《水利水电技术（中英文）》官网网址https://sjwj.cbpt.cnki.net摘 要：大量基础处理灌浆工程，特别是服役水工混凝土结构防渗堵漏存在可灌性差、灌浆效果难以保证等难题。
采用化学灌浆材料成本高，优选的超细水泥灌浆材料可灌性和灌浆效果虽有所提升，但目前干法制备成本偏高、湿法制备的粒径偏大。
为克服超细水泥制备现有技术的不足，基于振动、空化、湿磨复合效应，研发振动空化复合湿磨设备。
通过开展多工况试验，研究制备效果的影响因素及相关参数。
对比试验三种常用水灰比的普通水泥浆液，结果表明，空化振磨15 min后，水泥颗粒破碎率可得到显著提升。
产生累积达19.19%的粒径小于1μm的纳米级水泥颗粒，水泥颗粒粒度D50小于10μm,D90小于30μm,比表面积达到700～1 200 m2/kg。
同比国内现有水泥湿磨机技术指标，D90减小达25%,且设备成本大大降低，无需多次研磨即可达到技术要求。
另外，对设备进行循环运行改造即可实现连续制浆，制备效率能满足灌浆强度的要求，技术成果具备广泛的工程应用前景。
关键词：超细水泥;空化作用;颗粒破碎;粒度分析;振动湿磨;作者简介：曹培智(1997—),男，硕士研究生，主要从事水工新材料研究。
*张贵金(1964—),男，教授，博士研究生导师，博士，主要从事基础处理新技术研究。
基金：国家自然科学基金项目(51279019);湖南省重大水利科技项目[湘水科计(2017)230-37];引用：曹培智, 张贵金, 陈安重. 振动空化复合湿磨技术制备超细水泥浆[J]. 水利水电技术(中英文), 2022, 53(11): 197- 205. CAO Peizhi, ZHANG Guijin, CHEN Anzhong. Preparation of ultrafine cement paste by vibrating cavitation combined wet grinding technology [J]. Water Resources and Hydropower Engineering, 2022, 53(11): 197- 205.0 引 言常规灌浆多采用普通水泥基浆材，但水泥粒径较大，粗颗粒多，其粒径可达90～100 μm, 浆液的稳定性差，灌浆施工不能有效灌入细微裂隙，特别是针对细微孔隙的灌浆，普通水泥浆材难以满足工程防渗加固要求。
粒径更小的超细水泥浆液流动性更好，并在固结时很少析水或不析水，具有良好的防渗固结效果，达到与化学浆液相近的可灌性，且无污染，不易老化。
国内重大水电工程防渗处理需要应用超细水泥灌浆的案例众多,如黑龙滩、两盆滩水库灌浆、金盆大坝帷幕灌浆、锦屏Ⅱ级水电站引水隧洞灌浆以及五强溪水电站坝基帷幕灌浆等。
超细水泥灌浆材料的制备主要有干磨和湿磨两种方法,干磨超细水泥通常是用球磨、振动磨、气流磨等超细粉磨机械制备；湿磨超细水泥是在施工现场利用湿磨机对普通水泥经过2～3次的反复磨制而成。
然而，干法磨制超细水泥虽可以达到较高的细度，但成本偏高，且在储运时易吸水变质；湿磨超细水泥可在工程现场直接进行，现磨现用，提升了工程经济性，但目前国内水泥湿磨机普遍需要多次研磨，单次制浆所得浆液细度并不够理想，且磨齿设备维护成本较高，设备整体耗能偏大。
因此，开展新型超细水泥湿磨设备的研究具有重要的工程意义。
空化现象是指液体所特有的一种非常复杂的流体动力现象，当液体中局部压强低于相应温度下的饱和蒸汽压时，液体汽化并引发气核迅速成长为空化泡，空化泡进入高压区时将发生溃灭，同时对周围形成很强的冲击作用。
研究表明，利用空化作用耦合壁面效应可打破微细颗粒的结团现象,对颗粒进一步破碎。
许多学者对空化效应的机理及应用已有相关研究，计时鸣等通过理论计算模拟设计搭建实验平台，利用超声空化效应强化了磨粒流对待加工件表面的撞击，实现工件表面粗糙度的进一步降低，提升了加工精度及效率。
王平等在湿磨的基础上加入超声波的空化爆破作用及分散作用，尝试用一种超声波空化加机械研磨的方法来制备超细粉体且效果良好。
