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    新拌混凝土工作性能与流变参数相关性研究进展.pdf

    2015年第10期总第312期 Number 10 in 2015Total No.312 混 凝 土 Concrete 预拌混凝土 READY MIXED CoNCRFrE doi10.3969/j.issn.10023550.2015.10.029 新拌混凝土工作性能与流变参数相关性研究进展 黄法礼 ,李化建 ,谢永江 ,易忠来 ,谭盐宾 1.中国铁道科学研究院,北京100081;2.高速铁路轨道技术国家重点实验室,北京100081 摘要把新拌混凝土看作一种复杂的流体并建立工作性能与流变参数之间的相关性是混凝土优化设计的新思路。阐述了混凝 土流变学理论,总结了流变参数与传统工作性能测试方法的特点,结合新拌混凝土工作性能与流变参数相关性研究现状,指出了 混凝土工作性能与流变参数相关性研究存在的问题及发展趋势。 关键词新拌混凝土;流变学;工作性能;流变参数 中图分类号TU528.01 文献标志码A 文章编号1002355020151O一011905 Research progress on the correlation between workability and rheological parameters of fresh concrete HUANG Fall ,u Huarian ,XIE Yongjiang ,YI Zhonglai ,TAN Yanbin , 1.Railway Engineering Research Institute,China Academy of Railway Science,Beijing 100081,China; 2.State Key Laboratory for Track Technology of HighSpeed Railway,Beijing 100081,China AbstractTaking flesh concrete as a kind of complex fluid and established the correlation between workability and rheological parame ters has developed a new idea to optimize mix design.Rheology theory of fresh concrete has been introduced.The characteristics of dif- ferent measuring and testing techniques of flesh concrete rheological parameters and workability were summarized.Combined with the state of correlation between fresh concrete workability and rheological parameters research,a review of the existing problems and pro gress of the research on the correlation between flesh concrete workability and rheological parameters is given below. Key wordsfresh concrete;rheology;workability;rheological parameters 0 引言 随着高效减水剂、矿物细掺料在混凝土中的应用,混凝 土拌合物的流动性能和变形能力显著提高,满足了现代化施 工技术的要求。传统的工作性能测试方法尽管简便,但是难 以综合反映这些新型混凝土拌合物的流变性能 。混凝 土材料学者试图从流变学角度出发 ,用混凝土的两个典 型流变参数屈服应力和塑性黏度系统化的揭示混凝土 的流变特性。流变参数可以方便、准确的确定混凝土的工作 性能、坍落度损失、易抹性及对振动的响应,但是直接测试混 凝土这一复杂体系的流变参数对设备要求较高,不仅价格 昂贵,通常也不适用于施工现场。建立工作性能与流变参 数之间的关系为解决这一问题开辟了一条很好的途径。本 文在阐明新拌混凝土流变学的基础上,分别比较了流变参 数与工作性能不同测试方法的特点,结合新拌混凝土工作 性能与流变参数相关性的研究现状,指出了混凝土工作性 能与流变参数相关性研究存在的问题及发展趋势。 