水泥浆析水性能试验研究

李相辉， 张庆松， 张 霄， 左金鑫， 蓝雄东， 杨 腾(山东大学 土建与水利学院， 山东 济南 250061)

水泥浆是隧道、基坑等地下工程常用的涌水封堵材料，具有易操作、强度高、价格便宜等优点.目前，针对水泥浆扩散理论的研究仍是一个热门课题[1-3].浆液黏度是影响注浆扩散的重要因素.析水是水泥浆的重要特性，随着水分的析出，浆液黏度不断变化，进而影响注浆扩散范围[4-9]及涌水封堵效果.水泥颗粒粒径大，且不溶于水是造成浆液析水的主要原因.重力作用下浆液会因颗粒沉淀造成浆水分离；压滤环境中，压力及滤过效应会加速浆水分离过程.在特定条件下，浆液最终会达到水分停止析出、浓度不再变化的稳定状态.

目前，针对水泥浆析水特性的系统研究相对较少.工程技术人员发现，析水会造成浆液性能发生变化，不利于控制注浆效果[10].杨志全等[11-12]开展了水泥浆析水试验，测试了在重力影响下水泥浆的析水率，但并未深入研究析水对浆液性能的影响.为减弱析水对浆液性能的影响，部分研究人员提出了掺加外加剂以改善浆液析水性的方法，如在浆液中加入有机高分子材料.据此，瑞士学者隆巴迪[13]提出了稳定浆液的概念，将2h内析水率不超过5%的浆液定义为稳定浆液.而在水泥浆扩散理论研究中，大多数研究人员将水泥浆简化为黏度不变的流体[14]，只有少数人关注了析水对浆液黏度变化产生的影响，如赵自亮等[15]认识到，析水会引起浆液流变性能的改变，并据此分析了其对注浆扩散过程的影响.

为系统研究析水对水泥浆性能及注浆扩散过程的影响，本文分别开展了重力和压力作用下水泥浆析水试验，研究了浆液析水规律及其对浆液密度和黏度等性能的影响；同时结合土体线性压缩注浆扩散公式，分析了水泥浆析水作用对注浆扩散范围的影响，证明了扩散理论研究中考虑水泥浆析水的必要性.

1 试验

1.1 原材料

水泥为山东山水水泥集团产P·O 42.5普通硅酸盐水泥.表1为水泥主要化学组成.

表1 P·O 42.5水泥主要化学组成Table 1 Major chemical composition(by mass) of Portland cement %

1.2 重力作用下水泥浆析水特性

1.2.1试验设计

采用静置方法，测试水泥浆在重力作用下的析水过程.初步试验发现，当水灰比(mW/mC)≤0.7时，水泥浆析水率很小.因此，试验选取5种水灰比(0.8，1.0，1.2，1.5，2.0)进行研究.

试验开始前，筛除粒径0.075mm以上水泥颗粒，确保水泥无结块；浆液配制过程中先采用电动搅拌机搅拌2min，再采用10mL玻璃量筒进行水泥浆静置析水试验，每间隔30s记录1次浆液液面高度，每组试验至少重复3次，以保证获得3组可靠试验数据，取其平均值.测定了水泥浆的初始密度ρ0，见表2.

表2 水泥浆初始密度Table 2 Initial density of cement slurries

1.2.2浆液析水试验结果

利用浆液初始密度及水泥浆析水量可计算出各时刻的水泥浆析水率η1与密度ρ.

(1)

ρ=(ρ0V0-ρWVW)/(V0-VW)

(2)

式中：ρW为水密度；V0为浆液初始体积,V0=10mL；VW为析出水体积.

重力作用下水泥浆试验结果见表3.

表3 重力作用下水泥浆析水试验结果Table 3 Water-bleeding test results of cement slurries

1.2.3重力作用下水泥浆析水规律

为便于分析重力作用下水泥浆析水试验结果，利用表3中的试验数据，分别绘制水泥浆析水率及密度变化曲线，见图1，2.

图1 水泥浆析水率变化曲线Fig.1 Water-bleeding ratio growing curves along with time

图2 水泥浆密度变化曲线Fig.2 Density growing curves along with time

由图1，2可知：(1)随水灰比的增大，水泥浆最终析水率增大；(2)不同水灰比浆液达到最终析水率的时间基本相等，均为30～40min，特别地，水灰比为2.0的水泥浆析水速率增长较快，在20min内即达到最大析水率；(3)析水后水泥浆最终密度基本相等，对于0.8≤mW/mC≤2.0的常用水泥浆，析水后最终密度约为1.65g/cm3.

