1.2 濕磨細水泥漿液的特性

1.2.1 濕磨細水泥漿液的流變性

漿液在介質體中流動時按其流線形態一般可分為層流和紊流兩種。當漿液流速較小時，流線相互平行，稱為層流；當流速較大時，流線相互混摻，稱為紊流。區分兩種流態的指標是雷諾數。試驗證明，雷諾數在10附近時，層流狀態開始破壞。一般條件下漿液和漿液的運動均屬于層流。一般情況水在介質體中的運動規律和漿液的運動規律非常相似，不同之處是漿液具有黏度，不像水那樣容易流動。漿液的流變性反映了漿液在外力作用下的流動性，漿液的流動性越好，漿液流動過程中壓力損失越小，漿液在巖體中擴散得越遠。反之，漿液流動過程中壓力損失大，漿液不易擴散。

根據不同灌漿材料漿液的流變性按時間效應和其力學特性曲線分類如表1-2所示。

各種與時間無關的流體的流變曲線參見圖1-6。

從圖1-6中可以看出牛頓流體和賓漢姆流體的流變曲線是比較簡單的直線，也是灌漿常用的兩種流體。牛頓流體是單相的均勻體系，水和多數化學漿液以及比較稀的水泥漿液屬于牛頓流體。賓漢姆流體是具有固相顆粒的非均勻流體（泥漿、水泥漿），它是懸浮液的典型特征，濕磨細水泥漿液屬于賓漢姆流體。其他的非線性流體，隨著剪切速率增大，表觀黏度下降，稱為假塑性流體，流動過程中表現為剪切稀釋；當隨著剪切速率的升高，其表觀黏度增大，稱為膨脹流體，流動過程中表現為剪切稠化。

1.2.2 濕磨細水泥漿液的黏性

濕磨細水泥漿液的黏度是指水與水泥混合好后的靜態黏性。由于濕磨細水泥漿液不是以一定的黏度向地層滲透。漿液在凝結之前，其黏度隨外力和時間變化。一般用漿液的流變方程及曲線描述漿液的流動變形特性，并將其用于滲透性理論公式，考慮對灌漿參數的影響。

濕磨細水泥漿液是典型的賓漢姆塑性流體，其流變曲線是不通過原點的直線，流體具有這種性質是由于流體含有一定的顆粒濃度，在靜止狀態下形成顆粒之間的內部結構。在外部施加的剪切力很小時，漿液只會產生類似于固體的彈性。當剪切力達到破壞結構后（超過凝聚力），漿體才會發生類似于牛頓流體的流動，漿液的這種性質被稱為塑性。賓漢姆流體的流變方程表達式為：

式中：τ為剪切應力，Pa; τ0為靜剪切應力，Pa; γ為剪切速率或流速梯度，S-1; μp為塑性黏度，Pa·s。

所以，賓漢姆流體比牛頓流體具有較高的流動阻力，灌注濕磨細水泥漿液時需要較大的壓力，漿液才能擴散較遠。對于濕磨細水泥漿液，當水灰比大于1時，屬于牛頓流體；當水灰比小于1時，屬于賓漢姆流體。

1.2.3 濕磨細水泥漿液的析水性

人們知道，水泥漿是由液體的水和固體的水泥顆粒混合起來的懸浮液體，屬粗分散體系，水泥漿的流動屬兩相流。由于水泥的比重為水的3倍以上，水泥顆粒只是暫時的懸浮在其中，它時時刻刻保持著“掙脫”趨勢。它之所以能暫時地懸浮，是因為在攪拌機中漿液受到機械地“攪混”，在輸漿管道中則是被高流速紊流中的垂直脈動流速所卷起，一旦對水泥漿停止攪拌，或當它的流動速度降低到一定程度（譬如層流狀態）后，水泥顆粒便會從漿液中掙脫出來，向底部沉積。這是水泥漿以及其他懸浮型漿液的特點。實際上，正是水泥漿的這一特點，才導致了漿體中多余水分的被排除，使這種材料的灌漿工作能取得成功。

在不同流動狀態下水泥漿液的沉淀速度是不一樣的，靜止狀態和層流時速度最快，過渡流態次之，紊流時速度最慢。通常濕磨細水泥漿液在管道中輸送和在大裂隙中作高流速流動時，多表現為紊流；而在細裂隙中和其他慢速流動中，主要表現為層流。紊流的最主要特征就是脈動現象，產生脈動速度。在垂直向脈動速度作用下，固粒受到一個垂直方向上的沖力，當這個沖力大于顆粒在水中的重量時，固粒就會浮起。漿液流動速度愈大，產生的垂直脈動速度也愈大，它所具有的懸浮力也就愈大。因此，可以說決定水泥漿顆粒是處于懸浮還是下沉狀態的最主要因素是漿液流動速度的大小。另外，比較重要的因素還有水泥比重、顆粒大小、水泥漿的濃度和是否有外加劑的加入等。

