關于水泥漿材試驗相關問題的探討

唐應鵬

（中國水利水電第七工程局成都水電建設工程有限公司， 四川 成都 611130）

0 引言

近年來，隨著水力資源的大力開發,更多水電站出現在偏遠山區，氣候條件、工程及水文地質條件越來越復雜，一個個基礎處理難題呈現在工程技術人員面前，漿材試驗在解決基礎處理技術難題中扮演重要角色。

國內已有很多資料、文獻、技術規程規范涉及到漿材試驗，但零散且標準不統一，通過對漿材試驗的自身實踐和理解，參考國內相關漿材試驗資料，對漿材試驗中的相關問題進行探討。

1 漿液析水率及其沉降穩定性

1.1 析水率與穩定析水率的區別

析水現象是由于漿液中固體顆粒的沉積而引起的，漿液的析水率是指漿液在靜止狀態下由于水泥顆粒的沉降作用而析出水的比率，通常所說的析水率是漿液靜止2h后析出水的比率，但部分漿液2h內不能完成析水過程，待漿液穩定后測得的析水率為穩定析水率，其沉降穩定所需的時間稱為漿液的穩定析水時間。

析水率與穩定析水率的測定也有不同要求，漿液置入 100ml量筒后，漿液顆粒開始下沉，清水厚度自上而下逐漸增加，若僅需測定漿液的析水率，待2h時觀察量筒內水與漿液分界線讀數即可。而穩定析水率測定時，需每隔 10min讀記清水厚度一次，一直到連續三個析水值的讀數相同或差別微小（最大與最小值的差≤2ml）。該三個值的平均值為穩定時間。

一般情況下，大多漿液能夠在2h內穩定，穩定析水時間小于2h析水時間，但由于水泥品種、水灰比等因素的不同，穩定析水時間也可能大于2h析水時間，如濃漿析水穩定時間一般大于稀漿，可能在2h以上才能達到析水穩定。

表1 普通水泥漿液析水率及穩定析水時間

1.2 析水率與結石率的關系

常說析水率是在試驗室內常壓情況下測量的數據，與現場實際灌漿時漿液的析水率有所不同。在實際灌漿過程中，由于灌漿壓力的作用，漿液穩定析水時間會縮短，也要多擠出一部分水，析水率增大，因而結石更加密實，強度也會更高。

結石率是指漿液結石干縮后的體積與原漿液體積的比值，室內試驗中，可用結石率=1-析水率，進行常溫常壓下結石率近似計算，在壓力作用下，其結石受壓力泌水和擠密作用的影響，結石率小于常溫常壓下結石率。

1.3 流動度測定用截錐圓模的使用

《水工建筑物水泥灌漿施工技術規范》DL/T 5148首次在2012版附錄規定測流動度截錐圓模為：上口直徑36mm、下口直徑64mm、高度60mm，內壁光滑無接縫的金屬制品。

在此之前，水泥凈漿流動度測試均按照GB/T8077《混凝土外加劑勻質性試驗方法》規定進行：截錐圓模為上口直徑36mm、下口直徑60mm、高度60mm，內壁光滑無接縫的金屬制品。

對比發現，兩個規范對水泥凈漿流動度測試的操作方法均相同，唯一的區別是截錐圓模下口直徑GB/T8077為64mm，DL/T 5148為60mm。

上述截錐圓模下口徑，只要進行相互比較的試驗選擇同樣規格的試模，對測試結果無實質性影響，若水泥漿材試驗也采用GB/T8077標準，則試驗結果不僅在行業內比較，而且可與建筑、公路等行業進行比較。

目前，市場上的截錐圓模均為上口直徑36mm、下口直徑60mm、高度60mm的規格，與水泥灌漿規范規定有所差異，實際應用中，可采用車床進行加工，也可利用下口徑為60mm的截錐圓模進行測定，以做參照。

2 表觀粘度

2.1 馬氏漏斗與標準漏斗的區別

漿液的流動性可用MLN-2型馬氏漏斗粘度計、1006型泥漿粘度計進行測定，分別稱為馬氏漏斗粘度、標準漏斗粘度。馬氏漏斗粘度是以注入馬氏漏斗中1500mL漿液流出946mL所需時間表示，標準漏斗是以注入標準漏斗中700mL，漿液流出500mL所需的時間表示。

馬氏漏斗粘度計的標準時間為26±0.5s，標準漏斗粘度計的標準時間為15±0.5s。表觀粘度測試應在同一型號漏斗、同一溫度測試條件下進行比較。

2.2 充分利用粘度計配套量杯

在測量過程中，馬氏漏斗配置有 2000ml量杯和 946ml的漏斗，因此，先用2000ml量杯向馬氏漏斗注入1500ml被測漿液，將其946ml配套量杯放入漏斗下按要求進行測量即可。

標準漏斗配套的量杯一端體積為 200mL，另一端為500mL，分別用配套量杯的兩端向標準漏斗注入被測漿液，即剛好700ml，然后將200ml一端向上，放在標準漏斗下按要求進行測量。

