朱世彬，王曉東，武博強

(中煤科工集團西安研究院有限公司，陜西 西安 710000)

0 引 言

隨著城市化、工業(yè)化、現(xiàn)代化進程的快速推進，采煤沉陷區(qū)上覆土地亟待激活[1]，實現(xiàn)采空區(qū)治理后結(jié)構(gòu)穩(wěn)定和經(jīng)費節(jié)約，在采空區(qū)充填治理中迫在眉睫。已有學(xué)者提出采用高濃度充填治理技術(shù)治理采空區(qū)[2-3]，利用價格低廉的材料制備高濃度充填漿液，采用注漿方法，使高濃度漿液在采空區(qū)中形成墩柱狀堆積體，達到有效支撐頂板的作用。高濃度漿液主要由膠凝劑、惰性骨料以及改性添加材料構(gòu)成，具有含砂率高、濃度高、可塑、流動等特點[4-5]。漿液注入采空區(qū)后，將由下而上、由內(nèi)而外堆積擴展。膠凝材料因水化反應(yīng)作用而逐漸凝結(jié)，漿液黏度和屈服應(yīng)力等流變參數(shù)將隨著時間增加而改變，這一過程將直接影響高濃度漿液在采空區(qū)中堆積體大小與形態(tài)，研究高濃度漿液流變特性隨時間變化規(guī)律對于采空區(qū)注漿充填具有重要意義。

目前，關(guān)于水泥基漿液的黏度時變特性已有一定研究。阮文軍[6-7]證明了水泥漿、水泥黏土漿和水泥復(fù)合漿液的黏度存在時變性，其規(guī)律符合指數(shù)函數(shù)分布；李術(shù)才等[8-9]發(fā)現(xiàn)水泥-水玻璃材料存在低黏度期，隨后在較短的時間內(nèi)迅速增長至凝固，漿液前期黏度時變性符合冪指函數(shù)形式，而高聚物改性材料混合后黏度便快速上升，無低黏度期，隨后成膏狀，黏度維持在一個穩(wěn)定值，最后凝結(jié)固化；楊志全等[10]建立了考慮時變性的賓漢姆流體的流變方程與滲流運動方程，推導(dǎo)了相應(yīng)的球形及柱形滲透擴散模型；張連震等[11]基于水泥-水玻璃速凝漿液黏度時變性賓漢流體的本構(gòu)模型，借助滲流過程中均勻毛管組模型，建立了恒定注漿速率條件下考慮漿液黏度時空變化的一維滲透注漿擴散模型。在高濃度漿液的流變特性研究方面，劉曉輝[12]研究了管道輸送過程中膏體的流變特性，發(fā)現(xiàn)隨著體積濃度的增加，漿液屈服應(yīng)力和黏度均成指數(shù)增大。翟永剛等[13]研究了膏體濃度、淬尾比、灰砂比對流變參數(shù)的影響規(guī)律，發(fā)現(xiàn)對屈服應(yīng)力的影響程度為質(zhì)量濃度>淬尾比>灰砂比。趙龍生等[14]發(fā)現(xiàn)料漿濃度和粉煤灰含量對漿液的流變參數(shù)有顯著性影響。王新民等[15]對金川公司全尾砂膏體流變參數(shù)與各物料用量(粉煤灰、細石尾砂比、質(zhì)量濃度)的定量關(guān)系進行了分析。胡華等[16]研究了料漿濃度、細粒級含量及膠凝材料含量三因素對流變參數(shù)的影響規(guī)律。上述文獻多為高濃度漿液物料組成和摻量對漿液流變特性影響研究，以及長時間輸送時管道內(nèi)漿液的流變特性，但對于高濃度漿液注入采空區(qū)后其流變特性的時變性研究少有報道，而這直接影響了高濃度漿液在采空區(qū)內(nèi)所形成的堆積體的大小和形態(tài)。

