混凝土流變學(xué)參數(shù)演變特性研究

許永和

1. 上海建工集團(tuán)股份有限公司 上海 201114；2. 上海高大結(jié)構(gòu)高性能混凝土工程技術(shù)研究中心 上海 201114

新拌混凝土的可泵性傳統(tǒng)采用坍落度或坍落擴(kuò)展度指標(biāo)來衡量，我國行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JGJ/T 10—2011《混凝土泵送施工技術(shù)規(guī)程》[1]在混凝土可泵性分析中，僅對入泵坍落度和入泵坍落擴(kuò)展度提出建議。工程實踐發(fā)現(xiàn)，混凝土拌和物的工作性與坍落度或坍落擴(kuò)展度并非總是正相關(guān)，尤其是大流態(tài)混凝土，坍落擴(kuò)展度過大往往會導(dǎo)致混凝土離析，坍落度或坍落擴(kuò)展度并不能充分反映新拌混凝土的可泵性。聚羧酸系等高性能減水劑的應(yīng)用以及膠凝材料體系的復(fù)雜化，超高泵送混凝土拌和物的組成和性能特征與以坍落度為性能表征的早期混凝土拌和物相比發(fā)生了很大的變化，顯著地增加了工程實踐中混凝土可泵性調(diào)控的復(fù)雜程度。與傳統(tǒng)評價新拌混凝土可泵性方法（如坍落度、擴(kuò)展度等）相比，流變參數(shù)屈服應(yīng)力（τ0）和塑性黏度（μ）能夠更好地從本質(zhì)上描述混凝土的可泵性，并且物理意義明確[2]。

由于混凝土材料體系的復(fù)雜性，水泥基材料流變學(xué)參數(shù)的研究大體上經(jīng)過了從凈漿、砂漿到混凝土的3個階段。馬保國等[3]采用AR2000高級流變儀研究水泥漿體初始水化流變特性。王發(fā)洲等[4]用Brookfield R/S＋CC同軸圓筒型流變儀測試砂漿的流變性能。趙曉等[5]用ICAR混凝土流變儀測試了混凝土的流變參數(shù)。以混凝土為研究對象的流變儀的出現(xiàn)，為流變學(xué)參數(shù)的實際應(yīng)用創(chuàng)造了條件。然而，由于各研究人員基于的測試儀器和測試方法不同，得出的混凝土流變學(xué)參數(shù)差異很大[6]，在混凝土流變學(xué)參數(shù)的變化規(guī)律方面，尚未形成系統(tǒng)的研究成果。研究分析混凝土流變學(xué)參數(shù)的演變特性，特別是混凝土流變學(xué)測試過程中不同測試方法和測試程序?qū)炷亮髯儗W(xué)參數(shù)的影響，是利用流變學(xué)參數(shù)指導(dǎo)混凝土可泵性的基礎(chǔ)和關(guān)鍵。

1 試驗原材料、配合比及測試儀器

1.1 試驗原材料

1）水泥：Ⅱ型52.5硅酸鹽水泥，安徽銅陵海螺水泥有限公司產(chǎn)。

2）礦渣微粉：S95，上海寶田新型建材有限公司產(chǎn)。

3）粉煤灰：Ⅰ級，太倉杰捷新型建材有限公司產(chǎn)。

4）砂：中砂，蕪湖縣申海建材有限公司、蕪湖中慶實業(yè)有限責(zé)任公司產(chǎn)。

5）石子：5～20 mm，湖州新開元碎石有限公司產(chǎn)。

6）外加劑：高效減水劑，上海申立建材有限公司；高性能減水劑，上海麥斯特建工高科技建筑化工有限公司產(chǎn)。

1.2 配合比

為了比較不同工作性混凝土流變特性的差異，本試驗設(shè)計了2個配合比，詳見表1。

1.3 測試儀器

本試驗混凝土流變學(xué)參數(shù)測試采用ICAR混凝土流變儀（圖1）。

本試驗采用的ICAR混凝土流變儀使用葉片式回轉(zhuǎn)頭，通過控制回轉(zhuǎn)頭的轉(zhuǎn)速，采集葉片產(chǎn)生的扭矩，計算混凝土的靜態(tài)屈服應(yīng)力和動態(tài)屈服應(yīng)力及塑性黏度。

表1 混凝土配合比設(shè)計（以水泥為基準(zhǔn)）

圖1 ICAR混凝土流變儀

2 混凝土流變學(xué)參數(shù)的演變特性

2.1 混凝土靜態(tài)屈服應(yīng)力的演變特性

混凝土流變儀應(yīng)力變化曲線可以用來反映混凝土的觸變性（圖2～圖4）。從圖中可以看出，混凝土靜置6 min后，在0.025 r/s測試速度下，自密實混凝土最大屈服應(yīng)力出現(xiàn)的時間為1 s左右，即為靜態(tài)屈服應(yīng)力。隨后，應(yīng)力減小，在20 s左右趨于穩(wěn)定?；炷领o態(tài)屈服應(yīng)力時變特性很好地揭示了為什么混凝土臨時停泵后再次啟動時，泵送壓力較高的問題。在混凝土泵送施工過程中，盡可能減少停泵，以免因混凝土靜態(tài)屈服應(yīng)力過大而導(dǎo)致堵管。

