CL-C型黏土水泥漿本構(gòu)關(guān)系及流變參數(shù)時(shí)變性研究

田慶浩，高崗榮，劉書(shū)杰

(1.煤炭科學(xué)研究總院建井研究分院，北京 100013；2.北京中煤礦山工程有限公司，北京 100013)

CL-C型黏土水泥漿是當(dāng)前注漿工程中應(yīng)用最為廣泛的注漿材料之一，由黏土漿及少量水泥、水玻璃組成。該漿液具有性價(jià)比高、可注性好、耐久性及堵水效果好等優(yōu)點(diǎn)，得到了廣泛地應(yīng)用[1-3]。注漿是一個(gè)持續(xù)的過(guò)程，探究漿液的本構(gòu)關(guān)系及表觀黏度、剪切應(yīng)力等流變參數(shù)隨時(shí)間的變化規(guī)律，對(duì)于研究漿液性質(zhì)以及漿液在裂隙擴(kuò)散的過(guò)程具有重要意義[4-16]。

漿液的本構(gòu)關(guān)系及流變性是指導(dǎo)研究漿液擴(kuò)散規(guī)律的重要基礎(chǔ)條件，但針對(duì)CL-C黏土水泥漿的研究仍較少且多未考慮時(shí)間因素的影響。本文擬針對(duì)CL-C型黏土水泥漿設(shè)計(jì)室內(nèi)試驗(yàn)，探究不同配比漿液的流變本構(gòu)模型，以確定黏土水泥漿流體類型。同時(shí)，考慮漿液攪拌時(shí)間及剪切速率因素的影響，研究漿液的表觀黏度及剪切應(yīng)力等流變參數(shù)的變化規(guī)律。

1 CL-C型黏土水泥漿流變?cè)囼?yàn)

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料包括：黏土、水泥和水玻璃。黏土取自施工現(xiàn)場(chǎng)，并經(jīng)實(shí)驗(yàn)室高速攪拌機(jī)造漿除砂(含砂量3%)后用于室內(nèi)試驗(yàn)，黏土成分及性能分析結(jié)果見(jiàn)表1。水泥為P·I 42.5硅酸鹽水泥。水玻璃為鈉質(zhì)水玻璃，濃度37°Bé。

表1 試驗(yàn)用黏土成分及性能分析結(jié)果

1.2 試驗(yàn)儀器

1)流變參數(shù)測(cè)試采用NXS-11型旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)，其主要技術(shù)指標(biāo)如下，剪切速率可調(diào)范圍(γ)：1.23～996s；表觀黏度(η)測(cè)量范圍：2.8～1.78×107mPa·s；剪切應(yīng)力(τ)測(cè)量范圍：27.67～2.2×104Pa。

2)攪拌儀器使用JJ-5型砂漿攪拌機(jī)，該攪拌機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)已配置黏土水泥漿較長(zhǎng)時(shí)間的連續(xù)攪拌。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)選取具有代表性的四種配比漿液，各配比見(jiàn)表2。

表2 試驗(yàn)配比

1.3.1 漿液流體本構(gòu)模型試驗(yàn)

按要求配置好各配比的黏土水泥漿液，通過(guò)旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)測(cè)試共十五個(gè)檔位的流變數(shù)據(jù)，每個(gè)檔位對(duì)應(yīng)不同的剪切速率γ，從讀數(shù)盤(pán)讀取對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)參數(shù)，經(jīng)過(guò)對(duì)該參數(shù)進(jìn)行計(jì)算處理，得到其對(duì)應(yīng)的剪切應(yīng)力及黏度值；然后根據(jù)該實(shí)驗(yàn)結(jié)果繪制γ-τ曲線，并進(jìn)行擬合處理，確定各配比漿液的本構(gòu)模型。

1.3.2 不同剪切速率下漿液表觀黏度、剪切應(yīng)力時(shí)變?cè)囼?yàn)

