L形箱測試自密實混凝土工作性能研究現狀

楊斌羅慰祖張曉燕

（1南華大學核三力技術有限公司；2南華大學土木工程學院）

L形箱測試自密實混凝土工作性能研究現狀

楊斌1羅慰祖2張曉燕2

（1南華大學核三力技術有限公司；2南華大學土木工程學院）

自密實混凝土屬于高性能混凝土的一種，代表高性能混凝土的發展方向。自密實混凝土工作性能的測試方法很多，本文簡單介紹利用L形箱測試評價自密實混凝土的工作性能研究現狀，指出L形箱測試技術的發展方向。

自密實混凝土；L形箱；工作性能；評價標準

1　前言

自密實混凝土（Sel f-Com pacti ng Concrete，簡稱SCC），又稱高流動混凝土，通過摻入高效減水劑使混凝土拌合物得到高流動性，混凝土拌合物可依靠自重，不經振搗充滿模板包裹鋼筋達到密實，屬于高性能混凝土的一種[1]。自密實混凝土具有良好工作性能，可澆筑復雜、薄窄鋼筋密集的結構，能解決傳統施工過程中，鋼筋密集區難以振搗，鋼筋和預埋件振搗移位的問題，同時可減輕勞動強度、改善勞動環境、縮短工期減少成本等特點。由于自密實混凝土工作性能上的優越性，對于自密實混凝土的研究與應用越來越廣泛。

測試新拌自密實混凝土的工作性能，主要是評價自密實混凝土填充能力、間隙通過能力、穩定性這三種工作性能，這些工作性能直接影響自密實混凝土的工程應用。填充能力是自密實混凝土最基本的工作性能，是自密實混凝土工作性能的體現，在不振搗的情況下填充到結構的各個部位，且不會在混凝土結構的內部和表面引入多余的氣泡；間隙通過能力可以保證混凝土在鋼筋密集、無法振搗的結構中，混凝土能夠順利到達各個部位，是比填充性要求更高的性能；穩定性是自密實混凝土施工過程中保持自密實能力以及自密實混凝土硬化后勻質性的能力，是自密實混凝土成功的關鍵。因此，對這三種工作性能的評價缺一不可。

測試的儀器與方法主要有坍落度拓展度、V型漏斗、L形箱、U型儀、J型環、O ri m et儀等。在國內外出版的各個規范和章程中都有詳細說明[2-8]。其中L形箱是一種結構簡單、操作簡便、易于推廣應用的測試儀器，故本文簡單介紹L形箱測試新拌自密實混凝土工作性能的研究現狀。

2　傳統L形箱測試方法

L形箱（圖1至圖3）最初由日本學者設計，用于評價水下自密實混凝土，由一個豎直和一個水平的矩形箱組成，形狀呈“L”型，在兩個矩形箱連接處設有活動門和阻滯鋼筋。當混凝土拌合物的坍落度大于20cm時，拌合物可以順利的從L形箱中流出，并在水平槽中流動至趨于水平狀態，但是混凝土拌合物坍落度小于20cm時，拌合物只能在水平槽中緩慢流動一段距離，這說明L形箱適用于大流動性的拌合物，尤其是自密實混凝土。

圖1　日本標準L形箱

圖2　歐洲標準L形箱

測試時，用混凝土將豎直箱填滿，靜置1m i n，然后打開活動門，待混凝土流入水平箱并停止流動后，測量水平箱遠端混凝土高度h2和豎直箱內混凝土高度h1。自密實混凝土的填充性可以用h2/h1來評價，當h2/h1越接近1時，填充性能越好；L形箱對自密實混凝土的抗離析性比較敏感，在打開活動門前靜置1m i n，穩定性不夠的新拌自密實混凝土會在流動開始時出現堵塞的現象；流動停止后，在規范的鋼筋網后沒有明顯的粗骨料堆積，則自密實混凝土的間隙通過能力良好。

