1 前言
新拌混凝土的流變性可最簡(jiǎn)單地采用Bingham流體進(jìn)行描述，即當外界作用力超過(guò)流體的剪切強度（屈服極限）時(shí)，就會(huì )產(chǎn)生流動(dòng)，這時(shí)其流動(dòng)性將由Bingham體的第二特征參數———塑性粘度（粘滯性）控制。
為了描述流體的流變學(xué)方面的性能（流動(dòng)性），可以繪制所謂的流變性曲線(xiàn)，該曲線(xiàn)可以顯示出剪切應力與剪切速率之間的關(guān)系。對于自密實(shí)混凝土來(lái)說(shuō)，與采用標準化的粘度測定儀相比，采用新拌混凝土流變儀進(jìn)行測定具有一定優(yōu)點(diǎn)，它可以直接得到其基本的物理參數———屈服極限和塑性粘度。
本文在基本物理參數的背景下，將闡明標準粘度值的意義。其缺點(diǎn)是，繪制流變性曲線(xiàn)所必需的測定裝置相對來(lái)說(shuō)比較昂貴。而另一方面，流變性曲線(xiàn)和由此反映的各種參數開(kāi)始在更廣泛的領(lǐng)域中應用。這樣，從設計階段就可以借助于流體力學(xué)知識對諸如混凝土的澆注施工性等性能進(jìn)行模擬了。然而，對于建立在宏觀(guān)認識基礎之上的這種模擬方法來(lái)說(shuō)，實(shí)際應用時(shí)的一個(gè)重要前提就是混凝土不發(fā)生離析。
可采用一系列的控制參數來(lái)表征自密實(shí)混凝土（SVB）的流動(dòng)性。當然，只有很窄的邊界范圍才屬于與水泥和摻合料有關(guān)的區域。在這個(gè)區域內，混凝土具有理想的自密實(shí)性和出色的抗離析性。
已發(fā)表了一項參數研究的結果，該結果表征了混凝土組成對所測定的流變性的影響情況?；炷亮鲃?dòng)性采用當時(shí)的標準粘度計測定方法進(jìn)行測定，相關(guān)的內容在文獻［1］和［2］中有所表述。也有采用新拌混凝土流變儀“BTRHEOM”所測定的粘度值進(jìn)行描述的［3，4］。這樣，如果要將不同的粘度參數值相互轉換，并將它們對流動(dòng)性的影響情況進(jìn)行比較，則需要對模型參數進(jìn)行適當的推導。為此，本文將混凝土看作兩相系統，即它由流動(dòng)相膠凝材料和固定相集料組成。由此得到的模型可用來(lái)推算混凝土的流變性。有一項特別的應用適合于標準粘度參數的模擬，因為在大多數情況下，這些文獻中只模擬了基本的流變學(xué)參數，具體請參見(jiàn)文獻［5，6］。
2 試驗方法和范圍
2.1 參數變量
本試驗制備了不同組成的對比混凝土，它基本上是通過(guò)摻合料（石灰石粉KSM以及煤矸石粉煤灰SFA），當量水灰比（w/z）eq以及集料的組成變化實(shí)現的（表1和圖1）。為了將不同組成的對比混凝土區分開(kāi)來(lái)，采用相應的代號表示摻合料種類(lèi)，再由“A”和“B”進(jìn)一步限定，比如KSM（A）。表2列出了混凝土組成的變化情況，混凝土組成的篩分曲線(xiàn)在A(yíng)16和C16（依據DIN1045－2）之間變化（圖1b），膠凝材料體積、砂漿體積以及顆粒尺寸為4/16以?xún)鹊拇旨弦灿邢鄳母淖?。隨著(zhù)顆粒尺寸為4/8的粗集料與8/16的粗集料的質(zhì)量比的變化，粗集料的體積也在改變。粗集料組成變化過(guò)程中，0/16集料的總比例以及膠凝材料和砂漿的體積保持恒定。表2中用粗體標出的數值對應于對比混凝土拌和物。膠凝材料體積定義為水、水泥、摻合料、外加劑的體積以及假設的15dm3/m3的氣泡體積之和。砂漿體積為膠凝材料和尺寸＜4mm的細集料的體積之和。
本文所述混凝土，主要是利用原狀集料（萊因地區開(kāi)采的砂和礫石）制備的。采用破碎集料制備的混凝土將在后面的圖形中特別標明。這些混凝土中使用的是0/4海砂和4/16的破碎花崗巖。對于所有混凝土，集料最大粒徑為16mm。
表1對比混凝土的組成
| 拌和物 | 粉末顆粒型KSM（A） | 復合型SFA（A） | 復合型SFA（B） | |
| 混凝土強度等級 | C30/37 | C45/55 | C45/55 | |
| 水泥用量（CEMII/A－LL32.5） | kg/m3 | 239 | 345 | 311 |
| 摻合料用量 石灰石粉 煤矸石粉煤灰f | kg/m3 kg/m3 | 337 － | － 194 | － 175 |
| 總用水量w | kg/m3 | 166 | 170 | 158 |
| 水灰比w/z 當量水灰比（w/z）eq1） | 0.69 － | － 0.44 | － 0.45 | |
| 集料用量 | kg/m3 | 1600 | 1604 | 1686 |
