混凝土流变参数十字搅拌轴测试方法.pdf

第 1 6卷第 6期 2 0 1 3年 1 2月 建筑材料学报 J OURNAL OF BUI LDI NG MATERI ALS Vo1 1 6。 No 6 De c 2 O1 3 文章编号 ： 1 0 0 7 9 6 2 9 ( 2 0 1 3 ) 0 6 0 9 4 9 0 6 混凝 土流变 参数 十字搅拌轴测试方法 田正宏 ， 井锦 旭。 ， 陈 旭。 ， 范 鹏 ( 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 安徽 省水 利水 电勘 测设 计 院 ，安徽 合 肥 2 3 0 0 8 8 ； 3 中国水利 水 电第七 工 程局 有 限公 司 ，四J I f 成 都 6 1 0 0 8 1 ； 4 辽 宁省水 利 水 电勘测 设计 研究 院 ， 辽 宁 沈 阳 1 1 0 0 0 6 ) 摘要 ：采用十字搅拌轴剪切仪测定混凝土拌和物的流变参数( 屈服应力 和塑性黏度 7 7 ) 更具准确 性 通过推导给 出了自制十字轴流变仪扭矩与转速关 系， 得 出了流变参数计算公式 ； 试验 所得混凝 土拌和物流变参数与 已有相关理论 和试验具有 良好的一致性， 并能量化 分析 混凝土触变性 能， 可 满足 施 工现场 连 续测 定混 凝 土工作 性 需求 关键 词 ： 流 变参 数 ；十 字搅 拌轴 ；流 变性 ；触 变性 中 图分类 号 ： TU5 2 8 0 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 3 0 6 0 0 5 Te s t M e t ho d o f Cr o s s Va n e S he a r Ap pa r a t u s o n Rh e o l o g i c a l Pa r a me t e r s o f Co nc r e t e M i x t u r e TI AN Zh e n g h o n g ， JI NG Ji n “ ， CHEN Xu 。 ， FAN Pe n g ( 1 S t a t e Ke y L a b o r a t o r y o f Hy d r o l o g y - Wa t e r Re s o u r c e s a n d Hy d r a u l i c 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 21 0 09 8，Chi na；2 An hui Su r v e y a n d De s i g n I ns t i t u t e o f W a t e r Co ns e r v a nc y a n d H y d r o p owe r，He f e i 2 3 00 88，Ch i na； 3 Si n ohy dr o Bur e a u 7 Co，Lt d，Ch e ng du 6 1 00 81，Chi na；4 I nve s t i ga t i on a nd De s i g n I ns t i t ut e of W a t e r Re s ou r c e s a nd H y dr o po we r Li a o ni ng Pr o vi nc e，Sh e ny a ng 1 1 00 06，Chi na ) Abs t r a c t ：The r he ol o gi c a l pa r a me t e r s of f r e s h c o nc r e t e a r e ma i n l y c h a r a c t e r i z e d by y i e l d s t r e s s( ) a n d p l a s t i c v i s c o s i t y ( q )wh i c h c a n b e d e t e r mi n e d a c c u r a t e l y b y s h e a r a p p a r a t u s wi t h c r o s s s t i r r i n g v a n e B a s e d on s e l f de ve l op m e nt a pp a r a t u s，t h e r e l a t i o ns h i p b e t w e e n t o r q ue a nd r e v o l vi n g s pe e d wa s de r i ve d a nd f o r mul a o n c a l c ul a t i ng r he o l o gi c a l pa r a me t e r s wa s o bt a i ne d Te s t r e s ul t s s ho w t ha t r he o l o gi c a l pa r a m e t e r s ha v e g oo d c o ns i s t e nc y wi t h t he t h e o r y a n d t he e x pe r i m e nt v a l ue s f r o m l i t e r a t ur e s ，a nd t h i xo t r o p i c p e r f o r m a nc e o f c o nc r e t e mi xt u r e c a n b e a n a l yz e d qu a nt i t