1.2 湿磨细水泥浆液的特性

1.2.1 湿磨细水泥浆液的流变性

浆液在介质体中流动时按其流线形态一般可分为层流和紊流两种。当浆液流速较小时，流线相互平行，称为层流；当流速较大时，流线相互混掺，称为紊流。区分两种流态的指标是雷诺数。试验证明，雷诺数在10附近时，层流状态开始破坏。一般条件下浆液和浆液的运动均属于层流。一般情况水在介质体中的运动规律和浆液的运动规律非常相似，不同之处是浆液具有黏度，不像水那样容易流动。浆液的流变性反映了浆液在外力作用下的流动性，浆液的流动性越好，浆液流动过程中压力损失越小，浆液在岩体中扩散得越远。反之，浆液流动过程中压力损失大，浆液不易扩散。

根据不同灌浆材料浆液的流变性按时间效应和其力学特性曲线分类如表1-2所示。

各种与时间无关的流体的流变曲线参见图1-6。

从图1-6中可以看出牛顿流体和宾汉姆流体的流变曲线是比较简单的直线，也是灌浆常用的两种流体。牛顿流体是单相的均匀体系，水和多数化学浆液以及比较稀的水泥浆液属于牛顿流体。宾汉姆流体是具有固相颗粒的非均匀流体（泥浆、水泥浆），它是悬浮液的典型特征，湿磨细水泥浆液属于宾汉姆流体。其他的非线性流体，随着剪切速率增大，表观黏度下降，称为假塑性流体，流动过程中表现为剪切稀释；当随着剪切速率的升高，其表观黏度增大，称为膨胀流体，流动过程中表现为剪切稠化。

1.2.2 湿磨细水泥浆液的黏性

湿磨细水泥浆液的黏度是指水与水泥混合好后的静态黏性。由于湿磨细水泥浆液不是以一定的黏度向地层渗透。浆液在凝结之前，其黏度随外力和时间变化。一般用浆液的流变方程及曲线描述浆液的流动变形特性，并将其用于渗透性理论公式，考虑对灌浆参数的影响。

湿磨细水泥浆液是典型的宾汉姆塑性流体，其流变曲线是不通过原点的直线，流体具有这种性质是由于流体含有一定的颗粒浓度，在静止状态下形成颗粒之间的内部结构。在外部施加的剪切力很小时，浆液只会产生类似于固体的弹性。当剪切力达到破坏结构后（超过凝聚力），浆体才会发生类似于牛顿流体的流动，浆液的这种性质被称为塑性。宾汉姆流体的流变方程表达式为：

式中：τ为剪切应力，Pa; τ0为静剪切应力，Pa; γ为剪切速率或流速梯度，S-1; μp为塑性黏度，Pa·s。

所以，宾汉姆流体比牛顿流体具有较高的流动阻力，灌注湿磨细水泥浆液时需要较大的压力，浆液才能扩散较远。对于湿磨细水泥浆液，当水灰比大于1时，属于牛顿流体；当水灰比小于1时，属于宾汉姆流体。

1.2.3 湿磨细水泥浆液的析水性

人们知道，水泥浆是由液体的水和固体的水泥颗粒混合起来的悬浮液体，属粗分散体系，水泥浆的流动属两相流。由于水泥的比重为水的3倍以上，水泥颗粒只是暂时的悬浮在其中，它时时刻刻保持着“挣脱”趋势。它之所以能暂时地悬浮，是因为在搅拌机中浆液受到机械地“搅混”，在输浆管道中则是被高流速紊流中的垂直脉动流速所卷起，一旦对水泥浆停止搅拌，或当它的流动速度降低到一定程度（譬如层流状态）后，水泥颗粒便会从浆液中挣脱出来，向底部沉积。这是水泥浆以及其他悬浮型浆液的特点。实际上，正是水泥浆的这一特点，才导致了浆体中多余水分的被排除，使这种材料的灌浆工作能取得成功。

在不同流动状态下水泥浆液的沉淀速度是不一样的，静止状态和层流时速度最快，过渡流态次之，紊流时速度最慢。通常湿磨细水泥浆液在管道中输送和在大裂隙中作高流速流动时，多表现为紊流；而在细裂隙中和其他慢速流动中，主要表现为层流。紊流的最主要特征就是脉动现象，产生脉动速度。在垂直向脉动速度作用下，固粒受到一个垂直方向上的冲力，当这个冲力大于颗粒在水中的重量时，固粒就会浮起。浆液流动速度愈大，产生的垂直脉动速度也愈大，它所具有的悬浮力也就愈大。因此，可以说决定水泥浆颗粒是处于悬浮还是下沉状态的最主要因素是浆液流动速度的大小。另外，比较重要的因素还有水泥比重、颗粒大小、水泥浆的浓度和是否有外加剂的加入等。

