei GUO Zh i m i n g LIU Xi ao dong School of M echan i cs and Ci vi l E ngi neeri ng C hi na U ni versi ty of M i ni ng an d T echnol ogy Beiji ng B ei ji ng 100083 C hi na A b stra ct In ord er to d eterm i n e the proporti on of ce m ent stabl e sl urry vari ati on characteri sti cs w ere stud i ed on th e syneresi s rate vi scosi ty com p ressi ve strength of stone i ni ti al setti n g ti m e and fi nal setti ng ti m e und er d i fferent w ater cem ent rati o an d d i fferent con tent of adm i xture R esu l ts show that w hen w ater cem ent rati o i s 0 8 i ncorporati on of bentoni te i s 2 5 and i n corp orati on of w ater redu ci ng agent i s 0 8 each perf orm ance i ndex of the cem ent sl urry m eets th e stab l e sl u rry requ i rem ent w i th the best eco nom y effi ci en cy T herefore th i s rati o can be the op ti m um proport i on of cem ent stabl e sl u rry the op ti m al grouti ng ti m e i s 2 h accordi ng to the CH IVe of vi sco si ty an d b ased on th e fl ow characteri sti cs i n fracture expressi ons of gr outi n g pressure di ffusi on rad i us and fractu re w i d th w ere gi ven K eyw o rds stabl e sl u rry cem ent gr ou ti n g appl i cab l e condi ti ons vert i cal shaft grouti ng 立井堵水方 法主要 有冻 结法 和预 注浆法 冻结法 成本 较高 且冻结深度有一定限制 预注浆法具有成本低廉 止水效果显著等优点广泛应用于立井施工 国内外的注浆 理论 出现较 大的分歧 欧美 的注浆 理论认 为 应尽 量采 用浓的浆液进行灌浆 以达到较高的结石强度 而我 国注 浆理论及注浆规范规定 注浆浆液应从稀逐级变浓 对于 不 同的注浆 理论 注 浆机 理 以及 浆液 性能 国内外学 者做 了大量的研究 刘文永 李振伟 等研究 了高掺量粉煤灰 对水泥浆液性能的影响 谷栓成 苏蓓莉 等 研究 了水 泥 粉煤灰 粘 土 生石灰 硫 酸钠和水 的复合浆液 性能 并确定了复合浆液的最优配比 李哲 4 J 谷栓成 等研究 高注浆压力条件下岩体 的力学特性 以及浆液的扩散形态 B A RTO N N i