a t i v e l y Fur t h e r mor e，t he a pp a r a t us c a n m e e t t h e r e q ui r e m e nt of c on t i nu ou s c o nc r e t e wo r ka b i l i t y d e t e r mi na t i o n on c on s t r u c t i on s i t u Ke y wo r d s：r h e o l o gi c a l p a r a me t e r ；c r o s s v a ne s he a r a p pa r a t u s；r h e o l o gi c a l p r op e r t y；t h i xo t r o py 目前 ， 在表 征新 拌 混凝 土流 变性 能诸 多方 法 中 ， 应用 较多 的是 基 于 T a t t e r s e l l 提 出的 两 点 法 屈 服应力 r和 塑性黏 度 刁法l_ 】 ， 如双筒 轴 回转 黏度 计 引、 B TRHE OM 叶片式流变仪口 等 这些仪器 以 测试获取浆体的屈服应力和塑性黏度来表征浆体 的 流变性能 然而， 这些仪器在实际应用 中仍存在一些 问题 如 同轴 回转 黏 度 计 所 获得 的数 据 虽可 模 拟 流 变 曲线 ， 但 因物 料与 边界 存在 相对 滑移 现象 ， 导 致拌 和物 与 内外 圆筒 接 触面 尤其 是 内筒 接触 面 的相 对摩 阻力 测试 困难 因此 ， 双筒 黏 度计无 法反 映拌 和 物 内 部实 际黏 度 而 B TRHE OM 叶片 式 流 变仪 虽 能 克 服此缺点 ， 但价格 昂贵 ， 操作复杂 ， 很难在施工现场 收稿 日期 ： 2 0 1 2 - 0 6 1 1 ；修订 日期 ： 2 0 1 2 - 0 7 - 1 1 基 金项 目： 国家 自然科学基 金资 助项 目( 5 1 2 7 9 0 5 4 ) ； 江苏省优势学科建设工程项 目( YS l 1 0 0 1 ) 第 一作者 ： 田正宏( 1 9 6 6 一 ) ， 男， 江苏扬州 人， 河海大学副教授 ， 博士 E - ma i l ： z h - t i a n h h u e d u C D 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 9 5 2 建筑材料学报 第 l 6 卷 卟+ 旦2 g 卜 + 考 虑 到 一 2 Nn 6 0一 Nn 3 0( 其 中 N 为 转 速 ， r mi n ) ， 结合式 ( 3 ) ( 9 ) ， 则式 ( 1 ) 可 写成 ： Jr 一7c D f z l +H+ 1 + N ( + + ) 叩 将相关搅拌轴尺寸代人式( 1 0 ) ， 可得扭矩与转 速 的关 系式 为 ： T 一 0 0 0 9 0 43 r o+ 0 0 0 0 7 09 89 Nq ( 1 1) 因新拌 混凝 土为 B i n g h a m体 ， 则式 ( 1 1 ) 可写为 ： 11 0 5 8 0 3T T O+ 0 07 8 5 NT ( 1 2 ) 根 据式 ( 1 2 ) ， 即可 求 得混 凝 土 拌 和 物 的屈 服 应 力和塑 性 黏度 3 试 验验证 3 1 流变 性能试 验 结果分 析 研 究 表 明 ： 在 坍 落 度 大 于 8 0 mm 时 ， 坍 落 度 与测得 的屈 服应 力 有 很 好 相关 性 ， 但 与 塑性 黏 度 的 相关性 却 不 明显 文献 E 8 - 1 基 于使 用流 变仪 和坍 落度 筒测试 获取 的屈 服应力 ， 采 用有 限元 方法分 析 ， 在忽 略塑性 黏度 的前 提下 ， 给 出坍落 度 S ( mm) 与屈 服应 力 的经验公 式如 下 ： r o一 |0 ( 3 0 0一 S) 2 7 0 ( 1 3 ) 式 中 ： p为拌 和物 密度 ， k g m。 本文 选用不 同坍 落度 混凝 土拌和 物进 行流 变性 能测试 ， 其屈服应力 、 塑性黏度与坍落度的关系如图 6 ， 7所示 图 6 屈服应力 与坍落度关系 Fi g 6 Re l a t i o n s h i p b e t we e n y i e l d s t r e s s a n d s l u mp 从 图 6可 以看 出 ， 屈 服应 力 和坍 落 度 具 有 良好 的相关性 ， 屈服应力随着坍落度的增加而减小 ， 近似 成线性关系 尽管关 系曲线与现有坍落度和屈服应 力关系式有所不 同， 但文献E 9 3 指 出： 在假定新拌混 凝土是 B i n g h a m体的前提下， 不同流变仪测定的屈 图 7塑 性 黏 度 与 坍 落度 关 系 Fi g7 Re l a t i o ns h i p be t we e n p l a s t i c vi s c os i t y a nd s l u mp 服应 力 和坍落 度关 系 曲线 是不 可 能一 样 的 ， 原 因是 测定值计算方法与流变仪本身的测量方式和误差有 关 本 文在 测 试过 程 中 ， 剔 除 了直 径 大 于 1 0 mm 的 粗 骨料 ， 这可能 会在 一定程度 上影 响试验 结果 ， 但 不 会 改变其 规律 变化 从 图 7 可 以看 出 ， 塑 性 黏度 和 坍 落度 之 间并 无 明显 相关 性 ， 相 同坍落 度 的塑性 黏度并不 相 当 ， 甚 至 会 有较 大 的差 别 这 是 由于 