各配比漿液配置完成后，利用砂漿攪拌機(jī)進(jìn)行連續(xù)攪拌，根據(jù)漿液配比每0.5h或1h取樣一次進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)測(cè)定不同剪切速率下，一段時(shí)間內(nèi)的表觀黏度及剪切應(yīng)力數(shù)據(jù)。配比1、2，使用旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)A系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)，選擇1、10、15三個(gè)檔位，對(duì)應(yīng)15.5/s、249/s、996.1/s三級(jí)剪切速率。配比3使用旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)B系統(tǒng)，選擇5、10、15三個(gè)檔位，對(duì)應(yīng)10.22/s、51.08/s、204.3/s三級(jí)剪切速率。配比4使用C系統(tǒng)5、9、15檔位，對(duì)應(yīng)8.066/s、29.13/s、163.1/s三級(jí)剪切速率。試驗(yàn)完成后，分析各剪切速率條件下，漿液表觀黏度及剪切應(yīng)力隨時(shí)間的變化規(guī)律。

2 CL-C型黏土水泥漿試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 流體本構(gòu)關(guān)系簡(jiǎn)介

本構(gòu)方程的建立和流變參數(shù)的確定，是研究流體流動(dòng)和流變特性的基礎(chǔ)，對(duì)于部分非牛頓流體本構(gòu)關(guān)系的理論研究[17，18]：

1)賓漢流體其本構(gòu)方程可表述為：τ=τ0+ηpγ；τ0為屈服應(yīng)力，ηp為塑性黏度。

2)屈服假塑性流體有以下幾種模型：①H-B模型：就是將假塑流體加上屈服應(yīng)力，形如τ=τ0+Kγn；τ0為屈服應(yīng)力，K為稠度指數(shù)，n為冪律指數(shù)。②R-S模型：是一種三參數(shù)的流變模式，表達(dá)式為τ=A(γ-C)B，A為其稠度指數(shù)，B為流性指數(shù)、C為校正值。試驗(yàn)將根據(jù)以上理論模型，分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)，通過(guò)函數(shù)擬合的方法對(duì)CL-C型黏土水泥漿的本構(gòu)模型進(jìn)行研究，找到準(zhǔn)確描述CL-C型黏土水泥漿的本構(gòu)關(guān)系。

2.2 本構(gòu)模型試驗(yàn)結(jié)果分析

分析配比1試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，該漿液整體符合賓漢流體線性相關(guān)的特征，但屈服假塑性流型擬合程度也較高，配比1漿液γ-τ擬合曲線對(duì)比如圖1所示。從簡(jiǎn)化計(jì)算的角度考慮，認(rèn)為配比1漿液為賓漢流體。

圖1 配比1漿液γ-τ擬合曲線對(duì)比

分析配比2數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，在低剪切速率情況下漿液存在明顯假塑性特征，且集中在剪切速率γ<250/s的范圍內(nèi)；在高剪切速率部分也出現(xiàn)剪切應(yīng)力偏小導(dǎo)致偏離線性的賓漢曲線的現(xiàn)象，且γ-τ曲線凹向γ軸的曲率更大，屈服應(yīng)力較配比1增大，配比2漿液γ-τ擬合曲線對(duì)比如圖2所示。分析擬合數(shù)據(jù)，同時(shí)考慮相關(guān)系數(shù)及簡(jiǎn)化計(jì)算等原因，認(rèn)為整體上仍可以將該配比漿液認(rèn)定為賓漢流體進(jìn)行計(jì)算。

圖2 配比2漿液γ-τ擬合曲線對(duì)比

分析試驗(yàn)曲線發(fā)現(xiàn)，配比3漿液較前兩種配比，屈服應(yīng)力增加，同時(shí)曲率更大，配比3漿液γ-τ擬合曲線對(duì)比如圖3所示。在整個(gè)試驗(yàn)數(shù)據(jù)范圍，均出現(xiàn)了不同程度的偏離線性賓漢流體的數(shù)據(jù)，同時(shí)參考擬合相關(guān)系數(shù)也出現(xiàn)了0.02左右的差值。因此，認(rèn)為配比3漿液為屈服假塑性流體，且對(duì)于兩種流變模型R-S模型與H-B模型，兩者均具有較高的擬合度。