1.3 压力作用下水泥浆析水特性

与重力作用下的浆液析水不同，在较高的注浆压力(4～5MPa)作用下，水泥浆中的自由水被迫析出并渗入地层介质中.据此，设计了压力作用下的水泥浆析水过程模拟试验装置，来研究压力作用下的水泥浆析水规律及其对浆液密度的影响，同时与重力作用下浆液析水试验结论进行比较.

1.3.1压滤试验系统设计

压滤试验系统包括试验装置和注浆设备两部分.压滤试验系统示意图如图3所示.

(1)试验装置.试验装置设计为圆筒形，内径100mm，高400mm，采用无缝钢管加工而成，顶部螺旋连接密封盖，底部焊接渗透底盘.密封盖顶部安装压力表，监测内部压力；底座均布2mm的出水孔.距试验筒顶部150mm处，设8mm压浆孔，以连接注浆管.在试验装置内部，压浆孔以下充填粒径不大于0.625mm的河砂[17]，可有效阻挡水泥颗粒的渗入，在充填介质顶部和底部各设置1块直径与试验筒内径相当的滤水石，顶部滤水石确保浆液颗粒无法渗入介质，底部滤水石防止河砂从底板渗水孔流出.压浆孔以上空间为试验过程中的浆液充填区.

图3 压滤试验系统设计示意图Fig.3 Design of the filtration system

(2)注浆设备.注浆设备包括搅拌机和制浆桶.选用SDGJJ型手动水泥注浆泵进行压浆，最大注浆压力可达1MPa，压浆速率不大于1L/min.

1.3.2试验设计

选用浆液水灰比为2.0，1.5，1.2，1.0，0.8，0.7和0.6.受注浆泵性能影响，试验过程无法保持压力恒定，因此以压力达到0.6MPa，且浆液基本不再析水作为试验结束标准.按浆液水灰比将试验分为7组，每组试验至少获得2组有效试验数据，以保证试验结果的准确性.

1.3.3试验结果及分析

在压力为0.6MPa条件下时，各水灰比水泥浆析水前后密度值及析水时间见表4.由表4可见，各水灰比水泥浆析水过程持续时间均在20min以内，特别是水灰比为0.6的水泥浆析水时间不足10min.

表4 压力作用下水泥浆析水试验结果Table 4 Results of the water-bleeding tests of cement slurries under action of pressure

1.3.4浆液析水率分析

根据表4数据，通过下式计算水泥浆最终析水率η2：

η2=[(ρ-ρ0)/(ρ-ρW)]×100%

(3)

表5为压力作用下水泥浆最终析水率.

表5 压力作用下水泥浆最终析水率Table 5 Final water-bleeding ratio of cement slurries under action of pressure

由表5可见，水泥浆最终析水率随水灰比的减小而减小；当mW/mC=0.6时，水泥浆的最终析水率小于5%，析水量很小.

1.3.5浆液密度变化

对比试验前后水泥浆密度变化，发现：(1)析水后各水灰比浆液的最终密度趋近于同一值，约为1.71g/cm3；(2)随水灰比减小，析水对浆液密度增长的影响逐渐减小.

1.4 重力及压力作用下水泥浆析水特性对比

1.4.1最终析水时间对比

由前文可知：(1)重力作用下，水灰比0.8以上的水泥浆析水时间在30～40min(水灰比为2.0的水泥浆除外)；(2)压力作用下，各水灰比水泥浆析水时间均不超过20min，这说明压力作用下，浆液析水速率更快.因为重力析水是由水泥颗粒沉淀引起的，颗粒沉淀动力仅为自身重力，仅仅受浮力和摩擦力等阻力的影响，沉淀速率缓慢；压力析水时，浆液中的自由水以压力为渗流动力透过滤水介质，渗透阻力主要是摩擦力，试验压力远大于渗流阻力.因此，压力析水过程中，浆液中的自由水流失速率较快，加速了浆液析水过程.

1.4.2最终密度及析水率对比

(1)水泥浆最终密度对比 重力作用下，各水灰比浆液析水后的最终密度基本相等，约为1.65g/cm3；压力作用下，各水灰比水泥浆析水后的最终密度基本相等，约为1.71g/cm3，较重力作用下的析水试验结果高出0.06g/cm3.