1 混凝土流变行为表征 1.1 混凝土流变学理论 流变学是研究物质流动和变形的学科分支,在流变学 中,任何物体在力的作用下表现出的流动和变形都可归结 为以弹性、塑性、黏性三种流变基元为基础建立的 。混凝 土从加水拌和开始就进入黏、塑、弹性的演变过程,有着流 变学的本质内涵。一般认为,在自身重力或外力振捣下产 生流动和变形的新拌混凝土属于宾汉姆流体 ,可以用屈 服应力T。和塑性黏度 两个流变参数表征其流变特性。 图1宾汉姆模型 { ㈩ 宾汉姆模型由牛顿理想黏性液体模型与圣维南理想 塑性固体模型并联,再与虎克理想弹性固体模型串联而 成,如图1所示 ,流变方程如式1所示。由图1和式1 可见,当外力较小 r丁n时,物体则按照牛顿流体的规律 发生黏性流动。因此,根据流变学理论,可以认为屈服应力 是混凝土浇筑过程中开始或停止流动的参数,塑性黏度反 收稿日期2015一叭一18 基金项目国家自然科学基金资助项目51378499;中国铁路总公司科技开发计划项目2014G004一R;中国铁道科学研究院院基金项目 2013YJ118 . 119 应了混凝土克服屈服应力流动过程中的流变特性。由此可 见,混凝土的流变特性是屈服应力和塑性黏度共同作用的 结果,要全面了解新拌混凝土的工作性能,必须根据屈服 应力和塑性黏度两个基本流变参数加以分析。 1.2流变参数测试 1.2.1测试原理 在流变学理论中,混凝土的流变特性可以用屈服应力 和塑性黏度两个流变参数加以表征。由于混凝土是由在尺 寸、形状及表面特征上分布广泛的浆体和颗粒组成,准确 获得新拌混凝土这一复杂体系的流变参数比较困难 ]。目 前流变参数的测定原理都是根据ReinnerRiwlin方程, 从 一Ⅳ的关系计算出宾汉姆体的屈服应力r 和塑性黏 度卵。以同轴式双筒黏度仪为例,对流变参数的测定原理 进行介绍。 蓉 TghN T i g, 一t 图2宾汉姆模型转换 7 l/ 剪切速率; 图3同轴圆筒黏度计示意图 同轴式双筒黏度仪如图3所示。假定在工作过程中, 外筒静止,内筒可以不同转速旋转。当内筒以某一固定转 速转动时,在内外筒之间距离轴线,处的A点扭矩为 , 则A点的剪应力为 T 2 稳态时,任意r处的扭矩 相等 T2 2 2 ,2r 27rr2hr 3 距离轴线r处的线速度为 blro9 4 即 durdw∞ 5 因此r处的速度梯度为 du/dr rdodr 6 .120. 式6中右边第一项表示没有剪切发生时装置上所以 各点的角速度,而第二项引起内应力。 因此r处的剪切速率为 rdodr 7 对于宾汉姆体的流变方程为 丁 r, 2 ,n-r 2h TO r/ 8 将式8可转化为 dw 2- 7r - M卵 dr- 仰 TOdr 9 对式9中的,在R 和尺。问积分,同时对 在叫0 和 间积分,即 10 可得ReinnerRiwlin方程 忐一走一7-叼Oln Rc11 根据ReinnerRiwlin方程,从TQ的关系即可计算 出宾汉姆体的屈服应力r。和塑性黏度叼,如图4所示。 70 走一 Rc 12 一 丽 _垡_87r2h R b 一 R 一c 13 L, 由于至少需要用两个不同剪切速率进行试验才能得 到屈服应力和塑性黏度,G.H.Tattersall将该方法称为“两 点法”。基于“两点法”原理,Tattersall曾采用体积较大的 同轴回转黏度计直接测试新拌混凝土的流变参数,为了减 小混凝土与圆筒接触面的相对滑移,还在简壁上刻了槽 纹。1973年Tattersall通过改进食品搅拌器设计了第一台 用于测量新拌混凝土屈服应力和塑性黏度的流变仪,通常 被称为MKI型。该仪器由一个19L的盛料钵和一个自转 并绕盛料钵公转的镰状搅拌叶组成,如图4所示 。 置 带 动 图4两点式流变仪 在Tattersal流变仪基础上,0.E.qorv和0.H.walle vik对Tattersal流变仪进行了改进,分别设计了适用于测 定高工作性混凝土流变参数的MKI1型流变仪和适用于测 定中、低工作性混凝土流变参数的MKIII型流变仪。图 5 是目前应用较广的BTRHEOM流变仪,由法国路桥试 验中心研制。相比之下,它的优点在于底部呈锯齿状,减小 T. 1 了搅拌过程中流变仪与混凝土相对滑动对试验结果的影 响。 0.H.Wallevik对不同流变仪的测量结果进行了对比 研究 J,指出使用不同类型流变仪测得不同试样的流变参 数的变化趋势基本相似,但是即便是同一试样,不同类型 流变仪测得的流变参数在数值上并不完全相同,甚至差别 较大。