流变混凝土骨料运动模拟试验研究.pdf

弟1 9雹 弟l期 2 01 6年 2月 建巩 种 -T -佩 J 0URNAL OF BU1 LDI NG M ATE RI ALS Vo1 1 ，l O1 F e b ， 2 O I 6 文 章 编 号 ： 1 0 0 7 9 6 2 9 ( 2 O 1 6 ) 0 1 一 。 0 2 2 一 O 7 流变混凝 土骨料运 动模拟试验研究 田正宏 一， 李旭航 ， 朱飞鹏。 ， 彭志海 ( 1 河海大学 水文水资源与水利工程科学国家重点实验室 ， 江苏 南京 2 1 0 0 9 8 ； 2 河海大学 水利水 电学院，江苏 南京 2 1 0 0 9 8 ； 3 河海大学 力学与材料学院， 江苏 南京 2 1 0 0 9 8 ；4 中国水利水 电第七工程局有 限公司 ，四川 成都 6 1 0 0 8 1 ) 摘 要 ：用卡 波姆 凝胶 配制 与 流 变混凝 土浆 体 流 变 性 能 等效 的 透 明 浆体 ， 通过 可视 化 物模 试 验模 拟 得 到流 变混 凝 土骨料 的运 动规 律 基 于真 实与模 拟 介 质 流 动 图像 、 振 动 骨料 分 布 实 时一 致性 原 则 ， 分析 了拌和物流动过程形变、 振动骨料沉 降特点及其 形成机理 结果表 明： 流变混凝土基 于等效流 变性能的可视化模拟 方法独特 可行 ， 可直观 获取骨料沉降运动规律 以及速度场、 位移场等运动形 态参数 ， 为进一 步研 究 流 变混凝 土的本 构 关 系及 颗 粒接 触模 型提 供基 础 关键词 ：流变混凝土 ；可视化模拟 ；透明浆体 ；运动形态参数 中 图分 类 号 ： TQ1 7 2 1 文献标 志码 ： A d o i ： 1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 7 9 6 2 9 2 0 1 6 0 1 0 0 4 Ex pe r i me nt a l S i mu l a t i o n S t u d y o n Ag g r e g a t e M o t i o n o f Rhe o l o g i c a l Co nc r e t e TI A N Zhe n gho n g ”，LI Xuh ang ， ZH U Fe i pe ng。，PEN G Zhi h ai ( 1 St a t e Ke y La bo r a t o r y o f Hydr o l o gy - W a t e r Re s our c e s a n d Hyd r a u l i c Engi n e e r i n g，Ho ha i Uni v e r s i t y， Na n j i n g 2 1 0 0 9 8，Ch i n a；2 Co l l e g e o f W a t e r Co n s e r v a n c y a n d Hy d r o p o we r En g i n e e r i n g，Ho h a i Un i v e r s i t y， Na n j i n g 2 1 0 0 9 8，Ch i n a ；3 C o l l e g e o f Me c h a n i c a 1 a n d Ma t e r i a l s ，Ho h a i Un i v e r s i t y ，Na n j i n g 2 1 0 0 9 8，Ch i n a ； 4 S i n o h y d r o Bu r e a u S e v e n t h C o ，Lt d ，C h e n g d u 6 1 0 0 8 1 ，Ch i n a ) Ab s t r a c t ：Vi s u a l p hys i c a l mod e l e xp e r i m e nt of a g g r e ga t e s mot i o n l a w we r e c a r r i e d o ut v i a t r a ns p a r e nt a d he s i v e pr e p a r e d f r om c a r bo m e r g e l wi t h e q ui v a l e n t r he ol og i c a l p r op e r t