海水環境下水泥漿液粘度時變特性試驗研究

熊俊成，鄭春雨，劉 勇，李 鵬，田偉權，王 倩

(1.中國海洋大學工程學院,青島 266100;2.中交一公局第一工程有限公司，北京 102205; 3.中鐵十六局集團第三工程有限公司，湖州 313000;4.濟南軌道集團有限公司，濟南 250000)

0 引 言

海底隧道工程建設的風險在很大程度上取決于穿越軟弱破碎帶所誘發的突水、突泥災害，目前國內外一般采用注漿技術作為防滲和加固的工程措施，如日本青函海底隧道、廈門翔安海底隧道以及膠州灣海底隧道[1-5]。注漿工程設計主要涉及布孔間距[6-7]、漿液選型[8-10]、注入壓力以及擴散半徑[11-14]等關鍵參數，而漿液粘度時變特性對以上參數均有直接或間接的影響，有關此方面的研究近年來已成為熱點。

一些學者對水泥基漿液進行了流型劃分，并且給出了基于漿液粘度時變特性的注漿擴散模型[15-18]。李術才等[19-20]研究了動水條件下水泥水玻璃混合漿液以及高聚物改性材料速凝漿液的粘度時變特性規律，將漿液反應過程劃分為3個階段，并基于漿液粘度時變特性研究了C-S漿液擴散運移規律。戴國亮等[21]基于冪律型漿液粘度時變特性推導了樁端壓力漿液上返的理論公式。袁敬強等[22]探究了水泥水玻璃混合漿液在靜水條件下的粘度時變特性，得出了靜水條件下低粘度期比無水條件下明顯延長的結論。王勝等[23]研究了普通硅酸鹽硫鋁酸鹽復合水泥漿液的表觀粘度隨時間的流變特性，試驗發現水灰比對復合水泥漿液的流變參數有較大影響。以上研究豐富了對于漿液粘度時變特性的認知，也對漿液擴散模型的構建做了有益補充。但以上研究僅限于陸相巖土體注漿，漿液暴露于淡水環境，而受海水離子等因素的影響，相關研究結論無法直接應用于海底隧道注漿工程，需要展開針對性研究。

本研究選取注漿工程中普遍應用的水泥漿液，設計典型漿液配比，采用NDJ-8S數顯式旋轉粘度計測試漿液粘度時變規律，并對漿液在淡水和海水條件下的粘度時變特性進行了對比分析，對漿液在海水環境中的粘度時變規律進行了初探。

1 漿液粘度時變試驗設計

1.1 原材料

試驗選用水泥為山東山水水泥集團有限公司生產的42.5R普通硅酸鹽水泥，水泥品質符合《硅酸鹽水泥、普通硅酸鹽水泥》(GB 175—99)標準。

所使用水玻璃為臨沂市綠森化工有限公司生產，模數M=3.3。

1.2 試驗儀器的選用

粘度測量儀器選用力辰NDJ-8S在線式數顯旋轉粘度計如圖1所示，經過前期反復調試，使用2號轉子為宜，參數為60 r/min,滿量程500 mPa·s。

圖1 力辰NDJ-8S數顯旋轉粘度計Fig.1 Digital display rotational viscometer of lichen NDJ-8S

采用比重計配制鹽度為35‰的海水。

1.3 試驗方案設計

(1)將海鹽溶解于自來水并用比重計實時測量配制海水的濃度至天然海水的平均濃度。

(2)參照實際注漿工程常用配比，利用配制的海水按照水灰比W/C=1、1.5、1.75及2分別配制水泥漿液并用粘度計進行測量，同時進行錄像，測試過程如圖2所示。每間隔3 s讀取一個粘度數據并記錄，最后形成漿液粘度時變曲線。

圖2 水泥漿液粘度測量過程Fig.2 Measurement process of cement slurry viscosity

2 粘度時變試驗數據處理與分析

采用力辰NDJ-8S在線式數顯旋轉粘度計分別測量海水和淡水條件下水泥漿液的粘度，進行對比分析，并選出典型結果進行數據分析說明。

2.1 水泥單液漿粘度時變特性

分別測定了海水和淡水條件下設計配比水泥漿液粘度隨時間變化的數據，并繪制粘度時變曲線，分別如圖3和圖4所示。

圖3 海水條件下水泥漿液粘度時變曲線Fig.3 Time-dependent curves of cement slurry viscosity under seawater condition

圖4 淡水條件下水泥漿液粘度時變曲線Fig.4 Time-dependent curves of cement slurry viscosity under freshwater condition

分析海水和淡水條件下水泥漿液的粘度時變曲線，可將水泥漿液的粘度時變歷程劃分為三個階段：初始上升期、穩定期和上升期，如圖5所示。配制完成后，水泥漿液首先進入初始上升期，該階段漿液粘度值緩慢增加且粘度值較低；隨后水泥漿液粘度進入穩定期，該階段粘度值變化不大，且持續時間較長，由于粘度值整體較低，穩定期之前是漿液發生擴散行為的主要階段；進入上升期后，水泥漿液粘度迅速上升，該階段持續時間最長，但由于粘度值整體較高，在該階段漿液擴散范圍不會顯著增長。

圖5 水泥漿液粘度階段劃分示意圖Fig.5 Schematic diagram of cement slurry viscosity stage division

為甄別海水條件對于水泥漿液粘度時變特性的影響，將海水和淡水條件下不同配比漿液初始上升期、穩定期和上升期的持續時間和平均粘度值統計，如表1所示，并繪制海水和淡水條件下漿液配比對粘度時變歷程和粘度的影響規律，如圖6～圖9所示。

