混凝土流變學參數演變特性研究

許永和

1. 上海建工集團股份有限公司 上海 201114；2. 上海高大結構高性能混凝土工程技術研究中心 上海 201114

新拌混凝土的可泵性傳統采用坍落度或坍落擴展度指標來衡量，我國行業標準JGJ/T 10—2011《混凝土泵送施工技術規程》[1]在混凝土可泵性分析中，僅對入泵坍落度和入泵坍落擴展度提出建議。工程實踐發現，混凝土拌和物的工作性與坍落度或坍落擴展度并非總是正相關，尤其是大流態混凝土，坍落擴展度過大往往會導致混凝土離析，坍落度或坍落擴展度并不能充分反映新拌混凝土的可泵性。聚羧酸系等高性能減水劑的應用以及膠凝材料體系的復雜化，超高泵送混凝土拌和物的組成和性能特征與以坍落度為性能表征的早期混凝土拌和物相比發生了很大的變化，顯著地增加了工程實踐中混凝土可泵性調控的復雜程度。與傳統評價新拌混凝土可泵性方法（如坍落度、擴展度等）相比，流變參數屈服應力（τ0）和塑性黏度（μ）能夠更好地從本質上描述混凝土的可泵性，并且物理意義明確[2]。

由于混凝土材料體系的復雜性，水泥基材料流變學參數的研究大體上經過了從凈漿、砂漿到混凝土的3個階段。馬保國等[3]采用AR2000高級流變儀研究水泥漿體初始水化流變特性。王發洲等[4]用Brookfield R/S＋CC同軸圓筒型流變儀測試砂漿的流變性能。趙曉等[5]用ICAR混凝土流變儀測試了混凝土的流變參數。以混凝土為研究對象的流變儀的出現，為流變學參數的實際應用創造了條件。然而，由于各研究人員基于的測試儀器和測試方法不同，得出的混凝土流變學參數差異很大[6]，在混凝土流變學參數的變化規律方面，尚未形成系統的研究成果。研究分析混凝土流變學參數的演變特性，特別是混凝土流變學測試過程中不同測試方法和測試程序對混凝土流變學參數的影響，是利用流變學參數指導混凝土可泵性的基礎和關鍵。

1 試驗原材料、配合比及測試儀器

1.1 試驗原材料

1）水泥：Ⅱ型52.5硅酸鹽水泥，安徽銅陵海螺水泥有限公司產。

2）礦渣微粉：S95，上海寶田新型建材有限公司產。

3）粉煤灰：Ⅰ級，太倉杰捷新型建材有限公司產。

4）砂：中砂，蕪湖縣申海建材有限公司、蕪湖中慶實業有限責任公司產。

5）石子：5～20 mm，湖州新開元碎石有限公司產。

6）外加劑：高效減水劑，上海申立建材有限公司；高性能減水劑，上海麥斯特建工高科技建筑化工有限公司產。

1.2 配合比

為了比較不同工作性混凝土流變特性的差異，本試驗設計了2個配合比，詳見表1。

1.3 測試儀器

本試驗混凝土流變學參數測試采用ICAR混凝土流變儀（圖1）。

本試驗采用的ICAR混凝土流變儀使用葉片式回轉頭，通過控制回轉頭的轉速，采集葉片產生的扭矩，計算混凝土的靜態屈服應力和動態屈服應力及塑性黏度。

表1 混凝土配合比設計（以水泥為基準）

圖1 ICAR混凝土流變儀

2 混凝土流變學參數的演變特性

2.1 混凝土靜態屈服應力的演變特性

混凝土流變儀應力變化曲線可以用來反映混凝土的觸變性（圖2～圖4）。從圖中可以看出，混凝土靜置6 min后，在0.025 r/s測試速度下，自密實混凝土最大屈服應力出現的時間為1 s左右，即為靜態屈服應力。隨后，應力減小，在20 s左右趨于穩定。混凝土靜態屈服應力時變特性很好地揭示了為什么混凝土臨時停泵后再次啟動時，泵送壓力較高的問題。在混凝土泵送施工過程中，盡可能減少停泵，以免因混凝土靜態屈服應力過大而導致堵管。