一般来说，在相同浆液流动速度和相同浓度条件下，水泥的比重和颗粒越大，则越易下沉。当水泥颗粒直径DR＜0.001 mm时，通常表现为较稳定的均匀流体；当0.001 mm≤DR＜0.05 mm时，流体只有在紊流条件下才较均匀；当DR≥0.05 mm时，就需要更高的流速才能把它卷起。对于湿磨细水泥浆液，其中的水泥颗粒愈小（愈细），单位体积内的颗粒数目愈多，所具有的总表面积愈大，下沉时彼此碰撞和摩擦的机会就愈多，因而下沉就愈困难，则浆液就愈稳定。这就是湿磨细水泥浆液比普通水泥浆液更稳定的原因。

在其他条件相同时，水泥浆液愈稀（即水灰比愈大），水泥颗粒的沉降速度愈快。随着浆液浓度的加大，颗粒之间相互碰撞，摩擦的机会增多，因而下沉阻力增大，速度减慢。此外，超过一定浓度的水泥浆开始呈现出宾汉姆流体特征，只有在克服了浆液的凝聚力c值以后，水泥颗粒或其集团才能下沉。相关试验资料表明，当水灰比小于0.4时，水泥浆基本上不析水或析水很少。然而，在同样流速下，浓浆先于稀浆发生沉积。因为挟带能力相等时，总是浓浆中的水泥含量先超过浆液的挟带能力。通过在水泥浆液中掺入一定数量的分散性外加剂，可以延缓水泥的下沉和析水速率。

以上的讨论仅适用于在无限流体中单个颗粒的沉降。在水泥浆这种两相流中，实际上是同时包含着许多大小、形状不等的水泥颗粒及其聚成的絮凝集团。在相同速度的流体中，它们的沉降流速各不相同，大的颗粒或集团较早地沉降，而后才是细小的颗粒沉降。

1.2.4 湿磨细水泥浆液的沉积取向性

在水泥灌浆的充填过程中，常常会伴随发生一个对水泥粒度乃至成分的选择问题。因为水泥颗粒的沉积有个先后次序，一般是粒径大的先于粒径小的，比重大的先于比重小的，活性高的先于活性低的。于是，在不同地点上沉积下来的水泥，其颗粒大小与矿物成分，都与原来的级配有所不同。此种情况的产生，将会导致水泥结石的性质与强度差异。这就是水泥灌浆中特有的浆液沉积过程中的取向性问题。

湿磨细水泥浆沉积的取向性与灌浆所用水泥的种类密切相关。目前，在我国常用于灌浆的水泥有硅酸盐水泥、抗硫酸盐水泥、矿渣水泥和火山灰水泥等，上述几种水泥的矿物组成中，C3S、C2S、C3A、C4AF是水泥的基本熟料，而矿渣和火山灰等是在对熟料粉磨时作为活性材料后添加进去的。矿渣或火山灰掺量的不同，可引起水泥性质和名称的改变。按我国相关水泥规范规定：在普通硅酸盐水泥中，活性材料与非活性材料的添加总量不超过15%；在矿渣水泥中可添加有20%～70%的粒化矿渣；在火山灰水泥中可添加20%～50%的火山灰质混合材料。因各种水泥的矿物组成不同，在灌浆中所产生的分选程度和对结束性能的影响也不一样，现将这几种水泥中通常包含的矿物成分及其比重列入表1-3。

水泥结石的物理力学性能首先取决于水泥的原始矿物组成，若其中一种矿物的配比发生了变化，就会引起水泥性质的改变。以硅酸盐水泥为例，如把四种熟料的总和作为100，前两种矿物按重量一般占总和的75%～80%，而后两种只占20%～25%。在每一对矿物的范围之内，它们的相对含量又可在很大幅度内变动。变换这些矿物的组成，就可获得各种具有独特性能的水泥品种。例如C2S含量高，便是低热水泥；C3S含量多，便是高强水泥；C3A含量少的则是抗硫酸盐水泥。

以四种熟料矿物为主要成分的水泥，在其每一个具体颗粒中或许不会只含一种矿物，但有这样的可能性，某种矿物所占比例可能高些。由于各种矿物水解和水化速度不同（C3A＞C4AF＞C3S＞C2S），因而会使水泥颗粒的活性有高有低，在水化反应时有快有慢，另外，颗粒大小及比重的差异，也会造成一定程度的分选。但这些因素并不会使水泥结石的物理性质发生根本改变。

