关于水泥浆材试验相关问题的探讨

唐应鹏

（中国水利水电第七工程局成都水电建设工程有限公司， 四川 成都 611130）

0 引言

近年来，随着水力资源的大力开发,更多水电站出现在偏远山区，气候条件、工程及水文地质条件越来越复杂，一个个基础处理难题呈现在工程技术人员面前，浆材试验在解决基础处理技术难题中扮演重要角色。

国内已有很多资料、文献、技术规程规范涉及到浆材试验，但零散且标准不统一，通过对浆材试验的自身实践和理解，参考国内相关浆材试验资料，对浆材试验中的相关问题进行探讨。

1 浆液析水率及其沉降稳定性

1.1 析水率与稳定析水率的区别

析水现象是由于浆液中固体颗粒的沉积而引起的，浆液的析水率是指浆液在静止状态下由于水泥颗粒的沉降作用而析出水的比率，通常所说的析水率是浆液静止2h后析出水的比率，但部分浆液2h内不能完成析水过程，待浆液稳定后测得的析水率为稳定析水率，其沉降稳定所需的时间称为浆液的稳定析水时间。

析水率与稳定析水率的测定也有不同要求，浆液置入 100ml量筒后，浆液颗粒开始下沉，清水厚度自上而下逐渐增加，若仅需测定浆液的析水率，待2h时观察量筒内水与浆液分界线读数即可。而稳定析水率测定时，需每隔 10min读记清水厚度一次，一直到连续三个析水值的读数相同或差别微小（最大与最小值的差≤2ml）。该三个值的平均值为稳定时间。

一般情况下，大多浆液能够在2h内稳定，稳定析水时间小于2h析水时间，但由于水泥品种、水灰比等因素的不同，稳定析水时间也可能大于2h析水时间，如浓浆析水稳定时间一般大于稀浆，可能在2h以上才能达到析水稳定。

表1 普通水泥浆液析水率及稳定析水时间

1.2 析水率与结石率的关系

常说析水率是在试验室内常压情况下测量的数据，与现场实际灌浆时浆液的析水率有所不同。在实际灌浆过程中，由于灌浆压力的作用，浆液稳定析水时间会缩短，也要多挤出一部分水，析水率增大，因而结石更加密实，强度也会更高。

结石率是指浆液结石干缩后的体积与原浆液体积的比值，室内试验中，可用结石率=1-析水率，进行常温常压下结石率近似计算，在压力作用下，其结石受压力泌水和挤密作用的影响，结石率小于常温常压下结石率。

1.3 流动度测定用截锥圆模的使用

《水工建筑物水泥灌浆施工技术规范》DL/T 5148首次在2012版附录规定测流动度截锥圆模为：上口直径36mm、下口直径64mm、高度60mm，内壁光滑无接缝的金属制品。

在此之前，水泥净浆流动度测试均按照GB/T8077《混凝土外加剂匀质性试验方法》规定进行：截锥圆模为上口直径36mm、下口直径60mm、高度60mm，内壁光滑无接缝的金属制品。

对比发现，两个规范对水泥净浆流动度测试的操作方法均相同，唯一的区别是截锥圆模下口直径GB/T8077为64mm，DL/T 5148为60mm。

上述截锥圆模下口径，只要进行相互比较的试验选择同样规格的试模，对测试结果无实质性影响，若水泥浆材试验也采用GB/T8077标准，则试验结果不仅在行业内比较，而且可与建筑、公路等行业进行比较。

目前，市场上的截锥圆模均为上口直径36mm、下口直径60mm、高度60mm的规格，与水泥灌浆规范规定有所差异，实际应用中，可采用车床进行加工，也可利用下口径为60mm的截锥圆模进行测定，以做参照。

2 表观粘度

2.1 马氏漏斗与标准漏斗的区别

浆液的流动性可用MLN-2型马氏漏斗粘度计、1006型泥浆粘度计进行测定，分别称为马氏漏斗粘度、标准漏斗粘度。马氏漏斗粘度是以注入马氏漏斗中1500mL浆液流出946mL所需时间表示，标准漏斗是以注入标准漏斗中700mL，浆液流出500mL所需的时间表示。

马氏漏斗粘度计的标准时间为26±0.5s，标准漏斗粘度计的标准时间为15±0.5s。表观粘度测试应在同一型号漏斗、同一温度测试条件下进行比较。

2.2 充分利用粘度计配套量杯

在测量过程中，马氏漏斗配置有 2000ml量杯和 946ml的漏斗，因此，先用2000ml量杯向马氏漏斗注入1500ml被测浆液，将其946ml配套量杯放入漏斗下按要求进行测量即可。

标准漏斗配套的量杯一端体积为 200mL，另一端为500mL，分别用配套量杯的两端向标准漏斗注入被测浆液，即刚好700ml，然后将200ml一端向上，放在标准漏斗下按要求进行测量。

若采用购买有刻度的量杯放在漏斗下进行测量，操作和读数不方便，不能准确把握流出浆液的体积，影响表观粘度测量的准确性，另外，在倒入被测浆液至漏斗时，必须加盖过滤网，避免浆液中杂质流入漏斗，影响测量准确性。因此，充分利用配套量杯和漏斗的功能，操作方便，测量准确。

