Rock grouting design: Rheological aspects and radial flow visualizations with ultrasound

The rheological properties of cement-based grouts play a crucial role indetermining the final spread in grouted rock formations. In rheological terms,cement grouts are known to be complex time-dependent yield stress fluids,but their steady flow behavior is often described by the simple Binghamconstitutive law. The Bingham parameters obtained from the linear curvefitting to flow curve data are then used in grout propagation calculationsduring the design phase, e.g., for rock fracture grouting in tunnel construction.Since cement grouts are time-dependent and thixotropic suspensions, theinterpretation of their flow curves during conventional rotational rheometryis often complicated by the presence of wall slip, thixotropy, flow localization,and sedimentation, particularly at low shear rates. A systematic approachwas carried out as part of the research work to study these effects within theconstraints of the concentric cylinder geometry (Couette) and for differentcement grout concentrations. Of particular interest were the influence ofgeometry and flow sweep measurement interval on flow curves, includingthe characteristic unstable flow branch that appears at applied shear ratesthat are below the critical shear rate. The unstable flow branch observedbelow the critical shear rate has been described as a characteristic feature inthe flow curves of thixotropic suspensions, e.g., cement grouts and laponite.From a practical standpoint, these crucial shear rate aspects, including wallslip, have not been considered during grouting design calculations whileusing the common Bingham model. Thus, the research also considered theseshear rate aspects as part of grouting design by incorporating them into thedesign approach within the existing framework of the Real Time GroutingControl (RTGC) method. Another interesting part of the research work presented in this thesis relatesto studies on the radial flow of yield stress fluids. The radial flow betweenparallel plates is an idealized f
Cementbaserade injekteringsmedels reologiska egenskaper har en stor påver-kan på strömning och inträngningslängd i sprickigt berg. Medlens reologi ärkomplex, inklusive tixotropi, men strömningen och inträngningen beskrivsändå oftast med den enkla linjära Bingham modellen i injekteringssam-manhang. De två parametrarna från denna modell, flytgräns och viskositet,används sedan inom injekteringsprojektering, för t.ex. tunnlar och dam-mar, för att bedöma inträngningen. Eftersom cementbaserade medel ärtixoptropa suspensioner försvåras utvärderingen vid mätning med konventio-nella rotationsviskometrar på grund av glidning vid fasta begränsningsytor,sedimentation/separation av partiklarna och instabila flöden vid låga defor-mationshastigheter. En systematisk mätprocedur för att studera ovanståendeproblem med rotationsviskometer och koncentriska cylindrar samt olika van-liga vattencementtal, har utförts inom ramen för detta doktorandarbete.Av särskilt intresse har varit att studera effekten av olika geometrier ochtidsintervallet mellan mätningarna, inklusive den instabila delen av flödes-kurvan då deformationshastigheten är lägre än ett kritiskt värde. Dennadel av kurvan har i litteraturen beskrivits som karakteristisk för tixotropasuspensioner, som t.ex. cementbaserade injekteringsmedel. Praktiskt kanovanstående kunskap användas för att förbättra mätningen av de reologiskaegenskaperna. Existensen av en kritisk deformationshastighet under vilkendet inte finns något stabilt flöde, i kombination med glidning vid fasta be-gränsningsytor, diskuteras särskilt med hänsyn till dess påverkan på faktiskinträngning i släta och råa bergsprickor. Ett annat fokus i doktorandarbetet har varit att studera icke-Newtonskamodellvätskors (Carbopol) radiella strömning mellan parallella plattor. Den-na typ av strömningsgeometri används ofta som en idealiserad konfigurationför strömning i bergsprickor. I jämförelse med andra enklare geometrier,finns endast en begränsad forskning utförd för denna
QC 211110