低阻力高性能新拌混凝土流變參數分析

陳曉暉

文章對低阻力高性能新拌混凝土流變參數進行了分析，指出了目前普遍采用的坍落度工作性能指標過于籠統，提出建立低阻力混凝土屈服剪應力和黏度系數設計公式，其計算數值符合設計要求即可確定混合料的組成設計，成為低阻力高性能新拌混凝土的施工性能指標。

低阻力高性能新拌混凝土;屈服剪應力設計公式;黏度系數設計公式

U416.03A050163

0 引言

新拌混凝土混合料的本質特征是其流變性，可采用流變性能本構關系表示。目前的混凝土工作性能指標普遍采用坍落度表征。近年來，隨著低阻力高性能混凝土的推廣應用，以坍落度、坍落擴展度及其經時損失表征的工作性能指標過于籠統，難以與混凝土的攪拌、運輸、攤鋪、密實和成型等工藝過程建立聯系。目前的施工都是根據不同的施工工藝、工藝特點和施工人員的工程經驗，提出各自的施工性能指標，這種狀況不利于低阻力高性能混凝土的質量監控。對此，本文研究建立低阻力混凝土屈服剪應力和黏度系數設計公式，運用這些新型公式算出的混合料各種參數，可成為低阻力高性能新拌混凝土的統一施工性能指標。此研究成果在馬灘紅水河特大橋橋面鋪裝施工中運用，得到了理想的效果，具有推廣價值。

1 低阻力高性能新拌混凝土的概念

新拌高性能混凝土混合料的本質特征是其流變性。在材料組成相同時，混凝土混合料的流變性能是相同的，不隨施工工藝變化而變化。混凝土混合料的流變性能受水泥水化和凝結硬化的影響，本質上也是材料組成變化對流變性能的影響。因此，在不同工藝力學分析時，只應根據材料組成和水泥水化反應程度，改變混凝土混合料的流變性能參數，而不應改變混凝土混合料的本構關系[1]。

低阻力混凝土是相對于給定施工工藝而提出的。混凝土混合料的施工阻力應明顯低于關鍵工藝設備的施工能力，保證關鍵工序的順利實施。對于水泥混凝土路面和橋面鋪裝施工，采用三軸式攤鋪施工工藝時，三軸式攤鋪機的施工能力是決定性因素。到達攤鋪現場的混凝土混合料，在施工工藝所要求和允許的時間范圍內，混合料的施工阻力應小于三軸攤鋪機的攤鋪和整平能力[2]。

本研究以馬灘紅水河特大橋橋面鋪裝為例，其采用直徑為168 mm的三軸式攤鋪機，攤鋪寬度為9 m，安裝在驅動軸上的電機重量為9 kN，采用鋼模板，干燥條件下最大驅動力為2.7 kN，在濕潤條件下的最大驅動力為1.8 kN。

主要施工阻力來源于混凝土混合料的施工阻力，該施工阻力等于混合料的屈服剪應力乘以沉入混合料中的振動軸與混合料的接觸面積：

FC=τyaB（1）

式中：FC——混凝土混合料的施工阻力（kN）;

τy——混凝土混合料的屈服剪應力（kPa）;

B——三軸式攤鋪機的鋪筑寬度;

a——振動軸與混凝土混合料接觸部分的弧長。

弧長a按式（2）計算：

a=Rcos-1R-hCR（2）

式中：R——振動軸的半徑（mm），R=D/2，D為振動軸的直徑;

hC——振動軸沉入混合料中的深度（mm）。

根據三軸攤鋪施工的松鋪系數，振動軸沉入攤鋪混凝土混合料中的深度取值為0.02～0.03 mm。低阻力混凝土的施工阻力應滿足下列條件：

FCF（3）

滿足式（3）十分困難，可通過縮減攤鋪寬度、預先振動密實等措施，降低振動軸沉入深度，從而降低混合料的施工阻力來實現。

在振動密實成型條件下，單位體積中混凝土混合料的組成比例會發生變化，從而混合料的流變參數也會發生變化。振動過程中混凝土混合料表面液化，是顆粒沉降、上部固相體積率降低的結果。從混合料表面觀察或測定，可看到屈服剪應力和黏度系數降低。

