楊志全，丁 一，楊 溢，朱穎彥,2，張 杰，郭永發(fā)，陳興貴

不同水灰比的牛頓型水泥漿液流變性隨時間變化規(guī)律

楊志全1，丁 一1，楊 溢1※，朱穎彥1,2，張 杰3，郭永發(fā)4，陳興貴5

（1. 昆明理工大學(xué)公共安全與應(yīng)急管理學(xué)院，昆明 650093； 2.中國科學(xué)院水利部成都山地災(zāi)害與環(huán)境研究所，成都 610041；3. 云南省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測院，昆明 650216； 4. 中鐵二院昆明勘察設(shè)計研究院有限責(zé)任公司，昆明 650200；5. 中鐵七局集團(tuán)第三工程有限公司，西安 710026）

水化時間與水灰比對水泥漿液流變性有重要影響，進(jìn)而決定漿液在巖土體中的運動擴(kuò)散效果。為研究水化時間與水灰比綜合作用對牛頓型水泥漿液流變性的影響作用，以目前實踐工程中廣泛應(yīng)用的普通硅酸鹽水泥漿液為研究對象，采用NXS–11A 型旋轉(zhuǎn)黏度計對水灰比為1.5、2.0、5.0、10.0的水泥漿液分別在0、5、10、20、30及60 min 6個水化時間的流變性進(jìn)行了試驗研究，并探討了水化時間、水灰比及其綜合作用對牛頓型水泥漿液流變性的定量變化規(guī)律。研究結(jié)果表明：水化時間、水灰比均對牛頓型水泥漿液動力黏度具有顯著性的影響，牛頓型水泥漿液動力黏度隨水化時間表現(xiàn)為增長的變化趨勢，而隨水灰比則呈現(xiàn)為下降的變化規(guī)律；指數(shù)模型是反映水化時間與水灰比綜合作用對牛頓型水泥漿液動力黏度定量變化關(guān)系的較優(yōu)模型，由其得到的理論值與試驗值間的誤差均在 10%以內(nèi)，而由線性、對數(shù)與冪函數(shù)3種模型得到的理論值與試驗值間有80%的誤差都大于 10%；并以此構(gòu)建了考慮水化時間與水灰比綜合作用的牛頓型水泥漿液流變方程。研究結(jié)果對水泥漿液流變性理論的發(fā)展和完善具有一定的理論意義，也可為建筑物基礎(chǔ)托換、隧道堵水防滲、基坑加固、地質(zhì)災(zāi)害防控、農(nóng)業(yè)水土保持等實際工程應(yīng)用提供一定的技術(shù)支撐。

試驗；水化時間；水灰比；水泥漿液；流變性

0 引 言

水泥作為一種成本低廉與性能良好的無機(jī)膠凝材料，在當(dāng)前的農(nóng)業(yè)、公路、鐵路、礦山、隧道、高鐵、邊坡、建筑、水電等領(lǐng)域的灌漿、注漿、堵水防滲及巖土加固等實踐工程中得到了極其廣泛地應(yīng)用。水泥漿液的流變性不僅決定著其在巖土體中的遷移擴(kuò)散范圍大小，而且對實際的工程效果也具有非常重要的影響。因此，開展水泥漿液流變性的研究既可為開展其遷移擴(kuò)散運動研究提供理論基礎(chǔ)，也可為實踐工程設(shè)計提供技術(shù)支撐[1-3]。

