1 引 言

粘土水泥漿材性能優(yōu)越，價(jià)格低廉。廣泛應(yīng)用于垃圾填埋場(chǎng)、帷幕灌漿、邊坡處理、溶洞充填等防滲加固工程中。漿材的流變性能影響漿材的流動(dòng)性、可灌性、甚至灌漿效果，漿材流變性能表征參數(shù)有粘度、屈服應(yīng)力、流動(dòng)度等。

James ［1］ 研究漿材的流變特性及添加劑對(duì)流變特性的影響，認(rèn)為適當(dāng)?shù)牧髯冃钥商岣吖酀{質(zhì)量;夏春等［2］ 對(duì)聚合物穩(wěn)定劑水泥漿和膨潤(rùn)土穩(wěn)定劑水泥漿進(jìn)行了流變?cè)囼?yàn)研究，按賓漢流變模型對(duì)其流變參數(shù)進(jìn)行了理論計(jì)算。曾祥熹等［3］ 研究了水泥漿的粘度與屈服應(yīng)力對(duì)漿液擴(kuò)散距離的影響，其中動(dòng)切力尤為顯著。水泥漿材粒徑越小，流動(dòng)性越差，水膠比增大流動(dòng)性增強(qiáng)［4］ 。李術(shù)才等 ［5］ 研究了速凝漿材的粘度時(shí)變性能，指出水泥-水玻璃粘度分為低粘期、上升期、固化期，高聚物改性水泥漿粘度分為上升期、穩(wěn)定期、固化期。王小萍等［6］ 對(duì)堿激發(fā)碳酸鹽礦-礦渣復(fù)合灌漿材料流變性能研究發(fā)現(xiàn)，漿材的屈服應(yīng)力和粘度值隨硅酸鈉溶液濃度及礦渣摻量增大而增大。盧爽等［7-10］ 研究了礦物摻合料與高效減水劑對(duì)水泥基灌漿材料流變性能的影響，指出攪拌時(shí)間幾乎不影響流變性能，水泥漿的屈服應(yīng)力隨混合材的摻量增大而降低，磨細(xì)礦物摻合料與高效減水劑同摻時(shí)流動(dòng)性增強(qiáng);何濤［11］ 研究了生物膠、緩凝劑、消泡劑在恒定剪切速率與變化剪切速率下對(duì)漿材粘度的影響;王星華［12］ 指出粘土水泥漿屬于帶屈服值的假塑流體，其流變模型符合改進(jìn)的雙曲模型。
 

上述研究主要集中在純水泥漿材的流變性能以及礦物摻合料的影響，很少涉及粘土水泥漿材，二者的流變特性與工程應(yīng)用范圍均存在一定區(qū)別;此外，漿材的流變性能對(duì)其可灌性和擴(kuò)散距離有非常顯著的影響，而這直接決定著灌漿效果能否達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。因此，本文在實(shí)際灌漿工程的背景下，擬通過大樣本試驗(yàn)，研究水固比、粘土摻量、溫度、巖土體吸附作用及壓濾效應(yīng)等因素對(duì)粘土水泥漿材流變性能及其灌漿效果的影響，以期為相關(guān)理論研究和工程實(shí)踐提供一定參考和依據(jù)。

3 結(jié)果與討論
 

3． 1 水固比對(duì)流變性能的影響

(1)流變特性

圖 2 可看出，當(dāng)水固比為 0． 6∶ 1 時(shí)，粘土水泥漿材具有明顯的屈服應(yīng)力，剪切應(yīng)力隨剪切速率的變化規(guī)律服從線性分布，為賓漢流體;當(dāng)水固比為 1． 0∶ 1 時(shí)，漿材仍存在屈服應(yīng)力，屬于賓漢流體;水固比增大到 1．5∶ 1 時(shí)、2． 0∶ 1 時(shí)，漿材的流變曲線接近于通過原點(diǎn)的直線，近似為牛頓流體。

(2)粘度時(shí)變性

圖 5 可知，水固比為 0． 6∶ 1 時(shí)，純水泥漿與粘土摻量 10% 時(shí)漿材粘度隨時(shí)間變化微小;粘土摻量 30%、50%的漿材粘度隨時(shí)間的延長(zhǎng)迅速增大，并在 40 min 處保持穩(wěn)定;水固比為 1． 0∶ 1 時(shí)，四種不同粘土比例漿材的粘度值均隨時(shí)間呈先降低后增長(zhǎng)的趨勢(shì)，隨粘土比例增大，漿材初始粘度值依次增大;水固比 1． 5∶ 1 時(shí)，純水泥漿粘度開始保持 0 不變，在 30 min 后逐漸增加，其它各組漿材粘度均隨時(shí)間先降低后增長(zhǎng)，除粘土摻量 50%的漿材外，其余各組漿材均出現(xiàn)了粘度為 0 的時(shí)段。漿材粘度隨時(shí)間先降低后增長(zhǎng)的原因可能是:水固比較高時(shí)，漿材為不穩(wěn)定漿液，析水分層較快，在析水過程中漿液粘度會(huì)降低，當(dāng)漿液析水完全后，漿材逐漸膠凝，粘度逐漸增大。

