任晨灝（中國(guó)水利水電第八工程局有限公司）

自密實(shí)混凝土流變模型和測(cè)試方法研究綜述

任晨灝
（中國(guó)水利水電第八工程局有限公司）

自密實(shí)混凝土是一種具有較高流動(dòng)性能的混凝土，它能僅依靠重力填充模板，因此自密實(shí)混凝土有降低工人勞動(dòng)強(qiáng)度、減少施工噪音等優(yōu)點(diǎn)，近年來(lái)自密實(shí)混凝土雖逐漸大量使用，但多是定性測(cè)試其工作性能，而其流變規(guī)律尚不完善，為了解自密實(shí)混凝土流變特性，應(yīng)從自密實(shí)混凝土流變模型及流變參數(shù)測(cè)試入手。

自密實(shí)混凝土；流變模型；測(cè)試方法

1　前言

自密實(shí)混凝土 （Self-CompactingConcrete-SCC）無(wú)需振搗，僅依靠自身重力作用能夠流動(dòng)密實(shí)，完全填充模板，同時(shí)具有很好均質(zhì)性，不產(chǎn)生離析分層的現(xiàn)象，是一種高性能混凝土（HighPerformanceConcrete-HPC）。流變學(xué)是研究物質(zhì)在荷載作用下流動(dòng)和變形的科學(xué)，1928年由美國(guó)E.C.Bingham教授創(chuàng)立。與普通混凝土相比，SCC具有更大的流動(dòng)性，測(cè)量SCC的基本性質(zhì)及變形更具流變性意義。

新拌自密實(shí)混凝土的流變性能受時(shí)間、溫度、濕度等外部環(huán)境影響，同時(shí)也受SCC內(nèi)部水化及凝結(jié)硬化過(guò)程中的一系列物理化學(xué)反應(yīng)的影響，SCC在此過(guò)程中由粘塑性向粘彈性發(fā)展，SCC流變性能受多重因素影響、流變機(jī)理十分復(fù)雜，因此找到一種能簡(jiǎn)化并且能準(zhǔn)確、直觀的表征SCC流變特性的流變模型顯得尤為重要。

2　SCC流變模型

⑴Bingham模型

Bingham模型由E.C.Bingham最早發(fā)現(xiàn)，提出用屈服應(yīng)力和塑性黏度兩個(gè)參數(shù)表征物體的性質(zhì)，該模型由理想的圣維南體和理想牛頓流體合并而成。根據(jù)Tattersall［1］的研究，利用Binghanm模型可以準(zhǔn)確描述新拌混凝土的流變性能；ChongHu［2］認(rèn)為，當(dāng)新拌混凝土的坍落度大于8cm時(shí)，而且沒(méi)有嚴(yán)重的離析發(fā)生時(shí)，可將其視為Bingham材料。

Bingham材料在受剪應(yīng)力作用下，在未達(dá)到一定的屈服應(yīng)力時(shí)保持靜止，一旦超過(guò)該屈服應(yīng)力即發(fā)生流動(dòng)。其表達(dá)式為：

τ=τ0+μγ（式1）

τ0——屈服應(yīng)力，Pa；

μ——塑性黏度，Pa·s；

γ——剪切應(yīng)變率，1/s。

⑵改進(jìn)的Bingham模型

①FeysDimitri等［3，4］，考慮到由于粉煤灰、硅灰等摻入引起塑性粘度增大，導(dǎo)致新拌混凝土明顯的剪切增稠，使混凝土剪切應(yīng)力與剪切速率呈明顯的非線性關(guān)系，在Bingham模型基礎(chǔ)上提出改進(jìn)的Bingham模型，其關(guān)系式為：

τ=τ0+μγ+cγ2（式2）

τ0——屈服應(yīng)力，Pa；

μ——塑性黏度，Pa·s；

γ——剪切應(yīng)變率，1/s；

c——調(diào)整系數(shù)。

②LiberatoFerrara和NathanTregger［5，6］等人用以下模型模擬坍落度筒流變過(guò)程，能夠較為準(zhǔn)確的得出坍落度試驗(yàn)的流動(dòng)時(shí)間T。

γcrit——臨界應(yīng)變率，1/s。

⑶Herschel-Bulkley模型

法國(guó)學(xué)者LarrardFde［7］研究發(fā)現(xiàn)新拌SCC混凝土在低剪切速率下剪切應(yīng)力與剪切速率成線性關(guān)系，提出了Herschel-Bulkley模型，流變特征曲線見(jiàn)圖1。隨著剪切速率的增大，表現(xiàn)出剪切增稠，呈現(xiàn)為非線性關(guān)系，采用Herschel-Bulkley模型描述新拌SCC流變特性比用賓漢姆模型更準(zhǔn)確。其表達(dá)式為：

