自密實混凝土流變模型和測試方法研究綜述

任晨灝（中國水利水電第八工程局有限公司）

自密實混凝土流變模型和測試方法研究綜述

任晨灝
（中國水利水電第八工程局有限公司）

自密實混凝土是一種具有較高流動性能的混凝土，它能僅依靠重力填充模板，因此自密實混凝土有降低工人勞動強度、減少施工噪音等優點，近年來自密實混凝土雖逐漸大量使用，但多是定性測試其工作性能，而其流變規律尚不完善，為了解自密實混凝土流變特性，應從自密實混凝土流變模型及流變參數測試入手。

自密實混凝土；流變模型；測試方法

1　前言

自密實混凝土 （Self-CompactingConcrete-SCC）無需振搗，僅依靠自身重力作用能夠流動密實，完全填充模板，同時具有很好均質性，不產生離析分層的現象，是一種高性能混凝土（HighPerformanceConcrete-HPC）。流變學是研究物質在荷載作用下流動和變形的科學，1928年由美國E.C.Bingham教授創立。與普通混凝土相比，SCC具有更大的流動性，測量SCC的基本性質及變形更具流變性意義。

新拌自密實混凝土的流變性能受時間、溫度、濕度等外部環境影響，同時也受SCC內部水化及凝結硬化過程中的一系列物理化學反應的影響，SCC在此過程中由粘塑性向粘彈性發展，SCC流變性能受多重因素影響、流變機理十分復雜，因此找到一種能簡化并且能準確、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最早發現，提出用屈服應力和塑性黏度兩個參數表征物體的性質，該模型由理想的圣維南體和理想牛頓流體合并而成。根據Tattersall［1］的研究，利用Binghanm模型可以準確描述新拌混凝土的流變性能；ChongHu［2］認為，當新拌混凝土的坍落度大于8cm時，而且沒有嚴重的離析發生時，可將其視為Bingham材料。

Bingham材料在受剪應力作用下，在未達到一定的屈服應力時保持靜止，一旦超過該屈服應力即發生流動。其表達式為：

τ=τ0+μγ（式1）

τ0——屈服應力，Pa；

μ——塑性黏度，Pa·s；

γ——剪切應變率，1/s。

⑵改進的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，導致新拌混凝土明顯的剪切增稠，使混凝土剪切應力與剪切速率呈明顯的非線性關系，在Bingham模型基礎上提出改進的Bingham模型，其關系式為：

τ=τ0+μγ+cγ2（式2）

τ0——屈服應力，Pa；

μ——塑性黏度，Pa·s；

γ——剪切應變率，1/s；

c——調整系數。

②LiberatoFerrara和NathanTregger［5，6］等人用以下模型模擬坍落度筒流變過程，能夠較為準確的得出坍落度試驗的流動時間T。

γcrit——臨界應變率，1/s。

⑶Herschel-Bulkley模型

法國學者LarrardFde［7］研究發現新拌SCC混凝土在低剪切速率下剪切應力與剪切速率成線性關系，提出了Herschel-Bulkley模型，流變特征曲線見圖1。隨著剪切速率的增大，表現出剪切增稠，呈現為非線性關系，采用Herschel-Bulkley模型描述新拌SCC流變特性比用賓漢姆模型更準確。其表達式為：

圖1　冪律流體流變特征曲線

τ=τ0+aγb（式4）

τ0——屈服應力，Pa；

γ——剪切應變率，1/s；

a——一致性因素；

b——冪率指數。

⑷觸變模型

法國學者N.Roussel［8］考慮到觸變作用對新拌混凝土流變性的影響，得到新拌SCC材料的流變模型，其關系式為：

Athix是靜止狀態下混凝土的重結構化速率（Pa/s，一般取值為0.1-2），α是去結構化速率（數量級一般為1e-2），λ是混凝土流動狀態參數。

⑸Casson模型［9］

⑻F.Mahmoodzadeh［10］認為SCC流變模型可分為現象模型和基本模型，Ferraris和deLarrard的模型屬于現象模型，F.Mahmoodzadeh用細胞方法、幾何描述、數學證明的基本模型來評價新拌自密實混凝土的流變性能。

Bingham模型流變參數簡潔明朗、意義明確，是目前混凝土流變研究中用得最多的一種模型，很早以前許多學者就認為用Bingham模型表征混凝土流變參數是沒有問題的［11］。而SCC與普通混凝土相比具有更大的流動性和黏聚性，同時伴有剪切增稠、經時損失大等現象，因此在SCC中Bingham模型體現出了明顯的局限性，近年來Herschel-Bulkley模型被多數學者所接受，研究結果表面［12，13］，Herschel-Bulkley模型更符合SCC流變特性。