ck 介绍一种新 的注浆材料 析具有水率小于 2 干缩损失小于 1 粘度低 能够进入微小区域 终 收稿 日期 基金项 目 作者简介 引用格式 凝强度高 不污染环境等优点 阮文军 等认为普通水泥 浆液在注变 浆液粘度随时间变化符合指数函数浆过程 中 流型保持不分布 夏可风认为稳定浆液有 自身独特的适用 条件 以及成套的注浆技术 总结前人的研究成果可以得到以下共识 研究多以 稀水泥浆液为研究对象 多依托于水工建筑物 以矿山 帷幕注浆为背景的研究成果较少 若按矿业领域规定的 注稀浆液的方法注浓浆液 或按水工领域规定的注浓浆液 的方法应用于矿业领域 其适用性有待商榷 因此 作 者希 望通过 本文 的研究 内容 为浓浆 液在 矿业 帷幕注浆实际工程应用提供一定的参考 1水泥稳定浆液判别标准 对于水泥稳定浆液的各项性能 现存的规范并没有给 20 14 02 26 教育部博士点专项基金 20120023110009 中央高校基本科研业务费专项基金资助项 目 2010YL09 单仁亮 1964 一 男 江苏大丰人 工学博士 教授 博士生导师 E m ai l srl cumtb edu en 单仁亮 杨昊 等 水泥稳定浆液配比及适用条件研究 J 煤炭工程 2014 46 12 97 100 学兔兔 w w w x u e t u t u c o m 煤炭工程 2014 年第 12 期 出具体的要求 综合参考德拉迪斯大坝 黄河小浪底水利 枢纽工程 汉口水电站和润扬长江公路大桥等几处已建工 程建设期使用的稳定浆液的性能 规定稳定浆液的性能应 满足表 l 表 1 稳定 浆液性能要求 2 水灰 比对水泥浆液的影响 水泥稳定浆液的水灰比 参考 矿山帷幕注浆规范 和 水工建筑物水泥灌浆施工技术规范 规定的水灰比 确定 试验的水灰比分别为5 1 3 1 2 1 1 1 0 8 1 0 6 1 0 5 1 通过室内试验测定七种 水灰 比下水泥浆液 的析水 率 粘度 结石体强度以及初 终 凝时间的变化规律 2 1 析 水 率 析水率采用量筒测量法 由于析水率会随搅拌时间发生 变化 规定各组水泥浆液均高速搅拌 4mi n 后测定其析水率 将 200m L 浆液倒入量筒内 常温静置 3h 读取水泥浆液高 度 利用公式 1 计算各水灰比的析水率 如图 1 所示 析水率 三 1 京 锺 将 图 1 析水率变化 曲线 水泥浆液的析水率随着水灰比的增大而增大 当水灰比 大于0 8 时 析水率明显上升 水灰比大于 1 时 析水率均 大于20 水灰比等于5 时 析水率高达 77 因此 从析 水率因素考虑 稳定浆液的水灰比取值应在0 5 1 0 之间 2 2 结石 体抗 压 强度 浆液的析水率随着水灰 比的增大而增大 因此 结石 率随着水灰 比的增大而减小 若采用标准立方体试模制作 水泥试块 结石体的高度无法达到 l Oom 而且结实率不 同 不同水灰 比的结石体高度也不相同 无法比较试块的 抗压强度 为保证结石体为标准立方体试块 制作不同高 度的试模 再根据各水灰比的结石率 注入不同高度的水 泥浆液 确保结石体高度为 l Oem 在相同尺寸下对 比分析 各结石体的抗压强度 常温养护 测定七种水灰 比水泥浆液 3d 14d 和 28d 结石体的抗压强度 试验过程 中发现 水灰 比为3 1和 9 8 5 1的水泥浆液 3d 并没有固结 无法测量其抗压强度 水灰比大于 1 的浆液结石体表面不平整 有高低起伏的现 象 表面出现析水通道 在测量抗压强度前 用电磨将凸 起部分磨平整后再测量其强度 如图2 所示 结石体抗压强度随水灰 比的增大而减小 水灰比大于 2 时 结石体的 3d 抗压强度小于 2M Pa 28d 抗 压强度也小于 17M