 

3． 3 溫度對(duì)流變性能的影響

(1)流變特性隨溫度的變化

圖 6 表明，粘土摻量 10%時(shí)，不同溫度條件下漿材的流型大體相同，均為具有剪脹性的冪律流體;粘土摻量 30%，當(dāng)溫度較低時(shí)，漿材為剪脹性的冪律流體，溫度較高時(shí)，服從賓漢流體，具有剪脹特性;粘土摻量50%時(shí)，漿材流型為賓漢體，溫度較低時(shí)存在剪脹特性。當(dāng)粘土含量較低時(shí)，溫度對(duì)漿材的流型產(chǎn)生微弱影響，可忽略不計(jì);當(dāng)粘土摻量較大時(shí)，溫度對(duì)漿材的流變特性影響較大，不同的溫度條件下甚至服從不同的流型。

4 粘土水泥漿材流變特性對(duì)灌漿的影響
 

當(dāng)作用于膏漿上的剪切力小于屈服強(qiáng)度時(shí)，漿體靜止不動(dòng)，只有當(dāng)剪切力超過屈服強(qiáng)度之后漿體才開始運(yùn)動(dòng)，因而漿材的流變特性對(duì)灌漿的影響主要體現(xiàn)在可灌性和擴(kuò)散距離等方面。

 

4． 1 對(duì)可灌性的影響

漿材的可灌性指漿材進(jìn)入地層孔隙以及在空隙內(nèi)擴(kuò)散的能力。一方面，漿材粒徑大小表明，粘土顆粒粒徑遠(yuǎn)小于普通水泥，粘土水泥漿材的可灌性優(yōu)于普通水泥漿;另一方面，漿材的粘度等流變性能和灌漿過程中的壓濾效應(yīng)等表明，粘土水泥漿材的可灌性又不如普通水泥漿，擴(kuò)散范圍有限，但水泥漿材較差的穩(wěn)定性和結(jié)石率低使得施工需要復(fù)灌。在大孔(裂)隙巖層或多孔土質(zhì)、沙質(zhì)地層灌漿應(yīng)用時(shí)，粘土水泥漿材可控性好;在裂隙巖體、可灌性差的土質(zhì)地層灌漿應(yīng)用時(shí)，宜選用水泥漿材。
 

4． 2 對(duì)擴(kuò)散距離的影響

注:模型 1: Ｒ =p 0 δ2τ0+ Υ0 ，Ｒ 擴(kuò)散半徑，灌漿壓力 P 0 =0． 6 MPa，灌漿管半徑 r 0 =3 cm，τ n 屈服應(yīng)力，裂縫寬度 σ =0． 1 cm，適用條件:巖體裂隙賓漢流體;模型 2: △P =3τBh(r － r 0 ) + 6ηQπh3 lnrr 0，r 擴(kuò)散半徑，灌漿壓力，灌漿管半徑 r 0 =3 cm，τ B 屈服應(yīng)力，裂縫寬度 h =0． 1 cm，灌漿量 2000 mL ，適用

條件:巖體裂隙賓漢流體。
 

5 結(jié) 論
 

通過大樣本實(shí)驗(yàn)，對(duì)粘土水泥系列漿材在不同環(huán)境下的流變特性及其對(duì)灌漿的影響進(jìn)行研究，得到如下結(jié)論:

(1)影響粘土水泥漿材流變特性的因素有水固比、粘土摻量、溫度、巖土體吸附作用以及灌漿過程中的壓濾效應(yīng);

(2)水固比既影響漿材的流變模型，又影響漿材的粘度。水固比較高時(shí)，漿材屬于牛頓流體，粘度基本保持不變;水固比較低時(shí)，漿材為賓漢流體，粘度隨時(shí)間呈先增加后保持穩(wěn)定的趨勢(shì);

(3)粘土摻量對(duì)漿材的流變性能有較大影響。水固比為 1∶ 1 時(shí)，粘土摻量較低時(shí)，漿材為具有剪脹性的冪律流體，粘土摻量較高時(shí)為賓漢流體;水固比為 0． 6∶ 1 時(shí)，漿材各時(shí)間點(diǎn)的粘度隨粘土摻量的增加而增大;

(4)溫度影響漿材的流變性能。粘土摻量不小于 30%時(shí)，不同溫度下漿材的流變模型不同，粘土摻量小于 30%時(shí)，24 ℃條件下的漿材粘度大于 35 ℃時(shí)的粘度;

(5)巖土體的主要特性會(huì)影響漿材的流變特性，由于對(duì)漿材的吸附作用，漿材的粘度和屈服應(yīng)力隨時(shí)間逐漸增大;漿材在巖土體中的壓濾效應(yīng)對(duì)粘土水泥漿的流變特性影響較純水泥漿小，但是同樣空隙條件下，粘土水泥漿材更易發(fā)生壓濾效應(yīng)。漿材流變性能對(duì)其擴(kuò)散距離的影響顯著，粘土水泥漿材的擴(kuò)散距離明顯小于純水泥漿材。