基于流變特性的滑模混凝土工作特性研究

屈允永，田　波，劉　英，彭　鵬，李傳平

(交通運(yùn)輸部公路科學(xué)研究院，北京　100088)

基于流變特性的滑?；炷凉ぷ魈匦匝芯?/p>

屈允永，田波，劉英，彭鵬，李傳平

(交通運(yùn)輸部公路科學(xué)研究院，北京100088)

摘要：從流變學(xué)的角度出發(fā)，通過測(cè)量等坍落度情況下，不同砂率的細(xì)粒式混凝土和粗粒式混凝土在攪拌過程中的相對(duì)塑性黏度和相對(duì)屈服應(yīng)力，得出砂率對(duì)混凝土施工阻力和立模特性的影響。另外，分別測(cè)量等坍落度情況下不同砂率混凝土振搗拆模后的塌邊高度，用于直接反映混凝土的立模特性。結(jié)果表明：在滑模施工過程中，坍落度不能較好地表征混凝土的施工阻力和立模特性；攪拌過程中隨砂率的增大，混凝土的塑性黏度先減小后增大再減小，屈服應(yīng)力先增大后減?。换炷恋乃吀叨入S著砂率的增大先增大后減小。

關(guān)鍵詞：道路工程；施工阻力；立模特性；塑性黏度；屈服應(yīng)力；砂率

0引言

滑模施工是目前水泥混凝土路面施工的主流方式。在滑模施工中，為得到高質(zhì)量的水泥混凝土路面，要求水泥混凝土在工作性方面應(yīng)具有較低的施工阻力和良好的立模特性[1-2]。然而混凝土的施工阻力和立模特性這兩個(gè)性能相互矛盾，對(duì)此傳統(tǒng)的以坍落度來評(píng)判混凝土工作性的方式難以適用[3-4]。本文從流變學(xué)的角度出發(fā)，來研究滑模施工中混凝土的相關(guān)工作性能。眾所周知，材料是影響流變性的重要因素[5]，在混凝土的配合比設(shè)計(jì)中，水泥用量受限，難以有較大變化[2]；砂率變化較大，且砂子相對(duì)于石子具有更高的比表面積，砂子質(zhì)量的變化對(duì)混凝土的流變性影響更大[6]。因此，本文針對(duì)砂率，通過一系列的流變性試驗(yàn)及立模特性試驗(yàn)來探究滑模施工中砂率對(duì)混凝土的施工阻力及立模特性的影響，同時(shí)希望得到具有低施工阻力與高立模特性的砂率，來提高混凝土的相關(guān)工作性能。

1試驗(yàn)原材料、設(shè)備、原理、方案及配合比

1.1試驗(yàn)材料

(1)水泥選用金隅牌普通硅酸鹽水泥，P.O42.5級(jí)。

(2)砂為河砂，相關(guān)技術(shù)指標(biāo)詳見表1。

表1　砂的相關(guān)技術(shù)指標(biāo)

(3)粗集料為石灰?guī)r碎石，級(jí)配合格，粗集料的壓碎值指標(biāo)是17.1%。

(4)減水劑選用山東省產(chǎn)的奈系高效減水劑。

1.2試驗(yàn)設(shè)備

(1)水泥砂漿與混凝土渦輪式流變儀適用于集料粒徑不超過10 mm的水泥砂漿及混凝土。轉(zhuǎn)速范圍在0～140 r/min，扭矩測(cè)量范圍為0.1～100 N·m。每間隔一秒采集一次數(shù)據(jù)，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)砂漿及混凝土在不同轉(zhuǎn)速下的扭矩與功率的實(shí)時(shí)測(cè)量。

(2)水泥混凝土雙臥軸流變儀，能夠攪拌集料最大粒徑為50 mm的混凝土。轉(zhuǎn)速范圍在0～100 r/min，扭矩測(cè)量范圍為0.1～300 N·m，同樣每間隔一秒采集一次數(shù)據(jù)。

(3)立模特性試驗(yàn)槽，為方形鋼槽，兩側(cè)鋼板可以抽出，以兩側(cè)鋼板抽出處混凝土的塌邊高度表征其立模特性。

1.3試驗(yàn)原理、方案及配合比設(shè)計(jì)