(2)水泥浆最终析水率对比 利用水泥浆析水试验数据，绘制重力及压力作用下浆液最终析水率的对比图(图4).由图4可见，与重力析水相比，压力作用下，浆液最终析水率偏高，最终密度偏大.这是由于两种作用下水泥颗粒的堆积密实程度不同：重力作用下，水泥颗粒为自然堆积，颗粒间距较大；压力作用下，水泥颗粒受压力挤密作用，结合紧密.因此，压力作用下，水泥浆中的自由水析出更充分，析水后水泥颗粒密度更高，造成浆液浓度及密度偏大.

图4 水泥浆析水率对比柱状图Fig.4 Comparison of water-bleeding ratio of cement slurry under different actions

2 析水对水泥浆黏度的影响

为研究析水对水泥浆黏度的影响，测定各水灰比水泥浆黏度值.采用插值法，计算试验过程中各时刻水泥浆黏度值.黏度计算时假定同种水泥浆密度相等时，其黏度也相等.

2.1 水泥浆初始黏度测定

黏度测试选用SY-10型黏度测定仪，量程为0～10mPa·s.试验中，每种水灰比水泥的浆液黏度测定4次，取4次结果的平均值作为其初始黏度.各水灰比水泥浆初始黏度见表6.

表6 水泥浆初始黏度Table 6 Initial viscosity of cement slurries

2.2 重力作用下析水对浆液黏度的影响分析

利用表6中水泥浆初始黏度测试结果，结合表3中的试验数据，采用插值法，计算相应时刻的浆液黏度值.水泥浆黏度随时间变化曲线见图5.

图5 水泥浆黏度随时间变化曲线Fig.5 Viscosity increase curve under the action of gravity

由图5可见，水泥浆黏度随时间逐渐增长，达到最终黏度后，不再变化；析水会造成水泥浆黏度的大幅度增长，特别是mW/mC≥0.8的水泥浆，其黏度增大约2倍以上；随着水灰比的减小，浆液黏度受析水作用的影响逐渐减小；各水灰比浆液析水后最终黏度值相差较大,这是因为随密度的增大，其对水泥浆黏度的影响更加显著，同时受析水试验中误差累积的影响，导致计算出的水泥浆最终黏度相差较大.实际上，水泥浆最终黏度也应相等.

2.3 压力作用下析水对浆液黏度的影响分析

压力作用下，各水灰比水泥浆析水后最终密度约为1.71g/cm3.结合前文分析可知，各水灰比水泥浆析水后最终黏度应相等.因此，取密度为1.71g/cm3的水泥浆初始黏度作为其最终黏度.配制密度为1.71g/cm3的水泥浆，测得其黏度为32.6mPa·s.压力作用下，析水前后水泥浆初始及最终黏度对比柱状图见图6.由图6可见，压力作用下，水泥浆黏度受析水作用影响更大，特别是mW/mC≥0.8的水泥浆，其黏度增长2.5倍以上.

图6 压力作用下浆液黏度变化对比图Fig.6 Comparison of viscosity of cement slurries under action of pressure

3 析水对水泥浆扩散的影响分析

在劈裂、压密及裂隙管道封堵等注浆扩散过程中，水泥浆均存在析水现象，如劈裂及压密[16]过程中的压滤作用，裂隙封堵中的浆液流动沉积[1-2].以土体劈裂扩散为例，研究浆液析水对浆液扩散过程的影响.假设在劈裂通道中水泥浆驱替扩散，且不考虑其他因素对水泥浆黏度的影响.以注浆孔为扩散起点，注浆扩散过程可分为2个阶段：(1)黏度增长阶段，浆液黏度随水分的析出不断增大；(2)黏度不变阶段，浆液中多余的自由水完全析出后，其黏度不再增长，达到最终值.

图7 浆液扩散过程Fig.7 Process of grouting diffusion

在软弱破碎岩土体的劈裂注浆治理中，单孔注浆时间多在几个小时以上；黏度增长阶段相对于整个注浆过程十分短暂，扩散过程主要处于黏度不变阶段.注浆扩散范围计算时可采用析水后的浆液最终黏度.对于线性压密土体的单个圆形劈裂通道注浆过程，注浆压力与扩散半径存在如下关系[17]:

(4)

式中：P为注浆压力；μ为浆液黏度；q为注浆速率；D为注浆影响范围；Es为土体压缩模量；r为注浆扩散半径；r0为注浆孔半径；σ3为最小主应力.

