不同配合比水泥浆流动性试验研究

刘运思，肖坤浩，刘泽，马兆生

（1.湖南科技大学，湖南湘潭 411201；2.浙江省交通集团高速公路温州管理中心，浙江温州 325000）

0 引言

随着我国公路交通建设的不断发展，我们在追求效率时也更加注重工程质量安全。其中许多浆砌片石挡土墙随着运营时间长，墙面砂浆风化严重会出现垮塌、开裂以及整体强度低的问题[1]。在整治方案中不能中断交通、施工安全、施工条件、经济等因素的影响下，决定采用侧面注浆加固方法，因此，本文分析出不同含砂率水泥浆配比的运动黏度[2]为后续水泥浆的选取做依据。

其中张乔生[3]按照国家标准《混凝土外加剂匀质试验方法》（GB/T 8077—2012）中的相关要求，测定了以两种缓凝剂蔗糖和HNJ-10 为研究对象掺入之后水泥浆的流动性和力学性能的影响，结果表明缓凝剂蔗糖推荐最佳加量为2.0%，而缓凝剂HNJ-10 的最佳加量为1.0%。夏国辉等[4]研究了聚丙烯酰胺（PAM）对水泥浆体流动度的影响规律。欧志华等[5]采用NDJ-1B 型旋转黏度计分析了硫酸钠对纤维素醚溶液和纤维素醚改性水泥浆的黏度的影响，结果表明当硫酸钠超过一定比例时，可以使纤维素醚发生盐析，使纤维素醚失去对水泥浆的增黏作用；不同种类的纤维素醚，发生盐析时的最低硫酸钠掺量不同。王振华[6]主要研究掺入膨润土的低弹性模量水泥浆的流变性能。陈锡[7]测试水泥砂浆的流动度及水泥净浆的流变参数，研究石粉颗粒特性对水泥砂浆流动性的影响规律，结果表明不同颗粒级配的石粉对水泥净浆和砂浆流动性不同，颗粒越小，对流动度、塑性黏度和屈服应力的影响越显著。岳琴等[8]试验表面，通过调整合适配方及掺量，用丙烯酸羟乙酯表面活性剂与醇胺类外加剂混合，改进开发了一种新型流动型水泥外加剂。外加剂能够有效改善水泥粉体流动性，有利于防止水泥结库，且对水泥的物理性能无影响。因此，本文试验出水泥浆流动性能，分析出浆液在挡墙中流动性能为后续选取最佳配合比提供参考依据。

1 试验材料和方法

1.1 试验材料与仪器

细砂、32.5 级普通硅酸盐水泥、漏斗黏度计、秒表、电子秤、量筒等。

1.2 试样原理与方法

制备不同含砂率（0、15%、30%、40%、50%、60%）的水泥浆（水灰比1:0.5、1:0.75、1:1、1:1.25），采用1006 型泥浆黏度计测量其流动性。

基于流动性试验结果分析不同含砂率浆液流动性、动切力与时间，分析含砂率及水灰比对水泥浆流动性的影响。

1.3 水泥浆黏度试验

黏度试验主要步骤。

（1）先准备32.5 型号水泥和细砂（细度模数2.2~1.6、平均粒径为0.35~0.25mm）。

（2）按水灰比为1:0.5、1:0.75、1:1、1:1.25 分别对应不同含砂率（0、15%、30%、40%、50%、60%）来制备水泥浆，充分搅拌均匀。

（3）试验进行测量时采用1006 型号泥浆黏度计。先按上述比例称量适当的水、水泥、细砂，配置700mL水泥浆。固定好黏度计并且流水口用手指堵住，不让其流出；在将配备的500mL 量杯置于流出口下，然后放开堵住的出口手指，同时开动秒表，当流出的泥浆流满500mL 量筒即达到它的边缘，停止计时；记录下所用的时间，该时间为浆液的漏斗黏度，测砂浆黏度如图1 所示。同时按照式（1）计算出密度。

图1 测砂浆黏度

式中：ρ——水泥浆密度，kg/m3；m——水泥浆质量，kg；V——水泥浆体积，m3。

2 试验结果分析

探索水泥浆黏度发展规律。试验获得了不同水灰比和不同含砂率的水泥浆的漏斗黏度如图2 所示。

图2 不同配合比下水泥浆漏斗黏度变化

由于在后续浆液扩散半径和圆管中流动速度等计算中规范要求用的是浆液的动力黏度而不是漏斗黏度，因此二者可通过式（2）和式（3）进行换算。

式中：ν——试样运动黏度，mm2/s；A——试样漏斗黏度，s。

其中，动力黏度和运动黏度的关系式：

式中：μ——试样动力黏度，mPa·s；ρ——浆液密度，g/cm3。

其中各含砂率下水泥浆运动黏度与水灰比的关系曲线如图3 所示。还有4 种水灰比下水泥浆运动黏度与含砂率的关系曲线图如图4 所示。从中可知，总体上黏度随着水灰比和含砂率的增加而增加。

