基于流變學(xué)的新拌混凝土工作性評價方法研究

徐 俊

1.上海建工集團(tuán)股份有限公司 上海 200080；2.上海高大結(jié)構(gòu)高性能混凝土工程技術(shù)研究中心 上海 200080

隨著現(xiàn)代混凝土結(jié)構(gòu)朝著更高、更快、更復(fù)雜的方向不斷發(fā)展，混凝土泵送難度不斷增大，這勢必對新拌混凝土工作性評價方法提出更高的要求和挑戰(zhàn)。

目前，國內(nèi)外對混凝土工作性的評價方法尚未統(tǒng) 一[1-2]。模擬泵送試驗(yàn)可真實(shí)、全面、直觀地評價混凝土拌和物的工作性能，如迪拜哈里法塔（Burj khalifa）在工程施工前，采用長600 m的水平模擬泵送管線，測試混凝土的泵送性能[3]。該方式雖然可靠性較高，但卻存在成本高昂、對場地要求高、操作復(fù)雜、難以滿足工程快速檢測評定需要等不足。

坍落擴(kuò)展度試驗(yàn)作為簡便易行的試驗(yàn)方法應(yīng)用最為廣泛，我國行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JGJ/T 10—2011《混凝土泵送施工技術(shù)規(guī)程》中對混凝土泵送壓力損失的計(jì)算便是以此指標(biāo)值為基礎(chǔ)來進(jìn)行的。但是，隨著混凝土性能不斷朝著高性能化的方向發(fā)展，混凝土材料體系的組成也發(fā)生了較大的變化。高效外加劑及功能摻合料等組分的應(yīng)用，導(dǎo)致了現(xiàn)代混凝土拌和物性能，尤其是流變性能也發(fā)生了較大的改變。工程實(shí)踐表明，混凝土拌和物的工作性與坍落度或坍落擴(kuò)展度并非總是呈正相關(guān)，尤其是大流態(tài)混凝土，坍落擴(kuò)展度過大往往會導(dǎo)致混凝土離析，傳統(tǒng)以坍落擴(kuò)展度值為指標(biāo)來評價混凝土的工作性，認(rèn)為“坍落擴(kuò)展度越大、混凝土工作性就越好”的傳統(tǒng)觀念已難以滿足現(xiàn)代混凝土工程施工的需要。

相比于傳統(tǒng)評價方法，流變儀測試方法通過檢測新拌混凝土拌和物的流變參數(shù)（如屈服應(yīng)力τ和塑性黏度μ），能夠更好地從本質(zhì)上描述混凝土的工作性，并且物理意義明確[4]，如Mechtcherine等采用滑管式流變儀模擬混凝土在泵管中流動，測試壓力與流速，得到的流變參數(shù)可直接真實(shí)地體現(xiàn)潤滑層的流動阻力，其預(yù)測的壓力/流量關(guān)系與現(xiàn)場實(shí)測結(jié)果非常接近。

同時，采用計(jì)算機(jī)數(shù)值仿真技術(shù)模擬混凝土超高泵送，分析不同工作性的新拌混凝土在泵送過程中的流動狀態(tài)，可為混凝土泵送施工提供指導(dǎo)，如日本學(xué)者Nanayakkara通過建立混凝土泵送時的數(shù)學(xué)模型，揭示了離析和堵管的物理機(jī)理，用以解釋、描述、預(yù)測諸如離析、堵管、壓力損失等物理現(xiàn)象。

綜上所述，為滿足現(xiàn)代混凝土工程需要，通過混凝土流變儀測試方法與數(shù)值仿真分析相結(jié)合，研究新拌混凝土工作性評價方法是十分必要的。

1 試驗(yàn)

