低水膠比水泥基復合材料的流變特性

劉建忠 孫 偉 張倩倩 劉加平

（1. 江蘇省建筑科學研究院有限公司高性能土木工程材料國家重點實驗室 江蘇 南京 210008；2.東南大學江蘇省土木工程材料重點實驗室 江蘇 南京 211189）

引言

隨著土木工程規模不斷擴大，科技水平不斷提高，一些高層大跨、有特殊功能要求的重要建筑不斷出現，如摩天大樓、超大跨橋梁等，要求混凝土必須具有更高的強度、更好的耐久性、更優的可靠性，這些需求促成了水泥基復合材料向高與超高性能方向發展。高與超高性能水泥基復合材料在組成上顯著的特點是低水膠比。然而，隨著水膠比的降低，水泥基復合材料拌和物的粘度逐漸增大，引發不易攪拌、難泵送等一系列施工問題，很大程度上限制了其推廣與應用。如何改善低水膠比水泥基復合材料的工作性能成為發展高與超高性能水泥基復合材料亟需解決的關鍵問題[1-2]。

混凝土流變性能被認為是迄今為止最理想的表征工作性能的方法[3-4]，混凝土流變學是研究其流動和變形的重要學科。混凝土流變學通過屈服應力、粘度等參數定量的表征混凝土工作性能，而這些參數主要通過流體模型對測得流變曲線進行擬合獲得。眾多學者認為新拌水泥基復合材料可看作一種塑性流體，可采用Bingham流體模型分析[4-6]；而一些研究也表明，由于礦物摻合料以及外加劑的摻入，一些高強或高性能水泥基復合材料表現出剪切增稠或剪切變稀的現象，即具有假塑性或脹流型流體特征[7-8]，采用Bingham流體模型無法全面反應其流動特性，誤差較大。因此，明確低水膠比水泥基復合材料的流體特征，選擇合理流體模型，是研究其工作性能的首要問題。

本文在介紹目前水泥基復合材料領域最常用的幾種流體模型的基礎上，重點研究與分析了低水膠比水泥基復合材料的流變學特征。

1 幾種常用水泥基復合材料的流體模型

牛頓流體是研究流體流變性問題的基礎，根據流體的不同流變性能，基本可分為牛頓流體和非牛頓流體（見圖1）。新拌水泥漿、砂漿和混凝土是一種多相混合物，大多數表現出復雜的非牛頓流體特征。目前用于研究水泥、砂漿或混凝土流變性能的流體模型主要有以下幾種[9-11]：

（1）Bingham（賓漢姆）流體模型

Bingham模型認為：剪應力 超過臨界值0時后漿體才開始流動，并且應變梯度隨應力增量（ -0）成線性增長。模型的經典形式為：

其中， —施加的剪應力（Pa）； —是應變梯度（s-1），剪切速率；0—即為屈服應力（Pa）；μ—為塑性粘度（Pa·s）。

（2）修正Bingham流體模型

在實際的測試中發現，在低剪切速率時應力-應變曲線并非是線性的關系。為了修正低速階段的曲線，在Bingham模型中引入一個二次項c2，成了修正Bingham模型：

其中，c—修正系數。

（3）Herschel-Bu lkley（赫切爾-巴爾克）模型

Herschel-Bulkley模型認為剪應力 超過臨界值0時后才開始流動，并且應變梯度隨應力增量（ -0）之間成冪律增加：

圖1 幾種流體特征曲線

式中，m—稠度系數，Pa·sn；n—流變行為指數。

從式中可以看出，當n=1時，流體表現為賓漢姆流變行為，稱為賓漢姆塑性流體；當n<1時，流體表現剪切變稀流變行為，稱為假塑性流體；當n>1時，流體呈現剪切變稠流變行為，稱為脹塑型流體。n值越大，剪切增稠程度越高。

Herschel-Bulkley模型中，屈服應力0、稠度系數m和流變行為指數n是表征流體流變行為的重要參數，但對于塑性粘度μ公式無法直接給出。Ferraris和de Larrard等[4]通過大量的試驗研究，推導出如下的經驗公式：

其中， —流變測試過程中的最大剪切速率。

2 原材料與試驗方法

2.1 原材料

江南小野田水泥有限公司生產的P·Ⅱ52.5硅酸鹽水泥、南京熱電廠I級粉煤灰以及江南廠生產的S95級磨細礦渣，密度分別為3.17g/cm3、2.33g/cm3和2.84g/cm3，比表面積分別為388m2/kg、415m2/kg和404m2/kg，三者化學組成見表1。砂為細度模數2.6、密度2.66g/cm3的普通河砂，減水劑為江蘇博特新材料有限公司的PCA（VII）超高減水型羧酸類高性能減水劑，固體含量為30%。

2.2 配合比

采用低水膠比砂漿為研究對象，重點考慮了3種膠材組成和2種水膠比（0.18和0.20），砂膠比為0.7，砂漿配合比見表2。

2.3 試驗方法

流變性能測試采用Brookfield公司生產的R/S-SST軟固測試體流變儀（如圖2所示），測試選擇V40-20漿式轉子。該儀器控制系統可從0.01rpm～1000rpm無極變速調控，結合RheoV2.8軟件，可以對測定的數據進行自動采集并分析處理，可方便的給出在步進剪切速率或步進剪切應力下不同流變學參數，并可以繪制出全過程的漿體流變學曲線。