圖3 配比3漿液γ-τ擬合曲線對(duì)比

因?yàn)闈{液黏度的提高以及旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)量程的限制，配比4漿液采用剪切速率范圍略小于A系統(tǒng)的B系統(tǒng)進(jìn)行了流變?cè)囼?yàn)。從數(shù)據(jù)曲線可知，該配比漿液線性特征已不明顯，非線性特征顯著，屈服強(qiáng)度進(jìn)一步增大，配比4漿液γ-τ擬合曲線對(duì)比如圖4所示。結(jié)合擬合數(shù)據(jù)相關(guān)系數(shù)可以認(rèn)為配比4漿液屬屈服假塑性流體，同樣的H-B模型與R-S模型均擬合度較高。

圖4 配比4漿液γ-τ擬合曲線對(duì)比

綜上所述，隨著剪切速率的增加，黏土水泥漿的剪切應(yīng)力隨之增長(zhǎng)，兩者之間存在明顯的相關(guān)性。密度及黏稠度較低配比漿液線性相關(guān)特征明顯，但隨著黏土水泥漿配比黏稠度的增加，非線性特征則越來(lái)越顯著，同時(shí)各配比漿液均存在一定的屈服應(yīng)力。通過(guò)擬合曲線分析并從簡(jiǎn)化計(jì)算的角度，認(rèn)為線性特征更明顯的配比1、2符合賓漢流體的本構(gòu)模型，配比3、4漿液則更符合非線性的屈服假塑性流體本構(gòu)模型。

2.3 表觀黏度及剪切應(yīng)力時(shí)變性試驗(yàn)結(jié)果分析

注漿過(guò)程中，漿液在攪拌池呈連續(xù)攪拌狀態(tài)，以供注漿泵直接抽取。隨著注漿泵流量的不同，漿液注入速度亦隨之變化且處于運(yùn)動(dòng)剪切狀態(tài)。因此，在研究CL-C型黏土水泥漿的表觀黏度及剪切應(yīng)力時(shí)變性規(guī)律時(shí)，利用小型砂漿攪拌機(jī)對(duì)已配置好漿液連續(xù)攪拌，并隔0.5h或1h取樣測(cè)量其在不同剪切速率下的表觀黏度及剪切應(yīng)力大小。

根據(jù)配比1漿液試驗(yàn)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，隨著攪拌時(shí)間的增加，各剪切速率下的表觀黏度及剪切應(yīng)力亦隨之增加，且呈現(xiàn)非線性相關(guān)特征，配比1漿液表觀黏度及剪切應(yīng)力時(shí)變擬合曲線如圖5所示。分析數(shù)據(jù)后，通過(guò)指數(shù)函數(shù)η(t)=AeBt對(duì)時(shí)變曲線進(jìn)行擬合處理，擬合度較高，相關(guān)系數(shù)均在0.95以上。因此，認(rèn)為CL-C型黏土水泥漿在連續(xù)攪拌狀態(tài)下，表觀黏度及剪切應(yīng)力增長(zhǎng)規(guī)律符合指數(shù)型增長(zhǎng)規(guī)律。

在不同剪切速率條件下，隨著剪切速率的增高，漿液的表觀黏度則隨之減小，且曲線斜率所表征的隨時(shí)間的增長(zhǎng)速度也隨之減??；而剪切應(yīng)力則恰恰相反，隨剪切速率增加表觀黏度隨之增加，增長(zhǎng)速度也隨之變大。

圖5 配比1漿液表觀黏度及剪切應(yīng)力時(shí)變擬合曲線

配比2漿液在表觀黏度及剪切應(yīng)力的時(shí)變規(guī)律上，通過(guò)擬合分析同樣符合指數(shù)型的增長(zhǎng)規(guī)律，如圖6所示。其表觀黏度隨剪切速率的增大而減小，且表觀黏度的增速隨剪切速率的增大而變小。而剪切速率對(duì)剪切應(yīng)力的影響則與表觀黏度相反。

圖6 配比2漿液表觀黏度及剪切應(yīng)力時(shí)變擬合曲線

綜合1、2兩種配比漿液的時(shí)變曲線可發(fā)現(xiàn)，在高剪切速率條件下表觀黏度的增長(zhǎng)是十分緩慢的，且保持在較低的黏度水平接近于線性增長(zhǎng)。這說(shuō)明在高剪切狀態(tài)下，漿液處在相對(duì)黏度較低且穩(wěn)定的狀態(tài)。因此，注漿過(guò)程中需根據(jù)地下裂隙含水情況合理的選擇注漿速度。在地層裂隙含水量大的地層應(yīng)先選擇黏度更大的漿液，并減緩注漿速度，一段時(shí)間后，隨著漿液黏度的上升再逐步提高注漿速度。

