L形箱测试自密实混凝土工作性能研究现状

杨斌罗慰祖张晓燕

（1南华大学核三力技术有限公司；2南华大学土木工程学院）

L形箱测试自密实混凝土工作性能研究现状

杨斌1罗慰祖2张晓燕2

（1南华大学核三力技术有限公司；2南华大学土木工程学院）

自密实混凝土属于高性能混凝土的一种，代表高性能混凝土的发展方向。自密实混凝土工作性能的测试方法很多，本文简单介绍利用L形箱测试评价自密实混凝土的工作性能研究现状，指出L形箱测试技术的发展方向。

自密实混凝土；L形箱；工作性能；评价标准

1　前言

自密实混凝土（Sel f-Com pacti ng Concrete，简称SCC），又称高流动混凝土，通过掺入高效减水剂使混凝土拌合物得到高流动性，混凝土拌合物可依靠自重，不经振捣充满模板包裹钢筋达到密实，属于高性能混凝土的一种[1]。自密实混凝土具有良好工作性能，可浇筑复杂、薄窄钢筋密集的结构，能解决传统施工过程中，钢筋密集区难以振捣，钢筋和预埋件振捣移位的问题，同时可减轻劳动强度、改善劳动环境、缩短工期减少成本等特点。由于自密实混凝土工作性能上的优越性，对于自密实混凝土的研究与应用越来越广泛。

测试新拌自密实混凝土的工作性能，主要是评价自密实混凝土填充能力、间隙通过能力、稳定性这三种工作性能，这些工作性能直接影响自密实混凝土的工程应用。填充能力是自密实混凝土最基本的工作性能，是自密实混凝土工作性能的体现，在不振捣的情况下填充到结构的各个部位，且不会在混凝土结构的内部和表面引入多余的气泡；间隙通过能力可以保证混凝土在钢筋密集、无法振捣的结构中，混凝土能够顺利到达各个部位，是比填充性要求更高的性能；稳定性是自密实混凝土施工过程中保持自密实能力以及自密实混凝土硬化后匀质性的能力，是自密实混凝土成功的关键。因此，对这三种工作性能的评价缺一不可。

测试的仪器与方法主要有坍落度拓展度、V型漏斗、L形箱、U型仪、J型环、O ri m et仪等。在国内外出版的各个规范和章程中都有详细说明[2-8]。其中L形箱是一种结构简单、操作简便、易于推广应用的测试仪器，故本文简单介绍L形箱测试新拌自密实混凝土工作性能的研究现状。

2　传统L形箱测试方法

L形箱（图1至图3）最初由日本学者设计，用于评价水下自密实混凝土，由一个竖直和一个水平的矩形箱组成，形状呈“L”型，在两个矩形箱连接处设有活动门和阻滞钢筋。当混凝土拌合物的坍落度大于20cm时，拌合物可以顺利的从L形箱中流出，并在水平槽中流动至趋于水平状态，但是混凝土拌合物坍落度小于20cm时，拌合物只能在水平槽中缓慢流动一段距离，这说明L形箱适用于大流动性的拌合物，尤其是自密实混凝土。

图1　日本标准L形箱

图2　欧洲标准L形箱

测试时，用混凝土将竖直箱填满，静置1m i n，然后打开活动门，待混凝土流入水平箱并停止流动后，测量水平箱远端混凝土高度h2和竖直箱内混凝土高度h1。自密实混凝土的填充性可以用h2/h1来评价，当h2/h1越接近1时，填充性能越好；L形箱对自密实混凝土的抗离析性比较敏感，在打开活动门前静置1m i n，稳定性不够的新拌自密实混凝土会在流动开始时出现堵塞的现象；流动停止后，在规范的钢筋网后没有明显的粗骨料堆积，则自密实混凝土的间隙通过能力良好。

