水泥浆体与新拌混凝土的物理性质_五_.pdf

水泥浆体与新拌混凝土的物理性质?五?黄大能!水泥桨体的流变特性?宾 汉姆体#%&()+,了!.!宾汉姆在半个世纪前和 一些人共同研究硅藻土、瓷土、油漆等材料时,曾提出了一个后人称之为宾汉姆体的流变方程/01氏十 刀夕式中2 3屈服应力4口粘度系数45速度梯度。图6及图 7为在细管中流动的粘性液体示意。当应力未达到屈服值前?或未达到弹性极限前?液体并不流动,达到屈服值后,开始按下式流动/8旦2!6重物弹簧图 6宾汉姆 体在细管中实测流变曲线一牛顿液体流变曲线,9一宾汉姆休?非牛顿液体?曲线之一8 一一#一工,:!?互一艺巴一!奎#!蔓油%一一 一一图&宾汉姆体流变模型它。匕(上扩)月图+粘性液体在细管中的流动示意图,宾 变姆体流变曲线一。,.一/012从图&可形象地看出宾汉姆体的流变特征3当拉力4小于重物与桌面间的摩 擦力时,弹簧作弹性伸长,而重物未曾移动。当4等于摩擦力时,弹簧中的应力保持不变而重物作连续运动。这时,4等于桌面摩擦力,即为屈服应力值5)。如果没有油 壶存在,这就是圣维南塑性固体。但由于桌面背后连接了一个油壶,重物就须按牛顿粘性体的规律连续移动。这就是宾汉姆体的流变规律。式中6弹性极限,即流动开始前必须克服的屈服值,相当于夕)71液体粘性系数,对流体而言,宾汉姆称之为塑性粘度89:;?=5=).?7.、十、一。二兴一速度梯度即下。犷!二然而在细管实侧中的现象是8 图+?3一 6,不流动7吞 石8一#液体开始流动,但由于结构刚被破坏,流动仅沿管壁进行。通常称这现象为,塞流,?;。宾汉姆认为图 6中的9线是塑性物质的流变特征,而其塑性可由屈服应力?和塑性粘度?两个流变参数作定量表达。一0 兀刀乙粤石0 一口1一尽一、后一丛%!工拉刀+式中仪器常数4一%鲁亦为仪器常数。丁止瞬瞬。图8一试样,同轴圆筒回转粘度计示意#一挂锤,.一圆筒杯4、一刻度指示,一扭曲弹簧奋了!0!0/0/0图 用回转粘度计实测宾汉姆体流变曲线后人对宾汉姆体流变 曲线 的测试方法作了研究改进,常用 的仪器是同轴圆筒回转粘度计。如图所示,在外筒.转动下,通过液体试样8,使内筒或挂锤#产 生一个扭矩,从指示刻度,上显示出来,这就反映了试样的粘度。%一?%按照宾汉姆体原理,导 出了用 回转粘度计测得的流变方程,即圆筒转速口与扭矩读数0的关系/图为用 回转粘度计测得的宾汉姆体流变曲线,其中04至0一段相当于细 管流动中的“塞流”阶段。这一阶段,粘液随外筒转动,使挂锤表面的剪切力最大,而圆筒内壁则最小。超过0点后,全部粘液都转动,因此0相当于2 3而斜率则为,。如果在回转粘度计中仅测一点(?图?时,则所得。一(线,只是表达了非牛顿液体在某一特定剪切速率下相当于牛顿液体的粘度,这称为表观 粘度?(;(毗 +3?,以(表示。因此,不同 的剪切速率可以得到不同的表观粘度。这说明欲求得宾汉姆体的准确粘度变化规律,应作一系列 的口一0关系数据,才能求得0/和其斜率来。?9?水泥浆体与宾 汉姆体水泥混凝土的流变特性主要确定于水泥浆体。同时,由于浆体不含粗细集料,在测试手段上要求比较简单,所 以在掌握新拌混凝土的流变特性时,一般都先从水泥浆体人手。然而由于水泥浆体的结构是随着水化进程不 断演变的,所以水泥浆体的流变特性比其他材料更受时间这一因素的影响。进人七十年代前,已有不少学者在研究水泥浆体流变性时,证明它具有宾汉姆体的特征,可应用宾汉姆体流变方程中的屈服应力2。和粘度系数斤两个参数来表达其特征。例如!+(%+曾用 同轴圆筒回转 粘度计测试出水灰比为2!9、2!2、2!的水泥浆,其屈服应力相应地为 2、2 7、9达因 厘米“,而塑性粘度分别为9 !2、!、!泊。以后,!%曾按+(%+的测试结果,对水灰比为2!9 的水泥浆体,如果屈服应力为 2达因 厘米“,塑性粘度为9 !2泊的话,对水泥桨从每小时6米”的流量在6 毫米的管子中如需泵送2 2米距离时,计算下来需要7 个大气压。这就是水泥浆体流变特性的应用实例。!一(+)与!8!%&在69年第四届水泥化学国际会 议 中 提出的“新拌波特兰水泥桨体流变性”一文,至今仍被人们所重视。主要因为论文比较系统地提 出了水泥浆体的 流变特征与浆体物理化学性质间的关系,以及影响浆体流变特征的各项 因素。论文研究了水泥水化头 分钟、分钟和小时的流变特性以及它 们的演变。用%式同轴圆筒回转粘度计测 定了2!2!7水灰比的口一0关系,如图9 2。反触变以分 钟?可逆?分钟?一9触变?小时?9材_尹_0图9 2水化初期水泥浆体流变性随时间的变化从图9 2中的曲线斜率、切点和标定常数按%一?%计算 式算出+3,冲,8等参数。其中8为滞后圈?3+;?,即上升曲线与下降曲线所圈的面积,显示水泥浆体的触变性,也就是结构破坏的程度。