Rheological Properties and Diffusion Mechanism of Cement-Based Slurries with Different Water-Cement Ratios

doi:10.12068/j.issn.1005-3026.2025.20240114

Abstract

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

CLC Number:

TD 745

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.

Figures/Tables 12

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

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

Fig.1 Experimental process for slurry flow characteristics

Fig.2 Slurry performance parameters

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

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

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	$η (t) = 76.625 62 + 21.679 18 e 0.397 25 t$

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	$η (t) = 76.625 62 + 21.679 18 e 0.397 25 t$

Fig.4 Variation curves of viscosity time-dependent parameters

Fig.5 Slurry diffusion algorithm

Fig.6 Grouting diffusion calculation diagram

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

Fig.7 Grouting pressure at specified diffusion radius

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

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