一般來說，在相同漿液流動速度和相同濃度條件下，水泥的比重和顆粒越大，則越易下沉。當水泥顆粒直徑DR＜0.001 mm時，通常表現為較穩定的均勻流體；當0.001 mm≤DR＜0.05 mm時，流體只有在紊流條件下才較均勻；當DR≥0.05 mm時，就需要更高的流速才能把它卷起。對于濕磨細水泥漿液，其中的水泥顆粒愈小（愈細），單位體積內的顆粒數目愈多，所具有的總表面積愈大，下沉時彼此碰撞和摩擦的機會就愈多，因而下沉就愈困難，則漿液就愈穩定。這就是濕磨細水泥漿液比普通水泥漿液更穩定的原因。

在其他條件相同時，水泥漿液愈稀（即水灰比愈大），水泥顆粒的沉降速度愈快。隨著漿液濃度的加大，顆粒之間相互碰撞，摩擦的機會增多，因而下沉阻力增大，速度減慢。此外，超過一定濃度的水泥漿開始呈現出賓漢姆流體特征，只有在克服了漿液的凝聚力c值以后，水泥顆粒或其集團才能下沉。相關試驗資料表明，當水灰比小于0.4時，水泥漿基本上不析水或析水很少。然而，在同樣流速下，濃漿先于稀漿發生沉積。因為挾帶能力相等時，總是濃漿中的水泥含量先超過漿液的挾帶能力。通過在水泥漿液中摻入一定數量的分散性外加劑，可以延緩水泥的下沉和析水速率。

以上的討論僅適用于在無限流體中單個顆粒的沉降。在水泥漿這種兩相流中，實際上是同時包含著許多大小、形狀不等的水泥顆粒及其聚成的絮凝集團。在相同速度的流體中，它們的沉降流速各不相同，大的顆粒或集團較早地沉降，而后才是細小的顆粒沉降。

1.2.4 濕磨細水泥漿液的沉積取向性

在水泥灌漿的充填過程中，常常會伴隨發生一個對水泥粒度乃至成分的選擇問題。因為水泥顆粒的沉積有個先后次序，一般是粒徑大的先于粒徑小的，比重大的先于比重小的，活性高的先于活性低的。于是，在不同地點上沉積下來的水泥，其顆粒大小與礦物成分，都與原來的級配有所不同。此種情況的產生，將會導致水泥結石的性質與強度差異。這就是水泥灌漿中特有的漿液沉積過程中的取向性問題。

濕磨細水泥漿沉積的取向性與灌漿所用水泥的種類密切相關。目前，在我國常用于灌漿的水泥有硅酸鹽水泥、抗硫酸鹽水泥、礦渣水泥和火山灰水泥等，上述幾種水泥的礦物組成中，C3S、C2S、C3A、C4AF是水泥的基本熟料，而礦渣和火山灰等是在對熟料粉磨時作為活性材料后添加進去的。礦渣或火山灰摻量的不同，可引起水泥性質和名稱的改變。按我國相關水泥規范規定：在普通硅酸鹽水泥中，活性材料與非活性材料的添加總量不超過15%；在礦渣水泥中可添加有20%～70%的粒化礦渣；在火山灰水泥中可添加20%～50%的火山灰質混合材料。因各種水泥的礦物組成不同，在灌漿中所產生的分選程度和對結束性能的影響也不一樣，現將這幾種水泥中通常包含的礦物成分及其比重列入表1-3。

水泥結石的物理力學性能首先取決于水泥的原始礦物組成，若其中一種礦物的配比發生了變化，就會引起水泥性質的改變。以硅酸鹽水泥為例，如把四種熟料的總和作為100，前兩種礦物按重量一般占總和的75%～80%，而后兩種只占20%～25%。在每一對礦物的范圍之內，它們的相對含量又可在很大幅度內變動。變換這些礦物的組成，就可獲得各種具有獨特性能的水泥品種。例如C2S含量高，便是低熱水泥；C3S含量多，便是高強水泥；C3A含量少的則是抗硫酸鹽水泥。

以四種熟料礦物為主要成分的水泥，在其每一個具體顆粒中或許不會只含一種礦物，但有這樣的可能性，某種礦物所占比例可能高些。由于各種礦物水解和水化速度不同（C3A＞C4AF＞C3S＞C2S），因而會使水泥顆粒的活性有高有低，在水化反應時有快有慢，另外，顆粒大小及比重的差異，也會造成一定程度的分選。但這些因素并不會使水泥結石的物理性質發生根本改變。

