不同水灰比水泥基浆液流变特性与扩散机理

doi:10.12068/j.issn.1005-3026.2025.20240114

摘要/Abstract

摘要：

为了研究岩土与采矿工程中注浆材料的扩散机理，分析了5种水灰比条件下3种水泥基浆液的流变性能.基于浆液黏度时变特性和裂隙岩体特性，建立注浆浆液扩散的理论计算模型，阐明不同水泥基浆液的扩散机理.结果表明：纳米硅溶胶复合体系浆液的密度较小（1.25~1.35 g/cm³），流动度较高（260~425 mm）；矿渣-粉煤灰和氧化石墨烯复合体系的析水率较低（ $<$ 30%），稳定性较好；浆液黏度具有时变特性，拟合函数为 $η (t) = η 0 + k a e k b t$ ，且随着水灰比增大，浆液的黏度时变特性减弱；通过计算程序获得了3种浆液的扩散半径，揭示了浆液的注浆压力、种类及水灰比的共同影响；在相同扩散距离下注浆压力与黏度时变特性呈正相关；氧化石墨烯复合体系在给定距离下所需注浆压力最小，更易于扩散.

关键词: 裂隙岩体, 注浆浆液, 水灰比, 流变特性, 扩散半径

Abstract:

In order to study the diffusion mechanism of grouting materials in geotechnical and mining engineering， the rheological properties of three types of cement-based slurries under five water-cement ratios were analyzed. Based on the time-dependent viscosity of the slurry and the characteristics of fractured rock masses， a theoretical calculation model for grouting slurry diffusion was established to elucidate the diffusion mechanisms of different cement-based slurries. The results indicate that the slurry of the nano-silica sol composite system has a relatively low density（1.25~1.35 g/cm³）and high fluidity （260~425 mm）. The slag-fly ash and graphene oxide composite systems exhibit low bleeding rates（ $<$ 30%）and good stability. The viscosity of the slurry demonstrates time-dependent characteristics， with a fitting function（ $η (t) = η 0 + k a e k b t$ ）. Time-dependent characteristics weakens as the water-cement ratio increases. The diffusion radii of the three slurries are obtained through computational procedures， revealing that grouting pressure， slurry type， and water-cement ratio collectively influence the diffusion. Under the same diffusion distance， grouting pressure is positively correlated with the time-dependent viscosity characteristics. The graphene oxide composite system requires the least grouting pressure at a given distance， making it easier to diffuse.

Key words: fractured rock mass, grouting slurry, water-cement ratio, rheological property, diffusion radius

中图分类号:

TD 745

李连崇, 王旖藤, 牟文强, 刘洪磊. 不同水灰比水泥基浆液流变特性与扩散机理[J]. 东北大学学报（自然科学版）, 2025, 46(12): 104-115.

Lian-chong LI, Yi-teng WANG, Wen-qiang MU, Hong-lei LIU. Rheological Properties and Diffusion Mechanism of Cement-Based Slurries with Different Water-Cement Ratios[J]. Journal of Northeastern University(Natural Science), 2025, 46(12): 104-115.