1.1 原材料

所用原材料包括安徽銅陵海螺水泥有限公司提供的P.Ⅱ52.5硅酸鹽水泥、上海寶田新型建材有限公司提供的S95級粒化高爐礦渣粉、太倉杰捷新型建材有限公司提供的Ⅱ級粉煤灰、蕪湖縣申海建材有限公司提供的中砂、湖州新開元碎石有限公司提供的5～25 mm碎石以及上海麥斯特建工高科技建筑化工有限公司提供的聚羧酸系高效減水劑，拌和水為自來水。

1.2 試驗(yàn)方法

新拌混凝土坍落擴(kuò)展度試驗(yàn)按GB/T 50080—2002《普通混凝土拌和物性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行。

新拌混凝土流變學(xué)試驗(yàn)采用丹麥ICAR流變儀（圖1）進(jìn)行，通過控制葉片式回轉(zhuǎn)頭的轉(zhuǎn)速，采集葉片產(chǎn)生的扭矩，計(jì)算混凝土的動/靜態(tài)屈服應(yīng)力和塑性黏度。

圖1 ICAR混凝土流變儀

2 結(jié)果及分析

2.1 混凝土工作性的臨界效應(yīng)

試驗(yàn)表明，隨著混凝土減水劑摻量的不斷提升，混凝土坍落擴(kuò)展度指標(biāo)值也隨之增加，這在一定程度上改善了混凝土的工作性能，利于泵送施工。然而工程實(shí)踐表明，當(dāng)混凝土坍落擴(kuò)展度超過一定臨界值之后，混凝土將發(fā)生離析泌水現(xiàn)象，在高壓作用下，便會導(dǎo)致堵管甚至爆管事故，影響工程施工進(jìn)度與安全。

為此，本文選取C30、C60、C80三種不同強(qiáng)度等級新拌混凝土為研究對象，采用流變儀測試與坍落擴(kuò)展度測試相結(jié)合的方法，研究混凝土工作性的臨界效應(yīng)，并揭示其內(nèi)在機(jī)理。表1給出了C30、C60、C80三種不同強(qiáng)度等級新拌混凝土的配合比設(shè)計(jì)表。圖2分別給出了C30、C60、C80三種不同強(qiáng)度等級新拌混凝土的塑性黏度μ隨坍落擴(kuò)展度U的變化規(guī)律。

表1 混凝土配合比設(shè)計(jì) 單位：kg/m3

圖2 不同強(qiáng)度的混凝土μ-U變化規(guī)律

由圖2可知，隨著新拌混凝土坍落擴(kuò)展度的不斷增加（由混凝土外加劑摻量進(jìn)行控制），混凝土塑性黏度均呈現(xiàn)出先減小、后增大的拋物線變化趨勢。這主要是由于隨著初期減水劑摻量的增加，水泥顆粒表面靜電排斥作用增強(qiáng)，絮凝結(jié)構(gòu)解體，釋放出被包裹的部分自由水，參與流動，從而有效地增加混凝土坍落擴(kuò)展度，降低混凝土塑性黏度，改善混凝土拌和物的工作性能；然而當(dāng)新拌混凝土坍落擴(kuò)展度超過某一臨界值（C30混凝土為170 mm、C60混凝土為750 mm、C80混凝土為710 mm）時，混凝土拌和物開始出現(xiàn)離析、泌水/泌漿等不良現(xiàn)象，混凝土拌和物工作性急劇下降，這在實(shí)際高壓泵送過程中表現(xiàn)得更加明顯，最終導(dǎo)致堵管、爆管等事故。因此，對于新拌混凝土而言，坍落擴(kuò)展度越大，混凝土工作性并非越好，這一點(diǎn)可以從上述混凝土拌和物流變特性變化規(guī)律得到證明。可以認(rèn)為，混凝土工作性是存在一個臨界效應(yīng)的。