图3 不同含砂率下水灰比与水泥浆运动黏度关系曲线

图4 4 种水灰比下含砂率与水泥浆运动黏度关系曲线

从图3 可知，①纯水泥浆下（即含砂率0），运动黏度变化极小，当水灰比为1 时，几乎没有变化。其中一方面是水泥颗粒可以和水发生反应，并且由于重力下沉，使得有润滑作用的水分子充分聚集。另一方面水泥颗粒过小，本身黏聚力也不够。②含砂率0%~30%的3条曲线基本上变化不大，说明此时细砂并没有发挥很大作用。③40%和50%两条曲线可以看出，当水灰比中水比较多时，曲线比较平缓。随着水灰比减小，曲线斜率逐渐增大，呈非线性。④因此说明水泥掺量为30%以下时，对水泥浆的运动黏度影响和变化不大，从大于30%开始，水泥掺量对运动黏度的影响逐渐增加，其中60%时掺砂量最大。

从图4 可知，①在水灰比1:0.5 和1:0.75 时，曲线变化趋势相似，且运动黏度随着含砂率增加也基本变化不大。②而水灰比为1:1 和1:1.25 时，含砂率30%之前曲线平缓，斜率不变，大于30%之后，斜率便逐步增加，其中对于水灰比1:1 而言，在含砂率30%~50%，处于呈线性增加，斜率基本不变，即增长趋势不变，水灰比1:1.25 时，斜率有所波动，属于正常状态，总体依旧是持续增加。③大体上，在同一水灰比的条件下，当含砂率不大于30%时，含砂率增加黏度变化较小，曲线趋于平缓。但是当含砂率大于50%时，随着含砂率的增加黏度迅速增大，曲线斜率逐步增加，因此就流动性来说，含砂率60%不太适用于注浆实际工程中。

其中，黏度作为水泥浆流动性的一个参数，同时也是后续计算浆液扩散半径的一个主要指数，同时扩散半径和规律还和流型有关，如幂律流体、牛顿流体、宾汉流体等不同流型。

再将含砂率为0 也就是纯水泥浆单独拿出来，可得到纯水泥浆运动黏度与水灰比关系，如图5 所示。从中我们可以看出，当水灰比为0.8~1.4 之间时，随着水灰比增加水泥浆的运动黏度呈非线性减小。符合幂函数关系式。当水灰比1.4~2.0 时，随着水灰比的增加水泥浆运动黏度呈线性关系，直至接近于纯水的运动黏度，将会趋于平稳。此纯水泥浆的运动黏度曲线分析也可以为后续掺其他物质例如：粉煤灰、矿渣、或者黄土等物质与纯水泥浆做对比试验用于参考。

图5 纯水泥浆黏度与水灰比关系

当然，水泥浆流动性影响不仅仅只受到水灰比和含砂率，还有时间、温度等其他影响。因为有水泥水化反应过程影响，中间会释放热能，导致温度升高，而且会有凝固。因此通常水泥浆的黏度会随着水化温度升高和时间的延长而增大。

在水泥浆配合比中，水:水泥:细砂=3:3:4 较符合规范以及实际工程的流动性要求，且符合水灰比为1:0.5和1:0.75，含砂率为30%~50%，因此可得到该配合比下运动黏度和动力黏度。其中密度1.65g/cm3，因此其中运动黏度ν=0.08 189cm2·s-1和动力黏度μ=0.135mPa·s。当然具体水泥浆配合比还需要继续进行抗压、抗剪等试验操作，流动性指标结合其他指标，确定最佳注浆参数，同时也可以根据实际工程需要掺入适量的速凝剂或玻璃水，以此满足不同的流动半径。

3 结论

通过不同水灰比及含砂率的水泥浆的流动性进行试验，可以得出以下结论。①黏度随着掺砂率和水灰比的增加而增大，且当含砂率不大于30%时，含砂率增加黏度变化较小，含砂率到达50%时，黏度会增加较大。②含砂率为30%以下时，运动黏度基本上变化不大，因此逐渐范围比较宽广，但是浆液流失性也比较高，水泥浆利用率较低。当含砂率为60%时，运动黏度过大，水泥浆流动性较低，不利于浆液进行注浆加固墙体内部流动，因此含砂率选择30%~50%较合适。③而水灰比为1:0.5 和1:0.75 时，浆液运动黏度过小，容易造成浆液流失造成浪费。因此水灰比1:1 和1:1.25 比较适合注浆。④最终浆液配合比，还需考虑抗剪强度系数，抗压性能等其他所需方面，因此本文流动性试验研究可给后续实际研究需要提供参考。