图/表 12

表1 试验原材料性能参数

Table 1 Performance parameters of raw material for experiment

PO42.5R 硅酸盐水泥	外观形态	烧失量	水泥细度	标准稠度水量/%		氧化硫质量分数/%		初凝时间		终凝时间
	外观形态	g	mm	标准稠度水量/%		氧化硫质量分数/%		min		min
	浅灰色粉末	3.71	0.002 5	26.6		2.44		199		263
S95 矿渣粉	外观形态	纯度	规格型号	粒度/μm		密度/(g·cm^-3)		白度/%		抗弯强度
	外观形态	%	规格型号	粒度/μm		密度/(g·cm^-3)		白度/%		MPa
	浅灰色粉末	90	S95	325		2.3 g		23.8		5
粉煤灰	外观形态	密度/(g·cm^-3)		导热系数		吸声系数		抗压强度/MPa
粉煤灰	灰色粉末状	2.65		3		6		9
氧化石墨烯	材料名称	外观形态	纯度	层数	厚度	片层直径	碳质量分数/%	氧质量分数/%	硫质量分数/%	可剥离单层率/%	干燥工艺
	材料名称	外观形态	%	层数	nm	μm	碳质量分数/%	氧质量分数/%	硫质量分数/%	可剥离单层率/%	干燥工艺
	工业级单层氧化石墨烯	黑褐色粉末	$>$ 95	1~2	$<$ 1	10~50	$<$ 48	$>$ 42	$<$ 2	$>$ 96	低温干燥
纳米硅溶胶	型号标准	SiO₂质量分数/%	Na₂O质量分数/%	粒径/nm		密度/(g·cm^-3) (20 ℃)		pH		黏度/(mPa·s) (20 ℃)
纳米硅溶胶	JN-30	30±1	≤0.3	8~15		1.15~1.17		9.0~10.0		≤10

表1 试验原材料性能参数

Table 1 Performance parameters of raw material for experiment

PO42.5R 硅酸盐水泥	外观形态	烧失量	水泥细度	标准稠度水量/%		氧化硫质量分数/%		初凝时间		终凝时间
	外观形态	g	mm	标准稠度水量/%		氧化硫质量分数/%		min		min
	浅灰色粉末	3.71	0.002 5	26.6		2.44		199		263
S95 矿渣粉	外观形态	纯度	规格型号	粒度/μm		密度/(g·cm^-3)		白度/%		抗弯强度
	外观形态	%	规格型号	粒度/μm		密度/(g·cm^-3)		白度/%		MPa
	浅灰色粉末	90	S95	325		2.3 g		23.8		5
粉煤灰	外观形态	密度/(g·cm^-3)		导热系数		吸声系数		抗压强度/MPa
粉煤灰	灰色粉末状	2.65		3		6		9
氧化石墨烯	材料名称	外观形态	纯度	层数	厚度	片层直径	碳质量分数/%	氧质量分数/%	硫质量分数/%	可剥离单层率/%	干燥工艺
	材料名称	外观形态	%	层数	nm	μm	碳质量分数/%	氧质量分数/%	硫质量分数/%	可剥离单层率/%	干燥工艺
	工业级单层氧化石墨烯	黑褐色粉末	$>$ 95	1~2	$<$ 1	10~50	$<$ 48	$>$ 42	$<$ 2	$>$ 96	低温干燥
纳米硅溶胶	型号标准	SiO₂质量分数/%	Na₂O质量分数/%	粒径/nm		密度/(g·cm^-3) (20 ℃)		pH		黏度/(mPa·s) (20 ℃)
纳米硅溶胶	JN-30	30±1	≤0.3	8~15		1.15~1.17		9.0~10.0		≤10

图1 浆液流动特性试验过程

Fig.1 Experimental process for slurry flow characteristics

图2 浆液性能参数（a）—浆液密度；（b）—浆液流动度；（c）—浆液析水率.

Fig.2 Slurry performance parameters

图3 不同水灰比下水泥基浆液黏度时变曲线（a）—SF复合体系；（b）—GO复合体系；（c）—NS复合体系.

Fig.3 Time-dependent viscosity curves of cement-based slurries with different water-cement ratios

表2 黏度时变函数拟合结果

Table 2 Function fitting results for time-dependent viscosity

复合体系	水灰比	η₀/(mPa·s)	k_a	k_b	拟合优度R²
SF	0.8	427.296 72	59.508 70	0.044 58	0.992 75
	1.0	126.453 17	48.292 98	0.025 26	0.990 24
	1.2	119.024 67	41.574 14	0.034 01	0.994 11
	1.4	108.891 45	39.289 15	0.023 63	0.975 05
	1.6	98.880 28	32.258 44	0.020 93	0.993 15
GO	0.8	307.336 46	42.987 24	0.048 42	0.996 73
	1.0	114.169 16	40.866 73	0.036 40	0.996 92
	1.2	113.485 38	21.885 44	0.028 63	0.962 95
	1.4	95.473 79	19.289 15	0.024 86	0.994 98
	1.6	80.081 87	25.264 75	0.018 47	0.974 69
NS	0.8	239.998 83	55.031 83	0.061 91	0.985 94
	1.0	162.512 73	49.072 06	0.044 89	0.995 04
	1.2	121.936 01	35.158 25	0.052 74	0.987 20
	1.4	93.861 27	23.713 38	0.044 63	0.997 48
	1.6	76.625 62	21.679 18	0.039 72	0.988 41

