【精品】地下工程动水注浆速凝浆液黏度时变特性研究27

【精品】地下工程动水注浆速凝浆液黏度时变特性研究27 第32卷 第1期 岩石力学与工程学报 Vol.32 No.1 2013年1月 Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering Jan.，2013 地下工程动水注浆速凝浆液黏度时变特性研究 李术才，韩伟伟，张庆松，刘人太，翁贤杰 (山东大学 岩土与结构工程研究中心，山东 济南 250061) 摘要:注浆法是地下水害治理的主要方法，而浆液的黏度时变特性是注浆治理的关键因素，因此浆液黏度时变特 性研究十分必要。针对地下工程动水注浆中常用的2种速凝浆液，水泥–水玻璃浆液和高聚物改性水泥浆液，开 展室内试验并对试验数据进行拟合分析。采用振动式黏度计测试其黏度时变性和反应温度变化，分析2种材料在 不同水灰比和不同混合体积比下的黏度和温度时变特性，根据黏度时变特性将浆液反应过程划分为3个阶段，并 分析不同阶段的黏度特性，对数据进行分析得到不同水泥浆水灰比和不同浆液混合体积比下的黏度时变方程，在 此基础上得出速凝注浆材料的适用性。 关键词:地下工程;注浆工程;速凝浆液;水泥–水玻璃浆液;高聚物改性浆液;黏度时变性 中图分类号:TU 91 文献标识码:A 文章编号:1000–6915(2013)01–0001–07 RESEARCH ON TIME-DEPENDENT BEHAVIOR OF VISCOSITY OF FAST CURING GROUTS IN UNDERGROUND CONSTRUCTION GROUTING LI Shucai，HAN Weiwei，ZHANG Qingsong，LIU Rentai，WENG Xianjie (Geotechnical and Structural Engineering Research Center，Shandong University，Jinan，Shandong 250061，China) Abstract:Viscosity of grouts is an important factor in grouting which is the main method in groundwater governance. Research on time-dependent behavior of viscosity is very necessary. Laboratory tests were performed and the data was analyzed. Viscosity and temperature were measured using vibrating type viscometer for two fast curing grouts，cement-sodium silicate and polymer modified cement grout. Variation of viscosity and temperature with different water-cement ratios and volume mixing ratios of the grouts were analyzed. Reaction progress was classified to three periods according for viscosity behavior. Data fitting was done with viscosity of grouts measured，and equations of time-dependent viscosity were obtained. Adapation of different fast curing grouts was discussed. Key words:underground engineering;grouting projection;fast curing grout;cement-sodium silicate;polymer modified cement grout;time-dependent behavior of viscosity [1-3] 。 广泛应用，并取得了良好的治理效果 1 引 言 地下水害治理中涌水后治理，即动水注浆治理， 施工难度最大，其中注浆材料的性能是注浆封堵的 随着交通、水利和矿山工程的飞速发展，地下关键因素。