表1 膠凝材料的化學組成（%）

流變測試程序設置所圖3所示，靜置30s后，剪切速率升到25s-1（步驟1）并維持此速度60s（步驟2，此階段稱為預剪切）；預剪切結束后，速度立即下降到0s-1（步驟3）；再靜置60s（步驟4）后，在60s內將剪切速率勻速增加到25s-1（步驟5），然后在60s內從25s-1降到0（步驟6）。預剪切的目的是使漿體中顆粒充分分散，之后的靜置60s是為了確保測試前漿體體系的穩定性，步驟5和6用于測試漿體的流變性能。采用步驟6的測試結果進行流變性能分析。

3 試驗結果與分析

3.1 低水膠比水泥基復合材料流變行為

圖4為水膠比0.18和0.20時幾組砂漿的剪切速率—剪切應力曲線。從圖中可以看出，水膠比0.2時三組不同膠材組成的砂漿表現出類似的流動特性，而水膠比降低到0.18時，三組流動曲線具有明顯的差異，但曲線特征類似。表明低水膠比砂漿表現出典型的脹流型流體特征，水膠比越低，特征越明顯；低水膠比時流變性能對水膠比的變化極為敏感，水膠比從0.20降低到0.18，相同剪切速率下，剪切應力成倍增長。

3.2 低水膠比水泥基復合材料流變模型的適用性

根據實測的流體流變曲線以及通過分析Bingham、修正Bingham以及Herschel-Bulkley三種模型的擬合相關系數、擬合參數的合理性，最終確定最適用于低水膠比水泥基復合材料的流體模型。采用Bingham、修正Bingham以及Herschel-Bulkley三種模型對M1、M2和M3三種基體共六組配比砂漿的流變曲線進行回歸分析?？紤]到水膠比分別為0.18和0.20時M1、M2和M 3的流動曲線類似，圖5僅給出M1砂漿的擬合曲線，而所有配比砂漿的擬合參數值列于表3中。從圖5和表3的結果可以看出：

表2 流變性能試驗中低水膠比水泥基復合材料配合比

圖2 B rook field R/S-SST流變儀

圖3 流變性能測試程序

（1）采用修正Bingham模型和Herschel-Bulkley模型擬合低水膠比砂漿流動曲線相關性較高，相關系數R2均在0.998以上；而采用Bingham模型分析低水膠比水泥基復合材料誤差較大，相關性略低，R2在0.92～0.97之間，主要是由于Bingham模型假設流體為塑性流體，流動曲線為線性，與實測的流動曲線差異較大。

圖4 低水膠比砂漿的剪切速率-剪切應力曲線

（2）采用Bingham模型分析低水膠比砂漿得到的屈服應力為負值，采用修正Bingham模型分析得到的屈服應力為正值，低于Herschel-Bulkley模型得到的結果。屈服用力反映了流體開始流動的阻力，從物理意義上來說，水泥基復合材料屈服應力應大于0，因此屈服應力的結果明確表明低水膠比砂漿中采用Bingham模型分析是不可行的。

（3）塑性粘度反映了流體開始流動后的流動阻力，隨著水膠比的降低，塑性粘度逐漸增大。采用修正Bingham模型分析水膠比對M 1、M 2和M 3三組砂漿流變性能的影響發現，擬合結果中塑性粘度與水膠比之間無明顯的規律性；而采用Bingham模型和Herschel-Bulk ley模型分析得到的結果均表明，水膠比從0.20降低到0.18，水泥基復合材料的塑性粘度成倍的增長，與實測的流動曲線結果也較為吻合。修正Bingham模型得到的塑性粘度值較小且無明顯規律主要是由常數C導致。水膠比較高時，由于測試的流動曲線接近與塑性流體曲線，因此常數C值較小，擬合獲得的塑性粘度與真實塑性粘度較為接近。而對于低水膠比水泥基復合材料，由于水膠比較低，流體的脹流型特性極為顯著，而此時采用修正Bingham模型分析得到的常數C值較大（見表3），因此在相同剪切速率和剪切應力條件下，必然導致得到的塑性粘度低于實際粘度值。

圖5 三種模型對M 1-18和M 1-20流變曲線擬合結果

表3 流變參數擬合結果

綜上分析，低水膠比水泥基復合材料中采用Herschel-Bulkley模型進行流變分析較為合適，低水膠比水泥基復合材料可看作一種Herschel-Bulkley流體。Herschel-Bulkley模型中不僅含有屈服應力來反應漿體初始的流動阻力，還有m和n兩參數來反映漿體流動過程中的粘度變化情況，特別是n值可反應水泥基復合材料剪切增稠的程度，這對于今后研究低水膠比水泥基復合材料的工作性能及其調控措施將具有積極的指導意義。

結論

（1）低水膠比水泥基復合材料表現出典型的脹流型流體特性，水膠比越低，特征越明顯；低水膠比水泥基復合材料的流變性能對水膠比變化極為敏感，水膠比降低0.02可導致剪切應力成倍的增加。

（2）低水膠比水泥基復合材料不宜采用Bingham模型進行流變性能研究，該模型中假設流體為塑性流體，與實測低水膠比水泥基復合材料流變曲線不符，導致擬合結果中的屈服應力為負值，違背了水泥基復合材料中屈服應力的物理意義。

（3）低水膠比水泥基復合材料也不宜采用修正Bingham模型進行流變性能研究，該模型擬合曲線與實測低水膠比水泥基復合材料流變曲線具有極高的相關性，但由于擬合的常數C值較高，導致了擬合獲得的塑性粘度遠低于實際塑性粘度值。

（4）Herschel-Bulkley模型擬合曲線與實測低水膠比水泥基復合材料流變曲線具有極高的相關性，且擬合結果均與流體的實際情況相符，低水膠比水泥基復合材料可看作一種Herschel-Bulkley流體。

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