表1 水泥漿液各階段參數Table 1 Parameters of each stage of cement slurry

圖6 水灰比對漿液粘度時變歷程的影響規律(淡水)Fig.6 Effect of water-cement ratio on process for time-dependent of viscosity (freshwater)

圖7 水灰比對漿液粘度時變歷程的影響規律(海水)Fig.7 Effect of water-cement ratio on process for time-dependent of viscosity (seawater)

圖8 水灰比對漿液平均粘度的影響規律(淡水)Fig.8 Effect of water-cement ratio on average viscosity of slurry (freshwater)

圖9 水灰比對漿液平均粘度的影響規律(海水)Fig.9 Effect of water-cement ratio on average viscosity of slurry (seawater)

分析表1與圖6～圖9可獲得如下結論：(1)初始上升期階段，淡水條件下增加水灰比將縮短該階段持續時間，并使平均粘度值迅速降低，當水灰比由1增加至2,持續時間由64 s縮短至20 s，平均粘度由28.90 mPa·s降低至1.91 mPa·s，而海水條件下，增加水灰比將延長該階段持續時間，當水灰比由1增加至2,持續時間由33 s增加至46 s，粘度值同樣呈現降低趨勢，但相比于淡水條件，海水條件下水泥漿液初始上升期粘度較高。(2)穩定期階段，隨著水泥漿液水灰比的增加，該階段持續時間并無明顯變化規律，但平均粘度仍然呈逐漸下滑趨勢。當水灰比由1增加至2，淡水條件下粘度由48 mPa·s降低至10 mPa·s，而海水條件下由60 mPa·s降低至23 mPa·s。與淡水條件相比，相同配比下海水可顯著增加漿液粘度，在本試驗設計配比下，穩定期海水條件下漿液粘度相對淡水條件增加25%～172%。(3)上升期階段，隨著水泥漿液水灰比的增加，無論是在海水條件還是淡水條件，該階段持續時間和平均粘度呈現相同的變化規律，即持續時間逐漸延長，平均粘度逐漸降低。與初始上升期和穩定期相比，該階段漿液平均粘度值大幅提高,其中海水條件下可達236.81～266.97 mPa·s，相比前兩個階段可增加數十倍。(4)漿液在被注介質中的擴散行為主要發生在初始上升期和穩定期，上升期因漿液粘度驟增而擴散難度加大。海水條件下，漿液擴散的有效時間(初始上升期+穩定期)為189～300 s，當水灰比為1.75時，漿液的有效擴散時間最長。

2.2 粘度時變方程

根據試驗實測數據擬合獲取海水和淡水條件下水泥漿液粘度時變方程，可以用于理論分析、數值計算和工程實際中漿液擴散半徑和注漿壓力等參數的計算，具有重要價值。表2分別擬合了海水和淡水條件下代表性配比水泥漿液的粘度時變方程，并繪制了擬合曲線，如圖10和圖11所示，擬合方程采用多項式型式，通過對比分析，證明該擬合方式較為適宜。以期為相關計算提供參考。

表2 水泥漿液粘度時變方程Table 2 Time-dependent equation of cement slurry viscosity

圖10 海水條件下水泥漿液擬合曲線圖Fig.10 Fitting curves of cement slurry under seawater condition

圖11 淡水條件下水泥漿液擬合曲線圖Fig.11 Fitting curves of cement slurry under freshwater condition

根據擬合曲線圖及粘度時變方程的分析可知：(1)淡水條件下水泥漿液穩定期、上升期的粘度時變方程符合指數函數形式，而海水條件下水泥漿液穩定期、上升期的粘度時變方程符合多項式形式。(2)淡水條件下水泥漿液上升期的粘度隨著水灰比的增大，呈現出先增大后減小的趨勢，海水條件下水泥漿液上升期粘度隨著水灰比的增大，呈現出遞增的趨勢。

3 對于工程實際提出的指導建議

(1)海水環境的影響顯著增加了水泥漿液粘度，漿液粘滯性的增強將使得前進阻力顯著增加，進而縮短漿液擴散半徑。因此，相比于淡水條件，海水環境中漿液擴散半徑設計值應適當減小。同時，為保證漿液的有效擴散范圍，可采取適當增加注漿壓力增強擴散動力、提高水泥漿液水灰比提升流動性等措施。

(2)可以采用漿液擴散有效時間(初始上升期+穩定期)來表征漿液擴散范圍的變化趨勢，在本試驗設計配比條件下，海水環境中采用配合比1.75時漿液擴散有效時間最長，因此在工程設計中可以著重選用這一配比。

4 結 論

(1)海水條件下水泥漿液粘度時變過程可劃分為初始上升期、穩定期和上升期3個階段，且漿液主要在前兩個階段發生擴散，海水條件下，漿液擴散的有效時間(初始上升期+穩定期)為189～300 s，當水灰比為1.75時，漿液的有效擴散時間最長。

(2)海水環境的影響顯著增加了漿液粘度，穩定期海水條件下漿液粘度相對淡水條件增加25%～172%，基于試驗數據擬合獲取了海水條件下不同配比漿液的粘度時變方程。

(3)基于研究結論為工程實際提出了兩點建議：海水環境中漿液擴散半徑設計值應適當減小，可采取適當增加注漿壓力增強擴散動力、提高水泥漿液水灰比，提升流動性等措施保證漿液的有效擴散范圍；海水環境中采用配合比1.75時漿液擴散有效時間最長。