圖2 自密實混凝土靜態(tài)屈服應(yīng)力時變特性

圖4 塑性混凝土與自密實 混凝土的比較

圖3 最大扭矩及靜態(tài)屈服應(yīng)力與時間的關(guān)系

由于本試驗采用的自密實混凝土工作性1 h之后經(jīng)時損失較大，故自密實混凝土最大扭矩與靜態(tài)屈服應(yīng)力隨著混凝土經(jīng)時時間的增加而增大，特別是1 h之后增長較快。與自密實混凝土相比，塑性混凝土的最大扭矩及靜態(tài)屈服應(yīng)力呈現(xiàn)數(shù)量級的增大?？梢?，混凝土靜態(tài)屈服剪切應(yīng)力具有時變特性，同時與混凝土拌和物的工作性密切相關(guān)。

因此，對混凝土靜態(tài)屈服應(yīng)力的測試應(yīng)確定混凝土拌和物生成后的經(jīng)時時間。在同一經(jīng)時時間條件下進(jìn)行測試，其試驗結(jié)果的對比才有意義。

2.2 預(yù)剪切速率對流變學(xué)參數(shù)測試的影響

在混凝土流變學(xué)參數(shù)測試前，為了盡量減小混凝土觸變性的影響并提供一致的剪切歷史，需要進(jìn)行預(yù)剪切一段時間。為了研究預(yù)剪切速率對混凝土流變學(xué)參數(shù)測試的影響，本試驗設(shè)置了3種不同的預(yù)剪切速率（圖5），預(yù)剪切時間為20 s。從圖中可以看出，混凝土塑性黏度隨著預(yù)剪切速率的增加而降低。這是因為預(yù)剪切速率越高，混凝土拌和物塑性結(jié)構(gòu)被破壞的程度越大，各成分之間的作用力降低，宏觀上表現(xiàn)為塑性黏度的降低。

2.3 同一齡期塑性黏度與先后測試點的關(guān)系

為了客觀反映測試數(shù)據(jù)可能存在的波動性，在同一齡期，對混凝土流變學(xué)參數(shù)連續(xù)進(jìn)行了3次測試（圖6）。從結(jié)果可以看出，后測試點的塑性黏度要低于先測試點的塑性黏度，即塑性黏度與混凝土經(jīng)受的剪切歷史有關(guān)。因此，在確定混凝土某個齡期的流變學(xué)參數(shù)時，是將多個測試數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合平均還是以最后一個測試數(shù)據(jù)作為基準(zhǔn)，需要制訂一個統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。

圖5 預(yù)剪切速率對混凝土流變學(xué)參數(shù)的影響

圖6 連續(xù)測試對混凝土塑性 黏度的影響

2.4 動態(tài)屈服應(yīng)力與測試程序的關(guān)系

在混凝土動態(tài)屈服應(yīng)力和塑性黏度測試過程中，測試程序可以是升序也可以是降序，即剪切速率可從大到?。此俾氏滦校?.50～0.05 r/s），也可從小到大（即速率上行，0.05～0.50 r/s）。試驗數(shù)據(jù)（圖7）表明，不同的測試程序，其測試結(jié)果存在顯著差異。剪切速率上行的測試方法測定的動態(tài)屈服應(yīng)力值要遠(yuǎn)高于剪切速率下行的測試方法。這與工程上混凝土泵啟動時阻力較大的現(xiàn)象吻合。

2.5 塑性黏度與測試程序的關(guān)系

從塑性黏度與測試程序的關(guān)系（圖8）可以看出，剪切速率上行測試程序測定的塑性黏度要低于剪切速率下行測試程序測定的結(jié)果，變化規(guī)律與動態(tài)屈服應(yīng)力相反。

綜合動態(tài)屈服應(yīng)力、塑性黏度與測試程序的關(guān)系，剪切速率上行，動態(tài)屈服應(yīng)力的作用增強；剪切速率下行，塑性黏度的作用增強。

圖7 動態(tài)屈服應(yīng)力與測試程序的關(guān)系

圖8 塑性黏度與測試程序的關(guān)系

3 結(jié)語

研究表明，混凝土流變學(xué)參數(shù)不僅與研究所采用的儀器設(shè)備有關(guān)，還與流變學(xué)參數(shù)的測試方法有著密切的關(guān)系。本試驗的研究以ICAR混凝土流變儀為測試儀器，流變學(xué)參數(shù)演變特性表明：

1）混凝土靜態(tài)屈服應(yīng)力是一個具有時變特性的參數(shù)，尤其對于工作性經(jīng)時變化較大的混凝土，在確定混凝土的靜態(tài)屈服應(yīng)力的同時，應(yīng)指定其拌和物生成后經(jīng)時時間。

2）與混凝土靜態(tài)屈服應(yīng)力參數(shù)的確定相比，混凝土動態(tài)屈服應(yīng)力和塑性黏度測試更為復(fù)雜，預(yù)剪切速率、同一齡期數(shù)據(jù)的處理與標(biāo)準(zhǔn)的選擇、測試程序等都會影響到最終的試驗結(jié)果。

3）現(xiàn)行行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JGJ/T 10—2010《混凝土泵送施工技術(shù)規(guī)程》在可泵性分析方面以坍落度為基礎(chǔ)，已不能滿足工程實際需求。建立以流變學(xué)參數(shù)為基礎(chǔ)的可泵性分析方法，是一個值得探索的有效工具。而流變學(xué)參數(shù)的測試方法，影響因素較多，需要對測試條件進(jìn)行規(guī)范，相關(guān)內(nèi)容還有待于進(jìn)一步深入研究。