圖2 自密實混凝土靜態屈服應力時變特性

圖4 塑性混凝土與自密實 混凝土的比較

圖3 最大扭矩及靜態屈服應力與時間的關系

由于本試驗采用的自密實混凝土工作性1 h之后經時損失較大，故自密實混凝土最大扭矩與靜態屈服應力隨著混凝土經時時間的增加而增大，特別是1 h之后增長較快。與自密實混凝土相比，塑性混凝土的最大扭矩及靜態屈服應力呈現數量級的增大。可見，混凝土靜態屈服剪切應力具有時變特性，同時與混凝土拌和物的工作性密切相關。

因此，對混凝土靜態屈服應力的測試應確定混凝土拌和物生成后的經時時間。在同一經時時間條件下進行測試，其試驗結果的對比才有意義。

2.2 預剪切速率對流變學參數測試的影響

在混凝土流變學參數測試前，為了盡量減小混凝土觸變性的影響并提供一致的剪切歷史，需要進行預剪切一段時間。為了研究預剪切速率對混凝土流變學參數測試的影響，本試驗設置了3種不同的預剪切速率（圖5），預剪切時間為20 s。從圖中可以看出，混凝土塑性黏度隨著預剪切速率的增加而降低。這是因為預剪切速率越高，混凝土拌和物塑性結構被破壞的程度越大，各成分之間的作用力降低，宏觀上表現為塑性黏度的降低。

2.3 同一齡期塑性黏度與先后測試點的關系

為了客觀反映測試數據可能存在的波動性，在同一齡期，對混凝土流變學參數連續進行了3次測試（圖6）。從結果可以看出，后測試點的塑性黏度要低于先測試點的塑性黏度，即塑性黏度與混凝土經受的剪切歷史有關。因此，在確定混凝土某個齡期的流變學參數時，是將多個測試數據進行綜合平均還是以最后一個測試數據作為基準，需要制訂一個統一的標準。

圖5 預剪切速率對混凝土流變學參數的影響

圖6 連續測試對混凝土塑性 黏度的影響

2.4 動態屈服應力與測試程序的關系

在混凝土動態屈服應力和塑性黏度測試過程中，測試程序可以是升序也可以是降序，即剪切速率可從大到小（即速率下行，0.50～0.05 r/s），也可從小到大（即速率上行，0.05～0.50 r/s）。試驗數據（圖7）表明，不同的測試程序，其測試結果存在顯著差異。剪切速率上行的測試方法測定的動態屈服應力值要遠高于剪切速率下行的測試方法。這與工程上混凝土泵啟動時阻力較大的現象吻合。

2.5 塑性黏度與測試程序的關系

從塑性黏度與測試程序的關系（圖8）可以看出，剪切速率上行測試程序測定的塑性黏度要低于剪切速率下行測試程序測定的結果，變化規律與動態屈服應力相反。

綜合動態屈服應力、塑性黏度與測試程序的關系，剪切速率上行，動態屈服應力的作用增強；剪切速率下行，塑性黏度的作用增強。

圖7 動態屈服應力與測試程序的關系

圖8 塑性黏度與測試程序的關系

3 結語

研究表明，混凝土流變學參數不僅與研究所采用的儀器設備有關，還與流變學參數的測試方法有著密切的關系。本試驗的研究以ICAR混凝土流變儀為測試儀器，流變學參數演變特性表明：

1）混凝土靜態屈服應力是一個具有時變特性的參數，尤其對于工作性經時變化較大的混凝土，在確定混凝土的靜態屈服應力的同時，應指定其拌和物生成后經時時間。

2）與混凝土靜態屈服應力參數的確定相比，混凝土動態屈服應力和塑性黏度測試更為復雜，預剪切速率、同一齡期數據的處理與標準的選擇、測試程序等都會影響到最終的試驗結果。

3）現行行業標準JGJ/T 10—2010《混凝土泵送施工技術規程》在可泵性分析方面以坍落度為基礎，已不能滿足工程實際需求。建立以流變學參數為基礎的可泵性分析方法，是一個值得探索的有效工具。而流變學參數的測試方法，影響因素較多，需要對測試條件進行規范，相關內容還有待于進一步深入研究。