L形箱在一定程度上可以同时评价自密实混凝土的三种工作性能，而且可以通过改变阻滞钢筋构件的尺寸、钢筋特点可以评价适用于不同结构的自密实混凝土的工作性能。

3　改进L形箱

图3　美国标准L形箱

在国内外各规范中都推荐使用L形箱评价自密实的工作性能，与其他试验仪器相比，L形箱是各规范中操作方法、仪器规格和评价标准相差最小的仪器。

图4　中国标准L形箱

传统的L形箱试验，能够粗略的评价自密实混凝土的工作性能，试验装置的材料没有统一，试验过程容易由于操作不当引起误差。随着自密实混凝土的研究不断深入，L形箱的测试方法、装置和评价标准没有得到及时的改进和更新，在自密实混凝土工作性能测试上难以跟上研究的步伐。因此国内外很多学者在已有L形箱的基础上进行改进，通过改进的仪器能更精确的评价自密实混凝土的工作性能。

杨静等[9]学者认为变形能力和变形速度两个指标更能反应自密实混凝土的工作性能，通过改变L形箱尺寸（图5），测量相关试验数据来反应自密实混凝土的变形能力和变形速度。

图5　改进尺寸的L形箱

试验通过混凝土拌合物流动到水平槽不同距离的时间反应变形速度，通过竖直箱坍落的高度和水平槽流动的最大距离反应变形能力。

武汉理工大学的研究人员[10]（图6）针对应用于狭长封闭的无砟轨道结构的自密实混凝土，要求能更精确的测试自密实混凝土的填充性和抗离析性。研究人员对传统L形箱的尺寸和结构进行了改进，并运用新的测试方法，得到评价自密实混凝土填充性和抗离析性的计算公式。

图6　改进尺寸与结构的L形箱

该改进仪器是专门适用于狭长封闭结构，相对传统L形箱测试，能够得到更为精确，而且能用公式求导的填充性和抗离析性。

自密实混凝土的工作性能要求很多，但是各标准推荐的测试方法中，还没有单一的一种测试方法能够完全评价其工作性能，往往需要两种或以上的仪器进行测试。为了得到一种能全面评价自密实混凝土工作性能的装置，研究人员将几种仪器进行组合。

由河海大学研究人员设计[11]（图7）与北京工业大学设计[12]（图8）的两款组合仪器，分别将L形箱试验与坍落扩展度和U型箱结合，实现一个仪器可以进行两种实现，有利于解决运用两种仪器试验时存在的连续性和精确性较差的问题。

图7　与坍落度结合的L形箱

图8　与U形仪结合的L形箱

还有一些改进的L型测试仪在传统的L形箱基础上进行尺寸的改变，增加一些测试装置，能够得到自密实混凝土更精确的工作性能。

在传统L形箱基础上进行改进的L型测试仪，能够得到更精确的填充性、间隙通过性和抗离析的工作性能，但是没有提出新的测试方法和评价标准，也没有反映影响自密实混凝土工作性能的本质原因。

4　流变学角度

从流变学的角度研究自密实混凝土的工作性能，可以了解自密实混凝土的本质特征，有利于自密实混凝土的发展。流变学研究的是物体的变形和流动的学科，研究对象主要是流体。一般认为新拌自密实混凝土属于宾汉姆流体，也有研究学者认为H erschel-Bul kl ey模型更符合其变形规律，常用用屈服应力和塑性粘度两个参数定义自密实混凝土的流动性，并满足如下关系：

宾汉姆模型：τ=τ0+μp（∂γ/∂t）

H-B模型：τ=τ0+a（∂γ/∂t）b

τ0——屈服应力（Pa）；

μ——塑性粘度（Pa·s）

∂γ/∂t——速度梯度或速度指数（1/s）；

a—— 一致性因素；

b——幂律指数。

对于自密实混凝土粘性大，不同的配合比，即使坍落度拓展度值相同，但是拌合物坍落的过程与速度会有很大的区别，所以通过最终流动停止形态的数据已经不能全面反映自密实混凝土的工作性能，采用变形能力和变形速度更为合理，而屈服应力和塑性粘度是影响变形能力和变形速度的本质因素。当自密实混凝土所受外力或自身重力大于屈服应力时，自密实混凝土开始流动，流动的过程主要受到塑性粘度的影响，自密实混凝土的稳定性与屈服应力和塑性粘度两者都存在相关性。有试验证明[13]，在两种混凝土的坍落度与屈服应力相近的情况下，塑性粘度差别很大，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别可以用流变参数反映出来。