2 橋面鋪裝低阻力高性能混凝土設計

低阻力高性能混凝土設計的主要目標是設計屈服剪應力和黏度系數符合低阻力要求的高性能混凝土混合料，而要實現低阻力高性能混凝土混合料組成設計，必須建立屈服剪應力和黏度系數與材料組成的關系。

2.1 屈服剪應力設計公式

屈服剪應力與材料組成的關系可表示為：

τy=2H1SVVF（2+1/λ）2+λ2（2+1/λ）2（1+1/λ）3∑mi=1Pid3i-τ0（4）

式中：τy——混凝土混合料的屈服剪應力（kPa）;

SV——每立方米混凝土中全部固體顆粒的體積濃度（以小數表示）;

Vb——每立方米級配粒料中0.075 mm以下的顆粒體積（以小數表示）;

H1——經驗常數，取值為H1=1.0×10-7 kPa·mm3;

λ——顆粒的線性濃度。

根據顆粒的體積濃度計算其線性濃度：

λ=[（SVm/SV）1/3-1]-1（5）

式中：SVm——臨界體積濃度;

di——膠凝材料顆粒級配序列中第i號篩的篩孔直徑（mm）;

Pi——膠凝材料級配序列中通過第i號篩的分計含量（以小數計）;

τ0——靜電排斥力、阻止顆粒相互靠近的彈性力等綜合作用力。

將混凝土視為由固相顆粒物和孔隙水溶液所組成的體系，混凝土混合料的臨界固相體積率SVm=0.90。1 g水泥（比重為3.10）完全水化時消耗0.38 g水，則混凝土中固相體積率為：

SV=Svg+0.38αC（t）mbρw+[1-αC（t）]mbρb（6）

式中：Svg——每m3混凝土中集料體積率;

mw，mb——每m3混凝土中的用水量、膠凝材料用量;

ρw，ρb——水和水泥顆粒的密度;

αC（t）——水化程度函數，可取為0.05。

此屈服剪應力設計公式經過多種場合多次驗證，具有較高的精度，可用于指導低阻力高性能混凝土混合料施工性能設計。

2.2 黏度系數設計公式

混凝土混合料黏度系數設計公式，包括：黏度系數設計公式;溶液黏度系數設計公式;相對黏度系數設計公式。其中，建立三層次黏度系數設計公式，按照水泥膠凝、砂漿和混凝土三個層次，從水泥膠漿的黏度系數開始，分層次計算黏度系數，其計算公式為：

η=ηgrηsrηbrηL（7）

式中：η——混凝土混合料的黏度系數（Pa·s）;

ηgr——混凝土相對于砂漿的比黏度系數;

ηsr——砂漿相對于水泥膠漿的比黏度系數;

ηbr——水泥膠漿相對于水溶液的比黏度系數;

ηL——溶液的黏度系數（Pa·s）。

溶液黏度系數設計，根據外加劑種類、摻量和水的黏度系數，計算外加劑水溶液的黏度系數，其計算公式為：

ηL=1-kacc0ηw（8）

式中：ηL——溶液的黏度系數（Pa·s）;

ka——外加劑的減水率常數（以小數表示）;

c——外加劑摻量（%）;

c0——外加劑飽和摻量（%）;

ηw——水的黏度系數（Pa·s）。

選用表面活性劑類的引氣緩凝型高效減水劑，降低溶液的表面張力，其減水率為10%～20%。外加劑按飽和摻量摻用，按較低的減水率減水，將基準混凝土坍落度提高到50～70 mm，減水率常數范圍為0.3≤ka≤0.7[3]。

混凝土黏度系數設計，根據顆粒相的體積含量，計算相對黏度系數，其計算公式為：

ηir=1+λi1+λi2λi（9）

式中：ηir——相對黏度系數;

i——i=b，s，g，分別為水泥膠漿、砂漿和混凝土;