所謂材料的流變特性，指的是在適當(dāng)?shù)耐饬ψ饔孟?，材料發(fā)生變形與流動(dòng)的性能，其中塑性黏度和屈服應(yīng)力是其重要指標(biāo)。在流變特性的研究方面，一般是用某些理想的基本模型來模擬某些真實(shí)物體的流變特性，并導(dǎo)出其流變方程。經(jīng)國(guó)內(nèi)外研究表明道路混凝土流變學(xué)特性符合賓漢姆模型[7-9]，即道路混凝土在攪拌過程中的扭矩與轉(zhuǎn)速存在線性關(guān)系，并且相應(yīng)轉(zhuǎn)速與扭矩?cái)M合的一元線性方程的斜率與截距分別與混凝土的塑性黏度和屈服應(yīng)力成正比[3,10]。相應(yīng)的線性方程能夠用式(1)表征：

(1)

式中，T為轉(zhuǎn)矩；N為轉(zhuǎn)速；g，h為常數(shù)。

根據(jù)上述原理，本文使用以上兩種流變儀，分別設(shè)計(jì)等坍落度不等砂率的細(xì)粒式混凝土與粗粒式混凝土(本文將粗集料最大粒徑為10 mm的混凝土定義為細(xì)粒式混凝土；粗集料最大粒徑為30 mm的混凝土定義為粗粒式混凝土)，各自測(cè)量其在攪拌過程中的轉(zhuǎn)速與扭矩，以此推算出其相對(duì)的塑性黏度和屈服應(yīng)力。同時(shí)，通過立模特性試驗(yàn)槽直接測(cè)量混凝土的立模特性，以此研究砂率對(duì)混凝土施工阻力與立模特性的影響。

依據(jù)《公路水泥混凝土路面滑模施工技術(shù)規(guī)程》分別設(shè)計(jì)細(xì)粒式與粗粒式混凝土的配合比。分別保持水灰比和水泥用量不變，改變砂率，砂率分別為0.30，0.35，0.40，0.45(當(dāng)砂率達(dá)到0.50時(shí)由于集料的比表面積過大，混凝土過于干澀，難以拌和，因此設(shè)定最大砂率為0.45)。為保證各配比坍落度均適合滑模攤鋪，通過調(diào)節(jié)減水劑的摻量來使不同砂率的混凝土坍落度保持一致，細(xì)粒式混凝土坍落度控制在40 mm，粗粒式混凝土坍落度控制在50 mm，具體配比見表2、表3。

表2　細(xì)粒式混凝土配合比

表3　粗粒式混凝土配合比

2細(xì)粒式混凝土施工阻力與立模特性檢測(cè)

2.1細(xì)粒式混凝土流變性能檢測(cè)

試驗(yàn)采用水泥砂漿與混凝土渦輪式流變儀，在相同試驗(yàn)環(huán)境下分別測(cè)量表2中等坍落度不等砂率的細(xì)粒式混凝土在攪拌過程中的轉(zhuǎn)速與扭矩值，其結(jié)果見表4。

表4　等坍落度不等砂率細(xì)粒式混凝土轉(zhuǎn)速與扭矩的關(guān)系

2.2細(xì)粒式混凝土立模特性檢測(cè)

為更加直接地反映滑模施工中不同砂率混凝土的立模特性，本文采用交通運(yùn)輸部公路科學(xué)研究院自行設(shè)計(jì)的混凝土立模特性試驗(yàn)槽，在相同試驗(yàn)環(huán)境下，檢測(cè)表2中等坍落度的細(xì)粒式混凝土在不等砂率情況下的立模特性。試驗(yàn)方法如下：將攪拌好的混凝土倒入立模特性試驗(yàn)槽，用棒振搗對(duì)混凝土進(jìn)行充分振搗；因?yàn)榛備伿┕ぞ哂幸苿?dòng)成型的特點(diǎn)[11-13]，因此振搗后立即抽出試驗(yàn)槽兩側(cè)的鋼板，同時(shí)用抹子在抽出鋼板的兩側(cè)各抹2～3下，用于修復(fù)抽板對(duì)混凝土兩側(cè)塌邊高度的影響；待混凝土塌邊高度穩(wěn)定后測(cè)量混凝土兩側(cè)塌邊高度，兩邊各測(cè)5處，共10處求平均值。試驗(yàn)結(jié)果見表5。