图92中(为水化 分钟时,下降曲线在上升曲线右方,9次测定?虚线?亦在次测定的右方,表明在 同样转速下,力矩增加,即粘度加大,这是属于反触变现象。为水化 分钟时表现为可逆曲线。为小时的水化,表现触变现象。所形成的滞后圈说明粘度减小。9次测定在次测定左方以 及滞后圈 的变小说明了触变结构缓慢的建立过程。论文还从各种影响因素的试验得到 以下 结论/?水泥用量增 加?、,、!都 迅 速增加#温度对氏、叮、!一般影响不大,但水化小时后,即过了絮凝期时,温度提高则%、冲、!都大为增加&加大水泥比表面积,可得到较大的?。、!()!和碱含量的增大,在不同水化龄期内,+、刀、!都有增加,搅拌制度和时间对流变参数有很大影响。例如,拌和分钟的浆体,水化./分钟后有强烈的触变现象,而拌和.?分钟的浆体,水化./分钟后则显示强烈的反触变现象。叮、氏都随拌和时间的加长而增加。另外,假凝可促进触变性的 出现,但如果拌和制度改为.一一分钟拌一停一拌的制度则破坏了假凝,减小了触变性而增长了反触变性。以上说明了小时水化期内生成的)01凝胶的物理性能,而石膏、)!含量则说明了硫铝酸钙生成的过程和影响。后人在上述论文基础上又做了不少工作。特别是在水泥 用量、表面活性剂的掺加和含气量等影响因素上下了功夫。然而由于水泥浆体是热力学上不稳定的二相系统,所以在用回转粘度计测试中存在着不少困难,特别象搅拌制度、筒壁间隙、测试时间等方面可造成测试结果的矛盾。今后须用不同搅拌方法对结构转变 的每一阶段进行观察和比较。23水泥浆体结构形成动 力学五十年代苏联456二。5二与7玄89应“:;曾提出水泥浆体的立体 结构网概念。对浆体触变性的产生作了如下的解释在外界剪切力的作用下,结构网最弱 的环先被破坏,在速度梯度影响下,发生了键 的重新排列和结构网的 调整,使纵键增多,横键减少而造成粘度的降低。外力移走后,在布朗运动下,重新形成不规则的立体结构网,增加了接触点,在一定时间后触变恢复。他们还提出在结构形成阶段属于絮凝结构,是一种粘塑性的立体结构网,具有触变可逆性能。在结构发展阶段则逐步形成结晶结构,属于弹脆性体,具有化学键。结构如被破坏则无可逆性。他们还提出了所谓塑性 强度?)?,这一流变特征,可用圆锥体塑性强度仪在低变形速度下测得。并认为)因系塑性强度,故与水灰比无关。还进行了)与浆体搅拌时间、浆体矿物组成、石膏掺量、细度等因素的关系的研究。这些研究都是在流变学的原理指导下进行的,称之为水泥浆体结构形成动力学。!新拌混凝土 的流变特性水泥浆体中掺加集料后为流变测试增添了不少困难,因此直到七十年代才开始了广泛研究并取得了初步成就。主要成就是/认为混凝土同样可用 回转粘度计的结构式样来测得掺加粗细集料后的流变参数4认为新拌混凝土与浆体一样属于宾汉姆体的类型。这些成就为今后新拌混凝土流变特性的进一步研究创造了有利条件。7年月在英国,大学土木系由8!%主持召开了有十七个国家 个代表参加的国际学术交流会,主题为“新拌混凝土重要性能及其测试”。发表的论文极大部分是从流变学原理来研究新拌混凝土的各项性能。2!+)(与!0(33 (不 约而同地采用 了大而坚 固的 同轴圆筒回转粘度计。为了防止滑溜,筒壁刻了槽纹。以后,!0(33 (对仪器作了改进。用美国的一种食品搅拌机改装,即在一个拌和锅中有一个镰刀式的拌和叶通过自转和绕锅转动,在不同转速下的能耗除以叶片转速所得转矩0和叶片转速间的关系测得宾汉姆体流变曲线01&十。式中0为转矩?一个 假设的单位?,为转速?转秒?,&,为 两个常数,相当于屈服应力和塑性粘度。试验结果如图9、99所示。从图9 看出,随着混凝土水灰比 的增水 灰?东黎甲之0?假设单位?图9/9/混凝土水灰对宾汉姆流变曲线影响水灰,2!,2!629 0?假设单位?图 9 9集料粗 细对混凝土宾汉姆流变曲线影响/9/4一一一/大,屈服应力和塑性粘度相应地减小。但如果粗、细集料的 比例也作改变,则出现了 图99中与实线交叉 的一套虚线。这些试验,不仅证明混凝土和水泥浆体同样地可按宾 汉姆体处理,相当于屈服应力 的&和相当于塑性粘度的能近似地反映新拌混凝土的流变特性,而且还证明,用&,两个常数来反映新拌混凝土的和 易性要比传统的和易性测试方法,如捣实因数,维皮试验等要敏感得多,精确得多,而且还能同时反映振动下的流动性和易密性。这就说明,通过新拌混凝土的流变特性测试,能较科学、较准确、较全面地掌握新拌混凝土的和易性。然而,流变特性的测试仪器和方法,尤其是新拌混凝土的测试,还存在着较多问题有待解决或改进。例如在用 同轴圆筒回转仪时,外筒内筒尺寸和间隙的选择和集料尺寸间的关系尚须研究,内外筒的高度和筒壁滑移向题,内筒末端效应的计算问题等都尚须进一步研究解决。