此外,这些流变仪都存在着一个共同的缺点价格昂 贵、不适用于施工现场。 图5 BTRHEOM流变仪 1.3流变参数表征 随着高效减水剂和矿物细掺料在混凝土中的应用,混 凝土的工作性能大幅度提高,其涵盖的内容也越来越广 泛,目前混凝土的工作性能包括流动性、可泵性、稳定性 等。并且可以预见,随着新型混凝土的研发和施工技术的 进步,混凝土工作性能的内涵还将不断丰富。将流变学应 用于新拌混凝土,可以用物理参数量化其工作性能。从物 理角度看,屈服应力是混凝土浇筑过程中开始或停止流动 的参数,它与混凝土的填充性能直接相关;塑性黏度反映 了新拌混凝土的黏聚性和内聚力,当混凝土克服屈服应力 发生流动时,其流变行为与塑性黏度密切相关 。因此, 混凝土的流变特性是屈服应力和塑性黏度共同作用的结 果。要全面了解新拌}昆凝土的工作性能,必须根据屈服应 力和塑性黏度两个基本流变参数加以分析。 陈健中 ” 采用SJL一2型旋转叶片式流变仪研究 了水灰比、砂率、水泥用量、减水剂对新拌混凝土流变性能 的影响。0.H.Wallevik等 绘制了不同施工工艺条件对应 的混凝土流变参数,并给出了不同组分对混凝土流变参数 影响的示意图,如图6所示 。由此可见,将流变学应用于 混凝土,不仅可以综合反映新拌混凝土的工作性能,还可 以根据施工方案指导配合比设计,使混凝土的优化不再基 于经验和感觉。 1.4工作性能试验表征 评定混凝土工作性能的方法很多,文献[1,14]中列出 了30余种不同的工作性能测试方法。在这些方法中,应用 较多的有坍落度法、维勃稠度法Kelly球法等。这些方法 通常只能单角度描述混凝土的工作性能,通常又称“单点 法”。为了全面了解混凝土的流变行为,只能从不同的角 度同时进行多个试验。 稠硬度 图6各组分对混凝土拌和物性能的影响 1.4.1坍落度与坍落扩展度试验 坍落度仪是Duff Abrams于1923年发明的,因其结构 简单、操作方便,至今仍被广泛应用。日本学者村田二郎、 我国学者陈健中都曾指出,坍落度只与混凝土的屈服应力 相关,并不能确切的反映塑性黏度。对于不同配合比的混 凝土,即使最终坍落度值相同,也会因为塑性黏性的不同 导致坍落速度和过程往往呈现较大差别。对于自密实混凝 土,因其坍落后的高度与最大骨料粒径相差无几,导致自 密实混凝土的坍落度试验意义不大,因此坍落度试验并不 是量度混凝土工作性能的合适方法。 1.4.2维勃稠度试验 维勃稠度试验是瑞典工程师V.Bahmer发明的,如图 7所示。设备操作要比坍落度法复杂,其优点在于模拟了 外力振捣下混凝土的流变性能。也正是由于振动的影响, 维勃稠度试验不能反映混凝土的屈服应力。维勃稠度试验 在一定程度上可以反映了混凝土的塑性黏度,但是试验终 点玻璃板制导器完全与拌合物密贴,拌合物表面的全部 空隙均已消失是采用目测来鉴别的,因此对操作人员的 素质要求较高。 图7维勃稠度试验示意图 1.4.3 Kelly球试验 Kelly球试验在ASTM中已作为标准列出,其试验方 法是将一定重量的钢球置于新拌混凝土的表面作为贯人 器,然后放松让其沉落,测量其贯入深度。贯入深度反映了 混凝土拌合物的屈服应力,贯入深度越大,表示混凝土拌 合物屈服应力越小。Kelly球试验优点是简便迅速,适用于 】21. r,,● 施工现场,缺点是混凝土拌合物中的粗骨料所处位置对试 验结果影响较大。因此混凝土拌合物中最大骨料粒径越 大,试验结果的波动就越严重。 1.4.4 L一流动度试验 该试验通过测量拌合物的L一坍落度垂直部分下垂 值、L一流动值水平部分流动铺展值和流动时间t 一 t ∞来表征混凝土拌合物的屈服应力和塑性黏度,如图8 所示。不可否认的是这些参数一定程度上反应了混凝土的 屈服应力和流变参数,但是L一流动度试验值与混凝土流 变参数之间的关系并不清楚。另外,L一流动度试验只适 用于流动度较大的混凝土拌合物。 L一 .1 图8 L一流动度试验示意图 2 工作性能与流变参数的相关性研究 如上所诉,混凝土的流变行为应该用屈服应力和塑性 黏度两个基本流变参数表征,但是直接测试混凝土流变参 数的流变仪存在着价格昂贵、不适用于施工现场等缺点; 而传统的工作性能测试方法大多只能反映一个流变参数。 建立工作性能与流变参数之间的相关性为解决这一问题 开辟了一条很好的途径。 2.1 工作性能与屈服应力的相关性 很多学者通过用流变仪测得流变参数,同时进行传统 的工作性能试验,研究了传统的工作性能试验与流变参数 的关系,并将二者间的关系以半经验计算式的形式呈现出 来。 