孙毅等通过数值模拟结合超声空化破碎试验探究了超声频率以及液相粘度两个关键因素对颗粒破碎率的影响，实验结果表明超声频率和物料浆液浓度越低，空化作用越强，颗粒破碎效果越强。
卢玉义等对空化水射流的空泡云特性和破碎机理进行了试验研究，研究了空化水射流的空泡云和冲蚀能力之间的相互关系。
祝利豪采用空化射流结合磨介研磨的微细颗粒制备方法，开展实验验证了该方法的有效性，结果表明空化冲击结合磨介研磨微细颗粒的破碎率比单一研磨微细颗粒的破碎率更高。
超声空化破碎及分散颗粒的成功应用表明，空化泡溃灭冲击对颗粒的破碎作用是存在的，从超声空化装置的组成可知，其工作原理主要依靠超声变幅杆或超声波振子实现，然而它们的作用范围十分有限，且装置成本较高，因此超声空化不适用于大规模破碎颗粒。
射流空化依靠水射流喷嘴产生空化效应,目前主要应用于石油钻探工程领域，配合磨介虽可以对一定粒径的固体颗粒实现破碎，但水泥浆难以穿过射流喷嘴形成空化。
综上考虑，提出基于振动、空化、湿磨复合效应研发新型湿磨设备，利用机械振动在液相环境下对水泥颗粒产生空化冲击，耦合磨介及壁面效应进行进一步破碎，达到制备超细水泥浆的目的。
并通过多工况试验，研究其制备效果的影响因素及相关参数。
1 振动空化复合湿磨设备研发天然状态下，尺度在10-6～10-5 m的极小微气泡在水中是大量存在的，且不溶于水。
一般将这些小气泡称为“气核”或“空化核”,不存在空化气核的液体不能发生空化，并且空化核只在低压区方可获得进一步生长发育(膨胀)的机会。
具有空化核的水中，只有在足够低的压力作用下作用足够长时间，空化才有可能发生。
因此，空化核、低压以及足够的作用时间对于空化作用的形成都是不可缺少的。
因此考虑采用振动机使密闭反应容器产生高频振动，同时利用注浆泵对其进行抽吸，使其内部产生足够负压进而在液相环境下产生空化效应，复合循环球磨系统对普通水泥颗粒进行破碎，实现水泥的进一步细化。
基于上述机理，研发的振动空化复合湿磨装置如图1、图2所示。
装置分三个子系统，一是自振动力系统，通过振动机的高频振动使制浆筒内产生空化效应；二为湿法球磨系统，提供淹没的液相环境以及磨介；三是泵循环系统，利用脉动注浆泵为反应环境提供负压并实现浆液循环输送，旨在提升磨细浆液整体颗粒的均匀度。
图1 振动空化复合湿磨实验装置设计图2 振动空化复合湿磨实验装置实物1.1 自振动力系统自振动力系统是产生空化效应的基础，需满足激振力大小及振幅可调，振动稳定性良好且能循环运行的工作要求。
主要由振动电机、减震弹簧及工作线路组成。
选用VB-10102-W型振动机(见图3),搭配4个Φ160×240×Φ94复合减振弹簧。
图3 振动机1.2 湿法球磨系统湿法球磨系统是空化效应以及水泥颗粒破碎的发生环境，需具有密封性良好、结构强度高等特点。
主要由制浆筒、磨介(Φ15 mm钢珠球，见图4),磨介填充率为20%,以及一台手持搅拌机组成。
图4Φ15 mm钢珠球(磨介)1.3 泵循环系统泵循环系统主要由一台脉动注浆泵(见图5)以及两根高压橡胶管组成，负责为复合湿磨筒输送浆液，并实现系统内循环，加大磨细均匀度，提升破碎效率。
图5 注浆泵2 振动空化湿磨复合作用原理2.1 空化作用微细颗粒破碎是一个粉碎与结团的可逆过程，冲击破碎及研磨破碎等机械作用一方面可以使物料的粒径减小，比表面积相应增大，另一方面又会促进微细颗粒“结团”,产生“逆破碎”效果。
水作为最普通经济的液体介质可以起到分散颗粒、缓解团聚的效果。
制浆筒内，磨介与水泥浆液在振动机激振力作用下产生高频振动，低压区浆液迅速气化产生空化泡，在随着液相流动的过程中，空化泡在遇到环境围压骤增时，体积将急速缩小直至溃灭。
而由于空化泡的溃灭过程时间极短(微秒级),因此会在局部区域产生极大的瞬时高压和高温，并伴随强烈的冲击波以及高速微射流。
空化泡溃灭模式示意如图6所示，空化冲击作用于流体中的颗粒，可将微细颗粒的进一步破碎，突破传统粉磨极限，从而提升颗粒的破碎效率。