但是，對于摻和料較多的礦渣水泥、火山灰水泥來說，它們的取向性問題就會變得較為嚴重。因為粒化礦渣和火山灰質，一是以獨立的顆粒形式存在；二是它們的比重比水泥顆粒小；三是它們暫時還不具備活性。因此，在水泥漿的水化過程中，它們有較大可能會被最先分選出來，或以更高的比例聚集或單獨地沉積在一起。如果發生這種情況，無疑它們會被攜帶得更遠。礦渣和火山灰質這類物質，之所以能作為水泥的組分與水發生硬化，是靠與四種熟料礦物水解時釋出來的CaO在水中轉化為Ca（OH）2反應來實現的。它們一旦脫離了熟料，或其比例大大增高，就將從根本上失去它們充當水泥的“資格”。這樣的沉積物，不是凝結很慢，就是強度很低，甚至根本不凝結。所以，在選用灌漿水泥時應盡可能避免使用礦渣水泥或火山灰水泥。

筆者在進行濕磨細水泥漿材的穩定性析水試驗時，發現某些礦渣水泥品種的水泥漿液在自然沉積析水過程中有分層現象。此外，采用礦渣水泥進行灌漿的實踐中，從鉆孔中曾經發現過許多長時間不凝結的灰漿和強度很低的泡沫狀結石，有些結石用臘封裹起來可漂浮于水上，可以認為這是水泥分選造成的直接結果。特別是當使用的水泥漿液水灰比越高，這種取向性就越明顯。

濕磨細水泥是在普通水泥基礎上磨細制備而成的，其顆粒粒徑較后者大幅度減小且分布均勻，其漿液的穩定性明顯優于普通水泥漿液，同樣水灰比條件下析水率降低。研究結果表明，濕磨細水泥漿液的沉積取向性低于普通水泥。隨著漿液水灰比的減小，漿液黏度增大，各種顆粒都互相聚集包裹在一起下沉，其取向性就影響較小或不復存在。因此，在低水灰比的濕磨細水泥漿液灌漿中，可以選擇使用礦渣水泥或火山灰質水泥，而且可以摻加一定數量的粉煤灰等活性充填材料，以達到對較寬裂隙的充填目的。

1.2.5 濕磨細水泥顆粒的吸附作用

所謂吸附作用，是指水泥在加水拌和后產生的顆粒之間互相吸引和被其他物體吸附的性質。水泥的這種性質，在灌漿過程中對水泥顆粒的沉積，排除多余水分和形成結石的質量都有很大的影響。特別是水泥顆粒細化后，細水泥顆粒受到吸附作用的影響更加顯著。

水泥化學的研究成果指出：水泥熟料的主要礦物組成是C3S、C2S、C3A和C4AF。在與水接觸時，這些組分都能與水起化學反應或被水分解而形成它的水化產物。當用超過化學反應所需水量調和時，發現這類水化產物除形成氫氧化鈣晶體和偶爾含有少量的六立方水化鋁酸鹽與硫鋁酸鹽而外，多數為無法辨認的無定型物質——一種膠狀物質。這類物質將水泥顆粒包圍起來，而且隨著水化的繼續進行，這層物質會慢慢地增厚。

通常把此種膠狀物質稱作溶膠，即“膠體溶液”。它的粒子分散得是如此之細，以致它具有極大的表面積和表面自由能，這就決定了溶膠是不穩定體系。膠粒之間存在互相吸引、凝聚成大集團的趨勢。膠粒間吸引力的本質和分子間的吸引力極為相似，但在這里又不完全是分子間的吸引力，還存在著許許多多分子聚集而成的膠粒集團間的吸引力。

既然水泥顆粒是被這種溶膠包圍著，自然它也因此有了互相吸引和凝聚成更大集團的趨勢。而且，它還容易被與它接觸的其他物體所吸附。附著在水泥顆粒上的膠體質點，能夠使水泥顆粒逐漸靠近，但是當靠近到一定距離后，它們之間又要產生另一作用力——排斥力。這一力阻止它們靠得太近，要它們適可而止。早期在研究溶膠為什么能暫時穩定下來而不聚沉的原因時發現：由于膠粒在電場中總是作定向運動，膠粒帶有相同的電荷，因此產生了同性排斥。

“擴散雙電層”理論認為，在懸浮液的固-液界面處，固相表面由于電離或吸附離子而帶電，而在它的周圍分布著與固相表面電性相反、電荷相等的離子，由于離子的熱運動，使它們擴散地分布在界面周圍。在界面周圍液相里有負離子也有正離子，只是因固相表面電場的作用造成該處負離子多于正離子。多的負離子稱為負電荷的過剩。隨著與界面距離的增大，負離子的分布也由多到少，到了正電荷的電力線所不及的地方，過剩的負電荷就等于零。自固體表面至負電荷為零處的總厚度稱為擴散雙電層。