坍 落度 试 验 忽 略 了流 动 速度 ， 仅 以流动 停止 时的形 状 ( 高度 ) 为测 定对 象 ， 而 塑 性黏 度的大 小 主要 取决 于新拌 混凝 土流动 时产 生 的内摩擦力 ， 因此坍落度试验不适合评价塑性黏度 3 2触 变性 能试验 结果 分析 触 变性 能是指 浆 体在 剪 切 力作 用 下 ， 从 凝 胶 状 体系变为流动性较大的溶胶状体系 ， 静置一段 时间 后 又恢 复原凝 胶 状 态 的性 质 新拌 混 凝 土 拌 和物 是 具有触 变性能 的可 塑性 流体口 ， 其触 变性 能 可采 用 滞 后环 法定性 测量 图 8为 不 同坍 落 度 所 对 应 的混 凝 土 流 变 性 曲 线 ， 其 中 ： 直 线段 ( 见 图 8 ( a ) ) 为从 低 转 速 到高 转 速 测 得 的流变 曲线 ； 曲线段 ( 见 图 8 ( b ) ) 为从 高 转速 到 低转速测得的流变曲线 在某一转速下 ， 前者测得的 剪切应 力 比后者 高 ， 这 与实 际情 况 是一 致 的 ， 即 ： 在 剪切应力作用下 ， 混凝土拌和物越搅越稀， 表观黏度 减小 2条 流变 曲线所 形 成 的滞后 环 面 积 可 以表 征 流体 的触变 性大 小 ， 越 大 表 明其触 变 性越 强 计 算 公式 如下 ： r 一 l E f l ( y ) 一 ( y ) d y ( 1 4 ) J Y l 式 中 ： f ( ) ， ) 为直线 段流 变 曲线方 程 ； f ( ) ， ) 为 曲线段 流变 曲线方程 ； 7为剪 切速率 ； 7 为最 低 转速 相应 剪 切 速率 ； y 。 为最 高转 速相应 剪切速 率 对 图 8中的滞后环面积积分 不同坍落度与触 变 性相互 关 系如 图 9所示 从 图 9可 以看 出 ： 当坍 落 度小于 1 1 0 mm 时 ， 触变性 随着坍落度 的增加而增 强； 当坍落度大于 1 1 0 l r l m时， 触变性却随着坍落度 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 6期 田正宏 ， 等 ： 混凝 土流变参 数十字搅拌轴测试方法 整 耋 ( a ) S = 7 0 1 T l l n ( c ) 3 =- 1 0 0 mm ( b ) S = 8 0mm ( d ) S -=1 3 0mm 图 8 新 拌混凝土流变滞 回曲线 Fi g 8 Rhe ol o gi c a l hy s t e r e s i s l o op s o f f r e s h c on c r e t e 图 9 触变性和坍落度 的关 系曲线 Fi g 9 Re l a t i on c ur v e o f t hi x ot r op y a n d s l u mp 的增大而减弱 ； 触变性随坍 落度近似呈二次曲线变 化 由于触变性强弱反映 B i n g h a m体剪切破坏后恢 复至 原状 的难 易程 度 ， 因而从 流变 学 角 度来 说 ， 越 大 ， 浆体 破坏 以 后恢 复 越 困难 本 文 试 验 结果 表 明 ， 坍落度在 1 1 0 IT l m 左右时， 新拌混凝土 的絮凝结构 最完 整 ， 触 变 性 也越 强。 产 生 这种 现 象 的 原 因 ， 是 由 于坍落度较小时 ， 拌和物 中浆体基体 的体积含量相 对较 少 ， 流变浆 料 受 高 含 量 骨料 影 响更 多 表 现 出不 完整 絮凝 结构 特性 ， 触 变性稍 弱 ； 随流 动性增 强 和坍 落度 增加 ， 浆料 结构 渐趋 完整 ， 因此其 凝胶 一 溶 胶一 凝 胶 的可逆性 趋 于 困难 ， 导 致其 触变 性非线 性 增长 当 坍落度较大时， 拌 和物 中浆体基体 的体积含量相对 富余 ， 浆料受骨料影 响， 结构稳定性 明显减弱 ， 其稠 度随坍落度增加反而降低 ， 导致触变性下降 试验表 明 ， 累计触变滞 回环面积与坍落度 的变化关系呈非 线性 由此可以推断， 影响新拌混凝土触变性的因素 很 多 ， 仍 需进 一 步试验 探讨 日 譬 ls是Q I I H ， s a J 苗 磊0 II 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 9 5 4 建筑材料学报 第 1 6 卷 综 上所述 ， 在 线混 凝 土 流 变测 试 装 置 能 很 好 反 映新拌混凝土的流变性 能， 并能量化分析混凝土拌 和 物的触 变性 能 需 要注 意 的是 ， 本文 研 制的在 线 混 凝土流变测试仪要求 混凝 土的最大粒径不应超 过 1 0 ml T 1 因此 ， 对粒 径 较 大 的 粗 骨 料 ， 需 先用 1 0 mm 孑 L 径筛网滤掉粗大颗粒 ， 以免影响测试的准确性 4 结论 本文所研制 的在线混凝 土流变测试仪可 以准 确 、 方便 测试 混凝 土拌 和物 的流变参 数 ； 拌 和 物屈 服 应力与坍落度具有 良好 的相关性 ； 坍落度与触变性 存在二次相关性 ， 坍落度在 1 1 0 mm 时， 拌和物的触 变 性最 大 另 外 ， 该 在线 混凝 土流变 测试 仪可 现场 连 续测试 ， 且使用方便 参 考文 献 ： 1 黄大能 流变学 与泵送混 凝土 E J 混凝 土与 水泥 制品 ， 1 9 9 2 ( 1 )： 4 - 6 HUANG Da n e n g R h e o l o g y a n d p u mp a b l e c o n c r e t e J