λi——（i=b，s，g）水泥膠漿、砂漿和混凝土中顆粒的線性濃度。

計算線性濃度λi為：

λi=[（SVm/SVi）1/3-1]-1（10）

式中：SVi——（i=b，s，g）水泥膠漿、砂漿和混凝土中顆粒的體積濃度。

水泥膠漿、砂漿和混凝土顆粒的體積濃度分別計算為：

SVb=kV（1+kCGmw/mb）-1（11）

SVs=Vs/Vm（12）

SVg=Vg（13）

式中：SVm——固-相兩相體系中固相顆粒相接觸的臨界體積。

水泥漿、砂漿和混凝土的臨界體積率為：

SVm≈0.56。

2.3 根據坍落度與屈服剪應力的關系設計屈服剪應力

坍落度與屈服剪應力的關系，可根據坍落試驗中的受力分析，應用混合料的本構方程，直接建立以下關系：

S=300-2 000τyγC（1-v）（14）

式中：S——混凝土坍落度（mm）;

τy——混凝土混合料屈服剪應力（kPa）;

γC——混凝土混合料的重度（kN/m3）;

v——混合料泊松比，v=0.3～0.5，高流動性取高值。

2.4 根據橋面砂漿鋪裝厚度要求設計黏度系數

根據水泥混凝土橋面鋪裝表面砂漿組成及提漿厚度，確定混凝土混合料最佳黏度系數范圍，其計算公式為：

umax=d2[g（ρg-ρ）+ρgAω2]36ηt（15）

式中：umax——顆粒的最大移動距離（m）;

d——顆粒直徑（m）;

g——重力加速度（m/s2）;

ρg——顆粒的表觀密度（kg/m3）;

ρ——混凝土混合料的表觀密度（kg/m3）;

A——振動軸的振幅（m）;

ω——振動軸的角頻率（Hz）;

t——持續振動時間（s）;

η——混合料的黏度（Pa·s）。

橋面鋪裝層中，要求表面砂漿厚度為3 mm，表面砂漿中幾乎不含2.36 mm以上的顆粒，0.6 mm以下的顆粒幾乎不發生位移。其中，粒徑>2.36 mm的顆粒最大位移量不低于表面砂漿厚度;粒徑<1.18 mm的顆粒最大位移量不大于顆粒直徑。

根據施工要求，攪動1遍時，混合料中2.36 mm及以上的顆粒沉降量達到3 mm以上，1.18 mm的顆粒位移量控制為1.0 mm，0.6 mm以下顆粒的沉降量幾乎為零。根據攪動1～3遍的作用時間和顆粒位移量要求，計算顆粒位移速度。取細集料顆粒的表觀密度為2 650 kg/m3，則要求混合料的黏度系數η為20～100 Pa·s。

根據屈服剪應力設計結果，驗算水泥膠漿、砂漿和混凝土的相對黏度系數，按式（7）計算混凝土混合料的黏度系數值，符合設計要求時即可確定混合料組成設計。黏度系數不滿足要求時，可按照混凝土相對黏度系數和砂漿相對黏度系數相等的原則，確定最佳砂率及最低黏度系數;黏度系數離設計目標相差太大時，可摻表面活性劑類減水劑，按式（8）調整混合料的黏度系數。

3 結語

本文根據對影響低阻力高性能新拌混凝土流變參數的分析研究提出了對混凝土混合料的施工阻力、屈服剪應力、黏度系數、坍落度的新計算公式，并在馬灘紅水河特大橋橋面鋪裝中得到了良好的驗證效果。這些公式算出的參數可作為統一的低阻力高性能新拌混凝土的施工工作性能指標，避免了以往根據經驗各行其道的做法，具有推廣價值。

[1]張 璇，李之達，張志華.基于離散元的新拌混凝土流變性能分析[J].武漢理工大學學報，2017：39（6）：62-67.

[2]韓林海，陶 忠，王文達.現代組合結構和混合結構-試驗、理論和方法[M].北京：科學出版社，2009.

[3]謝洪學.混凝土配合比實用手冊[M].北京：中國計劃出版社，2002.