水泥漿液流變性主要受水化時間、組成成分、水灰比、環(huán)境溫度等因素的影響。目前，國內(nèi)外學(xué)者在這些領(lǐng)域開展了較為深入的探索，并取得了一定的研究成果。在水化時間對水泥漿液流變性影響方面，劉泉聲等[4]分析了水化時間對水泥漿液流變性的影響；阮文軍[5]研究了漿液黏度隨時間的定量變化規(guī)律；袁敬強(qiáng)等[6-7]分別探索了靜、動水條件下漿液黏度時變特性；Roussel等[8]提出了漿液在瞬態(tài)狀態(tài)下的流變性變化模型；Yang等[9]探討了時變性水泥漿液在實踐巖土體工程中的應(yīng)用?？紤]組成成分對漿液流變性影響方面，Mirza等[10-11]研究了粉煤灰-水泥漿液在不同配比下的流變性能；Mahaut等[12]考慮了粗細(xì)顆粒體積分?jǐn)?shù)對漿液流變性的影響；Chen等[13]分析了濃縮硅粉對漿液流變性的變化規(guī)律；楊曉華等[14]開展了添加劑對水泥漿液流變性影響的研究；Li等[15]探討了超細(xì)水泥的流變性；王星華等[16-17]研究了黏土-水泥漿與SJP漿液的流變性能；Vasumithran等[18-19]分析了聚合物對水泥漿液流變性的改變作用。在水灰比對水泥漿液流變性影響方面，Mirza等[20-21]研究了水灰比對漿液流變性的改變規(guī)律；Yang等[22-23]討論了水灰比對水泥漿液流型的影響；Zou等[24]分析了冪律型水泥漿液的流變性；曹明莉等[25]探索了不同水灰比與砂灰比條件下碳酸鈣晶對水泥砂漿流變性的變化規(guī)律。對于溫度對其流變性影響領(lǐng)域，劉泉聲等[4,26-27]分析了溫度對水泥漿液流變性的影響規(guī)律；Petit等[28]研究了溫度對流動砂漿流變性的變化特征。通過分析總結(jié)以上相關(guān)的國內(nèi)外文獻(xiàn)可知：目前的研究成果僅從單因素對水泥漿液流變性影響的角度開展研究，而這些因素的綜合作用對其影響效應(yīng)還未較好地把握。

當(dāng)前，牛頓型水泥漿液在國內(nèi)外眾多的注漿工程實踐中具有較廣泛的應(yīng)用。依據(jù)不同的流變本構(gòu)方程，水泥漿液可分為牛頓、賓漢姆與冪律流體3種類型[1]；其中，牛頓流體是單相均勻體系，屬于黏性流體，其流變曲線是通過原點的直線，水、多數(shù)化學(xué)漿液及水灰比較大的水泥漿液為牛頓流體。如，目前工程常用的水泥漿液在水灰比大于1.25的條件下屬于典型的牛頓流體[23]?；诖?，本文分析不同水灰比的牛頓型水泥漿液流變性隨水化時間的變化規(guī)律，探索水化時間與水灰比綜合作用對牛頓型水泥漿液動力黏度的定量變化關(guān)系模型，并以此為基礎(chǔ)構(gòu)建考慮水化時間與水灰比綜合作用的牛頓型水泥漿液流變方程，擬為建筑物基礎(chǔ)托換、隧道堵水防滲、基坑加固、地質(zhì)災(zāi)害防控、農(nóng)業(yè)水土保持等實際工程應(yīng)用提供一定的理論支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗材料及設(shè)備

試驗材料選用昆明水泥廠生產(chǎn)的#32.5普通硅酸鹽水泥，該標(biāo)號水泥在目前的實踐工程中被廣泛使用。

流變試驗采用成都儀器廠生產(chǎn)的NXS–11A 型旋轉(zhuǎn)黏度計（圖1）。不同水灰比的牛頓型水泥漿液試樣采用電子天平（由佛山市中準(zhǔn)衡器有限公司生產(chǎn)的JJ1000g型，精度0.01 g）、量筒與燒杯制備得到。試驗用水采用飲用純凈水。

圖1 NXS-11A型旋轉(zhuǎn)黏度計

1.2 試驗設(shè)計及方法

依據(jù)目前水泥漿液在水灰比大于1.25時屬于牛頓流體的研究成果[23]及GB175-2007國家標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)于通用硅酸鹽水泥初凝時間不得早于45 min的規(guī)定[29]，本研究擬設(shè)計開展水灰比1.5、2.0、5.0、10.0水泥漿液分別在0、5、10、20、30與60 min水化時間的流變試驗。同時，設(shè)計的流變試驗溫度為常溫（25 ℃），因此要求開展的所有流變試驗的室內(nèi)環(huán)境溫度與制備水泥漿液試樣的水溫均保持在（25±2）℃的條件。

水泥漿液試樣制備方法：每次首先用電子天平稱量300 g飲用純凈水并倒入量筒，然后采用電子天平稱量200 g#32.5普通硅酸鹽水泥并放入燒杯，然后將量筒中的水完全倒入燒杯并攪拌即可制備得到水灰比1.5的水泥漿液；照此方法，采用電子天平分別稱量150、60、30 g #32.5普通硅酸鹽水泥，并加入300 g飲用純凈水?dāng)嚢?，同理可制備得到水灰比?.0、5.0與10.0的水泥漿液。