L形箱在一定程度上可以同時評價自密實混凝土的三種工作性能，而且可以通過改變阻滯鋼筋構件的尺寸、鋼筋特點可以評價適用于不同結構的自密實混凝土的工作性能。

3　改進L形箱

圖3　美國標準L形箱

在國內外各規范中都推薦使用L形箱評價自密實的工作性能，與其他試驗儀器相比，L形箱是各規范中操作方法、儀器規格和評價標準相差最小的儀器。

圖4　中國標準L形箱

傳統的L形箱試驗，能夠粗略的評價自密實混凝土的工作性能，試驗裝置的材料沒有統一，試驗過程容易由于操作不當引起誤差。隨著自密實混凝土的研究不斷深入，L形箱的測試方法、裝置和評價標準沒有得到及時的改進和更新，在自密實混凝土工作性能測試上難以跟上研究的步伐。因此國內外很多學者在已有L形箱的基礎上進行改進，通過改進的儀器能更精確的評價自密實混凝土的工作性能。

楊靜等[9]學者認為變形能力和變形速度兩個指標更能反應自密實混凝土的工作性能，通過改變L形箱尺寸（圖5），測量相關試驗數據來反應自密實混凝土的變形能力和變形速度。

圖5　改進尺寸的L形箱

試驗通過混凝土拌合物流動到水平槽不同距離的時間反應變形速度，通過豎直箱坍落的高度和水平槽流動的最大距離反應變形能力。

武漢理工大學的研究人員[10]（圖6）針對應用于狹長封閉的無砟軌道結構的自密實混凝土，要求能更精確的測試自密實混凝土的填充性和抗離析性。研究人員對傳統L形箱的尺寸和結構進行了改進，并運用新的測試方法，得到評價自密實混凝土填充性和抗離析性的計算公式。

圖6　改進尺寸與結構的L形箱

該改進儀器是專門適用于狹長封閉結構，相對傳統L形箱測試，能夠得到更為精確，而且能用公式求導的填充性和抗離析性。

自密實混凝土的工作性能要求很多，但是各標準推薦的測試方法中，還沒有單一的一種測試方法能夠完全評價其工作性能，往往需要兩種或以上的儀器進行測試。為了得到一種能全面評價自密實混凝土工作性能的裝置，研究人員將幾種儀器進行組合。

由河海大學研究人員設計[11]（圖7）與北京工業大學設計[12]（圖8）的兩款組合儀器，分別將L形箱試驗與坍落擴展度和U型箱結合，實現一個儀器可以進行兩種實現，有利于解決運用兩種儀器試驗時存在的連續性和精確性較差的問題。

圖7　與坍落度結合的L形箱

圖8　與U形儀結合的L形箱

還有一些改進的L型測試儀在傳統的L形箱基礎上進行尺寸的改變，增加一些測試裝置，能夠得到自密實混凝土更精確的工作性能。

在傳統L形箱基礎上進行改進的L型測試儀，能夠得到更精確的填充性、間隙通過性和抗離析的工作性能，但是沒有提出新的測試方法和評價標準，也沒有反映影響自密實混凝土工作性能的本質原因。

4　流變學角度

從流變學的角度研究自密實混凝土的工作性能，可以了解自密實混凝土的本質特征，有利于自密實混凝土的發展。流變學研究的是物體的變形和流動的學科，研究對象主要是流體。一般認為新拌自密實混凝土屬于賓漢姆流體，也有研究學者認為H erschel-Bul kl ey模型更符合其變形規律，常用用屈服應力和塑性粘度兩個參數定義自密實混凝土的流動性，并滿足如下關系：

賓漢姆模型：τ=τ0+μp（?γ/?t）

H-B模型：τ=τ0+a（?γ/?t）b

τ0——屈服應力（Pa）；

μ——塑性粘度（Pa·s）

?γ/?t——速度梯度或速度指數（1/s）；

a—— 一致性因素；

b——冪律指數。

對于自密實混凝土粘性大，不同的配合比，即使坍落度拓展度值相同，但是拌合物坍落的過程與速度會有很大的區別，所以通過最終流動停止形態的數據已經不能全面反映自密實混凝土的工作性能，采用變形能力和變形速度更為合理，而屈服應力和塑性粘度是影響變形能力和變形速度的本質因素。當自密實混凝土所受外力或自身重力大于屈服應力時，自密實混凝土開始流動，流動的過程主要受到塑性粘度的影響，自密實混凝土的穩定性與屈服應力和塑性粘度兩者都存在相關性。有試驗證明[13]，在兩種混凝土的坍落度與屈服應力相近的情況下，塑性粘度差別很大，混凝土工作的量化值差距很大，新拌混凝土的工作性能的差別可以用流變參數反映出來。