1987年,日本学者村田二郎得出了新拌混凝土落度与 屈服应力之间的理论关系式如式15所示 一 n ] 式中 坍落度筒高,300 FRIYI; 混凝土锥体不变形区段的高度,1Tlrn; p新拌混凝土密度, /m ; 坍落度,mm。 1992年,Murata和Kikukawa口 使用同轴回转黏度计 结合坍落度试验,得到了坍落度范围125-260 mm混凝土 落度与屈服应力的关系,如式16所示。 07144731ogS/IO 16 式中 坍落度,mm。 1996年,法国Hu C基于坍落度的有限元分析和用 BTRHEOM流变仪测量的屈服应力以及坍落度的测量,将 .122. 屈服应力与坍落度值建立了如式17所示的形式 。 。 300一 17 式中p拌合物的密度, /m。; 坍落度,mm。 1998年,Ferraris和de Larrard在试验的基础上,将 BTRHEOM流变仪测得的屈服应力与17式的预测值作 对比,发现在100~2 000 Pa的屈服应力范围内,实测值与 预测值的平均误差为195 Pa,对于坍落度较大的混凝土, 预测值偏低。Ferraris将17式修正为如式18所示的形 式 。通过修正,实测值与预测值的平均误差降为 162 Pa。 r0 300一 212 18 式中p拌合物的密度, /m’; 坍落度,mm。 针对坍落度在200 mm以上的大流动性混凝土拌合 物工作性能与流变性参数相关性,Sedran和de Larrard等 所建立如式19所示的形式n 。 .r0 1 1 740 19 J 一 / 式中g重力加速度,m/s ; 坍落扩展度,mm, p拌合物的密度, /m’。 2006年,胡小芳建立了混凝土落度与NXS一11A型 旋转黏度计所测得的屈服应力的半经验数学模型,如式 20所示 r0 384338 20 』一 u u, 式中p拌合物的密度, /m ; 坍落度,mm。 2.2 工作性能与塑性黏度的相关性 普遍认为,具有相同坍落度的混凝土,工作性能表现 出的差异是由塑性黏度引起的。古川曾用坍落度试验中拌 合物坍落的平均速率来表征塑性黏度,时问的测量是从混 凝土开始坍落到与某一中间高度为止,但其装置比较复 杂,需要伺服马达、记录仪、位移转换器等,不适用于施工 现场。为简便表征坍落时间,Ferraris和de larrard对这种 装置进行了改进,也就是现在我们熟知的改良坍落度试 验,如图9所示 。为验证改良坍落度试验结果的可靠 性,Ferraris还进行了平行试验,结果表明改良坍落度试验 与标准坍落度试验测量结果具有一致性。 初始状态 坍落过程中 坍落终止 图9改良坍落度试验示意图Ⅲ Ferraris根据改良坍落度试验和BTRHEOM流变仪测 试结果给出了确定塑性黏度的半经验计算式,如式21所 示 。由于式21中的时间T是改良坍落度试验测得的 混凝土落100 inrn所用的时间,因此Ferraris提出的塑性黏 度的半经验计算式只适用于坍落度在120260 mli1范围 内的混凝土。对于坍落度为120-260 mm的混凝土,实测 值与预测值的平均误差为66 PaS,表明其相关性较好。 25 X10一 pT 120 mmS200 ITlm /xpT1.0810 S一175200 mm≤S260 mm 21 式中g重力加速度,m/s ; p拌合物的密度, /m ; 混凝土落100 min所以时间,s; 坍落度,iYlln。 2006年,胡小芳在Chiara F.Fearis的基础上,再次改 良坍落度试验,通过测得混凝土落50 mln、100 mm的时间 和NXS一1 1 A型旋转黏度计测得的塑性黏度建立了用混凝 土拌合物密度、坍落度和坍落50 ran]、100 mlTl的时间来表征 屈服应力和塑性黏度的经验式数学模型,如式22所示 。 4.93 X10~pgt5o S100 mm 4.93 X 10~pgtloo 100 mm≤S200 inin 10~pgt1000.117S一20.86200 mmS260 mm 22 式中J9拌合物的密度,kg/m ; f50昆凝土坍落50 mlrl所以时间,s; f100混凝土坍落100 I/Lrl2所以时间,S; 坍落度,innq。 2009年R.Zerbino等 根据BML旋转黏度计测得的 塑性黏度和V型漏斗流出时间,拟合出了V型漏斗流出 时间与塑性黏度的关系方程,但是二者之间的关系因混凝 土配合比不同差别较大。根据坍落扩展度测得的T 。。与 BML旋转黏度计测得的塑性黏度做数值拟合,对于不同 配合比的自密实混凝土得到了较为一致的关系方程,其表 达形式如式23所示。 