图6 空化泡溃灭模式2.2 振动空化湿磨复合作用将一定颗粒质量浓度的水泥浆液拌和后通过注浆泵注入筒内，开启振动机，筒内低压区浆液在高频振动下迅速产生大量空化泡，空化泡在球壁及筒壁附近发生溃灭同时产生瞬时的高速微射流及强烈冲击波，微射流和冲击波冲击浆液中的水泥颗粒撞击球壁产生破碎。
同时球磨筒内磨介在激振力作用下做上下运动，相互撞击、剪切，二者作用相叠加，将空化泡溃灭的“冲击能”以及系统振动下磨介、壁面的“机械能”转化为水泥颗粒的“破碎能”,从而使水泥颗粒被进一步研磨破碎。
其原理如图7所示。
图7 水泥颗粒破碎原理3 影响因素分析3.1 空化作用的因素为探究空化效应对设备整体湿磨复合效应中的影响程度，将制浆筒上方密封塞打开，使其内部液相环境处于开放状态，采用水灰比1∶1的普通水泥浆液进行15 min振磨，并每5 min取样20 ml利用马尔文MS-2000型激光粒度仪(见图11)进行粒度分析，结果如表1所列。
颗粒分析结果与含空化效应的对照如图8所示，根据无空化对照组振磨得到的水泥粒径值与同水灰比实验组相比可得到，空化实验组在相同振磨时间下，其颗粒粒径减小率大幅提升，其D50、D90两项特征粒径值(表示颗粒粒径累积分布达50%、90%的粒径值，即小于该粒径值的颗粒体积含量占全部颗粒的50%、90%)减小程度相较对照组分别最大可达45.7%、26.9%,可见水泥颗粒在有空化振磨条件下能够得到有效破碎。
图8 无空化作用实验所得颗粒特征粒径对比图9 拌浆图10 取样图11 激光粒度分析仪3.2 湿磨时间对三种常用水灰比(2∶1、1∶1、0.6∶1)的水泥浆液分别采用空化振磨15 min, 每5 min进行取样粒度分析，得到浆液颗粒粒度随时间变化情况如图12所示。
从图12可以观察到，试验过程中，0～5 min颗粒粒径减小率最高，水灰比n=0.6∶1前5 min破碎效果最为明显，中值粒径D50达11.075 μm, D90达到35.215 μm; 5 min以后，水灰比n=1∶1的实验组颗粒破碎效率较另外两组浆液明显高出，15 min时各水灰比实验组D50小于10 μm, D90小于40 μm。
由于10 min后颗粒破碎速率总体趋于平缓，考虑工程现场制浆强度及能耗要求，建议单次制浆时间应在10～15 min。
图12 各实验组空化振磨效果随时间变化3.3 激振力大小振动空化复合湿磨装置基于振动、空化、湿磨三者复合效应设计研发，其中的自振动力系统是整套设备实现水泥浆进一步磨细的关键所在，激振力越大，水泥颗粒与磨介、壁面之间的碰撞、剪切作用力越强。
同时，振动机激振力大小也是影响制浆筒内空化效应强弱的关键因素，为确定振动空化复合湿磨作用的最佳激振力大小，采用振动机型号VB-10102-W,设定额定功率1 kW,额定电流2.35 A, 振动频率3 000次/min, 调节振动机偏心块夹角(见图13)改变激振力，对水灰比1∶1的普通水泥浆液分别振磨15 min, 并对制得浆液进行粒度分析结果如表2所列。
结果表明，振动机激振力越大，设备振动空化湿磨复合作用效果越强，水泥浆磨细效果越好。
图13 振动机偏心块夹角示意3.4 水泥水化反应水泥的水化是一个非常复杂的、非均质的多相化学反应过程。
自加水开始，水泥的水化反应就会一直进行，随着水泥水化反应逐渐演变，水泥浆由流动状态逐渐变为塑性状态，最后到凝结硬化状态。
水泥颗粒越细小，其表面积越大，与水的接触面积就越大，水化作用就越迅速越充分，使凝结硬化速率加快，早期强度越高。
水泥的细度虽不改变其根本性质，但却直接影响水泥的水化速率、凝结硬化、强度、干缩和水化放热等性质。
水泥浆在振动空化湿磨过程中粒度逐渐降低，为探究细水泥浆水化反应对颗粒破碎效果的影响，采用干法制CGM超细灌浆水泥配制三种常用水灰比(2∶1、1∶1、0.6∶1)浆液进行单独对照试验。
将三组浆液静置进行水化反应，每隔5 min取样进行粒度分析，结果表明粒径变化不大(见表3),说明15 min内水泥水化反应对振动空化湿磨过程中的水泥颗粒粒径影响较小。