常用的速凝注浆材料主要为化学浆液和 工程建设面临更加复杂的水文地质环境，施工过程水泥基速凝浆液，注浆工程中常根据现场情况选取 中时常发生突水、涌水灾害，严重影响了施工进度最适用的注浆材料。化学浆液在特定情况下可取得 并带来经济损失。注浆作为水害治理的主要方法被良好的注浆效果，但一般价格高昂且具有一定的毒 收稿日期:2012–05–08;修回日期:2012–07–04 基金项目:国家自然科学基金重点项目(51139004);山东大学自主创新基金项目(2012ZD041) 作者简介:李术才(1965–)，男，博士，1987年毕业于山东矿业学院土木工程系矿井建设专业，现任教授、博士生导师，主要从事裂隙岩体断裂损伤、 地质灾害超前预报与防治等方面的教学与研究工作。E-mail:lishucai@sdu.edu.cn • 2 • 岩石力学与工程学报 2013年 性，限制了其应用。水泥基速凝浆液主要包括水(2) 水玻璃 泥–水玻璃浆液和高聚物改性水泥浆液，材料来源选用常用水玻璃，模数M = 3.0，水玻璃浓度 3广泛，价格低廉，无毒环保，在注浆工程中得到广。 Be= 40，密度为1.38 g/cm [4-7]泛应用。水泥基速凝浆液的研究目前主要集中在(3) 高聚物改性材料 高聚物改性液由高聚物添加剂和含速凝剂的复材料改性、注浆工艺和注浆效果方面，基础研究相 合溶液混合而成，高聚物添加剂主要为聚乙烯醇、对滞后，速凝浆液注浆施工缺乏科学的指导，注浆 乙二醇和聚丙烯酸钠等。高聚物添加剂为水泥改性压力、扩散半径和注浆量等关键参数一般通过工程 常用高聚物，高聚物改性材料的黏度性质具有一定经验确定。 [8-9]的代 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 性。高聚物改性注浆材料主要性能可见参考G. Lombardi等建立的注浆理论均未考虑注[5]刘人太等的研究，试验证明该种材料适用于动水浆材料黏度时变特性，这与注浆实际情况不符，存 [10-11]注浆工程。 在一定的局限性;M. Ish-shalom等针对普通水 2.2 试验仪器 泥浆液和常用化学浆液的黏度时变性做了深入的分 [12]试验仪器选用日本SV–10和SV–100正弦波析;阮文军建立了基于黏度时变特性的注浆扩散 振动式黏度计，量程分别为0.3,10 000 MPa?s和模型，推动了注浆理论的发展，但关于水泥基速凝 1,100 Pa?s，可直接测得浆液黏度和温度随时间浆液黏度时变性的研究鲜有报道。水泥–水玻璃浆 液和高聚物改性水泥浆液的黏度变化显著，从材料的变化曲线和数据。 混合到终凝一般为几十秒至几十分钟，因此水泥基A and D振动式黏度计采用正弦波振动方法，确速凝浆液注浆理论的建立和数值计算中必须考虑注保高精度和宽范围测量而无需更换传感器碟片，浆材料的黏度时变特性，注浆材料黏度时变特性研SV–10/SV–100正弦波振动式黏度计(见图1)采用究具有重要意义。本文通过室内试验对水泥–水玻30 Hz电流驱动2个传感器碟片使振幅保持1 mm来璃浆液和高聚物改性水泥浆液的黏度时变性进行测测量黏度。 定，分析了其黏度时变特性规律，对速凝浆液在动 水注浆治理中的理论分析、数值模拟和工程应用具 有一定的参考价值。 2 材料黏度时变性试验 2.1 试验材料 (1) 水泥 试验用水泥为山东山水水泥厂生产的32.5R普 通硅酸盐水泥，化学成分见表1，水泥品质符合《硅 图1 A and D振动式黏度计 酸盐水泥、普通硅酸盐水泥》(GB175—99)标准。 Fig.1 A and D vibrating type viscometer 表1 试验用水泥化学成分 2.3 试验方法 Table 1 Chemical compositions of cement for test (1) 考虑注浆工程因素，水泥浆液水灰比采用组分 百分含量/% 1?1和2?1，水泥浆液和水玻璃、高聚物改性材料CaO 62.0 按混合体积比(水泥浆体积?添加液体积)采用1?1，SiO 22.6 2 FeO 3.2 2?1和3?1，进行正交测试。 23 MgO 3.3 (2) 水泥浆液和添加液在烧杯内混合，以相同 AlO 4.7 23速度搅拌2 s，然后倒入仪器测量皿内，记录混合至 SO 2.9 3仪器测试的时间，然后采用黏度仪每3 s测量一次 1.3 烧失量 样品的黏度和温度，保存记录测量数据。 