Pa 无法满足设计的要求 因此 从抗 压强度因素考虑 稳定浆液的水灰比应在 0 5 2 0 之间 35 3 0 5 0 0 5 1 O 6 l O 8 1 1 1 2 1 3 1 5 1 水灰比 图 2 结石体抗压强度变化 曲线 2 3 粘度 粘度采用标准漏 斗测量 水 在标 准漏斗 流 出的时 间为 15s 由于粘度会随时间而变化 规定每组粘度的测试时间 为浆液配制后 l Om i n 如图3 所示 粘度随水灰比增大而减小 水灰 比小于 0 8 时 粘度明显增大 浆液从漏斗流出时间较长 甚至无 法流出 水灰 比在 0 8 5 之间 浆 液流 出时间较短 且 变 化不大 因此 从粘度 因素考 虑 稳定 浆液 的水灰 比应 大 于 0 8 越 契 图 3 粘度变化 曲线 综合考虑浆液的粘度 析水率 结实体抗压强度等因 素 稳定浆液的水灰比取值宣在 0 8 1 0 但纯水泥浆液 又无法满足稳定浆液的性能要求 需要添加外加剂改善水 泥浆液 的性能 从 外加剂 的添 加量 和成本 因素考 虑 水泥 浆液的水灰比宜选 0 8 3 外加剂对水泥浆液的影响 选取 0 8 1 为稳定浆液的水灰 比 该水灰 比的水泥浆 液的析水率和流动性不满足稳定浆液的要求 因此需要添 窆 莓 骤 学兔兔 w w w x u e t u t u c o m 2014 年第 12 期 煤炭工程 加膨润土和减水剂改善浆液的性能 3 1 膨润土对水泥浆液的影响 膨润土可以改善水泥浆液的析水率 但 同时降低浆液 的流动性 和结 石体 的抗 压强度 测定膨润土添加量 占水 泥 质量 比 膨润 土使用前按 100g 膨润土粉 末 1000g 水 浸泡 48h 后使用 为 1 2 3 4 5 时浆液的粘度 析水率和结实体的抗压强度 膨润土含量的影响见表 2 膨润土能够明显改善浆液 的析水率 膨润土含量 2 时 析水率便满足稳定浆液的 要求 膨润土含量 3 时 结石体 3d 和 28d 强度都随膨润土含量的增加 而减小 浆液粘度随膨润土含量增加而增大 含量 3 时 浆液无法从漏斗中完全流出 此时可认为浆液失去流 动性 因此 膨润土的含量在 2 一3 能够有效改善水泥 浆液的析水率 同时对流动性和抗压强度影响较小 表 2 膨润土含量 的影 响 3 2 减 水 剂对 水泥 浆液 的影响 减水剂能够降低浆液的粘度 增强流动性 增加结实 体的强度和抗渗性 但是过量添加则会导致抗压强度降低 凝结时间变长 甚至不凝结等现象 初步拟定 减水 剂添加量 为 0 2 0 5 0 8 1 2 测定水泥浆液的粘度 析水率 抗压强度 初 终 凝 时间 试验过程中发现 由于减水剂的分散作用 导致浆 液不再出现明显的析水现象 H 1 无法准确读取 因此只能 通过结石率近似求解浆液的析水率 减水剂含量的影响见表 3 浆液粘度随减水剂含量的增 加而减小 析水率 随减水 剂含 量 的增 加而 增大 结 石体 抗 压强度先增大 然 后减小 从 第 四组和 第五组 数据 可 以看 出 抗压强度明显降低 尤其是早期抗压强度 大约下降 了50 因此 从浆液的粘度 析水率和抗压强度 因素分 析 减水剂的添加量应小于 1 4 水泥稳定浆液的配比 基于上面的研究成果 拟定水灰比为 0 8 同时添加两 种外加剂 膨润土添加量为 2 一 3 减水剂添加量小于 1 分别从浆液的粘度 析水率 初 终 凝时间和结石体 的抗压强度等性能分析 确定水泥稳定浆液 的适宜 配比 外加剂含量对水泥浆液性能的影响见表 4 从析水率 粘度 抗压 强度 和凝 结时 间等 几个方 面评 价 3 11 3 15 3 19 3 20 四组均满足稳定浆液 的要求 但从成 本因素考虑 3 11 费用最低 因此 选取3 