若采用購買有刻度的量杯放在漏斗下進行測量，操作和讀數不方便，不能準確把握流出漿液的體積，影響表觀粘度測量的準確性，另外，在倒入被測漿液至漏斗時，必須加蓋過濾網，避免漿液中雜質流入漏斗，影響測量準確性。因此，充分利用配套量杯和漏斗的功能，操作方便，測量準確。

3 漿液流變參數

3.1 塑性粘度的大小是流變曲線直線段斜率的倒數

塑性粘度大的漿液，采用 NXS-11型旋轉粘度計測定。該型旋轉粘度計，分15檔調節轉子轉速。測量范圍2.803～1.78×107mPa?s。

①賓漢流體流動方程：

式中：τ——剪切應力，Pa；

τ0——屈服強度，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過測量獲得相應的剪切應力，繪制τ～dv/dx 關系曲線，求出塑性粘度和屈服強度。

圖1 流變參數測試曲

當dv/dx=0時，切應力為τ ，這個最低切應力τ 稱作靜切力。當泥漿所受切應力超過靜切力時，泥漿結構開始變形，呈塞流狀態，此時泥漿粘度η為變值，它隨切應力的增大而降低。當切應力增大到某一數值時，曲線變直，也即η不再隨切應力變化。這時的η 值稱作塑性粘度。

按照賓漢公式求塑性粘度η、抗剪屈服強度（動切力）τ0，要在圖中塑性流變曲線的直線部分任意測出兩組流速梯度和切應力的讀數（τ1、D1；τ2、D2），然后將其帶入賓漢公式，得下列聯立方程：

解此方程得到：

從上述方程求解結果可以看出，η 的大小是該曲線直線段斜率的倒數。大壩基巖灌漿等參考資料中認為η 的大小是該曲線直線段斜率，是錯誤的。

將上述直線延伸與切應力軸相交于τ0，τ0稱為動切力（也叫抗剪屈服強度）當泥漿的切應力達到τ0時，流體呈層流狀態。塑性粘度和動切力是泥漿處于層流狀態下的兩個重要參數。

3.2 流變參數與表觀黏度的區別

抗剪屈服強度的大小關系到層流狀態下泥漿內部的結構狀態，它可證實漿液懸浮和攜帶巖屑的能力。塑性粘度反映了泥漿在層流狀態下，內部網狀結構的破壞和恢復處于動態平衡時，泥漿中懸浮固相之間、固相與液相之間、液相與液相之間的內摩擦力。它本身不包含泥漿結構的影響，僅決定于組成物質的性質。總之，塑性粘度與抗剪屈服強度從不同方面反映了泥漿的本質。

3.3 膏狀漿液抗剪屈服強度的界定

《水工建筑物水泥灌漿施工技術規范》DL/T5148-2001規定:膏狀漿液系指塑性屈服強度大于20Pa的混合漿液，DL/T5148-2012規定：膏狀漿液系指以水泥、黏土為主要材料初始塑性屈服強度大于 50Pa的混合漿液。在實際應用中，0.5:1水泥漿液屈服強度一般大于30Pa，初始流動度可達160mm以上，而0.45：1的水泥漿液屈服強度一般大于60Pa，其初始流動度可達145mm以上，但無論0.5:1還是 0.45:1水泥漿液并不成膏狀，也不具有膏狀漿液應有的自堆積性能，因此，上述膏狀漿液抗剪屈服強度的界定是偏小的，通過現場試驗認為，膏狀漿液的抗剪屈服強度至少應在200Pa以上。

4 漿液凝結時間測定

4.1 初凝時間測定注意事項

在最初測定的操作時應輕輕扶持金屬柱，使其徐徐下降，以防試針撞彎，但結果以自由下落為準，在整個測試過程中試針沉入的位置至少要距試模內壁10mm。

每次測定不能讓試針落入原孔。每次測試完畢須將試針擦凈并將試模放回濕氣養護箱內，整個測試過程要防止試模受振。

4.2 終凝時間測定試件是否翻轉的討論

由于水泥漿材比水泥標準稠度測試用水量大，試件是依靠顆粒不均勻自由析水沉淀形成，為防止試件沒有整體達到初凝狀態導致其變形而影響測試結果，在初凝時間測定完成時，一般不采用翻轉試件的方式，而是直接進行終凝時間測定，同時，可避免或減小玻璃片對終凝時間的影響；但若試件翻轉不易引起試件損壞，或者在初凝時，上表面針孔已經較多，則宜按GB/T1346水泥凈漿凝結時間試驗，對試件翻轉180°進行終凝時間測量。

4.3 凝結時間試樣制備應加模套

由于水泥漿液的析水作用，試件制備時，采取多次添加漿材或加高試模的方式制取試件，加高試模與原試模間用黃油防止漿材滲漏，但必須禁止黃油混進漿材中。每次補充添加漿材前，應先用吸水球將上部析出的清水吸走，為減少漿材的沉降不均勻性對漿材性能的影響，要求在添加漿材時必須重新攪拌均勻，否則不能添加。

上述數據是在常壓下20℃測得的數據，凝結時間還受溫度、壓力的影響，在5～40℃范圍內，溫度越高，漿液凝結越快，在壓力作用下，由于漿液的壓力泌水作用，其漿液凝結時間遠遠小于常壓下漿液的凝結時間。