當粒子移動時，界面上的溶劑化層和層中的離子都隨著移動。所以，膠粒是固相粒子和溶劑化層的整體。它對于均勻液相內部具有一定電位，稱為電動電位，又稱ζ電位。ζ電位是膠粒溶劑化層界面到均勻液相間的電位，和固相內部到均勻液相內部的熱力學電位不同。

膠體質點周圍形成擴散雙電層，亦即有“離子霧”形成。當離子接近時，離子霧首先交聯。于是將產生滲透壓力，使膠粒不易接近。因為正電荷的作用，由于離子霧中負離子的“屏蔽”而消失，當兩個膠粒接近時，在離子霧尚未接觸以前，膠粒間無相互作用。待距離縮短到使離子霧互相交聯時，離子霧濃度顯著增大，于是原來離子霧電荷分布的對稱性遭受破壞，而引起重新分布。離子霧自濃度大的區域向濃度未變區域擴散，從而產生滲透壓力，使膠粒間發生互相推斥的作用。

通常可以把一個水泥顆粒設想為一個在周圍有了離子霧的膠粒。這樣，在水泥顆粒之間互相作用的能量就是：在距離較大時，由膠粒表面能產生的吸引力在起主導作用；當靠近到離子霧交聯階段，推斥力開始起主導作用。這就是水泥顆粒在初始時企圖靠近，到后來又不能靠得很緊的原因所在。

在實際灌漿過程中，當水泥漿進入地層空隙系統以后，由于漿液流動速度的急劇減小，水泥顆粒的動能隨之減小。首先，它會被接觸到的巖壁所吸附，然后又會被已經被吸附了的其他顆粒所吸附。同時水泥顆粒之間的互相吸引，會使一些單個顆粒聚集成一些大小不等的膠粒集團，使它們的沉降速度加快，這就大大促進了水泥漿析水沉積的過程。正是由于這種物理和化學的作用力，可以將水泥顆粒連同它周圍離子霧中所包含的水分，一起從流動著的漿液中被挽留下來沉積在縫隙里，然后將載運它的多余水分從其他縫隙中排出。

由此推算，大概就是在離子霧達到剛剛交聯到這樣一種緊密程度時，空隙通道就被這種不松不緊的物料給淤填住了。該孔段的灌漿工作也就到了結束階段。接著而來的，便是沉積物的硬化，從而把每個水泥顆粒的位置基本上固定了下來。于是，就形成了灌漿結石的固有的密實度和含水量。

這里可將水泥沉積物中包含的水劃分成以下三種類型：

（1）已與水泥化合了的非蒸發水：成結晶狀態存在，只能在500～1000℃的高溫下才能除掉。含量與當時的水化程度有關，一般說來，水泥顆粒愈細，水化最快的C3A含量愈高，這部分水的含量也就愈多。因此，在水灰比相同時，濕磨細水泥漿液結石的含水率比普通水泥略高。

（2）被膠體物質吸附的可蒸發水：這部分水能在100～110℃或氣壓接近零的干燥條件下被除掉，其含量的多少，與當時已經水化的水量成正比。

（3）充填在水泥沉積物顆粒之間孔隙中的自由水：它能在壓力或重力作用下流動。其含量與水泥顆粒的細度、級配和形狀等有關。

大量的灌漿實踐資料已經表明，這種在流動條件下產生的水泥沉積物比在靜止條件下產生的密實度要高，含水量要少，究其原因，很可能是這樣的：在流動條件下，水泥顆粒先由懸浮狀態轉到“跳躍式”推移狀態，最后再一個一個地沉積下來，中間經過了滾動和撞擊等的“振搗”作用。水泥顆粒之間的距離，主要是由吸引力和排斥力決定的，很可能像分子結構那樣，有一定排列次序，因而結合地較為緊密。在靜止條件下，水泥顆粒及其絮凝集團，在其下沉時由于互相間的摩擦和支撐作用，部分地抵消了重力和吸引力，因而在顆粒中間會有較大的空隙。此外，尤其是在狹縫中，固相粒子下沉時受孔隙側壁牽制很大，屬“干涉沉降”，亦必然增大沉積物的孔隙度和含水量。

兩種不同條件下沉積形成的水泥結石，有時是可以從結石的外觀分辨出來的。例如：對用孔內循環灌漿法作過灌漿的鉆孔再作掃孔時，經常可以取出兩種明顯不同的水泥結石，一種是靠近孔壁的，具有“年輪”一樣的紋理、色深、堅硬、致密的結石（顯然是在流動循環中形成的）；另一種是充填在迂回通道中的結石，顯然是在灌漿工作結束后，在閉漿過程中，經靜止沉淀形成的，它沒有紋理，色淺而松軟。

吸附的另一作用是它可以使任何方向的裂隙（直立的或傾斜的）、裂隙的側壁或頂部，都能得到充填。而且，由這種作用沉積下的水泥，一般不會再被水流帶走。