流變試驗方法：將制備得到的不同水灰比水泥漿液加入NXS—11A型旋轉(zhuǎn)黏度計外筒，將內(nèi)筒的測量頭垂直地插入外筒并固定；接通電源，打開剪切速度旋鈕與控制開關(guān)即開展流變試驗；通過調(diào)節(jié)剪切速度旋鈕可開展不同剪切速度的流變試驗，并同時測定得到對應(yīng)的剪切應(yīng)力；然后在剪切速度—剪切應(yīng)力坐標(biāo)中可繪制得到不同水灰比的牛頓型水泥漿液流變曲線。

為保證試驗結(jié)果的可靠性與準(zhǔn)確性，對同一水泥漿液試樣在相同的試驗條件下，至少測量3次，保證其標(biāo)準(zhǔn)差在5%的范圍內(nèi)，然后取平均值進(jìn)行分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 牛頓型水泥漿液流變曲線與流變方程

依據(jù)流變試驗結(jié)果可得到4種水灰比水泥漿液的流變曲線，如圖2所示。4種水灰比水泥漿液在6個水化時間流變曲線的變化趨勢均符合牛頓流體基本流變曲線[30-31]，證明了牛頓型水泥漿液的流變類型不隨水化時間發(fā)生改變，與文獻(xiàn)[5]的研究成果一致。

以式（1）所示的牛頓流體基本流變方程為理論基礎(chǔ)[30-31]，依據(jù)圖2所示的流變曲線可得到這4種水灰比牛頓型水泥漿液在6個水化時間的流變方程，如表1。

式中為剪切應(yīng)力，Pa；為動力黏度，Pa·s；為剪切速率，s-1；通常采用動力黏度來表征牛頓流體流變性。

分析表1可知：水化時間與水灰比均對牛頓型水泥漿液動力黏度具有較大的影響。水化時間與牛頓型水泥漿液動力黏度表現(xiàn)為增長的變化趨勢；這是由于硅酸鹽水泥遇水后，隨著水化時間增長，水泥漿液中的物性成分發(fā)生改變，從而引起其動力黏度的增長。然而，水灰比與牛頓型水泥漿液動力黏度則呈現(xiàn)為下降的變化規(guī)律；這是因為水灰比越大，漿液中含有純凈水比例越高，水泥漿液流動性越好，由此導(dǎo)致其動力黏度越低。

2.2 水化時間與水灰比綜合作用對牛頓型水泥漿液流變性的定量變化規(guī)律

2.2.1 雙因素方差分析

采用Origin 2018進(jìn)行水化時間與水灰比綜合作用對牛頓型水泥漿液動力黏度影響的雙因素方差分析，結(jié)果如表2。

分析表2可知：水化時間與水灰比均對牛頓型水泥漿液動力黏度均具有顯著的影響，這也從統(tǒng)計學(xué)角度證實了在2.1中得到的水化時間與水灰比均對牛頓型水泥漿液動力黏度具有較大影響的試驗結(jié)論。

圖2 4種水灰比ω牛頓型水泥漿液在不同水化時間下的液流變曲線

表1 4種水灰比牛頓型水泥漿液在6個水化時間的流變方程

注：為剪切應(yīng)力，Pa；為剪切速率，s-1.

Note:is shear stress, Pa;is shear rate, s-1.

表2 水化時間與水灰比綜合作用對牛頓型水泥漿液動力黏度影響的雙因素方差分析

注：<0.05且>0.05表示具有顯著影響。

Note:<0.05 and>0.05mean that it has significant effect.

2.2.2 定量變化關(guān)系

1）構(gòu)建定量變化關(guān)系模型

選用數(shù)學(xué)上最基礎(chǔ)且實踐中應(yīng)用最廣泛的4種函數(shù)關(guān)系構(gòu)建模型：線性模型、對數(shù)模型、指數(shù)模型及冪函數(shù)模型，并以此為基礎(chǔ)采用數(shù)值分析方法及Origin 2008軟件探討水化時間與水灰比綜合作用對牛頓型水泥漿液動力黏度的定量變化關(guān)系；再依據(jù)統(tǒng)計學(xué)理論與驗證試驗兩方面的綜合分析結(jié)果確定其較優(yōu)模型。

擬合得到的水化時間-水灰比綜合作用與牛頓型水泥漿液動力黏度間的線性、指數(shù)、冪函數(shù)與對數(shù)函數(shù)4種變化關(guān)系模型及對應(yīng)的分析結(jié)果見表3。

表3 水化時間-水灰比綜合作用與牛頓型水泥漿液動力黏度間變化關(guān)系的4種擬合模型及對應(yīng)的分析結(jié)果

注：為動力黏度， Pa·s；為水化時間， min；為水灰比。

Note:is dynamic viscosity, Pa·s;is hydration time, min;is water cement ratio.