i e s o f f r e s h c on c r e t e Ba s e d on t he p r i nc i p l e of c o ns i s t e nc y i n b o t h r e a l t i m e i m a g e o f f l ow p r oc e s s a nd r e a l a gg r e g a t e d i s t r i bu t i o n f r om f r e s h m o r t a r a nd t r a n s p a r e nt a d he s i v e，t h e m e c ha ni s m o f r he o l og i c a l de f o r m a t i on o f m o r t a r a n d a gg r e ga t e s e t t l i n g c h a r a c t e r i s t i c s f o r c e d v i b r a t i o n wa s a n a l y z e d Re s u l t s i n d i c a t e t h a t v i s u a l s i mu l a t i o n me t h o d o f f r e s h c o n c r e t e b a s e d o n e q u i v a l e n t r h e o l o g i c a l p r o p e r t i e s i s u n i q u e a n d f e a s i b l e ，a n d f r o m t h e e x p e r i me n t s t h e a g gr e g a t e s s e t t l e m e n t mo t i o n l a w i e ，di s pl a c e m e nt f i e l d s，v e l o c i t y f i e l ds a nd o t he r mot i o n mO r p ho l og i c a l pa r a m e t e r s c a n be d i r e c t l y o bt a i ne d， whi c h pr o v i de v i t a l f o un da t i o n on t h e a n a l ys i s o f c o ns t i t ut i ve r e l a t i o n s h i p a nd g r a i n c o nt a c t m o d e l o f r he o l o gi c a l c o nc r e t e Ke y wo r d s：r he o l o g i c a l c o nc r e t e；v i s u a l s i mul a t i on；t r a ns pa r e nt a dhe s i v e；mot i o n m o r pho 1 o gi c a l p a r a m e t e r 在混凝土流变性数值仿真研究方 面， T a n i g a wa 等叫基于 B i n g h a m 流变模 型分别采用黏塑 性连续 介质有限单元法和非连续介质黏塑性悬浮单元法模 拟了混凝 土的流动性 ； P u r i 等嘲采用离散单元法进 行了相似研究 ， 将流变混凝土视为两相材料( 砂浆为 外层 黏 结 剂 ， 粗 骨 料 为 球 形 颗 粒 单 元 核 心 ) ； 此 后 R o u s s e l 。 用三维黏弹塑性方法模拟 流变混 凝土流 动过程 ， 其边界条件合理性得以进一步增强 虽然数 值模拟有效避免 了复杂试验并提 高了研究效率 ， 但 均未得到可靠物模试验验证 ， 因此其理论表征准确 收稿 日期 ： 2 0 1 4 0 7 3 0 ；修订 日期 ： 2 0 1 4 0 9 2 3 基金项 目： 国家 自然科学基 金资 助项 目( 5 1 2 7 9 0 5 4 ) 第一作者 ： 田正宏 ( 1 9 6 6 一 ) ， 男 ， 江苏扬 州人， 河海大 学教授 ， 博 士生 导师 ， 博士 E ma i l ： z h - t i a n h h u e d u c n 第 1 期 田正宏， 