基于分散模型的混凝土流動機理研究

張 雄，趙 明，季 濤，張永娟

（1.同濟大學 材料科學與工程學院，上海 201804；2.同濟大學 先進土木工程材料教育部重點實驗室，上海 201804）

混凝土的工作性，尤其是流動性的設計是現代混凝土配合比設計中重要的組成部分.合適的流動性設計方法能夠在原材料的選擇、配合比最優化設計上起到指導作用，而建立系統化的流動性設計理論模型是規范配合比設計的前提，在此基礎上才能在材料變化、時間變化、環境變化時對混凝土性能進行準確判斷［1］，這對混凝土工業的自動化可起重要作用［2］.

混凝土是一種多相非均質復雜材料，基于組成、結構與性能的材料學在對其進行研究過程中，建立了3種結構模型：第1種是以顆粒堆積理論為支撐，將混凝土性能研究轉化成各組成材料的最優化堆積問題［3］.這種方法能較好解釋細顆粒組分對混凝土性能提高的作用［4］.但是，混凝土各組分之間尺寸變化非常大，堆積算法無法區分堆積密度的貢獻作用.第2種方法是利用水泥凈漿、砂漿以及混凝土的幾何相似性，建立模型化的流變參數方程［2，5－6］.該方法是利用相對簡單的凈漿或砂漿來模擬研究復雜的混凝土［1，6］，如CEM［7］方法.然而，水泥凈漿、砂漿、混凝土的流動機理尚不明確，簡單的模型化可能造成較大的偏差.第3種為分散模型，將混凝土視為固體材料（分散相）分散在黏性液體（介質相）中，其性質會受介質相性質的影響［5，8－11］.該模型將復雜的混凝土轉化成二元模型，兩相性質與比例是決定混凝土性能的根本因素.

本文在第3種方法的基礎上，將混凝土視為粗骨料分散在砂漿中，通過模型化劃分，研究了砂漿流變性及用量對其流動性的影響規律，并深入探討基于分散模型的混凝土流動機理.

1 試驗

1.1 試驗材料

水泥：P·Ⅱ52.5硅酸鹽水泥；減水劑：萘系高效減水劑，粉劑；細骨料：普通中砂，細度模數2.8；粗骨料：5.0～31.5mm 碎石.

1.2 試驗方案

定義砂漿中水泥漿體與細骨料的體積比為φP／F，通過改變φP／F（0.78～1.11），配制了8種流變性砂漿，部分砂漿配合比見表1；定義混凝土中砂漿與粗骨料的體積比為φM／C，利用8種流變性砂漿，通過逐步調整φM／C配制了8個系列共40組混凝土試樣.表2為部分混凝土配合比.

表1 部分砂漿配合比Table 1 Mix proportion of part mortars

表2 部分混凝土配合比Table 2 Mix proportion of part concrete

1.3 性能檢測

參照GB／T 2419—2005《水泥膠砂流動度測定方法》，采用相同的流動度試模，在不施加振動的條件下進行砂漿流動度測試.采用NXS－11B型旋轉黏度計測定砂漿的流變參數.

2 結果分析與討論

2.1 砂漿流變性能的聚類分析

圖1為φP／F對砂漿流動度的影響規律.由圖1可見，開始時砂漿流動度隨φP／F的增加大幅度提高，而后相對平穩.當漿體用量繼續增加，砂漿離析，流動度出現波動.砂漿流變性能隨φP／F的變化趨勢見圖2.由圖2可見，在φP／F小于0.81時，砂漿屈服應力較高，大于22Pa；當φP／F大于0.87時，砂漿屈服應力顯著下降；當φP／F大于0.97時，砂漿屈服應力相對穩定.在φP／F小于0.97的情況下，砂漿的塑性黏度由較高值下降到一個相對穩定值.但是，當φP／F大于0.97時，塑性黏度又會顯著提高.在砂漿出現離析之前，砂漿流動度與流變參數的變化趨勢一致；當砂漿出現離析時，其塑性黏度急劇增加，同時，砂漿的流動度也出現波動.

圖1 漿體用量對砂漿流動度的影響Fig.1 Effect of paste amount on the flowability of mortar

根據流變參數的變化，塑性黏度以0.5Pa·s為分界線，屈服應力以22Pa為分界線，可將上述砂漿分為3類：Ⅰ區砂漿（φP／F為0.78，0.81）為典型的雙高（高塑性黏度、高屈服應力）砂漿，這類砂漿由于漿體含量低、潤滑作用小，其變形能力較差；Ⅱ區砂漿（φP／F為0.87～0.97）為低塑性黏度、低屈服應力砂漿，其塑性黏度、屈服應力均處于一個相對穩定且偏低的區間，變形能力較強，當φP／F繼續增大時，會出現泌水離析，導致黏度較大；Ⅲ區砂漿（φP／F 為1.01～1.11）為高塑性黏度、低屈服應力砂漿.本文通過對砂漿的聚類分析，重點研究了不同類型砂漿對混凝土性能的影響規律.

圖2 漿體用量對砂漿流變參數的影響Fig.2 Effect of paste amount on the rheology parameters of mortar

2.2 砂漿的潤滑與空間分離作用對混凝土流動性的影響

由Ⅰ區砂漿配制的混凝土坍落度隨砂漿用量的變化規律如圖3所示.由圖3可見，隨著砂漿用量增加，混凝土的坍落度逐漸增加，且φP／F不同的兩種砂漿有著相同的變化規律.由于Ⅰ區砂漿變形能力差、潤滑作用小，作為粗骨料相互作用的過渡區，如果增加其厚度，可提高這類混凝土的流動度.