| 外加劑用量 塑化劑（PCE） 穩定劑 | ％（水泥質(zhì)量百分比） ％（水泥質(zhì)量百分比） | 1.00 － | 1.05 0.10 | 1.25 0.10 |
| 水泥和摻合料總量 | kg/m3 | 576 | 539 | 486 |
| 粉末顆粒含量 | kg/m3 | 589 | 554 | 499 |
| 水/（水泥＋摻合料）體積比 | 0.818 | 0.858 | 0.888 | |
| 膠凝材料體積Vleim（包括15dm3空氣） | dm3/m3 | 385 | 383 | 352 |
| 砂漿體積VM（膠凝材料＋4mm以?xún)鹊纳埃?/span> | dm3/m3 | 670 | 709 | 648 |
1）（w/z）eq＝w/（z＋0.4f）（f≤0.33z）
圖1 a）對比混凝土的篩分曲線(xiàn)； b）摻加SFA（B）的混凝土篩分曲線(xiàn)的變化
2.2 流變性試驗
按照表3所列的時(shí)間順序對新拌混凝土的性能進(jìn)行測試?；谔崆斑M(jìn)行的砂漿試驗（它們不屬于本文的試驗內容），在加水20min后開(kāi)始用流變儀對混凝土進(jìn)行測試。在透過(guò)間隙擴展度試驗完成之后，制作用于評價(jià)其靜置離析性的圓柱體試件（φ＝150mm，h＝300mm）。向棱柱體中置入混凝土的過(guò)程在混凝土加水30min后進(jìn)行，采用一個(gè)1.5m長(cháng)，傾斜角約20°的溜槽將混凝土拌和料澆入試模。在流變儀測定時(shí)使用的溜槽與這個(gè)溜槽相同。在混凝土拌和物硬化前，應避免對圓柱體試模進(jìn)行振動(dòng)。將試模密封幾天，然后沿試件縱軸方向截開(kāi)。制作該圓柱體試件的好處在于：在粗集料與試模內表面分離區附近還可以憑借對表面氣泡的觀(guān)察，來(lái)評價(jià)試件的表面性能。透過(guò)間隙擴展度試驗和櫛形環(huán)試驗是將有大開(kāi)口的鋼筋櫛形環(huán)放在擴展臺上來(lái)進(jìn)行的。在櫛形環(huán)試驗中，首先量測混凝土的擴展度，再量測環(huán)中心位置混凝土與環(huán)外部混凝土的高度差stJ（圖3）。這種測量方法必須要熟練掌握，因為盡管有固定的擴展臺，但櫛形環(huán)內部粗集料的增加量取決于垂直鋼筋的數量和拌和物的組成（圖2），尤其是混凝土本身也傾向于離析時(shí)，情況更是如此。圖2中的兩種混凝土在櫛形環(huán)試驗中的透過(guò)間隙擴展度大致相同（sfB，J＝660mm），但混凝土B與混凝土A相比，其在環(huán)內的粗集料堆積高度更明顯。
表2參數變化（粗體數值代表了表1中對比混凝土的數據）
| 變量 | 摻合料 | 拌和物 | |||||
| 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | |||
| 水/（水泥＋摻合料）體積比 | － | KSM（A） | 0.76 | 0.78 | 0.80 | 0.82 | － |
| SFA（A） | 0.82 | 0.84 | 0.86 | 0.89 | － | ||
| 膠凝材料體積 | dm3/m3 | KSM（A） | 335 | 366 | 385 | 396 | － |
| SFA（A） | 340 | 370 | 383 | 392 | － | ||
| 砂漿體積 | dm3/m3 | KSM（A） | 604 | 653 | 670 | 704 | － |
| SFA（A） | 638 | 691 | 709 | 730 | － | ||
| 粗集料體積 | dm3/m3 | KSM（A） | 294 | 185 | 155 | 17 | － |
| SFA（A） | 210 | 160 | 137 | 15 | － | ||
| 質(zhì)量比4/8顆粒：8/16顆粒 | ％ | KSM（A） | 0：100 | 39：61 | 50：50 | 100：0 | － |
| SFA（A） | 20：80 | 41：59 | 50：50 | 100：0 | － | ||
| 篩分曲線(xiàn) | － | SFA（B） | A16 | AAB16 | AB16 | B16 | C16 |
| 顆粒粒度系數K | － | SFA（B） | 4.54 | 4.33 | 4.12 | 3.65 | 2.81 |
混凝土A： 混凝土B：
透過(guò)間隙擴展度sfB，J約為670mm 透過(guò)間隙擴展度sfB，J約為650mm
圖2兩種不同組成的混凝土的阻滯性