表 3 黏度函数表达式

Table 3 Viscosity function expressions

复合体系	水灰比	黏度时变函数
SF	0.8	$η (t) = 427.296 72 + 59.508 7 e 0.044 58 t$
	1.0	$η (t) = 126.453 17 + 48.292 98 e 0.025 26 t$
	1.2	$η (t) = 119.024 67 + 41.574 14 e 0.034 01 t$
	1.4	$η (t) = 108.891 45 + 39.289 15 e 0.023 63 t$
	1.6	$η (t) = 98.880 28 + 32.258 44 e 0.020 93 t$
GO	0.8	$η (t) = 307.336 46 + 42.987 24 e 0.048 42 t$
	1.0	$η (t) = 114.169 16 + 40.866 73 e 0.036 40 t$
	1.2	$η (t) = 113.485 38 + 21.885 44 e 0.028 63 t$
	1.4	$η (t) = 95.473 79 + 19.289 15 e 0.024 86 t$
	1.6	$η (t) = 80.081 87 + 25.264 75 e 0.018 47 t$
NS	0.8	$η (t) = 239.998 83 + 55.031 83 e 0.061 91 t$
	1.0	$η (t) = 162.512 73 + 49.072 06 e 0.044 89 t$
	1.2	$η (t) = 121.936 01 + 35.158 25 e 0.052 74 t$
	1.4	$η (t) = 93.861 27 + 23.713 38 e 0.044 63 t$
	1.6	$η (t) = 76.625 62 + 21.679 18 e 0.397 25 t$

表 3 黏度函数表达式

Table 3 Viscosity function expressions

复合体系	水灰比	黏度时变函数
SF	0.8	$η (t) = 427.296 72 + 59.508 7 e 0.044 58 t$
	1.0	$η (t) = 126.453 17 + 48.292 98 e 0.025 26 t$
	1.2	$η (t) = 119.024 67 + 41.574 14 e 0.034 01 t$
	1.4	$η (t) = 108.891 45 + 39.289 15 e 0.023 63 t$
	1.6	$η (t) = 98.880 28 + 32.258 44 e 0.020 93 t$
GO	0.8	$η (t) = 307.336 46 + 42.987 24 e 0.048 42 t$
	1.0	$η (t) = 114.169 16 + 40.866 73 e 0.036 40 t$
	1.2	$η (t) = 113.485 38 + 21.885 44 e 0.028 63 t$
	1.4	$η (t) = 95.473 79 + 19.289 15 e 0.024 86 t$
	1.6	$η (t) = 80.081 87 + 25.264 75 e 0.018 47 t$
NS	0.8	$η (t) = 239.998 83 + 55.031 83 e 0.061 91 t$
	1.0	$η (t) = 162.512 73 + 49.072 06 e 0.044 89 t$
	1.2	$η (t) = 121.936 01 + 35.158 25 e 0.052 74 t$
	1.4	$η (t) = 93.861 27 + 23.713 38 e 0.044 63 t$
	1.6	$η (t) = 76.625 62 + 21.679 18 e 0.397 25 t$

图4 黏度时变参数变化曲线（a）—时变参数ka；（b）—时变参数kb；（c）—初始黏度η0.

Fig.4 Variation curves of viscosity time-dependent parameters

图5 浆液扩散运算算法（a）—浆液扩散过程；（b）—浆液扩散参数分布.