由表3可知：指數(shù)模型的2與2(adj)最大，均超過了0.95，表明指數(shù)模型是4種擬合模型中擬合優(yōu)度最好的；4種擬合模型及水化時間與水灰比對應(yīng)的值均大于臨界值0.05；同時它們的值都小于0.05；則表明4種擬合模型均通過了擬合模型及其回歸系數(shù)的顯著性檢驗。

綜合分析上述檢驗結(jié)果可得：指數(shù)模型是4種模型中反映水化時間與水灰比綜合作用對牛頓型水泥漿液動力黏度的定量變化關(guān)系的較優(yōu)模型。

2）驗證定量變化關(guān)系模型

擬合模型的選取除考慮統(tǒng)計學(xué)理論外，還應(yīng)檢驗其在實踐中的適用性與精確性。設(shè)計水灰比為1.75的水泥漿液在0、3、12、21、40及50 min、水灰比為3.5的水泥漿液在0、6、15、24、35及45 min與及水灰比7.5的水泥漿液在0、9、18、27、45及55 min的3組試驗（編號分別為G1、G2、G3）對表3中構(gòu)建的定量關(guān)系模型進(jìn)行驗證。3組試驗采用的材料、試驗設(shè)備及試驗條件同前文。

水化時間-水灰比綜合作用與牛頓型水泥漿液動力黏度間試驗組G1、G2、G3的4種定量變化關(guān)系模型驗證結(jié)果如表4所示。

表4 水化時間-水灰比綜合作用與牛頓型水泥漿液動力黏度間的4種定量變化關(guān)系模型驗證結(jié)果

分析表4可得：指數(shù)模型較其他3種模型（線性、對數(shù)與冪函數(shù)模型）計算得到的理論值與試驗值更一致。其理論值與試驗值間的誤差均在 10%以內(nèi)，同時差異間的變化幅度較小，最大變化幅度僅3%；而其他的理論值與試驗值間 80%的誤差都大于 10%，且誤差間的變化幅度均超過了 35%，甚至最大變化幅度達(dá)到了 134%。由此可見，從實踐適用性與精確性的角度，指數(shù)模型是 4 種模型中反映水化時間與水灰比綜合作用對牛頓型水泥漿液動力黏度的定量變化關(guān)系的較優(yōu)模型。

綜上所述，反映水化時間與水灰比綜合作用對牛頓型水泥漿液動力黏度的定量變化關(guān)系的較優(yōu)模型為指數(shù)模型，即

聯(lián)立式（1）、（2）可得到考慮水化時間與水灰比綜合作用的牛頓型水泥漿液流變方程

由式（3）可快速得到具體水灰比的牛頓型水泥漿液在不同水化時間條件下的流變性，進(jìn)而可為實際工程應(yīng)用提供一定的理論支撐。

3 結(jié) 論

以目前實踐工程中廣泛應(yīng)用的普通硅酸鹽水泥漿液為研究對象，對常溫（25±2）℃條件下水化時間與水灰比綜合作用對牛頓型水泥漿液流變性的定量變化規(guī)律開展研究，得到以下結(jié)論：

1）水化時間與水灰比對牛頓型水泥漿液動力黏度均具有顯著影響：牛頓型水泥漿液動力黏度隨水化時間表現(xiàn)為增長的變化趨勢，而隨水灰比則呈現(xiàn)為下降的變化規(guī)律。