如果混凝土的擴展情況像圖3所示的那樣理想，那么混凝土的阻滯體積Vblock可近似地與混凝土高度差stJ［7，8］建立起關(guān)系。圖3a所示，實(shí)際上混凝土的外形輪廓取決于其屈服極限，不可能是平面，而是有一定坡度的。采用高度差stJ對從透過(guò)間隙的混凝土中脫離的集料顆粒進(jìn)行量化，它可以用來(lái)對混凝土的抗阻滯性進(jìn)行正確評價(jià)。
圖3a）在阻滯性試驗中測得的不同組成混凝土的輪廓圖和擴展時(shí)間t500，J（櫛形環(huán)有16根垂直鋼筋，鋼筋直徑為16mm，集料采用破碎集料），垂直鋼筋的位置用兩條加粗的虛線(xiàn)標明。b）量測高度差stJ的示意照片（上）和理想化的混凝土輪廓圖（下）
表3測定混凝土拌和物的時(shí)間安排
| 測試程序 | 指標 | 從加水拌合到開(kāi)始測定之間的間隔 |
| 開(kāi)始用流變儀測定 | 流變性曲線(xiàn)的繪制 | 20min |
| 透過(guò)間隙擴展度試驗 | 透過(guò)間隙擴展度sfB擴展時(shí)間t500 | 25min |
| 裝入測定離析性的 圓柱體試模 | 30min | |
| 漏斗流出性試驗 | 漏斗流出時(shí)間tV，B | 35min |
| 阻滯性測試（垂直鋼筋數量＝16） | 透過(guò)間隙擴展度sfB，J擴展時(shí)間t500，J高度差stJ | 40min |
圖4混凝土流變儀“BTRHEOM”，容器的內徑d＝240mm，受剪切的混凝土拌和物試樣高度h＝100mm
對自密實(shí)混凝土流變性的所有測試都采用一個(gè)平行－板－流變性測定儀，即所謂的BTRHEOM儀（圖4）來(lái)進(jìn)行。這種設備由法國LCPC（Laboratoire Central des Ponts et Chaussees）公司研制?？梢酝ㄟ^(guò)對旋轉扭矩和相應的轉速n作曲線(xiàn)，并近似擬合導出旋轉扭矩－轉速關(guān)系式（流變曲線(xiàn)）（圖5）。最簡(jiǎn)單的情況下，即流體符合Bingham體的情況下，流變曲線(xiàn)可通過(guò)直線(xiàn)Γ＝Γ0，B＋AB.n近似處理。采用直線(xiàn)擬合可以借助于旋轉扭矩Γ0，B求得屈服極限τ0，從擬合直線(xiàn)的斜率AB求得塑性粘度ηpl。對于自密實(shí)混凝土（SVB），得到的屈服極限通常為負值，這在物理學(xué)上是不可能的?；贖erschel-Bulkley體，通過(guò)式Γ＝Γ0，HB＋AHB.nb可以避免此現象，然而它的不足之處在于參數AHB和b的物理意義不明確。所以首先通過(guò)Herschel－Bulkley關(guān)系式對曲線(xiàn)進(jìn)行擬合，然后根據BIngham體模型對某一個(gè)確定的Γ0，B（→τ0，HB）進(jìn)行進(jìn)一步的曲線(xiàn)擬合，并推算出塑性粘度ηpl，HB（圖5）［9］。
圖5對流變性曲線(xiàn)進(jìn)行擬合的示例
3 結果
3.1 混凝土組成控制參數的影響
所澆注的混凝土圓柱體試件的圖片以及其組成控制參數—膠凝材料、砂漿和粗集料體積含量都示于表4至表6中。
表4膠凝材料體積對新拌混凝土性能、結構和所澆注圓柱體試件上表面狀況的影響（澆注面在上部）
表5 砂漿體積對新拌混凝土性能、結構和所澆注圓柱體試件上表面狀況的影響（澆注面在上部）
表6粗集料體積對新拌混凝土性能、結構和所澆注圓柱體試件上表面狀況的影響（澆注面在上部）
隨著(zhù)膠凝材料體積和砂漿體積的增加，新拌混凝土的性能有提高的趨勢。而混凝土的屈服極限、塑性粘度以及擴展時(shí)間t500，漏斗流出時(shí)間tv，B和阻滯性相應減小。由于砂漿體積變化時(shí)，膠凝材料體積相對于細顆粒（＜4mm）的表面積來(lái)說(shuō)是恒定的，與只是膠凝材料體積增加的情況相比，砂漿體積的增加將使拌和物分離（離析）現象減少。采用透過(guò)間隙流動(dòng)度大于600mm的混凝土可以非常容易地澆注幾何形狀簡(jiǎn)單而不配加強筋的構件。這里，圓柱體試件效果非常好，它能反映出混凝土本體與試模垂直面之間的不連續性。
從表6可以看出，粗集料體積對新拌混凝土流動(dòng)性的影響情況，不如表4和表5中膠凝材料體積和砂漿體積的影響情況那樣容易判斷。然而，當細集料和受其支配的膠凝材料體積之間的相互作用能通過(guò)試驗得以進(jìn)一步研究時(shí)，粗集料的影響可更容易理解。所以，下面將針對細集料和膠凝材料之間的相互作用建立一個(gè)模型。
翻譯：張振平
信息來(lái)源：道客巴巴
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