混凝土流变学参数演变特性研究

许永和

1. 上海建工集团股份有限公司 上海 201114；2. 上海高大结构高性能混凝土工程技术研究中心 上海 201114

新拌混凝土的可泵性传统采用坍落度或坍落扩展度指标来衡量，我国行业标准JGJ/T 10—2011《混凝土泵送施工技术规程》[1]在混凝土可泵性分析中，仅对入泵坍落度和入泵坍落扩展度提出建议。工程实践发现，混凝土拌和物的工作性与坍落度或坍落扩展度并非总是正相关，尤其是大流态混凝土，坍落扩展度过大往往会导致混凝土离析，坍落度或坍落扩展度并不能充分反映新拌混凝土的可泵性。聚羧酸系等高性能减水剂的应用以及胶凝材料体系的复杂化，超高泵送混凝土拌和物的组成和性能特征与以坍落度为性能表征的早期混凝土拌和物相比发生了很大的变化，显著地增加了工程实践中混凝土可泵性调控的复杂程度。与传统评价新拌混凝土可泵性方法（如坍落度、扩展度等）相比，流变参数屈服应力（τ0）和塑性黏度（μ）能够更好地从本质上描述混凝土的可泵性，并且物理意义明确[2]。

由于混凝土材料体系的复杂性，水泥基材料流变学参数的研究大体上经过了从净浆、砂浆到混凝土的3个阶段。马保国等[3]采用AR2000高级流变仪研究水泥浆体初始水化流变特性。王发洲等[4]用Brookfield R/S＋CC同轴圆筒型流变仪测试砂浆的流变性能。赵晓等[5]用ICAR混凝土流变仪测试了混凝土的流变参数。以混凝土为研究对象的流变仪的出现，为流变学参数的实际应用创造了条件。然而，由于各研究人员基于的测试仪器和测试方法不同，得出的混凝土流变学参数差异很大[6]，在混凝土流变学参数的变化规律方面，尚未形成系统的研究成果。研究分析混凝土流变学参数的演变特性，特别是混凝土流变学测试过程中不同测试方法和测试程序对混凝土流变学参数的影响，是利用流变学参数指导混凝土可泵性的基础和关键。

1 试验原材料、配合比及测试仪器

1.1 试验原材料

1）水泥：Ⅱ型52.5硅酸盐水泥，安徽铜陵海螺水泥有限公司产。

2）矿渣微粉：S95，上海宝田新型建材有限公司产。

3）粉煤灰：Ⅰ级，太仓杰捷新型建材有限公司产。

4）砂：中砂，芜湖县申海建材有限公司、芜湖中庆实业有限责任公司产。

5）石子：5～20 mm，湖州新开元碎石有限公司产。

6）外加剂：高效减水剂，上海申立建材有限公司；高性能减水剂，上海麦斯特建工高科技建筑化工有限公司产。

1.2 配合比

为了比较不同工作性混凝土流变特性的差异，本试验设计了2个配合比，详见表1。

1.3 测试仪器

本试验混凝土流变学参数测试采用ICAR混凝土流变仪（图1）。

本试验采用的ICAR混凝土流变仪使用叶片式回转头，通过控制回转头的转速，采集叶片产生的扭矩，计算混凝土的静态屈服应力和动态屈服应力及塑性黏度。

表1 混凝土配合比设计（以水泥为基准）

图1 ICAR混凝土流变仪

2 混凝土流变学参数的演变特性

2.1 混凝土静态屈服应力的演变特性

混凝土流变仪应力变化曲线可以用来反映混凝土的触变性（图2～图4）。从图中可以看出，混凝土静置6 min后，在0.025 r/s测试速度下，自密实混凝土最大屈服应力出现的时间为1 s左右，即为静态屈服应力。随后，应力减小，在20 s左右趋于稳定。混凝土静态屈服应力时变特性很好地揭示了为什么混凝土临时停泵后再次启动时，泵送压力较高的问题。在混凝土泵送施工过程中，尽可能减少停泵，以免因混凝土静态屈服应力过大而导致堵管。

