流变特性在大体积混凝土工程中的应用研究

肖 鹏（成都市郫县交通运输局，四川成都611730）

新拌混凝土流变特性是指拌合料在外力作用下的变形、流动的能力。新拌混凝土属宾汉姆流变模型，其流变参数主要包括屈服应力 和塑性粘度 ，屈服应力是拌合物开始流动的重要条件，塑性粘度则表示混凝土流动的难易程度。屈服应力和塑性粘度是混凝土工作性的自然延伸和本质反映，也是反映混凝土工作性的两个主要流变参数，凡影响两个流变参数的因素必影响混凝土工作性[1~3]。

自从上世界90年代高性能混凝土问世以来，由于大量应用高效减水剂（外加剂）、超细矿物掺合料等使拌合物的流变性发生很大改变，传统塌落度方法已不适用现代混凝土施工[4~6]。目前已有相当集中于混凝土流变特性的科研和开发工作，有关文章、成果相继发表，但被研发出来的一系列设备除作研究使用外并没有进行实践应用，相关理论成果也没有投入工程应用。本文基于流变仪量测混凝土流变参数，试验研究其表征性，量化混凝土原材料微掺量与流变参数的关系，建立新拌混凝土流变性预报和反馈理论，尝试探索新型混凝土工作性检测、评价、反馈优化方法，以期精准控制拌合料性能，提升浇筑质量。

1 混凝土流变性研究

1.1 流变仪

目前，基于“两点法”测试原理的Btrheom式流变仪应用与研究最为广泛，国内相关试验研究与工程应用部分采用河海大学田正宏教授等研制的移动式混凝土智能流变仪，该流变仪设计十字搅拌轴，单片机智能控制，操作简单，可直接应用至拌合楼、施工现场实时检测，辅助新拌混凝土拌合、施工。

图1 流变仪示意图

1.2 流变性参数表征性研究

前期有学者[7]采用有限元分析方法，得到塌落度与屈服应力的经验公式：

式中：τf—屈服应力，Pa;ρ—容重，kg/m3;S—坍落度，mm。

为研究流变参数与塌落度的精准关系，选用不同塌落度新拌混凝土并应用流变仪对其进行同步检验，对比研究各参数相关度，如图2、图3。

图2 塌落度与fτ 的关系曲线

图3 塌落度与的关系曲线

从图3可以看出，屈服应力τf与塌落度相关度较高，随塌落度的增大而减小，它们之间的经验公式为；而塑性粘度 则与塌落度不相关，说明传统塌落度法不能正确表征新拌混凝土料的塑性粘度。塌落度法只考虑新拌混凝土料流动停止后的高度差，而忽略混凝土料本身的流动、液化、粘性等属性，说明流变参数法较塌落度法更能正确表征混凝土和易性指标。不仅如此，借助自动化采集仪器和BP神经网络分析方法，还可实现对流变性能发展精准预报，这是传统塌落度法无法比拟的，在预测混凝土工作性发展和指导施工方面有重大应用前景[8,9]。

1.3 流变参数经时变化

据相关研究，屈服应力的经时变化与历时、温度、水泥水化速度等密切相关：屈服应力经时变化量与时间成正比，且初始屈服应力越小，其增量越大，温度高，则其增量也愈大，屈服应力经时增量随时间成指数关系[10~12]。设τ0为初始屈服应力值，Δt为新拌混凝土料静置历时，KT为凝胶材料水化速率对流变参数变化量的影响系数，又Δτ与Δt指数相关且与KT线性相关，据此用公式（2）来表示Δτ与Δt、T之间的关系。

式中：a,b,c,d为待求常量。

针对大体积混凝土工程，应用智能流变仪动态监控相同温度下等同时间段内新拌混凝土料的屈服应力变化值可推算常量a,b,c,d；再考虑不同温度条件下等同时间段内的变化值可推算凝胶材料水化速率系数KT。同理，考虑到塑性粘度经时变化影响因素与变化规律与屈服应力类似，可得式（4）、（5），亦同理可简单快速推求常量m、n、k、f、 KT等。

式中：m,n,k,f为待求常量。

由式（2）、（4）式推求流变参数经时变 化量虽然快速简 单稳定，但由于混凝土料所用材料、配比、拌合手段差异性很大导致其适应性略显不足，不宜推广多配合比小体积混凝土工程应用。但适用于商品混凝土搅拌站或大体积混凝土工程中，可显著提升对拌合料和易性的控制，且借助于自动化监测仪器和单片机计算处理可显著提高混凝土工程自动化控制水平。

2 流变性微调理论

新拌混凝土拌合料流变性微调理论，即在充分保证混凝土工作性能基础上，基本满足给定配合比工况下，通过微调单位混凝土用水量、减水剂掺量、粉煤灰掺量、砂率、浆骨比等以达到改善拌合料和易性的目的。通过相关研究，我们发现在一定范围内（3%~5%）变动混凝土原材料掺量，流变参数变动值与掺量变动量成线性关系，且对混凝土成型后工作性能影响有限；基于此可通过微调一种或若干种原材料掺量从而使混凝土流变参数达到预定理想值，保证混凝土拌合料工作性要求。

2.1 量化分析

新拌混凝土拌合料流变性与单位用水量存在紧密关联，水泥等凝胶颗粒形成絮凝结构可包裹住10%~30%的自由水，因此增添少量拌合水可促进凝胶颗粒分散，提升拌合物流动性；加入减水剂可以破坏凝胶絮凝结构，释放多余的自由水，降低固液界能，减小凝胶颗粒与骨料颗粒相对运动的摩擦阻力，显著改善拌合料流动性。流变参数改变量与水、减水剂掺量成线性递减关系，Δ1τ、Δ1η如（6）、（7）式。