圖3 高塑性黏度高屈服應力砂漿混凝土的流動度變化曲線Fig.3 Flowability change of concrete produced by mortar with high plastic viscosity and yield stress

由Ⅱ區砂漿配制的混凝土坍落度隨砂漿用量的變化規律如圖4所示.由圖4可見，隨著砂漿用量提高，混凝土坍落度逐漸增大，但增幅并不顯著.3個系列混凝土的變化曲線也較為接近，當φM／C由1.40增加到2.00時，混凝土坍落度增加約20mm.提高該類砂漿用量對于混凝土整體流動性影響不大.這說明在此類砂漿作用下，潤滑效果對體系的失穩作用比空間分離效果更為顯著.

圖4 低塑性黏度低屈服應力砂漿混凝土的流動度變化曲線Fig.4 Flowability change of concrete produced by mortar with low plastic viscosity and yield stress

由Ⅲ區砂漿配制的混凝土坍落度隨砂漿用量的變化規律如圖5所示.由圖5可見，隨著砂漿用量提高，坍落度逐漸增大，達到極值后逐漸下降至平緩狀態.這類砂漿由于存在自由水，可充分潤濕粗骨料，從而提高混凝土的流動度.因此，提高砂漿用量可起到潤滑和空間分離的雙重作用.

圖5 高塑性黏度低屈服應力砂漿混凝土的流動度變化曲線Fig.5 Flowability change of concrete produced by mortar with high plastic viscosity and low yield stress

2.3 混凝土體系失穩因素的相互影響

圖6 砂漿組成對混凝土流動度的影響Fig.6 Effect of mortar proportion on the flowability of concrete

砂漿流變影響的潤滑作用和砂漿用量影響的粗骨料分離作用決定了混凝土的流動性.圖6為不同砂漿組成對混凝土流動度的影響.由圖6可見，當砂漿用量為粗骨料體 積的1.54 倍時，隨著φP／F 的增加，砂漿的變形能力及潤滑性能不斷提高，導致混凝土的流動度逐漸增大.當φM／C為1.66時，隨著砂漿中漿體用量的提高，混凝土的流動度先逐漸增加，之后趨于平穩；當φM／C為1.78時，φP／F產生效果的極限值為0.81，超過0.81，混凝土的流動度提高幅度不大；當φM／C 為1.66 時，φP／F產生效果的極限值為0.87；當φM／C為1.54時，混凝土的流動度隨φP／F增加而逐漸提高，且φP／F產生效果的極限值未在本試驗檢測范圍之內.這說明，隨著砂漿用量的提高，其潤滑作用產生效果的極限值逐漸降低.即當砂漿用量足夠大時，砂漿的流動性對混凝土流動性影響不大.

試驗表明，砂漿的潤滑作用受其流變學參數限制，當砂漿的塑性黏度、屈服應力分別大于0.5Pa·s和22Pa時，砂漿用量提高對混凝土流動性無顯著影響；當砂漿體積大于粗骨料體積1.8倍時，其潤滑作用不大.

2.4 分散模型對配合比設計的意義

本文利用分散模型來研究混凝土的流動性.在分散模型中，提高漿體用量會同時提高砂漿的流動性和砂漿的用量，導致混凝土坍落度增加，因此，提高砂率具有降低砂漿流動性和增加砂漿用量的雙重效果.圖7為混凝土坍落度等高圖，其中3條連續曲線分別表示漿體體積為0.27，0.29，0.31m3的混凝土，沿曲線由下而上表示砂率逐漸提高.當漿體體積為0.27m3時，隨著砂率的提高，混凝土坍落度沿曲線向左上方移動，與不同流動度的等高線依次相交，混凝土坍落度逐漸降低；當漿體體積為0.29m3時，隨著砂率的提高，混凝土坍落度逐漸增加；當漿體體積為0.31m3時，混凝土坍落度無顯著變化.這說明，砂率的變化同時影響砂漿的流變和用量，而這2個參數的變化趨勢正好相反.

圖7 混凝土坍落度等高圖Fig.7 Contour map of concrete slump

由圖7可見，提高減水率，混凝土坍落度等高線有向上移動的趨勢.這是因為固定φP／F后，摻加引氣劑一方面可提高砂漿的流動度，另一方面可增加砂漿的體積.砂漿性能的改變方式很多，本文僅采用改變φP／F來調控砂漿性能.

綜上可見，改變砂漿用量與砂漿流變這2個參數，可有效調控混凝土性能.

3 結論

（1）隨著φP／F的變化，基于流變性可對砂漿進行聚類劃分.塑性黏度以0.5Pa·s為分界線，屈服應力以22Pa為分界線，可以將砂漿分為3類，不同類型的砂漿對混凝土流動性的影響規律不同.

（2）基于砂漿流變的粗骨料潤濕和依賴于砂漿用量的粗骨料空間分離是造成混凝土體系失穩進而流動的主要因素，并且這兩個因素相互影響，當一個因素超過臨界值時，另一因素的作用效果被削弱.砂漿的潤滑作用受其流變學參數限制，當砂漿塑性黏度、屈服應力分別大于0.5Pa·s和22Pa時，砂漿用量提高對混凝土流動性無顯著影響；當砂漿體積大于粗骨料體積1.8倍時，砂漿的潤滑作用不大.

（3）利用分散模型能夠簡便、深入研究混凝土的流動機理.同時，將現有混凝土調控參數分解、轉化成砂漿流變和用量2個參數，可為混凝土性能預測及調控提供新思路.

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