2.2 混凝土工作性區(qū)間帶控制方法

根據(jù)本文2.1節(jié)分析，工作性控制區(qū)間帶上限值，即適合泵送施工的混凝土坍落擴(kuò)展度最大值Umax、塑性黏度最小值μmin，可由塑性黏度隨坍落擴(kuò)展度拋物線變化規(guī)律擬合曲線μ=f（U）=aU2+bU+c的最低點(diǎn)對應(yīng)求得，混凝土坍落擴(kuò)展度實(shí)際值超過該上限值，則該拌和物將發(fā)生離析，對泵送施工十分不利。理論上，只要輸送泵輸出壓力足夠大，便可實(shí)現(xiàn)低坍落擴(kuò)展度混凝土的泵送施工，這樣可以在一定程度上節(jié)約混凝土原材料成本。然而高泵壓強(qiáng)行輸送，會大幅增加混凝土輸送泵的油耗以及相關(guān)零部件的損耗，從而增加工程施工成本，這兩種成本疊加形成經(jīng)濟(jì)型綜合成本，如圖3所示。該綜合成本曲線最低值所對應(yīng)的便是可接受的混凝土塑性黏度最大值μmax，即坍落擴(kuò)展度最小值Umin，混凝土坍落擴(kuò)展度實(shí)際值低于該下限值，則泵送施工在經(jīng)濟(jì)上是不合理的。

圖3 經(jīng)濟(jì)型綜合成本示意

因此，對于混凝土工程而言，存在一個適合泵送施工的混凝土工作性控制區(qū)間帶，該區(qū)間帶由混凝土拌和物坍落擴(kuò)展度上下限臨界值決定，如圖4所示。

圖4 新拌混凝土工作性區(qū)間帶控制方法

2.3 混凝土拌和物流變參數(shù)仿真分析

研究表明，混凝土拌和物流變特性會對混凝土泵送壓力損失產(chǎn)生重要影響。本文采用Fluent軟件對混凝土超高泵送過程進(jìn)行數(shù)值仿真。結(jié)果表明，混凝土塑性黏度增大，泵送壓力損失隨之增大，在固定輸送距離的情況下，對輸送泵出口壓力要求越高，如圖5所示。

圖5 新拌混凝土塑性黏度與泵送壓力損失關(guān)系

而對于混凝土輸送泵而言，都存在其理論最大輸出壓力，在預(yù)留足夠安全儲備（一般取1.15）后，其實(shí)際最大輸出壓力Pmax便是一個相對固定的值。通過上述數(shù)值仿真計(jì)算分析，便可根據(jù)Pmax值，計(jì)算確定理論上可接受的混凝土拌和物塑性黏度最大值μmax（坍落擴(kuò)展度最低值Umin）；結(jié)合本文2.2節(jié)工程經(jīng)濟(jì)性分析結(jié)論，二者對比得出最終混凝土拌和物塑性黏度最大值μmax（坍落擴(kuò)展度最低值Umin），即混凝土工作性控制區(qū)間帶下限值。

3 結(jié)語

1）通過混凝土流變儀測試研究與泵送仿真分析相結(jié)合，建立新拌混凝土工作性控制區(qū)間帶，該區(qū)間帶以塑性黏度和坍落擴(kuò)展度為控制參數(shù)，其下限值通過流變學(xué)試驗(yàn)與坍落擴(kuò)展度試驗(yàn)共同確定，上限值通過泵送仿真分析與工程經(jīng)濟(jì)性分析共同確定。

2）基于混凝土流變學(xué)參數(shù)確定的混凝土工作性控制區(qū)間帶的提出，突破了傳統(tǒng)坍落擴(kuò)展度指標(biāo)控制存在的局限性，為混凝土泵送施工提供理論指導(dǎo)與技術(shù)支撐，滿足了現(xiàn)代混凝土工程施工的需要。

3）混凝土流變學(xué)的研究為混凝土工作性控制提供了新的途徑，然而不同研究人員得到的工作性控制區(qū)間帶可能會存在差異，這與混凝土流變學(xué)參數(shù)測試方法的不統(tǒng)一有關(guān)，有待于廣大研究人員的進(jìn)一步研究與探索。