3　SCC工作性測試方法

3.1坍落流動度試驗

將混凝土裝入坍落度桶，測試坍落度桶提起后混凝土流動至50cm時間（T50）和最終擴展度（D）。流動時間反映混凝土的流動能力和塑性屈服能力。一般要求T50 約3～6s，D值在650～750mm之間，檢測混凝土的勻質性、離析程度、分層以及石子的分布情況。這種方法與傳統的坍落度方法相近，設備簡單，容易操作。

3.2倒坍落度筒試驗

這種方法是李志明提出的［14］。測試方法為：將坍落度筒倒置，底部加封蓋，裝滿混凝土并抹平（一般地將倒置坍落筒固定于一支架上，底部離地50cm），迅速滑開底蓋，用秒表計量混凝土流空的時間，并同時測定坍落度、擴展度和中邊差，以此來判斷SCC的工作性。一般要求坍落度250～280mm，流動時間8～15s，擴展度60～70cm，中邊差值宜≤20mm。該方法簡便實用，可重復性好。

3.3J環試驗

J環試驗是在一個直徑為300的圓環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。試驗時將J環套在坍落度筒外，和坍落度試驗一樣，讓SCC拌合物流出環，最后測試環內外高差和擴展度。內外高差首先反映了受阻滯的拌合物的體積百分比，然后可估計受阻而被分離的部分的比例。J環試驗表征SCC拌合物的間隙通過能力（抗阻滯性）。寧嚴慶等［16］對J環試驗進行了較系統的研究。

3.4U形儀試驗

U形儀試驗用來檢測混凝土的填充能力，以及混凝土的粘聚性、勻質性和鋼筋間隙通過能力。試驗時先向A室內加滿混凝土，然后拉起活門，混凝土通過障礙流到B室，待混凝土停止流動后，測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

L形流動儀用來檢測混凝土的鋼筋間隙通過能力，試驗時往型箱體垂直部分加入混凝土拌合物，靜置1min，拉起活門，混凝土自垂直部分通過障礙流向水平部分，測量混凝土流動到200mm和400mm的時間，量取H1和H2的高度。一般要求T40在3～6s，水平高差小于20%，L型盒試驗還被用十測試新拌SCC的抗離析性［15］。

3.6V形漏斗試驗

將新拌SCC裝滿V形漏斗，然后測試SCC全部流出的時間，表征了拌合物的流動性，所測時間T與塑性粘度μ存在一定關系。劉華良［17］進行了V形漏斗試驗研究。

4　SCC 流變參數測試方法［2，11，18-20］

目前，SCC流變參數測試方法并不完善，其測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直接測定多組轉動力矩和相應的回轉速度，再根據理論公式換算成剪切應力和剪切應變率，并繪制關系曲線，然后通過直線部分的斜率和在應力坐標軸上的截距得到SCC的屈服應力和塑性黏度。但流變儀價格昂貴，且易受儀器的種類、尺寸等因素影響。

4.2提升型黏度計法

提升型黏度計法是通過提升沉入SCC內部的落錘，用實測的提升速率、提升荷載來估計SCC的黏度。該方法操作簡便，常用于水泥漿和砂漿流變參數測試。

根據上文模型的推算得到公交刷卡乘客的上、下車信息，在此基礎上統計得到任意2站點之間的客流量，繼而得到公交線路OD、公交線網OD和交通小區OD. 需要注意的是，一方面在公交乘客上、下車站點識別過程中所采用的的刷卡數據存在部分無效數據，推算的結果需要根據數據率(有效刷卡記錄/所有刷卡記錄)進行初步擴樣；另一方面，公交刷卡乘客上、下車站點識別只包含刷卡乘客不包含投幣乘客，所以采用數據率進行初步擴樣后還需要采用刷卡率進一步擴樣得到最終結果.

4.3直剪試驗法

直剪試驗法是一種利用土工試驗原理測得SCC流變參數的方法，該方法的理論依據是庫倫定理τ=σtanφ+c，其中τ為抗剪強度，σ為垂直應力，φ為內摩擦角，c為內聚力。試驗通過改變垂直應力σ的大小，測得與之相對應的抗剪強度τ，再在σ-τ坐標系內并連成直線，則直線在τ軸上的截距即近似可認為是新拌自密實混凝土的屈服應力τ0（當沒水泥漿時c=0，為散體，τ=σtanφ；當水泥漿較多時，tanφ明顯下降，即內摩阻力趨于0，這時可近似認為τ=c）。

4.4塑性強度試驗法

該方法的原理是圓錐體在外力作用下不同時間內沉入試樣中所受剪切阻力，計算不同時間內的塑性強度，其中Pm塑性強度，F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。

4.5滑移阻力試驗法

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

4.6貫入試驗法

5　結語

綜上所述，自密實混凝土流變性能的評價不僅應從其工作性能入手，還應建立流變模型、流變參數及工作性能之間的本構方程，從而能較精確的預測和判斷自密實混凝土的流動狀態，為今后自密實混凝土的應用提供指導。●

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