以水灰比为1.0和2.0的水泥浆为例，探究析水作用对浆液扩散范围的影响.不考虑析水对黏度的影响时，取μ=3.25mPa·s；考虑析水对黏度的影响时，取μ=32.6mPa·s.计算当q=100L/min，r0=0.05m，D=4m，Es=8MPa，σ3=1MPa时的注浆扩散半径，结果见图8.

图8 浆液扩散半径比Fig.8 Comparison of diffusion radius

由图8可知，扩散半径相等时，浆液黏度越大，需要的注浆压力越高.这是由于浆液黏度的增长会增加浆液扩散阻力；对于水灰比为1.0的水泥浆来说，考虑析水对浆液黏度的影响时，计算得出的注浆压力是不考虑析水影响时的1.42倍；对于水灰比为2.0的水泥浆来说,此值为1.78倍.即浆液扩散阻力分别增加42%和78%.

研究表明，析水作用通过影响水泥浆黏度的变化来增加注浆扩散阻力，对其扩散过程产生了很大影响.因此，在注浆工程的设计与施工中，特别是劈裂与压密注浆中，必须充分考虑析水对水泥浆扩散范围的影响，根据选用的浆液性质及工程需要，适当增大设计注浆压力，以保障注浆扩散范围及效果.

4 结论

(1)不同配比的浆液在相同条件下析水后，最终密度相等；重力作用下，0.8≤mW/mC≤2.0的水泥浆最终密度约为1.65g/cm3；0.6MPa的压力作用下，mW/mC≥0.6水泥浆最终密度约为1.71g/cm3.

(2)水泥浆黏度随水分的析出而增大，压力作用下，mW/mC≥1.0水泥浆黏度可增大3倍以上.相同条件下，不同水灰比的水泥浆完全析水后，最终黏度相等.

(3)与重力作用相比，压力作用下，水泥浆析水速率更快，最终析水率、密度及黏度偏大，最终密度平均高出0.05g/cm3.

(4)基于线性压密土体劈裂注浆扩散方程，分析了析水作用对浆液扩散距离的影响；考虑析水影响时，mW/mC≥1.0水泥浆浆液扩散阻力增大了42%以上，因此在注浆工程的设计与施工中，需考虑析水作用对水泥浆扩散范围的影响必要性.

[1] 李术才,张霄,张庆松,等.地下工程涌突水注浆止水浆液扩散机制和封堵方法研究[J].岩石力学与工程学报,2011,30(12):2377-2396.

LI Shucai,ZHANG Xiao,ZHANG Qingsong,et al.Resesrch on mechanism of grout diffusion of dynamic grouting and plugging method in water inrush of underground engineering[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2011,30(12):2377-2396.(in Chinese)

[2] 张玉侠.水泥浆液在裂隙岩体中的流动沉积机理研究[D].青岛：山东科技大学,2007.

ZHANG Yuxia.The study on running deposition mechanics of cement serous fluid in slit rock mass [D].Qingdao:Shandong University of Science and Technology,2007.(in Chinese)

[3] 李术才,张伟杰,张庆松,等.富水断裂带优势劈裂注浆机制及注浆控制方法研究[J].岩土力学,2014,35(3):745-752.

LI Shucai,ZHANG Weijie,ZHANG Qingsong,et al.Research on advantage-fracture grouting mechanism and controlled grouting method in water-rich fault zone[J].Rock and Soil Mechanics,2015,30(12):2377-2396.(in Chinese)

[4] 张庆松,张连震,张霄,等.基于浆液黏度时空变化的水平裂隙岩体注浆扩散机制[J].岩石力学与工程学报,2015,34(6):1198-1210.

ZHANG Qingsong,ZHANG Lianzhen,ZHANG Xiao,et al.Grouting diffusion in a horizontal crack considering temporal and spatial variation of viscosity[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2015,34(6):1198-1210.(in Chinese)

[5] 阮文军.基于浆液粘度时变性的裂隙岩体注浆扩散模型[J].岩石力学与工程学报,2005,24(15):2705-2714.