3.5 颗粒质量浓度液体中颗粒浓度增加，一方面能引入更多的空化核，从而形成更多的空化泡；另一方面会使混合液粘度和密度都增加。
粘度是液体内摩擦力的体现，根据空化动力学Rayleigh-Plesset方程式中，Pi为空泡壁上的压强(Pa);P∞为环境围压(Pa);ρ为液体密度(kg·m-3);R为空化泡瞬时半径(μm);σ为表面张力系数(N·m),μ为液相粘度(Pa·s)。
可知液体粘度是影响空化泡形成和溃灭过程的一个重要因素。
液体粘度与空化阈的关系表达为式中，Pc为空化阈(Pa);η为液体动力粘度(Pa·s)。
上式说明，液体粘度越大，空化阈值越大，空化越难发生。
这主要是因振动产生的负压必须克服液体静压力和液体分子间的引力才能确保在膨胀相内形成空腔。
粘度越大，形成空化核的阻力越大，所需的最小负压越大，导致空化阈值增加。
4 效果评价颗粒的特征粒径是指能表征整体颗粒群粗细程度的粒径参数，本文主要以比表面积S、50%体积累计粒径(中位粒径)D50、90%体积累计粒径D90来表征微细颗粒的粒度分布。
普通水泥与超细水泥特征指标对比如表4所列。
对三种常用水灰比(2∶1、1∶1、0.6∶1)的水泥浆液分别采用空化振磨15 min, 每5 min取样20 ml利用马尔文MS-2000型激光粒度仪进行粒度分析，结果如表5所列。
观察各水灰比实验组粒度分布曲线图，如图14所示，发现粒度分布曲线波峰均有不同程度左移。
中水灰比n=1∶1实验组最为明显，波峰粒径范围由27.386～37.199 μm减小到6.667～9.056 μm, 且体积比由6.172%提升至7.156%,说明当水灰比为1∶1时，浆液磨细效果最佳。
图14 各实验组粒度分布另外，各实验组粒度分布差异如图15所示，可明显观察到，经空化振磨后，粒径在1 μm以下的纳米级水泥颗粒含量显著增加，其中水灰比n=0.6∶1实验组产生了1.89%的粒径0.196～0.265 μm范围内极细水泥颗粒，累积产生了多达19.19%的粒径小于1 μm的纳米级水泥颗粒，表明空化作用对颗粒的破碎效应在可大幅度增加水泥中微细颗粒含量。
图15 各实验组粒度分布差异最终，不同水灰比实验组的水泥浆液颗粒D50均达到10 μm左右，D90达到40 μm以下，最大比表面积大于700 m2/kg, 各项指标均优于CGM型灌浆用超细水泥，达到国内湿磨细水泥粒度标准；n=1.0、n=0.6∶1两组颗粒D50达到7～9 μm; D90小于30 μm, 且比表面积大于1 100 m2/kg, 相较于国内水泥湿磨机产出标准，细度提升25%。
5 结 论通过研发振动空化复合湿磨水泥设备，并进行多工况试验研究，得到以下结论：(1)本装置的空化效果显著。
空化振磨得到的水泥颗粒粒径减小率同比无空化组大幅提升，D90减小率提升26.9%,D50减小率可提升达45.7%,说明空化冲击效应能够有效破碎水泥颗粒，显著提升浆液整体磨细效果。
(2)同比国内现有技术，本装置湿磨效果更好。
空化振磨15 min后，水灰比n=0.6∶1、n=1∶1两组水泥颗粒D50达到7～9 μm; D90小于30 μm, 比表面积大于1 100 m2/kg, 同比国内现有水泥湿磨机技术指标，D90减小达25%,可直接应用于实际工程中。
研究表明，适中水灰比的浆材空化效果最佳；若提高激振力，同样的时间，可以达到更好的空化效果。
(3)湿磨后的微细颗粒占比显著提升，应用于工程可提高细微裂隙灌注效果。
空化湿磨后小于1 μm粒径的细颗粒高达19.19%,工程适用性更强。
本装置与国内现有水泥湿磨机相比，结构简单、耗能小、易维护；另外，相比购买干法制超细水泥，节省储运，单价大大降低。
在实际工程中应用时，若吃浆量大，为不影响连续灌浆，只需对设备进行循环运行改造即可实现连续制浆。
浆液制备效率能满足灌浆强度的要求，技术成果具备广泛的工程应用前景。
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