為解決上述問題，筆者以水泥為膠結(jié)材料，標準砂為骨料，配制高濃度漿液，考慮漿液中水泥水化反應(yīng)的影響，研究高濃度漿液注入采空區(qū)后時間對漿液流變特性影響，為高濃度漿液充填治理采空區(qū)過程中關(guān)鍵參數(shù)控制提供依據(jù)。

1 試 驗

1.1 試驗材料及方法

為研究高濃度漿液注入采空區(qū)后，漿液由下而上、由內(nèi)而外的堆積過程中漿液黏度和屈服應(yīng)力變化過程，設(shè)計高濃度漿液流變特性隨時間變化試驗。試驗選用標準砂作為骨料，PP32.5R火山灰質(zhì)硅酸鹽水泥作為膠凝材料。試驗中骨膠比為骨料與膠凝材料的質(zhì)量比，水灰比為水與膠凝材料的質(zhì)量比。本試驗中高濃度充填漿液水灰比為0.55，骨膠比分別為2.6、2.7和2.8。將漿液按照配比攪拌均勻，取相同質(zhì)量漿液放置于不同燒杯中備用，每隔一定時間，取其中一杯進行漿液的流變特性測試。

1.2 試驗儀器

試驗所用流變儀為美國博勒飛(Brookfield)公司的RST-CC槳式流變儀。該儀器通過RHEO3000軟件設(shè)置穩(wěn)態(tài)剪切，令剪切速率從0線性增加至60 s-1再線形減小至0，試驗測試時長為120 s。

1.3 試驗原理

試驗中高濃度漿液的流變特性滿足Bingham模型，即

τ=τ0+μpγ

(1)

式中：τ為剪切應(yīng)力，Pa；τ0為屈服應(yīng)力，Pa；μp為塑性黏度，Pa·s；γ為剪切速率，s-1。

2 試驗結(jié)果

骨膠比2.7時漿液剪切應(yīng)力隨剪切速率變化如圖1所示。從圖1可見，剪切速率在0～60 s-1遞增過程中，漿液的剪切應(yīng)力突增至最高點然后迅速下降到一定值再線性下降；剪切速率在60～0 s-1遞減過程中，漿液的剪切應(yīng)力線性遞減。隨著靜置時間的增加，漿液的整體剪切應(yīng)力明顯增加。采空區(qū)注漿充填時，高濃度漿液由流動狀態(tài)逐漸變成靜置狀態(tài)，與剪切速率由60 s-1到0 s-1變化過程相似，此過程符合Bingham模型，根據(jù)Bingham模型可計算每個時間節(jié)點上的高濃度漿液的屈服應(yīng)力和塑性黏度值，此時屈服應(yīng)力為動態(tài)屈服應(yīng)力，即膏體從流態(tài)轉(zhuǎn)變到固態(tài)時的最大應(yīng)力。筆者的研究主要針對高濃度漿液注漿充填中的堆積擴散問題，因此動態(tài)屈服應(yīng)力對于后續(xù)研究具有較大的實際意義。

圖1 骨膠比2.7時漿液剪切應(yīng)力隨剪切速率變化Fig.1 Shear stress as a function of shear rate under aggregate and cemented material proportion of 2.7 in slurry

骨膠比2.7時漿液表觀黏度隨剪切速率變化曲線如圖2所示。由圖2可見，剪切速率在0～60 s-1遞增過程中，漿液的表觀黏度突增至最高點，然后逐漸下降；剪切速率在60～0 s-1遞減過程中，漿液的表觀黏度逐漸恢復(fù)，但較最初剪切速率對應(yīng)的表觀黏度小。隨著靜置時間的增加，漿液的整體表觀黏度明顯增加。

圖2 骨膠比2.7時漿液表觀黏度隨剪切速率變化Fig.2 Apparent viscosity as a function of shear rate under aggregate and cemented material proportion of 2.7 in slurry

不同骨膠比漿液的塑性黏度隨時間變化關(guān)系如圖3所示。由圖3可見，隨著靜置時間的增加，漿液塑性黏度不斷增加；當靜置時間相同時，骨料摻量越大漿液的塑性黏度相對越大。

