On the measurement and application of cement grout rheological properties

The rheological properties of cement-based grouts play a key role in determining the final spread in grouted rock formations. Rheologically, cement grouts are known to be complex thixotropic fluids, but their steady flow behavior is often described by fitting the simple Bingham constitutive law to flow curve data. The resultant Bingham parameters are then used in grouting design of e.g. tunnels, to estimate the penetration length. Since cement grouts are thixotropic suspensions, the interpretation of their flow curves as obtained from flow sweeps in concentric cylinder rotational rheometers is often complicated by: the presence of wall slip, sedimentation and unstable flow at low shear rates. A systematic approach to study these effects within the constraints of the concentric cylinder geometry (Couette) and for different cement grout concentrations was carried out as part of the Licentiate research work. Of particular interest was the influence of geometry and flow sweep measurement interval on flow curves, including the characteristic unstable flow branch that appears at applied shear rates that are below the critical shear rate. The unstable flow branch observed below the critical shear rate has been described as a characteristic feature in the flow curves of thixotropic suspensions, e.g. cement grouts, laponite. From a practical standpoint, this information can then be readily used to improve rheological measurements of cement grouts. The existence of the critical shear rate below which no stable flow occurs, plus the complex wall slip phenomenon are then discussed by considering how they affect actual spread in rough and smooth rock fractures. Another major part of the research presented in this thesis relates to the measurement of model yield stress fluid (YSF), i.e. Carbopol, velocity profiles within the radial flow geometry. Radial flow between parallel plates, is an idealized fundamental flow configuration that is often used as a basis for grout spread esti
Cementbaserade injekteringsmedels reologiska egenskaper har en stor påverkan på strömning och inträngningslängd i sprickigt berg. Medlens reologi är komplex, inklusive tixotropi, men strömningen beskrivs ändå oftast med den enkla linjära Bingham modellen i injekteringssammanhang. De två parametrarna från denna modell, flytgräns och viskositet, används sedan inom injekteringsdesign, för t.ex. tunnlar och dammar, för att bedöma inträngningen. Eftersom cementbaserade medel är tixoptropa suspensioner försvåras utvärderingen vid mätning med konventionella rotationsviskometrar på grund av glidning vid fasta begränsningsytor, sedimentation/separation av partiklarna och instabila flöden vid låga deformationshastigheter. En systematisk mätprocedur för att studera ovanstående problem med rotationsviskometer och koncentriska cylindrar samt olika vanliga vattencementtal, har utförts inom ramen för detta licentiatarbete. Av särskilt intresse har varit att studera effekten av olika geometrier och tidsintervallet mellan mätningarna, inklusive den instabila delen av flödeskurvan då deformationshastigheten är lägre än ett kritiskt värde. Denna del av kurvan har i litteraturen beskrivits som karakteristisk för tixotropa suspensioner, som t.ex. cementbaserade injekteringsmedel. Praktiskt kan ovanstående kunskap användas för att förbättra mätningen av de reologiska egenskaperna. Existensen av en kritisk deformationshastighet under vilken det inte finns något stabilt flöde, i kombination med glidning vid fasta begränsningsytor, diskuteras särskilt med hänsyn till dess påverkan på faktisk inträngning i släta och råa bergsprickor. Ett annat fokus i licentiatarbetet har varit att studera icke-Newtonska modellvätskors (Carbopol) radiella strömning mellan parallella plattor. Denna typ av strömningsgeometri används ofta som en idealiserad konfiguration för strömning i bergsprickor. I jämförelse med andra enklare geometrier, finns endast en begränsad forskning utförd för denna geometri både då
QC 20190521