4.1混凝土流變參數研究

流變儀能夠測出混凝土拌合的剪切應力和剪切速率曲線，采用兩點法，可計算出新拌自密實混凝土的流變參數τ0和μp。流變儀主要有BM L旋轉粘度計、BTRH EO M流變計和ICAR流變儀等[14-16]，主要分為同軸性和平行板型等，但是有些流變儀價格昂貴，有些儀器笨重、操作復雜，有些結構復雜，有些在試驗時會發生卡住葉片的故障，有些會使混凝土發生離析，這些存在的問題都不利于流變儀的普及應用，且不適合現場使用。

坍落度試驗可以評價新拌自密實混凝土的流動性，國內外很多學者通過理論分析和大量試驗數據，并結合流變儀測試數據，確定了坍落度試驗數據與自密實混凝土流變參數之間的關系[17]。

4.2L形箱測試流變參數研究

N guyen T L H等[18]利用L形箱試驗進行理論推導，建立了測試數據h1/h2與均勻流體的流變參數屈服應力之間的關系。并用石灰粉懸浮液進行試驗，得到的流變參數與流變儀測試結果吻合較好。

未插阻滯鋼筋時，有：

在N guyen T L H理論推導的基礎上，Anni ka Gram等[19]運用改進的L形箱對水泥砂漿進行試驗，建立了水泥砂漿屈服應力和塑性粘度兩個流變參數與實驗測量數據之間的關系。

有研究人員在此基礎上利用L形箱對自密實混凝土的流變參數進行求導，并得到相關的求解公式。

劉偉強[20]用L形箱進行自密實混凝土試驗，根據的得到的結果，對公式（4）進行變換，得到適用于自密實混凝土的屈服應力求解公式（7）；再將坍落度時間和L箱中的流動時間（T）進行擬合，得到他們的關系，進而對公式(2)進行改寫，得到塑性粘度的公式（8）：

單智[21]對L箱實驗進行改進，去掉水平槽端部的擋板，根據流體力學當中的知識，提出“三段兩區，穩定層流”的假設，分別對穩定流變與流變終止兩個狀態下的流變原理進行推導，并建立相關測試參數與屈服應力τ0、塑性粘度μp之間的關系：

周揚[22]借鑒巖石力學參數反演的思路，對新拌自密實混凝土進行L箱流變實驗測試，記錄相關試驗數據，并對試驗過程錄像。然后借助數值模擬進行反演，得到最佳的流變模型和流變參數。再將L箱得到的流變參數與新拌自密實混凝土流變參數擬合，得到經驗公式。

μp=0.416×10-3ρgT700+5.04(式12)

上述研究證明通過L形箱試驗能夠得出自密實混凝土的流變參數，而且相對于其他流變儀，L形箱結構簡單、操作方便。但是根據流體力學中的相關知識，上述研究使用的L形箱，不能做到忽略側壁剪切的影響，水平槽末端的擋板引起拌合物回流會影響拌合物流動過程，會影響試驗結果的精確程度。

5　結論與展望

隨著社會的發展，越來越多的工程將會使用自密實混凝土，傳統的測試方法與儀器難以滿足其工作性能的評價，從流變學角度評價自密實混凝土的工作性能是自密實混凝土的研究趨勢。

已有的研究表明，L形箱試驗能夠測試自密實混凝土的流變參數，而且能夠克服現有的一些流變儀存在的不足。將L形箱的改進與流體力學的知識結合，能夠做到真正忽略側壁剪切的影響，得到較為簡單的求解屈服應力與塑性粘度的公式，并利用數值模擬技術驗證流變參數的正確性。通過研究的不斷深入，L形箱能夠成為結構簡單、操作方便、價格便宜的流變儀，為自密實混凝土工作性能的評價提供依據和參考。●

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第一作者：楊斌（1968-），男，本科，助理工程師，主要研究方向：土木工程材料，E-m ai l:932936624@qq.com，聯系電話：13873480832，通訊地址：湖南省衡陽市南華大學。