圖3 漿液塑性黏度隨時間變化關(guān)系Fig.3 Variation curves of slurry plastic viscosity with time

由漿液屈服應(yīng)力隨時間變化關(guān)系可見，隨著靜置時間的增加，漿液屈服應(yīng)力不斷增加(圖4)；靜置時間相同，骨料摻量越多屈服應(yīng)力相對越大，骨膠比2.8時，漿液整體屈服應(yīng)力明顯高于骨膠比2.6與2.7時。

圖4 漿液屈服應(yīng)力隨時間變化關(guān)系Fig.4 Variation curves of slurry yield stress with time

觸變性是指在外力作用下漿液黏度逐漸降低流動性暫時增加，當失去外力后漿液具有緩慢的可逆恢復(fù)的性能。由圖5漿液觸變性隨時間變化關(guān)系可見，隨著靜置時間的增加，漿液觸變性不斷增加。骨膠比較大時，漿液觸變性也較大。

圖5 漿液觸變性隨時間變化關(guān)系Fig.5 Variation curves of slurry thixotropy with time

3 機理分析

高濃度漿液主要由水泥、砂、水組成，水泥的水化反應(yīng)影響了高濃度漿液隨時間的流變特性。水泥熟料中最主要的礦物成分為硅酸三鈣、貝利特硅酸二鈣、鋁酸三鈣和鋁鐵酸四鈣(中間相)，不同礦物單體與水反應(yīng)的速度不同，高濃度漿液初始失去流動特性主要是由于水泥中的硅酸三鈣、鋁酸三鈣和鋁鐵酸四鈣(中間相)反應(yīng)[17]。

影響高濃度漿液流動的硅酸三鈣的水化反應(yīng)主要為0～2 h的水化反應(yīng)，使氫氧化鈣迅速達到飽和，在硅酸三鈣顆粒表面生成水化硅酸鈣凝膠，一方面控制水泥顆粒間的鍵合作用，另一方面以針狀或棱柱狀晶體填充高濃度漿液中的空隙結(jié)構(gòu)[18-19]。

試驗中采用火山灰質(zhì)硅酸鹽水泥，因此，鋁酸三鈣與石膏反應(yīng)，初期，生成三硫型水化鋁酸鈣(3CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O )，即鈣礬石。石膏耗盡后，鈣礬石與鋁酸三鈣反應(yīng)生成單硫型水化鋁酸鈣(3CaO·Al2O3·CaSO4·14H2O )。整個過程中水化熱較低，不會引起快凝現(xiàn)象。

鐵鋁酸四鈣與鋁酸三鈣類似，也可以生成類似于鈣礬石的水化產(chǎn)物及相應(yīng)的低硫酸鹽產(chǎn)物，無硫酸鈣時，鋁鐵酸四鈣直接發(fā)生水化反應(yīng)，但反應(yīng)速率比鋁酸三鈣直接水化要慢，水化熱更低，也不會引起快凝現(xiàn)象。

綜上可見，高濃度漿液隨時間的流變特性主要受到硅酸三鈣反應(yīng)影響，水化反應(yīng)生成的針狀水化硅酸鈣直接影響了高濃度漿液隨時間的黏度、屈服應(yīng)力和觸變性，2 h以內(nèi)，針狀水化硅酸鈣在砂顆粒之間的橋接作用使高濃度漿液的黏度、屈服應(yīng)力和觸變性都增加了。同時，根據(jù)水泥水化多尺度模型[20]也可發(fā)現(xiàn)，水化硅酸鈣在經(jīng)典的水泥水化反應(yīng)中起到橋接作用，在水泥砂漿中，水灰比一定，水泥水化反應(yīng)一定，骨料越多，水泥漿液在骨料上形成的膜越薄，但水化反應(yīng)仍然繼續(xù)，骨料之間生成針狀水化硅酸鈣越多(圖6)，因此，相同時間下，骨料越多，黏度、屈服應(yīng)力和觸變性越大。