第32卷 第1期 李术才等:地下工程动水注浆速凝浆液黏度时变特性研究 • 3 • 变化曲线和数据，选取以下典型测试结果进行分析: 3 试验结果与分析 =1?1时的黏度和温水泥–水玻璃浆液水灰比W/C 度曲线见图2(a)，水泥–水玻璃浆液水泥浆水灰比 3.1 黏度时变性曲线 W/C = 2?1时的黏度和温度曲线见图2(b)，高聚物 =1?1时的黏度和通过黏度测量试验，获得了不同水泥浆水灰比、改性水泥材料水泥浆水灰比W/C 不同混合体积比和不同材料(水泥–水玻璃浆液和温度曲线见图3(a)，高聚物改性水泥材料水泥浆水 高聚物改性浆液)混合后材料的黏度和温度随时间灰比W/C = 2?1时的黏度和温度曲线见图3(b)。 试验时间/s 试验时间/s 试验时间/s C-S体积比= 1?1 C-S体积比= 2?1 C-S体积比= 3?1 (a) 水灰比W/C = 1?1 黏度/(Pa?s) 试验时间/s 试验时间/s 黏度/(Pa?s) C-S体积比= 1?1 C-S体积比= 2?1 (b) 水灰比W/C = 2?1 黏度/(Pa?s) 图2 水泥–水玻璃浆液的黏度和温度曲线 Fig.2 Viscosity and temperature curves with cement-sodium silicate 温度/? 黏度/(Pa?s) 温度/? 温度/? 黏度/(Pa?s) 黏度/(Pa?s) 温度/? 试验时间/min 试验时间/min 混合体积比= 1?1 混合体积比= 2?1 黏度/(Pa?s) (a) 水灰比W/C = 1?1 温度/? 温度/? 温度/? 黏度/(Pa?s) • 4 • 岩石力学与工程学报 2013年 温度/? 黏度/(Pa?s) 试验时间/min 试验时间/min 混合体积比= 1?1 混合体积比= 2?1 (b) 水灰比W/C = 2?1 图3 高聚物改性材料的黏度和温度曲线 Fig.3 Viscosity and temperature curves for polymer modified cement grout 3.2 黏度时变性分析 散性;浆液终凝后已丧失流动性，此阶段的测量如图4(a)所示，水泥–水玻璃浆液黏度变化可增加并超过最大量程，此阶段测量黏度值无实际 分为3个阶段:低黏期、上升期和固化期，浆液混意义。 合后的黏度增长速度较慢且黏度值较低;随后浆液如图4(b)所示高聚物改性水泥基浆液黏度变化温度/? 进入上升期，黏度快速上升达到初凝并继续快速也可划分为3个阶段:上升期、稳定期和固化期。 稠化，此时浆液呈现固液混合的糊状，具备流动扩 浆液混合后黏度直接快速上升，增长速率逐渐变小 进入下一阶段;浆液黏度进入稳定阶段后，黏度将 稳定在某一特定黏度值并保持较长的时间，此时浆 液为黏塑性流体，黏度值持续呈现膏状，具备流动 扩散性;随后浆液黏度将逐渐增加，并固化，由于 试验条件限制此阶段未有实测数据。 根据浆液黏度时变特性将浆液反应过程划分阶 段，可为浆液的工程应用提供参考，有利于施工时 的浆液选型。水泥–水玻璃浆液阶段参数见表2， 高聚物改性浆液阶段参数见表3。 (a) 水泥–水玻璃浆液 表2 水泥–水玻璃浆液阶段参数 Table 2 Parameters of different periods for cement-sodium silicate 水泥浆液 混合 低黏期/s 上升期/s 固化期 水灰比 体积比 1?1 0,15 15,47 1?1 2?1 0,20 20,63 无实测数据， 3?1 0,25 25,82 可认为10 s后 1?1 0,60 60,170 固化 2?1 (b) 高聚物改性浆液 2?1 0,85 85,190 图4 水泥–水玻璃浆液和高聚物改性浆液黏度阶段划分 示意图 对比分析以上数据和浆液黏度温度曲线和可得Fig.4 Schematic diagrams of cement-sodium silicate and polymer modified grout viscosity periods 出以下结论: 第32卷 第1期 李术才等:地下工程动水注浆速凝浆液黏度时变特性研究 • 5 • 表3 高聚物改性浆液阶段参数 表4 速凝浆液黏度时变性方程 Table 3 Parameters of different periods for polymer modified Table 4 Equations of time-dependent viscosity of fast curing grout gouts 水泥浆混合 黏度稳 水泥浆浆液 混合 适用 上升期/ 液水灰体积稳定期和固化期 定值/ 液水灰黏度时变性方程 min 类型 体积比 范围 比 比 (Pa?s) 比 2.23 26 1?1 1?1 0,2 ,= 0.003 182t11?1 2.69422 1?1 2?1 