4.1混凝土流变参数研究

流变仪能够测出混凝土拌合的剪切应力和剪切速率曲线，采用两点法，可计算出新拌自密实混凝土的流变参数τ0和μp。流变仪主要有BM L旋转粘度计、BTRH EO M流变计和ICAR流变仪等[14-16]，主要分为同轴性和平行板型等，但是有些流变仪价格昂贵，有些仪器笨重、操作复杂，有些结构复杂，有些在试验时会发生卡住叶片的故障，有些会使混凝土发生离析，这些存在的问题都不利于流变仪的普及应用，且不适合现场使用。

坍落度试验可以评价新拌自密实混凝土的流动性，国内外很多学者通过理论分析和大量试验数据，并结合流变仪测试数据，确定了坍落度试验数据与自密实混凝土流变参数之间的关系[17]。

4.2L形箱测试流变参数研究

N guyen T L H等[18]利用L形箱试验进行理论推导，建立了测试数据h1/h2与均匀流体的流变参数屈服应力之间的关系。并用石灰粉悬浮液进行试验，得到的流变参数与流变仪测试结果吻合较好。

未插阻滞钢筋时，有：

在N guyen T L H理论推导的基础上，Anni ka Gram等[19]运用改进的L形箱对水泥砂浆进行试验，建立了水泥砂浆屈服应力和塑性粘度两个流变参数与实验测量数据之间的关系。

有研究人员在此基础上利用L形箱对自密实混凝土的流变参数进行求导，并得到相关的求解公式。

刘伟强[20]用L形箱进行自密实混凝土试验，根据的得到的结果，对公式（4）进行变换，得到适用于自密实混凝土的屈服应力求解公式（7）；再将坍落度时间和L箱中的流动时间（T）进行拟合，得到他们的关系，进而对公式(2)进行改写，得到塑性粘度的公式（8）：

单智[21]对L箱实验进行改进，去掉水平槽端部的挡板，根据流体力学当中的知识，提出“三段两区，稳定层流”的假设，分别对稳定流变与流变终止两个状态下的流变原理进行推导，并建立相关测试参数与屈服应力τ0、塑性粘度μp之间的关系：

周扬[22]借鉴岩石力学参数反演的思路，对新拌自密实混凝土进行L箱流变实验测试，记录相关试验数据，并对试验过程录像。然后借助数值模拟进行反演，得到最佳的流变模型和流变参数。再将L箱得到的流变参数与新拌自密实混凝土流变参数拟合，得到经验公式。

μp=0.416×10-3ρgT700+5.04(式12)

上述研究证明通过L形箱试验能够得出自密实混凝土的流变参数，而且相对于其他流变仪，L形箱结构简单、操作方便。但是根据流体力学中的相关知识，上述研究使用的L形箱，不能做到忽略侧壁剪切的影响，水平槽末端的挡板引起拌合物回流会影响拌合物流动过程，会影响试验结果的精确程度。

5　结论与展望

随着社会的发展，越来越多的工程将会使用自密实混凝土，传统的测试方法与仪器难以满足其工作性能的评价，从流变学角度评价自密实混凝土的工作性能是自密实混凝土的研究趋势。

已有的研究表明，L形箱试验能够测试自密实混凝土的流变参数，而且能够克服现有的一些流变仪存在的不足。将L形箱的改进与流体力学的知识结合，能够做到真正忽略侧壁剪切的影响，得到较为简单的求解屈服应力与塑性粘度的公式，并利用数值模拟技术验证流变参数的正确性。通过研究的不断深入，L形箱能够成为结构简单、操作方便、价格便宜的流变仪，为自密实混凝土工作性能的评价提供依据和参考。●

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第一作者：杨斌（1968-），男，本科，助理工程师，主要研究方向：土木工程材料，E-m ai l:932936624@qq.com，联系电话：13873480832，通讯地址：湖南省衡阳市南华大学。