表5　不同砂率的細(xì)粒式混凝土的相對(duì)塑性黏度、相對(duì)屈服

2.3細(xì)粒式混凝土立模特性及施工阻力分析

根據(jù)表4中求得的結(jié)果，將等坍落度不等砂率的細(xì)粒式混凝土在渦輪式流變儀攪拌過程中的轉(zhuǎn)速與扭矩的采集值進(jìn)行線性擬合，求得細(xì)粒式混凝土在不同砂率下轉(zhuǎn)速與扭矩的線性方程，見圖1。

圖1　不同砂率的細(xì)粒式混凝土轉(zhuǎn)速與扭矩的關(guān)系Fig.1　Relationship between rotational speed and torque of fine grained concrete with different sand ratios

根據(jù)上文所述的試驗(yàn)原理，以各線性方程的斜率和截距分別表征混凝土在攪拌過程中的相對(duì)塑性黏度和相對(duì)屈服應(yīng)力，具體數(shù)值詳見表5。

由試驗(yàn)結(jié)果可知，等坍落度不等砂率的細(xì)粒式混凝土在水泥砂漿與混凝土渦輪式流變儀檢測(cè)下，隨著砂率的增加，相對(duì)塑性黏度先減小后增大再減??；相對(duì)屈服應(yīng)力先減小后增大；塌邊高度先增大后減小，與相對(duì)屈服應(yīng)力成反比。

塑性黏度是材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)阻礙流動(dòng)的一種性能參數(shù)，與施工阻力相對(duì)應(yīng)，塑性黏度越大施工阻力越大，反之亦然；屈服應(yīng)力是阻止發(fā)生塑性變形的最大應(yīng)力，與立模特性相對(duì)應(yīng)，屈服應(yīng)力越大立模特性越好，反之亦然[14]。當(dāng)砂率為0.45時(shí)，混凝土的相對(duì)屈服應(yīng)力較大，塑性黏度較低，具有高立模特性和低施工阻力，同時(shí)塌邊高度實(shí)測(cè)結(jié)果為2.06 mm，相對(duì)是可以接受的。

3粗粒式混凝土施工阻力與立模特性檢測(cè)

3.1粗粒式混凝土流變性能檢測(cè)

為更加貼近滑模施工，本文對(duì)粗粒式混凝土進(jìn)行流變性試驗(yàn)。采用水泥混凝土雙臥軸流變儀，在相同試驗(yàn)環(huán)境下，分別測(cè)量表3中的等坍落度不等砂率的粗粒式混凝土在攪拌過程中的轉(zhuǎn)速與扭矩值，測(cè)量結(jié)果見表6。

表6　等坍落度不等砂率粗粒式混凝土轉(zhuǎn)速與扭矩的關(guān)系

3.2粗粒式混凝土立模特性檢測(cè)

同時(shí)在實(shí)測(cè)立模特性方面，本文依然采用混凝土立模特性試驗(yàn)槽，在相同試驗(yàn)環(huán)境下，對(duì)表3中的粗粒式混凝土進(jìn)行立模特性檢測(cè)。試驗(yàn)測(cè)得的混凝土穩(wěn)定后的兩側(cè)塌邊高度均值見表7。

表7　不同砂率的粗粒式混凝土的的相對(duì)塑性黏度、

3.3粗粒式混凝土立模特性及施工阻力分析

將等坍落度不等砂率的粗粒式混凝土在攪拌過程中的轉(zhuǎn)速與扭矩值進(jìn)行線性擬合，并得出相應(yīng)的一元一次方程，見圖2。以各方程的斜率和截距分別來表征粗粒式混凝土在攪拌過程中的相對(duì)塑性黏度和相對(duì)屈服應(yīng)力，具體數(shù)值詳見表7。

圖2　不同砂率的粗粒式混凝土轉(zhuǎn)速與扭矩的關(guān)系Fig.2　Relationship between rotational speed and torque of coarse grained concrete with different sand ratios

由表7可以看出，等坍落度的粗粒式混凝土在使用混凝土雙臥軸流變儀的情況下，隨著砂率的增加相對(duì)塑性黏度先減小后增大再減??；相對(duì)屈服應(yīng)力先減小后增大;塌邊高度與相對(duì)屈服應(yīng)力相對(duì)應(yīng)，先增大后減小。當(dāng)砂率為0.45時(shí)能夠同時(shí)滿足高屈服應(yīng)力和低塑性黏度，并且實(shí)測(cè)塌邊高度相對(duì)最小,此時(shí)，混凝土具有低施工阻力和高立模特性。