2?1 0,2 稳定期维持时间大于10 min， ,= 0.008 427t 2水泥– 2.06620 水玻璃 3?1 1?1 0,3 稳定期和固化期界限无实测数据 ,= 0.018 64t 32?1 浆液 4.21515 1?1 2?1 0,3 ,= 0.000 000 014 22t 42?1 3.1732?1 ,= 0.000 004 763t 50, 32180 s ,=,0.000 007 89t,0.003 195t+ 61?1 (1) 水泥浆液水灰比为2?1和1?1时，水灰0.4467t+0.6 1?1 43,=,0.000 000 100 5 t+0.000 049 38t,7高聚物 2?1 2比对水泥–水玻璃材料黏度时变性的影响大于混合0.008 796t+0.684 8t+0.3 改性 32,= 0.000 001 362t,0.000 860 8t+ 8体积比，高水灰比可有效延缓注浆材料的凝胶，延1?1 材料 0.204 6t+0.5 2?1 32,= 0.00 000 430 3t,0.001 705t+ 9黏期。 长低2?1 0.237 8t+0.5 (2) 水泥浆液水灰比和混合体积比对高聚物改性 , 1水泥材料黏度稳定值均具有显著影响，黏度稳定期稳, 2, 定黏度值与水泥浆水灰比和混合体积比成反比。 3, 4(3) 高聚物改性浆液黏度在上升期80 s内，黏, 5 度增长速率主要由水灰比决定。 3.3 浆液反应温度测试分析 黏度/(Pa?s)[13-16]结合李虎军等的研究成果，由图2，3浆液 反应温度曲线变化可以得出: (1) 由于速凝添加剂的存在，水泥在较短的时 间内水化并释放出大量的水化热，浆液温度在几分 时间/s 钟内升高1 ?,3 ?。 图5 水泥–水玻璃浆液黏度拟合曲线 (2) 浆液温度变化趋势与黏度变化趋势相同。Fig.5 Viscosity fitting curves of cement-sodium silicate 浆液温度变化反应水泥的水化程度，而水泥水化, 6 ,反应决定浆液的黏度，从而导致两者变化趋势相7, 8, 同。 9 (3) 水泥–水玻璃浆液温度在浆液固化前一直 保持增长趋势，而高聚物改性浆液温度在升高到峰 值后逐渐衰减。这说明水玻璃的促凝作用导致水泥 水化反应到达峰值前浆液已凝固，而高聚物大分子黏度/(Pa?s) 中存在的羟基、羧基等活性基团能够与水泥水化产 物发生化学反应，同时高分子相互作用形成的空间 网状结构对水泥颗粒团具有一定的包络分散作用， 导致高聚物改性浆液的水化反应时间变长，水化反 时间/s 应速率小于水泥–水玻璃浆液。 图6 高聚物改性浆液黏度拟合曲线 3.4 试验数据拟合分析 Fig.6 Viscosity fitting curves of polymer modified cement grout 将浆液黏度上升期的黏度时间数据进行函数拟 合，拟合方程见表4，拟合曲线见图5，6。拟合得从试验数据拟合可以得出以下结论: 到的方程可以较好地反映速凝材料的黏度时变性，(1) 水泥–水玻璃注浆材料和高聚物改性水泥可用于理论计算和数值模拟。 材料在黏度快速上升阶段黏度时变特性存在较大的 • 6 • 岩石力学与工程学报 2013年 差异，水泥–水玻璃注浆材料黏度时变方程符合幂影响远大于材料混合体积比，高水灰比可显著降低指函数形式，而高聚物改性水泥材料黏度变化较为复材料的黏度增长。 杂，其黏度时变函数适合采用三次多项式进行拟合。 (3) 浆液反应温度和黏度变化趋势相近，高聚 (2) 在黏度上升期，浆液的黏度增长主要由水物改性浆液的反应剧烈程度低于水泥–水玻璃浆泥浆液的水灰比决定。水泥–水玻璃浆液与高聚物液。与水泥–水玻璃浆液相比，高聚物改性浆液中改性浆液相比，受混合体积比的影响较大。水泥浆的高聚物添加剂能在黏度上升期显著增加浆液黏水灰比相同时，高聚物改性浆液的混合体积比，液度，在稳定期具有一定的缓凝作用，降低水化反应前80 s内对黏度的影响极小，仅在80,180 s内改速率。 变浆液的黏度稳定值。 (4) 水泥–水玻璃浆液前期黏度时变性符合幂 指函数形式，高聚物改性材料黏度变化复杂，可采4 材料适用性分析 用三次多项式形式进行表达。2种材料的黏度时变 方程较好反映了其黏度变化特征。 水泥–水玻璃浆液和高聚物改性水泥浆液的黏 参考文献(References): 度时变特性存在显著差别，在注浆工程中应根据 涌水特点和材料特性进行浆液选型和配比确定， [1] 冯志强，康红普，杨景贺. 裂隙岩体注浆技术探讨[J]. 