等： 流变混凝土骨料运动模拟试验研究 性与可行性还有待进一步检验 有学者通过物模试验研究 了混凝土流变性 ， 尤 其是骨料运动分布规律 如 Kh a y a t 等 4 采用将硬化 混 凝 土切 片 ， 测 量 表 面 粒 径 大 于 5 mm 骨 料 所 占面 积 比例的试验 方法 ， 获取 振动骨料 沉降规 律 ； R o l s 等 5 通过对振后骨料过不同孔径筛网后冲洗称重 的 方法来分析骨料分布 这些试验方法皆粗略得 到了 骨料运动特性 ， 但模型试验不直观， 且缺乏振动过程 骨 料分 析 混凝土流变性大多采用 B i n g h a m流体模型 6 - 8 进 行 简 化研 究 在 材 料 组 成 方 面 ， 流 变 混 凝 土 可 简 化为浆体和骨 料 的混 合 物 ， 浆 体 流变 性能决 定 拌 和物工作性L 9 但深入研究流变混凝 土 内部 流变特 征 时 会 面 临 2个 问题 ： 一 是 由于 混 凝 土 内 部 不 可 视 ， 导致骨料运 动规 律很难直接 获得 ； 二 是浆体在 振 动 状态 下 出 现 液 化 ， 屈 服 应 力 和 塑 性 黏 度 显 著 降低 普通物模试验不能模拟其振动条件下 的流变 性变化 ， 这为 建立正 确 的受振 流 变混凝 土本 构关 系 带来 困难 本文尝试配置与流变混凝土浆体流变性能等效 的透明浆体 ， 来可视化研究浆体内部骨料运动规律 因浆体透明度高且具有同样的振动液化特征 ， 将 流 变参数相同的透明浆体与真实浆体在相同条件下的 流动过程图像进行量化对 比， 分析这两种介质 的流 态相似程度、 形变速度及流动一致性 分析受振球体 骨料在透明浆体和卵石骨料在真实浆体中运动分布 的实时一致性 ， 进而获取振动条件下真实骨料沉 降 过程的速度场和位移场等运动形态参数 ， 为建立可 靠的颗粒接触模型和流变混凝 土本构关系提供 必要 的试验 方法 1 试 验 1 1 原 材 料及 仪器 1 1 1 原 材料 采用 9 4 0系 列 卡 波 姆 树 脂 粉 末 制 备 卡 波 姆 凝 胶 ， 在凝胶中添加透明玻璃微珠制成透明浆体 文献 E i o 3 已给出具体制备方法 ， 并且研究了卡波姆浓度 、 玻璃微珠掺量对透 明浆体流变性能影响， 证明了透 明浆体流变符合 B i n g h a m模 型且与流变混凝 土浆 体近似 因此 ， 本文 采用透明浆体模拟流变混凝土 ， 以获取骨料运动规律 真实混凝 土浆体水灰 比 仇 m 为 0 4 5 O 5 0 ， 砂灰 比 m。 m 为 1 2 ， 其 中水 泥为P 0 4 2 5 普通硅 酸盐水泥 ， 标准砂 符合 国际 I S 0 6 7 9 标 准 1 1 2 试验 仪 器 材料流变参数采用 NX S - 1 1 B型旋转黏度仪进 行测试 该仪器根据所测材料黏度范围分为 5个系 统 ， 利用 同轴圆筒黏度计测试 将测量值代入相应公 式可计算材料的塑性黏度与屈服强度值 选用 AOS 公司 S - Mo t i o n 高速相机( 分辨率为 1 2 8 0 1 0 2 4 ， 帧 频为 5 0 0帧 s ， 最高帧频为 1 0 0 0 0帧I s ) 对透明浆体 中骨 料运 动进 行 全 程 摄 录 ， 可 清 晰 获得 骨料 运 动 过 程实 时轨迹 由 P C I e x 3 ( S i l i c o n S o f t wa r e ) 图像采集 卡 和 Mi c r o E n a b l e 2 处 理 系统 ， 得到 振动 过 程 中骨 料 沉降实时速度场和位移场等运动形态参数 振动条件下混凝土骨料沉降试验采用 HVC 一 工 混凝土拌和物维勃稠度仪振动台， 振幅 0 5 mm， 频 率 5 0 Hz ， 电机功率 2 5 0 W， 并 由振动同步计时器记 录振动 时 间 试 验设 置 了 内部净 尺 寸为 2 0 c m 2 0 e m1 0 c m 的透明有机玻璃槽 ， 用于观察浆体实 时流态 ； 观察振动条件下浆体中骨料沉降， 则需在振 动台上固定 1个 内部净 尺寸 为 2 5 e m2 0 c m 3 c m的透明有机玻璃槽 玻璃板厚度均为 1 c m， 供拍 摄流体流动形变和骨料沉降时使用 1 2 试验 方 案验证 笔 者利 用双 侧 t 检 验 的 统计 检 验 方 法口 。 。 ， 验 证 得出透明浆体( 卡波姆浓度( 质量分数) 0 3 ， 玻璃 微珠掺量 ( 质量分数) 5 ) 与流动砂浆 ( 水灰 比 0 5 ， 砂灰比 1 O ) 的屈服应力和塑性黏度无显著差异 ， 满 足流变参数一致性要求 由于模拟骨料运动规律 ， 透 明浆体与真实浆体动态流变一致性是必要条件 ， 验 证这 2 种介质流动过程形变特征及振动条件下骨料 运动特征的全过程一致等同性是前提 1 2 1 流态一致等同性 为获取流动过程 的形变 ， 用高速摄像手段和图 像处理技术 ， 对透 明浆体和真实浆体 的实时运动形 态进行全程精细化记录 ， 直观判断二者形变速率是 否一 致 为避 免惯 性效 应 1 ， 分 别 将 1 6 L剪 切 流 变 参 数相同的透明浆体和真实浆体以 0 1 L s的速率 沿 尺寸为 2 0 c m2 O c m1 0 c m 的有机透明玻璃槽壁 流人 槽 内， 记 录 流 动 过 程 图像 分 辨 率 设 置 为 1 2 8 0 1 0 2 4 ， 帧频为 2 0 0帧 s 量化对 比透 明浆 体 和真实浆体在流动过 程 中不 同时点的流态相似 程 度 ， 初步判定二者形变速率的等同性 用 图像处理软件 I ma g e J 对 1 5 ， 3 5 ， 5 5 ， 7 5 ， 9 5 ， 1 1 5 ， 1 3 5 ， 1 5 5 s 共 8 个时间点的透明浆体和 真实浆体流态进行二值化处理 ， 部分时点结果如图 1所示 第 1 期 田正宏 ， 等 ： 流变混凝土骨料运 动模 拟试验研究 2 5 C o ) F r e s h mo r t a r 图 3 透明浆体和真实浆体不 同时点流态 F i g 3 Fl o w p a t t e r n s o f t r a n s p a r e n t a d h e s i v e a n d f r e s h m o r t a r i n d i f f e r e n t t i me p o i n t s 表 3 透 明浆体和真 实浆体相邻 时点的差异度 Ta b l e 3 De g r e e s o f d i f f e r e nc e o f t r a n s pa r e n t a dh e s i v e a n d f r e s h mo r t a r a t a d j a c e n t t i me p o i n t s 表面轮廓线上 透明浆体流态外轮廓线光滑 ， 而真实 浆体外轮廓线弧度虽然与透 明浆体一致但不平滑 原因在于真实浆体毕竟 不是一种 简单 固液两 相介 质 ， 简化为单一均匀介质进行分析会与真实情况存 在差别 ； 当真实浆体细集料 比例较高时 ， 流态外轮廓 线不光滑而存在颗粒感 ， 而透 明浆体 中玻璃微珠掺 量较少 ， 因而按单一均质流体考虑误差不大 流动过 程中流态外轮廓线更大程度上体现了介质整体移动 的形变速度 ， 而轮 廓线 平滑 程度 与介 质组 成关 系 更 大 由表 1 ， 3可知 ， 透 明浆体和真实浆体在流动过 程中， 相同时点流态差异度均远小 于同材料相邻时 点差异度 ， 表 明两种材料的过程形变速率相似 ， 满足 流态一致等 同性 由于全程摄 录流态并量化处理， 因 而本试验结果 比 L型仪、 U 型箱和 V型漏斗等其他 流动性试验方法更精确 2 2 振 动试 验 振动试验中， 透明浆体 中选用玻璃球作 为球 体 骨料而非 真实骨 料来 分 析骨料运 动 的原 因在 于： ( 1 ) 虽然二者实时沉降量 以及平均最终沉降量较 为 接近 ， 但因真实骨料形状不规则 ， 其沉降逐渐形成稳 定接触关系( 配位数) 的过程和结果 复现性差 ， 不利 于总结规律 ； ( 2 ) 透明浆体密度小于混凝土浆体 ， 按 相似原理 ， 选择模拟骨料密度也应略小于真实骨料 ； ( 3 ) 绝大部分数模研究采用球体骨料分析 ， 选择球体 骨料便于精细匹配和相互验证 由表 2可知 ， 相 同振动条件下最上层球体骨料 和真实骨料的平均沉降量 S 几乎时时一致 ， 但这种 检验方法 的合理性需骨料在多种配比的透明浆体和 真实浆体均 同时成立来 予以证实 由于卡波姆凝胶 浓度和玻璃微珠掺量对于透明浆体的屈服应力和塑 性黏度均呈正相关关系 ， 因此通过试配 ， 得到与其他 配 比的真实浆体流变参数相 同、 流动形态一致 