RUAN Wenjun.Spreading model of grouting in rock mass fissures based on time-dependent behavior of viscosity of cement-based grouts[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2005,24(15):2705-2714.(in Chinese)

[6] 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用研究[J].岩石力学与工程学报,2011,30(7):1454-1459.

LIU Rentai,LI Shucai,ZHANG Qingsong,et al.Experiment and application research on a new type of dynamic water grouting material[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2011，30(7):1454-1459.(in Chinese)

[7] 李术才，韩伟伟，张庆松，等.地下工程动水注浆速凝浆液黏度时变特性研究[J].岩石力学与工程学报,2013,32(1):1-7.

LI Shucai，HAN Weiwei，ZHANG Qingsong，et al.Research on time-dependent behavior of viscosity of fast curing grouts in underground construction grouting[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2013，32(1):1-7.(in Chinese)

[8] 李术才,刘人太,张庆松，等.基于黏度时变性的水泥-玻璃浆液扩散机制研究[J].岩石力学与工程学报，2013,32(12):2415-2421.

LI Shucai，LIU Rentai，ZHANG Qingsong，et al.Research on C-S slurry diffusion mechanism with time-dependent behavior of viscosity[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering.2013,32(12):2415-2421.(in Chinese)

[9] 曾胜,赵健,邹金锋.压密注浆极限注浆压力研究[J].哈尔滨工业大学学报,2008,40(7):1173-1176.

ZENG Sheng,ZHAO Jian,ZOU Jinfeng.Research of limit grouting pressure in compaction grouting[J].Journal of Harbin Institute of Technology,2008,40(7):1173-1176.(in Chinese)

[10] 张指铭.关于油井水泥析水问题的初步探讨[J].南京工业大学学报(自然科学版),1979,1(1):122-124.

ZHANG Zhiming.The preliminary discussion for oil well cement slurry bleeding problem[J].Journal of Nanjing Tech University(Natural Science),1979,1(1):122-124.(in Chinese)

[11] 杨志全.水泥浆液在小粒径砂石体中注浆理论及模拟实验研究[D].昆明:昆明理工大学,2008.

YANG Zhiquan.Research on the theory of cement grouting in small particle size of sand body[D].Kunming:Kuming University of Science and Technology,2008.(in Chinese)

[12] 张峰,成云海,任禹,等.巷道围岩注浆水泥浆液性能试验研究[J].中国矿业,2013,22(3):83-86.

ZHANG Feng,CHENG Yunhai,REN Yu,et al.Test and research on cement slurry as grouting material for mine roadway surrounding rock[J].China Mining Magazine,2013,22(3):83-86.(in Chinese)

[13] LOMbADI G,李德富.内聚力在岩石水泥灌浆中的作用[C]// 现代灌浆技术译文集.北京：中国水利水电技术出版社，1991：59-75.

LOMBADI G,LI Defu.The effect of cohesion on the cement grouting in rock mass[C]//The Collected Papers on Modern Grouting Technology.Beijing:China Water & Power Press,1991：59-75.(in Chinese)

[14] 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.

RUAN Wenjun.Research on diffusion of grouting and basic properties of grouts[J].Chinese Journal of Geotechnical Engineering,2005,27(1):69-73.(in Chinese)

[15] 赵自亮,张可能,邓迎芳,等.水泥浆液流变特性研究及渗透扩散公式优化[J].广州建筑,2011,39(4):59-62.

ZHAO Ziliang,ZHANG Keneng,DENG Yingfang.Study on rheology of cement grout and penetration formula[J].Gangzhou Architecure,2011,39(4):59-62.(in Chinese)

[16] 张忠苗,邹健,贺静漪,等.黏土中压密注浆及劈裂注浆室内模拟试验分析[J].岩土工程学报,2009,31(12):1818-1824.

ZHANG Zhongmiao,ZOU Jian,HE Jingyi,et al.Laboratory tests on compaction grouting and fracture grouting of clay[J].Chinese Journal of Geotechnical Engineering,2009,31(12):1818-1824.(in Chinese)

[17] 张连震,李志鹏,张庆松，等.基于土体非线性压密效应的劈裂注浆机制分析[J].岩石力学与工程学报,2016,35(7):1483-1493.

ZHANG Lianzhen,LI Zhipeng,ZHANG Qingsong,et al.Split grouting mechanism based on nonlinear characteristics of compression process of soil[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2016,35(7):1483-1493.(in Chinese)