Fig.5 Slurry diffusion algorithm

图6 注浆扩散计算图

Fig.6 Grouting diffusion calculation diagram

表4 主要计算参数

Table 4 Main calculation parameters

扩散距离/cm	距离等分数量n	方向角等分数量m	注浆孔径/cm	q/(L·s^-1)	平均隙宽b_ave/cm	p₀/kPa
100	1 000	4	2	0.2	0.2	0

图7 指定扩散半径下的注浆压力（a）—SF复合体系浆液扩散；（b）—GO复合体系浆液扩散；（c）—NS复合体系浆液扩散.

Fig.7 Grouting pressure at specified diffusion radius

图8 不同水灰比下浆液的注浆压力（a）—水灰比0.8；（b）—水灰比1.0；（c）—水灰比1.2；（d）—水灰比1.4；（e）—水灰比1.6.

Fig.8 Grouting pressure of slurries with different water-cement ratios

参考文献 26

[1]	刘红彬，唐伟奇，肖凯璐，等. 水泥基注浆材料的研究进展［J］. 混凝土， 2016（3）： 71-75.
	Liu Hong-bin， Tang Wei-qi， Xiao Kai-lu， et al. Research progress of cement-based grouting materials［J］. Concrete， 2016（3）： 71-75.
[2]	da Rocha G S， Ferrara L， Sánchez L， et al. A comprehensive review of cementitious grouts： composition， properties， requirements and advanced performance［J］. Construction and Building Materials， 2023， 375： 130991.
[3]	Sajwan K S， Twardowska I， Punshon T， et al. Coal combustion by-products and environmental issues［M］．New York： Springer，2006．
[4]	胡少银，刘泉声，李世辉，等. 裂隙岩体注浆理论研究进展及展望［J］. 煤炭科学技术， 2022， 50（1）： 112-126.
	Hu Shao-yin， Liu Quan-sheng， Li Shi-hui， et al. Advance and review on grouting critical problems in fractured rock mass［J］. Coal Science and Technology， 2022， 50（1）： 112-126.
[5]	李颖，吴保华，倪文，等. 矿渣-钢渣-石膏体系早期水化反应中的协同作用［J］. 东北大学学报（自然科学版）， 2020， 41（4）： 581-586.
	Li Ying， Wu Bao-hua， Ni Wen， et al. Synergies in early hydration reaction of slag-steel slag-gypsum system［J］. Journal of Northeastern University（Natural Science）， 2020， 41（4）： 581-586.
[6]	Zhang S， Qiao W G， Chen P C， et al. Rheological and mechanical properties of microfine-cement-based grouts mixed with microfine fly ash， colloidal nanosilica and superplasticizer［J］. Construction and Building Materials， 2019， 212： 10-18.
[7]	Lu C， Lu Z Y， Li Z J， et al. Effect of graphene oxide on the mechanical behavior of strain hardening cementitious composites［J］. Construction and Building Materials，2016，120： 457-464.
[8]	Gao Y， Jing H W， Fu G P，et al. Studies on combined effects of graphene oxide-fly ash hybrid on the workability，mechanical performance and pore structures of cementitious grouting under high W/C ratio［J］. Construction and Building Materials，2021，281：122578.
[9]	Ling X Z， Guo X Y， Zhong J， et al. Investigation of the effect of graphene oxide on the properties and microstructure of clay-cement composite grouting materials［J］. Materials， 2022， 15（5）：1623.
[10]	Zhao X G， Yang Z Q， Meng X R， et al. Study on mechanism and verification of columnar penetration grouting of time-varying Newtonian fluids［J］. Processes， 2023， 11（4）：1151.
[11]	阮文军.注浆扩散与浆液若干基本性能研究［J］.岩土工程学报， 2005， 27（1）：69-73.
	Ruan Wen-jun. Research on diffusion of grouting and basic properties of grouts［J］. Chinese Journal of Geotechnical Engineering， 2005， 27（1）：69-73.
[12]	Zhang Q S， Zhang L Z， Liu R T， et al. Grouting mechanism of quick setting slurry in rock fissure with consideration of viscosity variation with space［J］. Tunnelling and Underground Space Technology， 2017， 70 ：262-273.