圖1　冪律流體流變特征曲線

τ=τ0+aγb（式4）

τ0——屈服應(yīng)力，Pa；

γ——剪切應(yīng)變率，1/s；

a——一致性因素；

b——冪率指數(shù)。

⑷觸變模型

法國(guó)學(xué)者N.Roussel［8］考慮到觸變作用對(duì)新拌混凝土流變性的影響，得到新拌SCC材料的流變模型，其關(guān)系式為：

Athix是靜止?fàn)顟B(tài)下混凝土的重結(jié)構(gòu)化速率（Pa/s，一般取值為0.1-2），α是去結(jié)構(gòu)化速率（數(shù)量級(jí)一般為1e-2），λ是混凝土流動(dòng)狀態(tài)參數(shù)。

⑸Casson模型［9］

⑻F.Mahmoodzadeh［10］認(rèn)為SCC流變模型可分為現(xiàn)象模型和基本模型，F(xiàn)erraris和deLarrard的模型屬于現(xiàn)象模型，F(xiàn).Mahmoodzadeh用細(xì)胞方法、幾何描述、數(shù)學(xué)證明的基本模型來(lái)評(píng)價(jià)新拌自密實(shí)混凝土的流變性能。

Bingham模型流變參數(shù)簡(jiǎn)潔明朗、意義明確，是目前混凝土流變研究中用得最多的一種模型，很早以前許多學(xué)者就認(rèn)為用Bingham模型表征混凝土流變參數(shù)是沒(méi)有問(wèn)題的［11］。而SCC與普通混凝土相比具有更大的流動(dòng)性和黏聚性，同時(shí)伴有剪切增稠、經(jīng)時(shí)損失大等現(xiàn)象，因此在SCC中Bingham模型體現(xiàn)出了明顯的局限性，近年來(lái)Herschel-Bulkley模型被多數(shù)學(xué)者所接受，研究結(jié)果表面［12，13］，Herschel-Bulkley模型更符合SCC流變特性。

3　SCC工作性測(cè)試方法

3.1坍落流動(dòng)度試驗(yàn)

將混凝土裝入坍落度桶，測(cè)試坍落度桶提起后混凝土流動(dòng)至50cm時(shí)間（T50）和最終擴(kuò)展度（D）。流動(dòng)時(shí)間反映混凝土的流動(dòng)能力和塑性屈服能力。一般要求T50 約3～6s，D值在650～750mm之間，檢測(cè)混凝土的勻質(zhì)性、離析程度、分層以及石子的分布情況。這種方法與傳統(tǒng)的坍落度方法相近，設(shè)備簡(jiǎn)單，容易操作。

3.2倒坍落度筒試驗(yàn)

這種方法是李志明提出的［14］。測(cè)試方法為：將坍落度筒倒置，底部加封蓋，裝滿(mǎn)混凝土并抹平（一般地將倒置坍落筒固定于一支架上，底部離地50cm），迅速滑開(kāi)底蓋，用秒表計(jì)量混凝土流空的時(shí)間，并同時(shí)測(cè)定坍落度、擴(kuò)展度和中邊差，以此來(lái)判斷SCC的工作性。一般要求坍落度250～280mm，流動(dòng)時(shí)間8～15s，擴(kuò)展度60～70cm，中邊差值宜≤20mm。該方法簡(jiǎn)便實(shí)用，可重復(fù)性好。

3.3J環(huán)試驗(yàn)

J環(huán)試驗(yàn)是在一個(gè)直徑為300的圓環(huán)上垂直焊接若干圓鋼筋，圓鋼間距為（48±2）mm或粗骨料最大粒徑的3倍。試驗(yàn)時(shí)將J環(huán)套在坍落度筒外，和坍落度試驗(yàn)一樣，讓SCC拌合物流出環(huán)，最后測(cè)試環(huán)內(nèi)外高差和擴(kuò)展度。內(nèi)外高差首先反映了受阻滯的拌合物的體積百分比，然后可估計(jì)受阻而被分離的部分的比例。J環(huán)試驗(yàn)表征SCC拌合物的間隙通過(guò)能力（抗阻滯性）。寧嚴(yán)慶等［16］對(duì)J環(huán)試驗(yàn)進(jìn)行了較系統(tǒng)的研究。

3.4U形儀試驗(yàn)

U形儀試驗(yàn)用來(lái)檢測(cè)混凝土的填充能力，以及混凝土的粘聚性、勻質(zhì)性和鋼筋間隙通過(guò)能力。試驗(yàn)時(shí)先向A室內(nèi)加滿(mǎn)混凝土，然后拉起活門(mén)，混凝土通過(guò)障礙流到B室，待混凝土停止流動(dòng)后，測(cè)試混凝土兩邊的高差及石子分布情況。一般要求兩邊高差小于10mm，石子分布均勻.。

3.5L形儀試驗(yàn)

L形流動(dòng)儀用來(lái)檢測(cè)混凝土的鋼筋間隙通過(guò)能力，試驗(yàn)時(shí)往型箱體垂直部分加入混凝土拌合物，靜置1min，拉起活門(mén)，混凝土自垂直部分通過(guò)障礙流向水平部分，測(cè)量混凝土流動(dòng)到200mm和400mm的時(shí)間，量取H1和H2的高度。一般要求T40在3～6s，水平高差小于20%，L型盒試驗(yàn)還被用十測(cè)試新拌SCC的抗離析性［15］。