C h i n a Co n c r e t e a n d Ce me n t Pr o d u c t s ， 1 9 9 2( 1 )： 4 - 6 ( i n Ch i ne s e ) 2 塔特索尔 G H 混凝土工作性 M 陈莲英 ， 杜效栋 ， 译 北京 ； 中国建筑工业 出版社 ， 1 9 8 3 ： 1 2 - 1 5 TA TTE R S AL L G HTh e w o r k a b i l it y o f c o n c r e t e M Tr a n s l a t e d b y CHE N L ia n y i n g ，DU Xi a o d o n g B e ij i n g ： Ch i n a Ar c hi t e c t u r e Bu i ldi n g Pr e s s ，1 9 83：1 2 - 1 5 (i n Ch i ne s e ) 3 4 5 6 7 8 9 1 0 3 NGUYEN Q D， B OGER D V Di r e c t y i e l d s t r e s s me a s u r e me n t wi t h t h e v a n e me t h o d J J o u r n a l o f Rh e o l o g y ， 1 9 8 5 ， 2 9 ( 3 ) ： 3 3 5 - 3 4 7 I I DDELL P V ， BOGER D V Yi e l d s t r e s s me a s u r e m e n t s wi t h t h e v a n e J J o u r n a l o f No n N e wt o n i a n F l u id Me c h a n i c s ， 1 9 9 6， 6 3 ( 2 )： 2 3 5 2 6 1 KEENT0K， M ， MI LTH0RPE J F， 0D0N0VAN E On t h e s he a r i n g z on e a r o u n d r o t a t i n g v a n e s i n p l a s t i c l i q u i d s ： Th e or y a n d e x p e r i me n t J J o u r n a l o f No n N e wt o n i a n F l u i d Me c h a n ic s ， 1 9 8 5， 1 7 ( 1 ) ： 2 3 - 2 5 Y0S H I M URA A S， PRUD H0M M E R K ， PRI NCEN H M ， e t a 1 Co mp a r i s o n o f t e c h n i q u e s f o r me a s u r i n g y i e l d s t r e s s e s J J o u r n a l o f Rh e o l o g y 。 1 9 8 7 ， 3 1 ( 8 ) ： 6 9 9 7 1 0 亢景付 高性能混凝 土拌合物流变性 能测试方法探 讨 刀 混 凝 土 ， 2 0 0 2 ( 1 0 ) ： 1 5 1 7 KANG J i n g f u The s t u d y o n t he me a s u r i n g me t h o d s o f r h e o l o g i c a l p r o p e r t i e s o f HP C f r e s h c o n c r e t e J C o n c r e t e ， 2 0 0 2 ( 1 0 )： 1 5 - 1 7 ( i n Ch i n e s e ) HH C， d e LARRARD F， S EDRAN T， e t a I _Th e n e w r h e o m e t e r f o r s o f t t O f l u i d c o n c r e t e J Ma t e r i a l s a n d S t u c t u r e s ， 1 9 97 ， 9 4 ( 3 )： 2 3 4 2 4 3 CHI DI AC S E， HABI B BEI GI F。 CHAN D Sl u mp a n d s l u mp f l o w f o r c h a r a c t e r i z i n g y i e l d s t r e s s o f f r e s h c o n c r e t e J AC I Ma t e r i a l s J o u r n a l ， 2 0 0 6， 1 O 3 ( 6 )： 4 1 6 4 l 8 黄大能 ， 沈威 新拌混凝 土的结构和流变特征 M3 北京 ： 中国 建筑工业 出版社 ， 1 9 8 3 ： 4 3 5 0 H UANG Da n e n g，S H EN W e i S t r u c t u r e a n d r h e o l o g i c a l p r o p e r t y o f f r e s h c o n c r e t e M B e O i n g ： C h i n a Ar c h i t e c t u r e& Bu i l d i n g Pr e s s ， 1 9 8 3： 4 3 一 S o ( i n Ch i n e s e ) 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m