In 00/0.68 , 式中 。。扩展度达到500 mm所以的时间,s。 2012年曹明莉等 。。基于倒坍落度试验,通过对屈服 应力和剪切速率两个参数的测定和推导,结合Ferraris提 出的坍落度S与屈服应力.r 的计算式推算出塑性黏度的 表达式如式24所示 fp H 19 H - _ S -2 1214f ,、Z4 “ _一 I 斗, 式中.卜混凝土的摩擦系数; p拌合物的密度,kg/m ; 日坍落度筒高度,300 rain; 坍落度,inln; f倒坍落度筒测得的流出时间,s。 3存在问题及发展趋势 建立新拌混凝土工作性能与流变参数之问的相关性 已经成为学术界研究的热点。但是不同学者的研究结论差 异较大,其原因如下 1目前混凝土流变参数的测量主要基于流变仪,尽 管各流变仪的工作原理基本相同,但是不同流变仪的物理 参数并不相同,此外测试过程中}昆凝土拌合物与流变仪容 器壁之间存在无法避免的摩擦力,对于旋转流变仪还存在 转子与混凝土之间的相互约束力,从而导致这些流变仪测 得混凝土拌合物的流变参数并不准确。 2目前研究者对新拌混凝土工作性能与流变参数之 间相关性的研究,只是基于各自的理解,并且使用不同的流 变仪,导致所建立的二者关系式之间只是有相似的趋势。 尽管很多学者研究了水灰比、砂率、减水剂、水泥用量 等因素对新拌混凝土流变参数的影响,但是目前还停留在 定性研究阶段,如图6所示 。定量研究混凝土各组分对 流变参数的影响一直是不少学者努力的方向。他们设想, 若能完全清楚混凝土各组分对流变参数的影响,就可以借 助计算机模型,通过输入流变参数模拟出混凝土在复杂形 状模板中的填充过程,从而轻松解决混凝土配合比和模板 形状的优化等目前比较棘手的问题,此外还能为选择合适 的施工方法提供依据。 参考文献 [1]FERRARIS C F.Measurement of rheological properties of high perance concretestate of the art report[J].ACI MATER J, 1996. 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[10]XU C,DE LARRARD F.The rheology of fresh highper ance concrete1-J-].Cement and Concrete Research,1996262 283294 下转第127页 123 2纤维的掺量及长径比对砂浆的抗压强度有很大影 响,合适长径比、适当掺量的玄武岩纤维掺入到混凝土中 时,能提高碱矿渣水泥砂浆的抗压强度,本研究中,当掺人 6 mm、掺量为0.07%的纤维时,砂浆的28 d抗压强度提高 了7.1%,而当掺人12/rim、掺量为0.2%的纤维时,砂浆的 28 d抗压强度提高了6%。 3掺入玄武岩纤维能提高碱矿渣水泥砂浆的28 d 抗折强度和韧性。当掺人6 mm和12 nlin玄武岩纤维,掺 量为00.2%时,砂浆28 d抗折强度都明显增加,当掺量为 0.2%时,掺人6 mm和12 mm玄武岩纤维的砂浆的28 d 抗折强度分别提高了29%和34%,折压比分别提高了39% 和28%,这在微观结构中也得到了验证。 4掺入不同长度的玄武岩纤维,对碱矿渣水泥砂浆 的工作性及强度的影响不同,与纤维对硅酸盐水泥砂浆的 影响规律也不尽同。需要进一步研究玄武岩纤维的掺量及 长径比对碱矿渣水泥砂浆工作性及力学性能的影响规律, 为碱矿渣水泥的推广应用奠定坚实的理论基础。 参考文献 [1]陈科,杨长辉,潘群等.碱矿渣水泥砂浆的干缩特性[J].重庆大 学学报,2012,5356467. [2]JIN F,GU K,ALTABBAA A.Strength and drying shrinkage of reactive MgO modifled alkaliactivad slag paste[J].Con struction and Building Materials,2014,51395404. [3]FANG Y H,LIU J F,CHEN Y Q.Effect of magnesia on proper ties and microstructure of alkaliactivated slag cement[J].Wa ter Science and Engineering,2011,44463469. 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