但是，对于掺和料较多的矿渣水泥、火山灰水泥来说，它们的取向性问题就会变得较为严重。因为粒化矿渣和火山灰质，一是以独立的颗粒形式存在；二是它们的比重比水泥颗粒小；三是它们暂时还不具备活性。因此，在水泥浆的水化过程中，它们有较大可能会被最先分选出来，或以更高的比例聚集或单独地沉积在一起。如果发生这种情况，无疑它们会被携带得更远。矿渣和火山灰质这类物质，之所以能作为水泥的组分与水发生硬化，是靠与四种熟料矿物水解时释出来的CaO在水中转化为Ca（OH）2反应来实现的。它们一旦脱离了熟料，或其比例大大增高，就将从根本上失去它们充当水泥的“资格”。这样的沉积物，不是凝结很慢，就是强度很低，甚至根本不凝结。所以，在选用灌浆水泥时应尽可能避免使用矿渣水泥或火山灰水泥。

笔者在进行湿磨细水泥浆材的稳定性析水试验时，发现某些矿渣水泥品种的水泥浆液在自然沉积析水过程中有分层现象。此外，采用矿渣水泥进行灌浆的实践中，从钻孔中曾经发现过许多长时间不凝结的灰浆和强度很低的泡沫状结石，有些结石用腊封裹起来可漂浮于水上，可以认为这是水泥分选造成的直接结果。特别是当使用的水泥浆液水灰比越高，这种取向性就越明显。

湿磨细水泥是在普通水泥基础上磨细制备而成的，其颗粒粒径较后者大幅度减小且分布均匀，其浆液的稳定性明显优于普通水泥浆液，同样水灰比条件下析水率降低。研究结果表明，湿磨细水泥浆液的沉积取向性低于普通水泥。随着浆液水灰比的减小，浆液黏度增大，各种颗粒都互相聚集包裹在一起下沉，其取向性就影响较小或不复存在。因此，在低水灰比的湿磨细水泥浆液灌浆中，可以选择使用矿渣水泥或火山灰质水泥，而且可以掺加一定数量的粉煤灰等活性充填材料，以达到对较宽裂隙的充填目的。

1.2.5 湿磨细水泥颗粒的吸附作用

所谓吸附作用，是指水泥在加水拌和后产生的颗粒之间互相吸引和被其他物体吸附的性质。水泥的这种性质，在灌浆过程中对水泥颗粒的沉积，排除多余水分和形成结石的质量都有很大的影响。特别是水泥颗粒细化后，细水泥颗粒受到吸附作用的影响更加显著。

水泥化学的研究成果指出：水泥熟料的主要矿物组成是C3S、C2S、C3A和C4AF。在与水接触时，这些组分都能与水起化学反应或被水分解而形成它的水化产物。当用超过化学反应所需水量调和时，发现这类水化产物除形成氢氧化钙晶体和偶尔含有少量的六立方水化铝酸盐与硫铝酸盐而外，多数为无法辨认的无定型物质——一种胶状物质。这类物质将水泥颗粒包围起来，而且随着水化的继续进行，这层物质会慢慢地增厚。

通常把此种胶状物质称作溶胶，即“胶体溶液”。它的粒子分散得是如此之细，以致它具有极大的表面积和表面自由能，这就决定了溶胶是不稳定体系。胶粒之间存在互相吸引、凝聚成大集团的趋势。胶粒间吸引力的本质和分子间的吸引力极为相似，但在这里又不完全是分子间的吸引力，还存在着许许多多分子聚集而成的胶粒集团间的吸引力。

既然水泥颗粒是被这种溶胶包围着，自然它也因此有了互相吸引和凝聚成更大集团的趋势。而且，它还容易被与它接触的其他物体所吸附。附着在水泥颗粒上的胶体质点，能够使水泥颗粒逐渐靠近，但是当靠近到一定距离后，它们之间又要产生另一作用力——排斥力。这一力阻止它们靠得太近，要它们适可而止。早期在研究溶胶为什么能暂时稳定下来而不聚沉的原因时发现：由于胶粒在电场中总是作定向运动，胶粒带有相同的电荷，因此产生了同性排斥。

“扩散双电层”理论认为，在悬浮液的固-液界面处，固相表面由于电离或吸附离子而带电，而在它的周围分布着与固相表面电性相反、电荷相等的离子，由于离子的热运动，使它们扩散地分布在界面周围。在界面周围液相里有负离子也有正离子，只是因固相表面电场的作用造成该处负离子多于正离子。多的负离子称为负电荷的过剩。随着与界面距离的增大，负离子的分布也由多到少，到了正电荷的电力线所不及的地方，过剩的负电荷就等于零。自固体表面至负电荷为零处的总厚度称为扩散双电层。