图2 自密实混凝土静态屈服应力时变特性

图4 塑性混凝土与自密实 混凝土的比较

图3 最大扭矩及静态屈服应力与时间的关系

由于本试验采用的自密实混凝土工作性1 h之后经时损失较大，故自密实混凝土最大扭矩与静态屈服应力随着混凝土经时时间的增加而增大，特别是1 h之后增长较快。与自密实混凝土相比，塑性混凝土的最大扭矩及静态屈服应力呈现数量级的增大。可见，混凝土静态屈服剪切应力具有时变特性，同时与混凝土拌和物的工作性密切相关。

因此，对混凝土静态屈服应力的测试应确定混凝土拌和物生成后的经时时间。在同一经时时间条件下进行测试，其试验结果的对比才有意义。

2.2 预剪切速率对流变学参数测试的影响

在混凝土流变学参数测试前，为了尽量减小混凝土触变性的影响并提供一致的剪切历史，需要进行预剪切一段时间。为了研究预剪切速率对混凝土流变学参数测试的影响，本试验设置了3种不同的预剪切速率（图5），预剪切时间为20 s。从图中可以看出，混凝土塑性黏度随着预剪切速率的增加而降低。这是因为预剪切速率越高，混凝土拌和物塑性结构被破坏的程度越大，各成分之间的作用力降低，宏观上表现为塑性黏度的降低。

2.3 同一龄期塑性黏度与先后测试点的关系

为了客观反映测试数据可能存在的波动性，在同一龄期，对混凝土流变学参数连续进行了3次测试（图6）。从结果可以看出，后测试点的塑性黏度要低于先测试点的塑性黏度，即塑性黏度与混凝土经受的剪切历史有关。因此，在确定混凝土某个龄期的流变学参数时，是将多个测试数据进行综合平均还是以最后一个测试数据作为基准，需要制订一个统一的标准。

图5 预剪切速率对混凝土流变学参数的影响

图6 连续测试对混凝土塑性 黏度的影响

2.4 动态屈服应力与测试程序的关系

在混凝土动态屈服应力和塑性黏度测试过程中，测试程序可以是升序也可以是降序，即剪切速率可从大到小（即速率下行，0.50～0.05 r/s），也可从小到大（即速率上行，0.05～0.50 r/s）。试验数据（图7）表明，不同的测试程序，其测试结果存在显著差异。剪切速率上行的测试方法测定的动态屈服应力值要远高于剪切速率下行的测试方法。这与工程上混凝土泵启动时阻力较大的现象吻合。

2.5 塑性黏度与测试程序的关系

从塑性黏度与测试程序的关系（图8）可以看出，剪切速率上行测试程序测定的塑性黏度要低于剪切速率下行测试程序测定的结果，变化规律与动态屈服应力相反。

综合动态屈服应力、塑性黏度与测试程序的关系，剪切速率上行，动态屈服应力的作用增强；剪切速率下行，塑性黏度的作用增强。

图7 动态屈服应力与测试程序的关系

图8 塑性黏度与测试程序的关系

3 结语

研究表明，混凝土流变学参数不仅与研究所采用的仪器设备有关，还与流变学参数的测试方法有着密切的关系。本试验的研究以ICAR混凝土流变仪为测试仪器，流变学参数演变特性表明：

1）混凝土静态屈服应力是一个具有时变特性的参数，尤其对于工作性经时变化较大的混凝土，在确定混凝土的静态屈服应力的同时，应指定其拌和物生成后经时时间。

2）与混凝土静态屈服应力参数的确定相比，混凝土动态屈服应力和塑性黏度测试更为复杂，预剪切速率、同一龄期数据的处理与标准的选择、测试程序等都会影响到最终的试验结果。

3）现行行业标准JGJ/T 10—2010《混凝土泵送施工技术规程》在可泵性分析方面以坍落度为基础，已不能满足工程实际需求。建立以流变学参数为基础的可泵性分析方法，是一个值得探索的有效工具。而流变学参数的测试方法，影响因素较多，需要对测试条件进行规范，相关内容还有待于进一步深入研究。