2）從統(tǒng)計學(xué)理論、實踐適用性及精確性角度分析得到指數(shù)模型是反映水化時間與水灰比綜合作用對牛頓型水泥漿液動力黏度定量變化關(guān)系的較優(yōu)模型，由指數(shù)模型得到的理論值與試驗值間的誤差均在 10%以內(nèi)，而由線性、對數(shù)與冪函數(shù)3種模型得到的理論值與試驗值間有80%的誤差都大于10%；并由反映它們定量變化關(guān)系的指數(shù)模型構(gòu)建了考慮水化時間與水灰比綜合作用的牛頓型水泥漿液流變方程，可快速得到具體水灰比的牛頓型水泥漿液在不同水化時間條件下的流變性。

本文的研究成果不僅對水泥漿液流變性理論的發(fā)展和完善具有一定的理論意義；而且也可為建筑物基礎(chǔ)托換、隧道堵水防滲、基坑加固、地質(zhì)災(zāi)害防控、農(nóng)業(yè)水土保持等實際工程應(yīng)用提供一定的技術(shù)支撐。

[1] 王國際. 注漿技術(shù)理論與實踐[M]. 徐州：中國礦業(yè)大學(xué)出版社，2000.

[2] Axelsson M, Gustafson G. A robust method to determine the shear strength of cement-based injection grouts in the field[J]. Tunnelling and Underground Space Technology, 2006, 36(5): 499-503.

[3] 楊溢，盧杰，楊志全，等.花管注漿加固松散碎石土層試驗與效果參數(shù)預(yù)測模型[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2018，34(24)：151-157.

Yang Yi, Lu Jie, Yang Zhiquan, et al. Experiments and effect parameters prediction model of reinforcement loose gravel soil-layers by flower pipe grouting[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2018, 34(24): 151-157. (in Chinese with English abstract)

[4] 劉泉聲，盧超波，劉濱，等. 考慮溫度及水化時間效應(yīng)的水泥漿液流變特性研究[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2014，33(S2)：3730-3740.

Liu Quansheng, Lu Chaobo, Liu Bing, et al. Study on rheological properties of cement slurry considering the effects of temperature and hydration time[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2014, 33(S2): 3730-3740. (in Chinese with English abstract)

[5] 阮文軍. 注漿擴(kuò)散與漿液若干基本性能研究[J]. 巖土工程學(xué)報，2005，27(1)：69-73.

Ruan Wenjun. Research on diffusion of grouting and basic properties of grouts[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2005, 27(1): 69-73. (in Chinese with English abstract)

[6] 袁敬強(qiáng)，陳衛(wèi)忠，于建新，等. 靜水條件下漿液黏度時變特性與微觀結(jié)構(gòu)研究[J]. 地下空間與工程學(xué)報，2016，12(5)：1264-1270.

Yuan Jingqiang, Chen Weizhong, Yu Jianxin,et al. Study on time-varying characteristics and microstructure of slurry viscosity under still water condition[J]. Chinese Journal of Underground Space and Engineering, 2016, 12(5): 1264-1270. (in Chinese with English abstract)

[7] 李術(shù)才，韓偉偉，張慶松，等. 地下工程動水注漿速凝漿液黏度時變特性研究[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2013，32(1)：1-7.

Li Sucai, Han Weiwei, Zhang Qinsong, et al. Study on time-varying viscosity of dynamic water grouting slurry in underground engineering[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2013, 32(1): 1-7. (in Chinese with English abstract)

[8] Roussel N, Roy R L, Coussot P. Thixotropy modelling at local and macroscopic scales[J]. Non-Newtonian Fluid Mech, 2004, 117(2): 85-95.

[9] Yang Z Q, Qian S G, Hou K P. Time-dependent Behavior Characteristics of Power-law Cement Grouts Applied in geotechnical Engineering[J]. ElectronicJournal of Geotechnical Engineering, 2015, 20(22): 1017-1023.

[10] Mirza J, Mirza M S, Roy V, et al. Basic rheological and mechanical properties of high-volume fly ash grouts[J]. Constr Build Mater, 2002, 16(6): 353-363.

[11] 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.

[12] Mahaut F, Mokéddem S, Chateau X, et al. Effect of coarse particle volume fraction on the yield stress and thixotropy of cementitious materials[J]. Cement and Concrete Research, 2008, 38(11): 1276-1285.

[13] Chen J J, Fung W W, Kwan A K H. Effects of CSF on strength, rheology and cohesiveness of cement paste[J]. Construction and Building Materials, 2012, 35: 979-987.

[14] 楊曉華，鄭坤隆，徐禮笑. 滲透結(jié)晶型材料添加劑對水泥漿液性能影響試驗[J]. 中國公路學(xué)報，2019，32(7)：129-135.