11 的配 比作 为水泥稳定浆液适宜配比 表 3 减水剂含量的影响 表 4 外加剂含量对水 泥浆液性 能的影响 5水泥稳定浆液的适用条件 理论分析前 对注浆模型作如下假设 裂隙开度恒 定不变 裂隙岩壁平整且不透水 浆液在裂隙中流动 时 浆液的配 比及流变参数恒定不变 5 1 裂 隙的 宽度 注浆岩体的裂隙宽度主要受两面影响 一是岩体本身 的裂隙宽度 另一 个是 注浆 过程 中 浆 液 的抬动 力 导致 裂隙宽度发 生 变化 立 井 注浆 施工 多 处于 高地 应 力环 境 注浆压力相对较低 因此 在分析裂隙宽度时 可以忽略 注浆对裂隙抬动的影响 只考虑裂隙固有宽度 水泥颗粒在裂隙中作层流运动如图 4 所示 外切力 P 随扩散距离增加 逐渐减小 恰当 P 时 颗粒外表面与 裂隙面接触处线速度 0 此时颗粒静止不动 上下两颗 颗粒之间的最小距离 即为后续颗粒可通过距离 6 6 2D 0 可推得裂 隙宽度 占 2D D 为水泥颗 粒粒径 取 最 99 学兔兔 w w w x u e t u t u c o m 煤炭工程 2014 年第 12 期 小 整数 6 3D I I l 二 一L弋 图 4 水泥颗粒受力分析 按照 混凝土结构设计规范 规定 普通水泥平均粒 径 50 m 最大粒径 80p m 取最不利条件 即通过裂隙的 三个水泥颗粒均为最大粒径 则可通过岩体裂隙的极限宽 度为 240 1 Lm 安全系数选取 1 25 则水泥浆液能够通过裂 隙宽度大于 300I m 的岩体 无法顺利通过裂隙宽度小于 1001xm 裂隙 因此 水泥浆液可应用于裂隙宽度在 100 300 m 的岩体注浆 广泛适用于裂缝宽度大于 300 1 m 的岩 体注浆 5 2 扩散 半径 水泥浆液充填裂隙时 由于外切力很大 水泥浆液呈 紊流态 快速向外扩散 表现为裂隙吃浆量很大 随着水 泥浆液的扩散 外切力有所降低 水泥浆液呈层流态 并 继续向外扩散 表现为裂隙吃浆量较大 进一步扩散 当 外切力小于水 泥浆 液动切 力 r 时 水泥浆 呈塞流 状 并缓 慢向外扩散 表现为裂隙吃浆量较小 扩散的水泥浆液使 得外切力继续下降 当外切力小 于浆液抗剪屈服强度 r 时 水泥浆液不再流动 此时表现为不吃浆 塞流状态和 紊流状态持续时间较短 扩散距离有限 浆液的扩散距离 主要取决 于层流状态 的扩散距离 如 图 5 所示 采用极限平衡法 可得如下方程 式中 R 为浆液的最大扩散距离 m 6 为裂隙宽度 m P o 为裂隙入口处注浆压力 M Pa 为浆液切应力 r 为浆液 的屈服强度 由式 5 可得 浆液的扩散距离与注浆压力 P n 裂隙 宽度 6 成正比 与浆液的屈服强度成反比 因此 在给定 裂隙宽度条件下 可以通过提高注浆压力 或采用流动性 较好的浆液这两种方式来增大浆液的扩散距离 5 3 可注期 水泥稳定浆液的粘度随时间逐渐增大 可注期指从浆 液制备完成到失去流动性所经历 的时间 目前 行业内对 于可注期还没有明确的规定 本文以浆液无法从漏斗内自 由流出的时间作为可注期 配制 7 组稳定浆液 每组三份 每隔 30m i n 测定一组 浆液的粘度 研究可知 浆液粘度随时间而增长 浆液制 备完成 2h 内 粘度变化不大 2h 后粘度迅速增加 超过 3h 后 浆液几乎无法从漏斗内自动流出 因此 水泥稳定 浆液的可注期为3h 最佳可注时间为浆液制备完成后2h 6 结论 1 水泥稳定浆液的配比宜选水灰比0 8 膨润土掺入 量 2 5 减水剂掺人量0 8 此时水泥浆液的粘度 析 水率 初 终 凝时间和结石体抗压强度均满足稳定浆液的 要求 且最 经济 2 水泥稳定浆液广泛适用于裂隙宽度大于 300p m 的 岩体注浆 裂隙宽度在 100 300