式中：a1，a2，b1，b2，c1，c2为常数；α为减水剂含固量，β为减水效率；ΔW 为单位用水微调增量，Δm1减水剂掺量微调增量。

粉煤灰具有使凝胶颗粒均匀分散的“滚珠”效应，具备“解絮”功用，少量增加其掺量可降低拌合物屈服应力；而当粉煤灰掺量过多时，过量的粉煤灰会增加混凝土的单位需水量，反而使拌合物屈服应力增大。粉煤灰比表面积较高且保水性良好，这都有效抑制拌合物泌水，提升其塑性粘度。微调粉煤灰掺量流变参数改变量Δô2、Δ2η满足（8）、（9）式。

砂率较小时，拌合料中砂浆量不足，粗骨料缺乏砂浆包裹润滑，故而出现流浆、干涩现象，拌合料流动性、黏聚性较差；当砂率超过最优砂率时，由于骨料总表面积和孔隙显著增大，造成砂浆功能性不足，因而拌合料过于干稠，不利于流动。流变参数与砂率不是简单的线性相关：屈服应力随砂率递增，当砂率超过最优砂率时，随砂率递减；塑性粘度一直随砂率递增。微调单位砂用量对流变参数影响量、Δη3，如下：

2.2 流变性参数微调计算

通过微调单位混凝土原材料用量优化调整拌合料流变性，使其满足施工和易性要求，其流变性参数累积增量计算如式（11）、（12）。当微调一种以上原材料掺量时，考虑到多余材料之间相互作用影响微调功效，故应考虑原材料微调有效率 k，通过耦合因素试验分析或BP神经网络预报分析可预测出有效率 k，以此指导应用中多因素耦合微调原材料量计算。原材料微调应综合考虑混凝土工作性能、施工要求、微调成本，由于混凝土工作性能多样且不宜预测，故一般要求微调种类不宜超过三类，防止对混凝土工作性能造成不必要的影响；当微调种类超过三类时，应对“新配合比”混凝土进行工作性、耐久性等方面试验校核

式中：ki、为微调有效率系数， i = 1 ,2,3,4…；n≥1。

3 流变性反馈优化混凝土工程应用研究

通过混凝土流变性自动化智能测试仪器，精确记录混凝土流变性在实验室、拌合站、运输过程、浇筑过程中的动态变化，综合拌合料搅拌形式、运输方法、天气条件、入仓流程、振捣要求反馈调整优化拌合料工作性，使搅拌站对拌合料的有效控制细化到每一次出料。

表1 流变参数反馈结果

3.1 流变参数反馈流程

基于流变参数反馈调节，即通过量测试验配合比阶段、拌合站卸料口、运输、到仓后流变参数，计算差值，评价每一施工工序内流变性经时变化是否满足施工要求；再者，通过全流程监控流变性损失规律精确预报流变性微调额度，长期积累微调数据，提高后期反馈效率和调节成本。针对大体积混凝土工程，实验室数据库在拌合料流变性反馈调节中扮演重要角色，基于长期累积的反馈调节方案、数据可以显著缩短反馈调节历时，快速确定、验证原材料微调、执行方案的实效性，在一定范围内可预见反馈调节效果。

图4 流变性反馈调节流程图

需要说明的是，在反馈调节中，选用合适的流变性量测仪器至关重要，量测仪器除了应具有精度高、适应能力强、经济性好，操作方便等特点外，还应具有尺寸多变、自动量测、数据上传快、单片机数据处理能力强，且借助于计算机可实现智能化映射学习。

3.2 应用效益分析

流变性反馈调节理论对指导高流态、自密实、泵送等对流动性要求较高种类混凝土施工尤为重要，可以充分保证拌合料流动性、提升填充密实度，增大输送速率，减少泵送堵管，提高施工效率等。

基于新拌混凝土流变性反馈调节理论及模型可快速、廉价、精准指导大体积混凝土工程中拌合料全流程优化控制，降低混凝土构件局部差异性，保证混凝土成型后整体工作性能。通过拌合料全程控制系统，有助于简化现场管理人员的盯仓、跟仓工作，借助于信息自动化传输和实时显示系统，质量部、监理部、实验室等众多部门均可实现对现场拌合料工作性能实时掌控，从根本上杜绝由于拌合料不合格造成材料浪费、工期延误、返工等各方面的缺陷。

另外，应用流变参数反馈流程还可以起到严格规范施工流程、增强工艺执行标准的作用。

4 应用实例

依托管理辖区的公路工程建设项目（以及其它大型水电站工程）进行试验，应用流变仪对塌落度为90~110mm的某配合比拌合料进行反馈调节，已知该拌合料采用自卸罐装汽车运输到流道平台，利用高度差通过导管输送，反馈结果如表1，由反馈结果看出，经反馈调节后入仓拌合料均匀性提高，流动性增强，说明利用新拌混凝土流变特性优化调整提升拌合料工作性方法的可行、科学、可靠。

5 结语

新拌混凝土流变特性相关理论研究较多，但大多都只能在实验室中应用，应用至实际工程中较少，一方面是因为缺乏合适流变性量测仪器，再者没有合适量化流变参数经时变化规律。本文尽管量化水、减水剂、粉煤灰、砂率与流变参数增量之间的关系，但流变性发展规律复杂多变，且在多因素耦合影响方面研究不足，进而导致反馈预测精度有待提高，适应性不足。为得到完整的流变参数经时变化预测模型和更精准的混凝土原材料微掺标准，还应综合考虑浆骨比、外加剂、级配等影响因素进行深层次研究分析。

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