Yang Xiaohua, Zheng Kunlong, Xu Lixiao. Experiment on effect of capillary crystalline material additives on cement slurry performance[J]. China Journal of Highway and Transport, 2019, 32(7): 129-135. (in Chinese with English abstract)

[15] Li W, Shaikh F UA, Wang L, et al. Experimental study on shear property and rheological characteristic of superfine cement grouts with nano-SiO2addition[J]. Construction and Building Materials, 2019, 228: 146-153.

[16] 王星華. 粘土-水泥漿流變性及其影響因素研究[J]. 巖土工程學(xué)報，1997，19(5)：45-50.

Wang Xinghua. Study on rheological properties of clay-cement slurry and its influencing factors[J].Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 1997, 19(5): 45-50. (in Chinese with English abstract)

[17] 裴向軍，張佳興，王文臣，等. SJP注漿漿液水化進(jìn)程與流變特性研究[J]. 巖土工程學(xué)報，2017，39(2)：201-209.

Pei Xiangjun, Zhang Jiaxing, Wang Wencheng, et al. Study on hydration process and rheological characteristics of SJP grouting grout[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2017, 39(2): 201-209. (in Chinese with English abstract)

[18] Vasumithran M, Anand K B, Sathyan D. Effects of fillers on the properties of cement grouts[J]. Construction and Building Materials, 2020, 246: 1146-1154.

[19] Mohammed A, Mahmood W, Ghafor K, et al. Rheological properties with maximum shear stress and compressive strength of cement-based grout modified with polycarboxylate polymers[J]. Construction and Building Materials, 2020, 235: 1175-1183.

[20] Mirza J, Saleh K, Langevin M A, et al. Properties of microfine cement grouts at 4 degrees C, 10 degrees C and 20 degrees C[J]. Construction and Building Materials, 2013, 47: 1145-1153.

[21] 王麗娟，周建華，李凱. 對不同水灰比的靜置漿液黏度測量的研究[C]//第14次全國水利水電地基與基礎(chǔ)工程學(xué)術(shù)研討會論文集. 北京：中國水利水電出版社，2017：559-565.

Wang Lijuan, Zhou Jianhua, Li Kai.Research on viscosity measurement of static slurry with different water cement ratio[C]//Proceedings of the 14th National Symposium on foundation and foundation engineering of water conservancy and hydropower.Beijing: China Water Conservancy and Hydropower Press, 2017: 559-565. (in Chinese with English abstract)

[22] Yang Z Q, Niu X D, Hou K P, et al. Relationships between water-cement ratio and rheological characteristics of Power-law cement grouts[J]. Electronic Journal of Geotechnical Engineering, 2015, 34(7): 1415-1425.

[23] Yang Z Q, Hou K P, Guo T T. Study on the effects of different water-cement ratios on the flow pattern properties of cement grouts[J]. Applied Mechanics and Materials, 2011, 149: 1264-1267.

[24] Zou L, H?kansson U, Cvetkovic V. Yield-power-law fluid propagation in water-saturated fracture networks with application to rock grouting[J]. Tunnelling and Underground Space Technology, 2020, 95: 1031-1038.

[25] 曹明莉，許玲，張聰. 不同水灰比、砂灰比下碳酸鈣晶對水泥砂漿流變性的影響[J]. 硅酸鹽學(xué)報，2016，44(2)：246-252.

Cao Mingli, Xu Lin, Zhang Cong. Effect of calcium carbonate whisker on rheological property of cement mortar under different water - cement ratio and sand - cement ratio[J]. Bulletin of the Chinese Ceramic Society, 2016, 44(2): 246-252. (in Chinese with English abstract)

[26] Liu Q, Lei G, Peng X, et al. Rheological Characteristics of cement grout and its effect on mechanical properties of a rock fracture[J]. Rock Mechanics and Rock Engineering 2018, 51(2): 613-625.

[27] Bohloli B, Skjolsvold O, Justnes H, et al. Cements for tunnel grouting-Rheology and flow properties tested at different temperatures[J]. Tunnelling and Underground Space Technology, 2019, 9: 1030-1041.

[28] Petit J Y, Wirquin E, Khayat K H. Effect of temperature on the rheology of flowable mortars[J]. Cement & Concrete Composites, 2009, 32(1): 43-53.