的透 明浆体配 比， 然后对 比分析振动条件下两种介质 中 骨料分布检验指标 ， 部分结果如表 4所示 表 4不同配 比浆体骨料分布检验指标对比 Ta b l e 4 I n d e x o f a g g r e g a t e S d i s t r i bu t i o n i n t wo s l u r r i e s wi t h d i f f e r e n t mi x p r o p o r t i o n s 综合表 2 ， 4可以看出， 不同配 比的两种浆体 ， 若 二者流变参数和流动性能相 同， 则球体骨料在透 明 浆体中和卵石骨料在真实浆体 中的沉 降过程基本一 致 同时浆体屈服应力和塑性黏度越大 ， 骨料沉降稳 定所需时间就越长 ， 最终稳定沉降量越小 通过对 比 两种浆体中骨料分布检验指标 ， 说 明两种浆体在相 同振动条件下的流变性 能变化规律类似 ， 由此充分 证 明了振动试验及骨料分布检验方法的可靠性 流动试验验证了透明浆体和真实浆体的形变速 率和实时流态一致 ； 相 同振动条件下不 同配 比浆体 2 8 建筑材料学报 第 1 9 卷 1 O 3 1 1 田正宏 ， 李旭航 ， 彭 志海 卡 波姆凝胶 模拟水 泥浆体 流变 性能 试验E J 3 建筑材料学报 ， 2 0 1 5 ， 1 8 ( 2 ) ： 2 4 3 2 4 8 TI AN Zh e ng h o n g， LI Xu ha n g， PENG Z h i ha i Te s t o f c a r b o m e r g e l t o s i m u l a t e t h e r h e o l o g i c a l p e r f o r ma n c e o f c e m e n t p a s t e J J o u r n a l o f B u i l d i n g Ma t e r i a l s ， 2 0 1 5 ， 1 8 ( 2 ) ： 2 4 3 2 4 8 ( i n Ch i n e s e ) NGU YEN T L H ， ROUS S EL N ， C0US SOT P Co r r e l a t i o n b e t we e n L- b o x t e s t a nd r h e o l o g i c a l p a r a m e t e r s o f a ho mo g e n e o u s y i e l d s t r e s s f l u i d E J 3 C e me n t a n d C o n c r e t e Re s e a r c h ， 2 0 0 6， 3 6 ( 1 O )： 1 7 8 9 1 7 9 6 E 1 2 3 1 3 1 4 3 PETROU M ， W AN B， GARDALA M ARI A F， e t a 1 I n f l u e nc e o f mo r t a r r h e o l o g y o n a g g r e g a t e s e t t l e me n t J AC I Ma t e r i a l s J o u r na 1 ， 20 0 0， 9 7( 4 )： 4 7 9 - 4 8 5 S AFAW I M I ， I W AKI I Th e s e g r e g a t ion t e n d e n c y i n t h e v i b r a t i o n o f h i g h fl u i d i t y c o n c r e t e J 3 C e me n t a n d Co n c r e t e R e s e a r c h， 2 00 4， 3 4 ( 2 )： 2 1 9 - 2 2 6 BERI S A N， TS AM OPOULOS J A， ARMSTRONG R C， e t a 1 C r e e p i n g mo t i o n o f a s p h e r e t h r o u g h a B i n g h a m p l a s t i c J J o u r n a l o f Fl u i d Me c h a n i c s， 1 9 8 5， 1 5 8( 1 6 )： 2 1 9 - 2 4 4