煤炭科学技并采用合理的注浆工艺，以达到最佳的注浆治理 术，2005，33(4):63–66.(FENG Zhiqiang，KANG Hongpu，YANG 效果。 Jinghe. Discussion on grouting technology for fractured rock mass[J]. 水泥–水玻璃浆液存在低黏度期，且在低黏度 Coal Science and Technology，2005，33(4):63–66.(in Chinese)) 期抗分散能力有限，在注浆过程中应避免材料在低 [2] 张 霄，李术才，张庆松，等. 矿井高压裂隙涌水综合治理方法的黏期面对动水的冲刷和稀释，低黏期只能用于材料 现场试验[J]. 煤炭学报，2010，35(8):1 314–1 318.(ZHANG Xiao，的运移和扩散。水泥–水玻璃材料黏度上升期时间 LI Shucai，ZHANG Qingsong，et al. Filed test of comprehensive 区间较短，是其封堵涌水的关键阶段，因此动水注 treatment for high pressure dynamic grouting[J]. Journal of China 浆条件下适用于较小范围的堵水和加固。 Coal Society，2010，35(8):1 314–1 318.(in Chinese)) 高聚物改性浆液初始黏度增长较快，且具有一 [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定的抗分散性，进入稳定期后呈现膏状状态，保持 究[J]. 岩土力学，2006，27(2):228–232.(LIU Zhaowei，HE Manchao，流动扩散性，2个阶段均可用于材料的运移和扩散， WANG Shuren. Study on karst waterburst mechanism and prevention 因此高聚物改性水泥材料适用于远距离含水层的动 countermeasures in Yuanliangshan tunnel[J]. Rock and Soil Mechanics，水注浆封堵。 2006，27(2):228–232.(in Chinese)) 水泥浆液水灰比对黏度的影响远大于材料混合 [4] 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]. 体积比，因此注浆施工中可通过调节水泥浆液水灰 岩土工程学报，2001，23(2):212–216.(RUAN Wenjun，WANG 比达到所需求的黏度特性。 Wenchen，HU Anbing. Development and application of new kind of cement composite grout[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering，5 结 论 2001，23(2):212–216.(in Chinese)) [5] 刘人太，李术才，张庆松，等. 一种新型动水注浆材料的试验与应(1) 水泥–水玻璃浆液和高聚物改性浆液黏度 用研究[J]. 岩石力学与工程学报，2011，30(7):1 454–1 459.(LIU 时变性均可划分为3个阶段，但存在较大的差异。 Rentai，LI Shucai，ZHANG Qingsong，et al. Experiment and 水泥–水玻璃材料存在低黏度期，然后在较短的时 application research on a new type of dynamic water grouting 间内迅速增长至凝固;高聚物改性材料黏度混合后 material[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2011，便快速上升，无低黏度期，随后维持在一个稳定值， 30(7):1 454–1 459.(in Chinese)) 成膏状，最后凝结固化。 [6] 殷素红，文梓芸. 白云质石灰岩–水玻璃灌浆材料的性能及其反应(2) 水泥浆液水灰比和材料混合体积比均影响 机制[J]. 岩土工程学报，2002，24(1):76–80.(YIN Suhong，WEN 浆液的黏度时变特性，但水泥浆液水灰比对黏度的 第32卷 第1期 李术才等:地下工程动水注浆速凝浆液黏度时变特性研究 • 7 • Ziyun. 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