理论教育 注浆材料的流变特性探析

注浆材料的流变特性探析

时间:2023-06-26 理论教育 版权反馈
【摘要】:浆液在孔隙中流动,其流变学特性取决于浆液材料的结构特性。流动较好的化学浆液属于牛顿流体,它的特点是在凝胶前符合一般牛顿流体的流动特性,当达到凝胶时间后,瞬时凝胶。为了简化计算,一般将其看成具有平均性质的准流体考察其流动性质,应用非牛顿流体力学的方法研究浆液的两相流动特性。如图2.1中曲线2为宾汉姆流体的流动曲线。切应力与变形速度成线性关系。图2.2为常见的两种浆液粘度变化曲线。

注浆材料的流变特性探析

浆液在孔隙中流动,其流变学特性取决于浆液材料的结构特性。据此,浆液可分为牛顿体和非牛顿体两大类。如图2.1所示为几种常见流体的性状曲线。

流动较好的化学浆液属于牛顿流体,它的特点是在凝胶前符合一般牛顿流体的流动特性,当达到凝胶时间后,瞬时凝胶。牛顿流体的切应力τ和应变速度γ呈线性关系,其流动曲线是通过图2.1中坐标原点的直线(曲线1),本构方程如下

图2.1 各种流体的流变曲线

1—牛顿流体;2—宾汉姆流体;3—剪切稀化流体;4—剪切稠化流体

水泥和粘土浆液从结构上看,属于两相流体,应符合两相流动理论。为了简化计算,一般将其看成具有平均性质的准流体考察其流动性质,应用非牛顿流体力学的方法研究浆液的两相流动特性。

非牛顿流体包括剪切稀化流体、剪切稠化流体、宾汉姆流体等多种类型,它们有不同的切应力与应变速度的关系曲线,分别如图2.1中曲线2~4所示。其中,宾汉姆流体也称塑性流体。水泥、粘土、污泥、沥青、石油制品、高含蜡低温原油、牙膏、油漆及中等浓度的悬浮液等都可当作宾汉姆流体考虑。如图2.1中曲线2为宾汉姆流体的流动曲线。由于多相流体中,作为分散相的颗粒分散在连续相中,由于分散的颗粒间有强烈的相互作用形成了一定的网状结构,为破坏网状结构,使得对宾汉姆流体只有施加超过屈服值的切应力才能产生流动。切应力与变形速度成线性关系。宾汉姆流体的本构方程如下:

由于宾汉姆流体只有切应力超过屈服值的部分才能产生相对流动,其余部分只是随着这部分流体像固体一样向前滑动。因此,宾汉姆流体的流动中一般包括两个区域:流体质点间无相对运动的部分称流核区(固态),流核以外的称速梯区(液态)。在固液两区的交界面上发生屈服。

粘度是浆液的最主要的流变参数。

图2.2为常见的两种浆液粘度变化曲线。

图2.2中的两条曲线反映了通常意义上的粘度不变及粘度渐变型浆液粘度随时间变化情况。以丙烯酰胺为代表的大多数化学浆液属粘度不变型浆液,其特点是在凝胶之前粘度保持不变,当达到凝胶时间后瞬时凝胶。以水泥浆为代表的粘度渐变型浆液,它的特点是浆液粘度逐渐增大,直到完全凝胶。水化时间是粘度变化的最主要影响因素,若忽略其他(如触变性、震凝性等)次要因素的影响。则

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图2.2 两种浆液粘度变化曲线

1—一般浆液材料,如单液水泥浆,环氧树脂类,铬木素类等;2—丙烯酰胺类浆液等

即τ0、μ只与时间有关。

若将式(2.3)代入式(2.2)中,则:

这说明:在某一固定时刻,τ、γ之间仍服从线性关系。有资料表明:许多粘度渐变型浆液,凝胶过程中粘度变化都符合指数规律:

式中 t——浆液混合的时间;

k,a——待定常数,由各种不同浆液本身的性能所决定。

事实证明,在高压下浆液运动时的粘度与浆液静置时的粘度变化是有区别的,其变化规律比较复杂,且不易直接掌握,但通常可以认为:它与常温常压下浆液自行凝胶时的变化规律基本一致,或者说仅相差一个常数,即:

式中 μ1(t)——浆液运动时的粘度变化;

C——常数。

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