3.6V形漏斗試驗(yàn)

將新拌SCC裝滿(mǎn)V形漏斗，然后測(cè)試SCC全部流出的時(shí)間，表征了拌合物的流動(dòng)性，所測(cè)時(shí)間T與塑性粘度μ存在一定關(guān)系。劉華良［17］進(jìn)行了V形漏斗試驗(yàn)研究。

4　SCC 流變參數(shù)測(cè)試方法［2，11，18-20］

目前，SCC流變參數(shù)測(cè)試方法并不完善，其測(cè)試方法主要有以下幾種：

4.1流變儀法

流變儀的原理是通過(guò)直接測(cè)定多組轉(zhuǎn)動(dòng)力矩和相應(yīng)的回轉(zhuǎn)速度，再根據(jù)理論公式換算成剪切應(yīng)力和剪切應(yīng)變率，并繪制關(guān)系曲線，然后通過(guò)直線部分的斜率和在應(yīng)力坐標(biāo)軸上的截距得到SCC的屈服應(yīng)力和塑性黏度。但流變儀價(jià)格昂貴，且易受儀器的種類(lèi)、尺寸等因素影響。

4.2提升型黏度計(jì)法

提升型黏度計(jì)法是通過(guò)提升沉入SCC內(nèi)部的落錘，用實(shí)測(cè)的提升速率、提升荷載來(lái)估計(jì)SCC的黏度。該方法操作簡(jiǎn)便，常用于水泥漿和砂漿流變參數(shù)測(cè)試。

根據(jù)上文模型的推算得到公交刷卡乘客的上、下車(chē)信息，在此基礎(chǔ)上統(tǒng)計(jì)得到任意2站點(diǎn)之間的客流量，繼而得到公交線路OD、公交線網(wǎng)OD和交通小區(qū)OD. 需要注意的是，一方面在公交乘客上、下車(chē)站點(diǎn)識(shí)別過(guò)程中所采用的的刷卡數(shù)據(jù)存在部分無(wú)效數(shù)據(jù)，推算的結(jié)果需要根據(jù)數(shù)據(jù)率(有效刷卡記錄/所有刷卡記錄)進(jìn)行初步擴(kuò)樣；另一方面，公交刷卡乘客上、下車(chē)站點(diǎn)識(shí)別只包含刷卡乘客不包含投幣乘客，所以采用數(shù)據(jù)率進(jìn)行初步擴(kuò)樣后還需要采用刷卡率進(jìn)一步擴(kuò)樣得到最終結(jié)果.

4.3直剪試驗(yàn)法

直剪試驗(yàn)法是一種利用土工試驗(yàn)原理測(cè)得SCC流變參數(shù)的方法，該方法的理論依據(jù)是庫(kù)倫定理τ=σtanφ+c，其中τ為抗剪強(qiáng)度，σ為垂直應(yīng)力，φ為內(nèi)摩擦角，c為內(nèi)聚力。試驗(yàn)通過(guò)改變垂直應(yīng)力σ的大小，測(cè)得與之相對(duì)應(yīng)的抗剪強(qiáng)度τ，再在σ-τ坐標(biāo)系內(nèi)并連成直線，則直線在τ軸上的截距即近似可認(rèn)為是新拌自密實(shí)混凝土的屈服應(yīng)力τ0（當(dāng)沒(méi)水泥漿時(shí)c=0，為散體，τ=σtanφ；當(dāng)水泥漿較多時(shí)，tanφ明顯下降，即內(nèi)摩阻力趨于0，這時(shí)可近似認(rèn)為τ=c）。

4.4塑性強(qiáng)度試驗(yàn)法

該方法的原理是圓錐體在外力作用下不同時(shí)間內(nèi)沉入試樣中所受剪切阻力，計(jì)算不同時(shí)間內(nèi)的塑性強(qiáng)度，其中Pm塑性強(qiáng)度，F(xiàn)為作用在圓錐體上的荷載，h為圓錐體下沉深度，Kα為圓錐體角度系數(shù)。

4.5滑移阻力試驗(yàn)法

滑移阻力試驗(yàn)法源于現(xiàn)在混凝土施工中常用的泵送混凝土施工技術(shù)，該試驗(yàn)方法可分為以下兩種：改變滑移應(yīng)力測(cè)定滑移阻力；改變滑移速度測(cè)定滑移黏性。該方法原理是根據(jù)滑移阻力在泵送壓力損失中的所占比例估計(jì)混凝土的流變特性。

4.6貫入試驗(yàn)法

5　結(jié)語(yǔ)

綜上所述，自密實(shí)混凝土流變性能的評(píng)價(jià)不僅應(yīng)從其工作性能入手，還應(yīng)建立流變模型、流變參數(shù)及工作性能之間的本構(gòu)方程，從而能較精確的預(yù)測(cè)和判斷自密實(shí)混凝土的流動(dòng)狀態(tài)，為今后自密實(shí)混凝土的應(yīng)用提供指導(dǎo)。●

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