配比3漿液采用旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)B系統(tǒng)進(jìn)行時(shí)變?cè)囼?yàn)，剪切速率測(cè)量范圍比1、2配比小，配比3漿液表觀黏度及剪切應(yīng)力時(shí)變擬合曲線如圖7所示。同樣地，配比3漿液的表觀黏度及剪切應(yīng)力隨時(shí)間的變化仍符合指數(shù)型的增長(zhǎng)規(guī)律，表觀黏度隨剪切速率的增大而減小且增長(zhǎng)速度變的緩慢，剪切應(yīng)力則與之相反。

圖7 配比3漿液表觀黏度及剪切應(yīng)力時(shí)變擬合曲線

配比4漿液采用旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)C系統(tǒng)試驗(yàn)。漿液的表觀黏度及剪切應(yīng)力隨時(shí)間的變化符合指數(shù)型的增長(zhǎng)規(guī)律，但對(duì)比1、2、3配比漿液，其不同剪切速率下表觀黏度增長(zhǎng)相對(duì)較平緩，如圖8所示。表觀黏度隨剪切速率的增大而減小且增長(zhǎng)速度變的緩慢，但區(qū)別不明顯，剪切應(yīng)力與之相反。

圖8 配比4漿液表觀黏度及剪切應(yīng)力時(shí)變擬合曲線

綜合分析各配比漿液，可知CL-C型黏土水泥漿漿液表觀黏度及剪切應(yīng)力存在時(shí)變性，且隨時(shí)間的延長(zhǎng)而增加。分析流變參數(shù)曲線并通過(guò)數(shù)據(jù)擬合處理，發(fā)現(xiàn)其表觀黏度及剪切應(yīng)力時(shí)變性的增長(zhǎng)規(guī)律符合指數(shù)型分布。剪切速率對(duì)漿液時(shí)變性的影響顯著，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果可知同一配比漿液的表觀黏度是隨剪切速率的提高而減小的，且表觀黏度的增長(zhǎng)速度隨之減小的，剪切速率對(duì)剪切應(yīng)力的影響則與表觀黏度相反。

3 結(jié) 論

1)CL-C型黏土水泥漿屬非牛頓流體，不同配比漿液的流變本構(gòu)模型也有所不同，部分配比漿液賓漢特征更明顯，符合賓漢流型τ=τ0+ηpγ，而部分較稠配比漿液則更符合屈服假塑性流體特征，分析了H-B及R-S兩種描述屈服假塑性流體的模型，擬合程度均較高。

2)通過(guò)分析各配比漿液時(shí)變?cè)囼?yàn)，認(rèn)為CL-C型黏土水泥漿的流變參數(shù)受剪切速率影響，且在低剪切速率條件下，表觀黏度更大且增長(zhǎng)更快速，而高剪切速率條件下則與之相反。漿液表觀黏度及剪切應(yīng)力存在時(shí)變性規(guī)律，且符合指數(shù)增長(zhǎng)模式η(t)=AeBt及τ(t)=AeBt。

3)指出了表觀黏度的增長(zhǎng)是與漿液配比以及注漿速度緊密相關(guān)的，在設(shè)計(jì)注漿量較大的區(qū)域或地層，可以通過(guò)控制注漿速度在較高水平，同時(shí)選用較稀配比的漿液，以保持漿液在低表觀黏度狀態(tài)，延長(zhǎng)可注漿時(shí)間，從而達(dá)到設(shè)計(jì)注漿量。對(duì)于地層裂隙含水量大的地層，應(yīng)先選擇黏度更大的漿液并減緩注漿速度，隨著漿液黏度的上升再逐步提高注漿速度。CL-C型黏土水泥漿上述性質(zhì)對(duì)于指導(dǎo)實(shí)際注漿工程中注漿漿液配比、注漿速度及泵量的選擇具有現(xiàn)實(shí)意義。