当粒子移动时，界面上的溶剂化层和层中的离子都随着移动。所以，胶粒是固相粒子和溶剂化层的整体。它对于均匀液相内部具有一定电位，称为电动电位，又称ζ电位。ζ电位是胶粒溶剂化层界面到均匀液相间的电位，和固相内部到均匀液相内部的热力学电位不同。

胶体质点周围形成扩散双电层，亦即有“离子雾”形成。当离子接近时，离子雾首先交联。于是将产生渗透压力，使胶粒不易接近。因为正电荷的作用，由于离子雾中负离子的“屏蔽”而消失，当两个胶粒接近时，在离子雾尚未接触以前，胶粒间无相互作用。待距离缩短到使离子雾互相交联时，离子雾浓度显著增大，于是原来离子雾电荷分布的对称性遭受破坏，而引起重新分布。离子雾自浓度大的区域向浓度未变区域扩散，从而产生渗透压力，使胶粒间发生互相推斥的作用。

通常可以把一个水泥颗粒设想为一个在周围有了离子雾的胶粒。这样，在水泥颗粒之间互相作用的能量就是：在距离较大时，由胶粒表面能产生的吸引力在起主导作用；当靠近到离子雾交联阶段，推斥力开始起主导作用。这就是水泥颗粒在初始时企图靠近，到后来又不能靠得很紧的原因所在。

在实际灌浆过程中，当水泥浆进入地层空隙系统以后，由于浆液流动速度的急剧减小，水泥颗粒的动能随之减小。首先，它会被接触到的岩壁所吸附，然后又会被已经被吸附了的其他颗粒所吸附。同时水泥颗粒之间的互相吸引，会使一些单个颗粒聚集成一些大小不等的胶粒集团，使它们的沉降速度加快，这就大大促进了水泥浆析水沉积的过程。正是由于这种物理和化学的作用力，可以将水泥颗粒连同它周围离子雾中所包含的水分，一起从流动着的浆液中被挽留下来沉积在缝隙里，然后将载运它的多余水分从其他缝隙中排出。

由此推算，大概就是在离子雾达到刚刚交联到这样一种紧密程度时，空隙通道就被这种不松不紧的物料给淤填住了。该孔段的灌浆工作也就到了结束阶段。接着而来的，便是沉积物的硬化，从而把每个水泥颗粒的位置基本上固定了下来。于是，就形成了灌浆结石的固有的密实度和含水量。

这里可将水泥沉积物中包含的水划分成以下三种类型：

（1）已与水泥化合了的非蒸发水：成结晶状态存在，只能在500～1000℃的高温下才能除掉。含量与当时的水化程度有关，一般说来，水泥颗粒愈细，水化最快的C3A含量愈高，这部分水的含量也就愈多。因此，在水灰比相同时，湿磨细水泥浆液结石的含水率比普通水泥略高。

（2）被胶体物质吸附的可蒸发水：这部分水能在100～110℃或气压接近零的干燥条件下被除掉，其含量的多少，与当时已经水化的水量成正比。

（3）充填在水泥沉积物颗粒之间孔隙中的自由水：它能在压力或重力作用下流动。其含量与水泥颗粒的细度、级配和形状等有关。

大量的灌浆实践资料已经表明，这种在流动条件下产生的水泥沉积物比在静止条件下产生的密实度要高，含水量要少，究其原因，很可能是这样的：在流动条件下，水泥颗粒先由悬浮状态转到“跳跃式”推移状态，最后再一个一个地沉积下来，中间经过了滚动和撞击等的“振捣”作用。水泥颗粒之间的距离，主要是由吸引力和排斥力决定的，很可能像分子结构那样，有一定排列次序，因而结合地较为紧密。在静止条件下，水泥颗粒及其絮凝集团，在其下沉时由于互相间的摩擦和支撑作用，部分地抵消了重力和吸引力，因而在颗粒中间会有较大的空隙。此外，尤其是在狭缝中，固相粒子下沉时受孔隙侧壁牵制很大，属“干涉沉降”，亦必然增大沉积物的孔隙度和含水量。

两种不同条件下沉积形成的水泥结石，有时是可以从结石的外观分辨出来的。例如：对用孔内循环灌浆法作过灌浆的钻孔再作扫孔时，经常可以取出两种明显不同的水泥结石，一种是靠近孔壁的，具有“年轮”一样的纹理、色深、坚硬、致密的结石（显然是在流动循环中形成的）；另一种是充填在迂回通道中的结石，显然是在灌浆工作结束后，在闭浆过程中，经静止沉淀形成的，它没有纹理，色浅而松软。

吸附的另一作用是它可以使任何方向的裂隙（直立的或倾斜的）、裂隙的侧壁或顶部，都能得到充填。而且，由这种作用沉积下的水泥，一般不会再被水流带走。