[13]	Xie L Z， Gao C， Ren L， et al. Numerical investigation of geometrical and hydraulic properties in a single rock fracture during shear displacement with the Navier-Stokes equations［J］. Environmental Earth Sciences， 2015， 73（11）： 7061-7074.
[14]	Hao M M， Wang F M， Li X L， et al. Numerical and experimental studies of diffusion law of grouting with expansible polymer［J］. Journal of Materials in Civil Engineering， 2018， 30（2）： 04017290.
[15]	Crandall D， Bromhal G， Karpyn Z T. Numerical simulations examining the relationship between wall-roughness and fluid flow in rock fractures［J］. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences， 2010， 47（5）： 784-796.
[16]	Mu W Q， Li L C， Yang T H， et al. Numerical calculation and multi-factor analysis of slurry diffusion in an inclined geological fracture［J］. Hydrogeology Journal， 2020， 28（3）： 1107-1124.
[17]	Chi M C， Liu Y C. Effects of fly ash/slag ratio and liquid/binder ratio on strength of alkali-activated fly ash/slag mortars［J］. Applied Mechanics and Materials， 2013， 377： 50-54.
[18]	高远，靖洪文，喻梓轩，等.氧化石墨烯和水泥基复合注浆材料胶结碎石的力学性能试验研究［J］.岩石力学与工程学报， 2022， 41（9）： 1898-1909.
	Gao Yuan， Jing Hong-wen， Yu Zi-xuan， et al. Experimental study on the mechanical properties of crushed stone cemented by graphene oxide and cement-based composite grouting materials［J］. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering， 2022， 41（9）： 1898-1909.
[19]	Barbhuiya G H， Moiz M A， Hasan S D， et al. Effects of the nanosilica addition on cement concrete： a review［J］. Materials Today： Proceedings， 2020， 32： 560-566.
[20]	von Bronk T， Haist M， Lohaus L. The influence of bleeding of cement suspensions on their rheological properties［J］. Materials， 2020， 13（7）： 1609.
[21]	孙晓明，陈峰，梁广峰，等. 防膨胀软岩注浆材料试验及应用研究［J］.岩石力学与工程学报， 2017， 36（2）： 457-465.
	Sun Xiao-ming， Chen Feng， Liang Guang-feng， et al. Experimental and application research on grouting material for preventing swelling of soft rock ［J］. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering， 2017， 36（2）： 457-465.
[22]	温震江，高谦，王永定，等. 不同浓度料浆流变特性与混合骨料级配相关性试验［J］. 东北大学学报（自然科学版）， 2020， 41（5）： 642-648.
	Wen Zhen-jiang， Gao Qian， Wang Yong-ding， et al. Experiment on correlation between rheological properties of filling slurry with different mass concentration and mixed aggregate gradation ［J］. Journal of Northeastern University （Natural Science）， 2020， 41（5）： 642-648.
[23]	El-Hassan H， Shehab E， Al-Sallamin A. Effect of curing regime on the performance and microstructure characteristics of alkali-activated slag-fly ash blended concrete［J］. Journal of Sustainable Cement-Based Materials， 2021， 10（5）： 289-317.
[24]	Shang Y， Zhang D， Yang C， et al. Effect of graphene oxide on the rheological properties of cement pastes［J］. Construction and Building Materials， 2015， 96： 20-28.
[25]	章敏，王星华，汪优. Herschel-Bulkley浆液在裂隙中的扩散规律研究［J］. 岩土工程学报， 2011， 33（5）： 815-820.
	Zhang Min， Wang Xing-hua， Wang You. Diffusion of Herschel-Bulkley slurry in fractures［J］. Chinese Journal of Geotechnical Engineering， 2011，33（5）： 815-820.
[26]	牟文强. 裂隙岩体劈裂注浆浆液扩散流固耦合机理研究［D］. 沈阳：东北大学， 2021.
	Mu Wen-qiang. Study on fluid-solid coupling mechanism of split grouting slurry diffusion in fractured rock mass ［D］. Shenyang： Northeastern University， 2021.