[29] 中國國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會. GB175-2007通用硅酸鹽水泥[S]. 北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2007.

[30] 沈崇棠，劉鶴年.非牛頓流體力學(xué)及其應(yīng)用[M]. 北京：高等教育出版社，1989.

[31] 孔祥言. 高等滲流力學(xué)[M]. 北京：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社，1999.

Hydration-time-dependent rheological behaviors of Newtonian cement grouts with different water cement ratios

Yang Zhiquan1, Ding Yi1, Yang Yi1※, Zhu Yingyan1,2, Zhang Jie3, Guo Yongfa4, Chen Xinggui5

(1.,,650093,; 2.,,610041,; 3.,650216,; 4.,,,650200,; 5.,,710026,)

As an inorganic cementitious material with low cost and good property, cement grouts has been widely used in many engineering fields such as highways, tunnel, slopes, foundations, railways, construction, mining and water conservancy. As for cement grouts, the rheological properties of cement grouts are significantly affected by the changes of the hydration time and the water cement ratio, which determine the diffusion state of cement grouts in rocks and soils and have a great influence on the outcome of projects. However, the current research only considered the influence of a single factor on rheological properties of cement grouts, the combined effect of these factors has not been well understood. In this study, Portland cement grouts, a widely used material in practical grouting engineering are used as the research object and the Portland cement grouts with four water cement ratios which are the typical cement ratio of Newtonian fluid (1.5, 2.0, 5.0,10.0) at six moments (0,5,10, 20, 30 and 60 min) were chosen as the experimental group, then combined with the numerical analysis and the theoretical method the effect of hydration time and water cement ratio on rheological properties of Newtonian cement grouts was studied. The results show that: the hydration time and the water cement ratio both have significant influence on dynamic viscosity of Newtonian cement. The former shows a trend of growth, and the longer the hydration time is, the faster the growth trend, the latter shows a trend of decreased, and the smaller the water cement ratio is, the more significant the decreasing trend. Combined with the perspective of statistical theory, practical applicability and accuracy, this study selects four theoretical models to discuss the quantitative relationship of the effect of hydration time and water cement ratio on rheological properties of Newtonian cement grouts, and the four theoretical models are the most basic in mathematics, also the most widely used in practice: the linear model, exponential model, power function model and logarithm model. Then the optimal model will be determined from the fourth according to statistical theory and experimental verification. Comparing the determination coefficients and the regression values of the four fitting models, the exponential model is the optimal model for the quantitative change of dynamic viscosity of Newtonian cement to react the effect of hydration time and water cement ratio on rheological properties of Newtonian cement grouts. The difference between the theoretical value and the experimental value of the exponential model is within 10%, while more than 80% of the difference between the theoretical value and the experimental value of linear, logarithmic and power function models are greater than 10%. Thus, the rheological equation of Newtonian cement considering the hydration time and the water cement ratio are built. The research results can not only improve the rheological theory of Newtonian cement grouts, but also provide certain technical support for practical engineering applications such as the building foundation support, tunnel water plugging and seepage prevention, foundation reinforcement, geological disaster prevention and control, and agricultural soil conservation.

experiments; hydration time; water cement ratio; cement grouts; rheological properties

楊志全，丁一，楊溢，等. 不同水灰比的牛頓型水泥漿液流變性隨時間變化規(guī)律[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2020，36(19)：161-167.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.19.018 http://www.tcsae.org

Yang Zhiquan, Ding Yi, Yang Yi, et al. Hydration-time-dependent rheological behaviors of Newtonian cement grouts with different water cement ratios[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2020, 36(19): 161-167. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.19.018 http://www.tcsae.org

2020-03-18

2020-09-18

國家自然科學(xué)基金（41861134008）；云南省重點研發(fā)計劃（202003AC10002）；云南省基礎(chǔ)研究計劃面上項目（202001AT070043）；云南省教育廳科學(xué)研究基金（2018JS029）

楊志全，博士，教授，主要從事災(zāi)害起動機(jī)理與水土保持方面研究。Email：yzq1983816@kust.edu.cn

楊溢，博士，教授，主要從事災(zāi)害起動機(jī)理與水土保持方面研究。Email：2919847230@qq.com

10.11975/j.issn.1002-6819.2020.19.018

TU 443

A

1002-6819(2020)-19-0161-07