3 浆液流变参数

3.1 塑性粘度的大小是流变曲线直线段斜率的倒数

塑性粘度大的浆液，采用 NXS-11型旋转粘度计测定。该型旋转粘度计，分15档调节转子转速。测量范围2.803～1.78×107mPa•s。

①宾汉流体流动方程：

式中：τ——剪切应力，Pa；

τ0——屈服强度，Pa；

η——塑性粘度，Pa·s；

dv/dx——剪切速率，l/s。

以不同的剪切速率通过测量获得相应的剪切应力，绘制τ～dv/dx 关系曲线，求出塑性粘度和屈服强度。

图1 流变参数测试曲

当dv/dx=0时，切应力为τ ，这个最低切应力τ 称作静切力。当泥浆所受切应力超过静切力时，泥浆结构开始变形，呈塞流状态，此时泥浆粘度η为变值，它随切应力的增大而降低。当切应力增大到某一数值时，曲线变直，也即η不再随切应力变化。这时的η 值称作塑性粘度。

按照宾汉公式求塑性粘度η、抗剪屈服强度（动切力）τ0，要在图中塑性流变曲线的直线部分任意测出两组流速梯度和切应力的读数（τ1、D1；τ2、D2），然后将其带入宾汉公式，得下列联立方程：

解此方程得到：

从上述方程求解结果可以看出，η 的大小是该曲线直线段斜率的倒数。大坝基岩灌浆等参考资料中认为η 的大小是该曲线直线段斜率，是错误的。

将上述直线延伸与切应力轴相交于τ0，τ0称为动切力（也叫抗剪屈服强度）当泥浆的切应力达到τ0时，流体呈层流状态。塑性粘度和动切力是泥浆处于层流状态下的两个重要参数。

3.2 流变参数与表观黏度的区别

抗剪屈服强度的大小关系到层流状态下泥浆内部的结构状态，它可证实浆液悬浮和携带岩屑的能力。塑性粘度反映了泥浆在层流状态下，内部网状结构的破坏和恢复处于动态平衡时，泥浆中悬浮固相之间、固相与液相之间、液相与液相之间的内摩擦力。它本身不包含泥浆结构的影响，仅决定于组成物质的性质。总之，塑性粘度与抗剪屈服强度从不同方面反映了泥浆的本质。

3.3 膏状浆液抗剪屈服强度的界定

《水工建筑物水泥灌浆施工技术规范》DL/T5148-2001规定:膏状浆液系指塑性屈服强度大于20Pa的混合浆液，DL/T5148-2012规定：膏状浆液系指以水泥、黏土为主要材料初始塑性屈服强度大于 50Pa的混合浆液。在实际应用中，0.5:1水泥浆液屈服强度一般大于30Pa，初始流动度可达160mm以上，而0.45：1的水泥浆液屈服强度一般大于60Pa，其初始流动度可达145mm以上，但无论0.5:1还是 0.45:1水泥浆液并不成膏状，也不具有膏状浆液应有的自堆积性能，因此，上述膏状浆液抗剪屈服强度的界定是偏小的，通过现场试验认为，膏状浆液的抗剪屈服强度至少应在200Pa以上。

4 浆液凝结时间测定

4.1 初凝时间测定注意事项

在最初测定的操作时应轻轻扶持金属柱，使其徐徐下降，以防试针撞弯，但结果以自由下落为准，在整个测试过程中试针沉入的位置至少要距试模内壁10mm。

每次测定不能让试针落入原孔。每次测试完毕须将试针擦净并将试模放回湿气养护箱内，整个测试过程要防止试模受振。

4.2 终凝时间测定试件是否翻转的讨论

由于水泥浆材比水泥标准稠度测试用水量大，试件是依靠颗粒不均匀自由析水沉淀形成，为防止试件没有整体达到初凝状态导致其变形而影响测试结果，在初凝时间测定完成时，一般不采用翻转试件的方式，而是直接进行终凝时间测定，同时，可避免或减小玻璃片对终凝时间的影响；但若试件翻转不易引起试件损坏，或者在初凝时，上表面针孔已经较多，则宜按GB/T1346水泥净浆凝结时间试验，对试件翻转180°进行终凝时间测量。

4.3 凝结时间试样制备应加模套

由于水泥浆液的析水作用，试件制备时，采取多次添加浆材或加高试模的方式制取试件，加高试模与原试模间用黄油防止浆材渗漏，但必须禁止黄油混进浆材中。每次补充添加浆材前，应先用吸水球将上部析出的清水吸走，为减少浆材的沉降不均匀性对浆材性能的影响，要求在添加浆材时必须重新搅拌均匀，否则不能添加。

上述数据是在常压下20℃测得的数据，凝结时间还受温度、压力的影响，在5～40℃范围内，温度越高，浆液凝结越快，在压力作用下，由于浆液的压力泌水作用，其浆液凝结时间远远小于常压下浆液的凝结时间。