圖6 骨料橋接示意Fig.6 Schematic of aggregate bridging

4 應(yīng)用分析

注漿工程中當注漿漿液選定后，注漿壓力是注漿工藝中的重要參數(shù)。注漿壓力確定與注漿過程密切相關(guān)。高濃度漿液注入采空區(qū)后，漿液由下而上由內(nèi)而外堆積，膠凝材料因水化反應(yīng)作用而逐漸凝結(jié)，當繼續(xù)注漿，漿液將從注漿管孔沿著硬化殼體薄弱面以類似管狀繼續(xù)流淌至采空區(qū)底面(圖7)，此過程可近似為流體力學(xué)中的管道流。漿液初始堆積時，其堆積角和堆積大小受0時刻的漿液的屈服應(yīng)力和黏度控制。當漿液接頂以后，漿液擴展實際上是漿液順采空區(qū)頂板注漿管孔向外沿薄弱面流淌擴散。結(jié)合管道流相關(guān)理論，可將薄弱面流淌的漿液等效為管道，根據(jù)漿液塑性黏度和屈服應(yīng)力隨時間的關(guān)系，即利用試驗數(shù)據(jù)擬合的塑性黏度μp和屈服應(yīng)力τ0隨時間t變化關(guān)系，公式(2)和(3)，得出漿液擴散所需壓力。

圖7 漿液堆積照片F(xiàn)ig.7 Photograph of slurry accumulation

μp=αebt

(2)

式中：α和b為與塑性黏度相關(guān)的漿液的時變參數(shù)，α取1.80～2.83，b取3.4×10-3～5.3× 10-3。

τ0=kect

(3)

式中：k和c為與屈服應(yīng)力相關(guān)的漿液的時變參數(shù)，k取53.35～123.86，c取5.0×10-3～6.4× 10-3。

將漿液擴散所需壓力與整個管道的沿程阻力相加，即可得到設(shè)計接頂面積下的注漿終止壓力，此過程有待進一步研究。研究所得結(jié)果可為后續(xù)充填工藝中關(guān)鍵參數(shù)終止壓力的設(shè)定提供基礎(chǔ)。

5 結(jié) 論

1)剪切速率在0～60 s-1遞增過程中，漿液的剪切應(yīng)力和表觀黏度均會先突增至某一值然后下降；剪切速率在60～0 s-1遞減過程中，漿液的剪切應(yīng)力和表觀黏度為線性遞減。剪切速率上升時對應(yīng)的剪切應(yīng)力和表觀黏度均大于下降時的剪切應(yīng)力和表觀黏度，漿液具有觸變性。

2)剪切速率由60 s-1到0 s-1變化過程符合Bingham模型，且更滿足高濃度漿液充填實際工況。利用Bingham模型獲得不同時間漿液塑性黏度和屈服應(yīng)力，漿液的塑性黏度和屈服應(yīng)力隨著靜置時間增加而增大；相同靜置時間下，漿液骨膠比越大，對應(yīng)的塑性黏度和屈服應(yīng)力越大。

3)高濃度漿液隨時間的流變特性主要受到硅酸三鈣反應(yīng)影響，生成物針狀水化硅酸鈣直接影響了高濃度漿液隨時間的黏度、屈服應(yīng)力和觸變性，2 h以內(nèi)，針狀水化硅酸鈣在砂顆粒之間的橋接作用使高濃度漿液的黏度、屈服應(yīng)力和觸變性都增加。水灰比一定，水泥水化反應(yīng)一定，骨料越多，水泥漿液在骨料上形成的膜越薄，骨料之間生成針狀水化硅酸鈣越多，相同時間下，骨料越多，黏度、屈服應(yīng)力和觸變性越大。

4)獲得了塑性黏度和屈服應(yīng)力隨時間的變化公式，對高濃度漿液流變時效特性參數(shù)的應(yīng)用方向進行了初步分析。