许宏发 赵丽雅 王 晨 耿汉生

(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 210007)

·岩土工程·地基基础·

估计普通水泥浆液粘度的经验公式★

许宏发 赵丽雅 王 晨 耿汉生

(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 210007)

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。

水泥基浆液，粘度，时变性，水灰比

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环境，时常发生突水、涌水灾害，严重影响了施工进度并带来巨大的经济损失。水泥注浆作为水害治理的主要方法之一具有良好的治理效果[1-3]。在地下水害治理工程中，注浆效果的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。

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至水泥浆固化。G.Lombardi等[4，5]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，这与注浆实际情况不符，存在一定的局限性。徐润等[6]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。Hassler，葛家良，郑长成等[7-9]则得到了时变性流体的流动规律；M.Ish-shalom等[10,11]针对普通水泥浆液和常用化学浆液的粘度时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，但没有联系水灰比与拟合参数的关系；赵自亮等[12]用不同的函数对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间而变化的渗透扩散公式。阮文军[13]建立了基于粘度时变特性的注浆扩散模型，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[14]分析了不同的水灰比、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：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和数值模拟。

1 注浆液的粘度、水灰比和时间关系

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化而改变，在不添加其他附加剂的条件下，根据文献[15][16]，水泥浆液粘度与水灰比的关系见表1。

表1 浆液粘度、水灰比和时间关系的试验值

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)[16]：

μ=μ0exp(Bt)

(1)

其中，μ0为初始时刻浆液粘度，MPa·s；B为拟合常数；t为时间，min。

根据表1，先对初始时刻浆液粘度进行拟合分析，如图1所示，得到如下经验公式。

μ0=1+3m-2.7

(2)

3 浆液粘度与时间的关系

μ=μ0exp(Bt)。

再将式(2)代入式(1)，并对试验数据进行拟合分析(见图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 不同水灰比下拟合参数B

4 参数确定

对表2中参数B进行分析，发现与水灰比之间具有很好的相关性，如图3所示。

通过非线性拟合分析，得到下式：

B=0.12m2.5e-1.6m(R2=0.997 16)

(3)

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：

μ=(1+3m-2.7)exp(0.12m2.5e-1.6mt)

(4)

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间变化特征，与试验数据曲线能够很好的吻合。

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增大的趋势,且变化非常的明显。

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,所测的粘度越小。

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。

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The empirical equations of ordinary cement-based grouts viscosity★

Xu Hongfa Zhao Liya Wang Chen Geng Hansheng

(StateKeyLaboratoryofExplosiveImpactandDisasterPrevention,InstituteofNationalDefenseEngineering,PLAUniversityofScienceandTechnology,Nanjing210007,China)

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 exponential form. 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 cement-based grouts grouting theoretical calculations, numerical simulation and building grouts spreading model of cement-based grouts.

cement-based grout， viscosity， time-dependent behavior， water-cement ratio

1009-6825(2015)32-0059-02

2015-09-02★:江苏省自然科学基金(项目编号：BK20141067)

许宏发(1964- )，男，博士，博士生导师，教授； 赵丽雅(1992- )，女，在读硕士； 王 晨(1990- )，男，在读硕士； 耿汉生(1989- )，男，在读博士

TU528

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