當(dāng)砂率為0.30時(shí)，混凝土中粗、細(xì)集料單位表面積上的水泥漿較多，但水泥砂漿總量較小，粗集料相互嵌擠在一起，混凝土的塑性黏度和屈服應(yīng)力較大；隨著砂率的不斷增加，粗、細(xì)集料單位表面積上的水泥漿減少，同時(shí)粗集料間的水泥砂漿增大，粗集料間嵌擠力減弱，混凝土塑性黏度和屈服應(yīng)力減?。浑S著水泥砂漿含量進(jìn)一步增大，粗集料逐漸懸浮于水泥砂漿之中，此時(shí)混凝土流動(dòng)性和黏聚性增大，塑性黏度增大，但屈服應(yīng)力繼續(xù)減??；當(dāng)砂率增大到0.45時(shí)，粗、細(xì)集料表面的水泥漿持續(xù)減少，混凝土黏聚性減小，細(xì)集料與粗集料及細(xì)集料之間的嵌擠力與摩擦力增大，混凝土塑性黏度降低，屈服應(yīng)力增大。因細(xì)粒式混凝土與粗粒式混凝土中粗集料的粒徑選擇不同，集料的比表面積不同，相應(yīng)配合比設(shè)計(jì)及設(shè)備等亦有區(qū)別，具體到同一砂率的相對(duì)屈服應(yīng)力和塑性黏度不同，但是不同砂率的屈服應(yīng)力和塑性黏度的變化規(guī)律一致。

4結(jié)論

本文運(yùn)用水泥砂漿與混凝土渦輪式流變儀和混凝土雙臥軸流變儀，分別檢測(cè)等坍落度不等砂率的細(xì)粒式混凝土和粗粒式混凝土在攪拌過程中的相對(duì)塑性黏度和相對(duì)屈服應(yīng)力，用以反映混凝土的施工阻力和立模特性。同時(shí)用混凝土立模特性試驗(yàn)槽測(cè)試振搗拆模后混凝土的塌邊高度，來驗(yàn)證其立模特性，從而直接印證滑模施工中砂率對(duì)混凝土立模特性的影響。主要結(jié)論如下：

(1)滑模施工中，坍落度難以反映混凝土的施工阻力和立模特性。相同坍落度的混凝土可以有不同的施工阻力和立模特性。

(2)隨著等坍落度混凝土中砂率的增加，混凝土在攪拌過程中的塑性黏度先減小后增大再減??；屈服應(yīng)力先減小后增大。

(3)隨著混凝土砂率的增加，等塌落度混凝土的塌邊高度先增大后減小?；炷恋那?yīng)力與塌邊高度相對(duì)應(yīng)，屈服應(yīng)力越大塌邊高度越小，反之亦然。

(4)當(dāng)砂率為0.45時(shí)，混凝土同時(shí)滿足低塑性黏度和高屈服應(yīng)力兩個(gè)要求，此時(shí)混凝土具有較低的施工阻力和良好的立模特性。

參考文獻(xiàn)：

References:

[1]楊志達(dá)，羅綱，蕭紅光,等.滑模攤鋪混凝土的配合比[J].混凝土，1995(1):19-24.

YANG Zhi-da, LUO Gang, XIAO Hong-guang, et al. Mix Proportion of Slip-form Paving Concrete[J]. Concrete, 1995(1):19-24.

[2]JTJ/T037.1—2000，公路水泥混凝土路面滑模施工技術(shù)規(guī)程[S].

JTJ/T037.1—2000, Technical Specifications of Slipform Construction on Cement Concrete Pavement for Highway [S].

[3]袁野真.水泥混凝土路面滑模施工平整度控制技術(shù)研究[D].天津：河北工業(yè)大學(xué)，2012.

YUAN Ye-zhen.Study on Cement Concrete Pavement Roughness Construct by Slip-form Paver[D].Tianjin:Hebei University of Technology,2012.

[4]陳義榮.混凝土工作性測(cè)定方法[J].混凝土與水泥制品，1987(4):17-21.

CHEN Yi-rong. Method of Testing Workability of Concrete[J].Concrete and Cement Products,1987(4):17-21.

[5]孟祥龍.道路水泥混凝土施工流變性能研究[D]. 西安：長(zhǎng)安大學(xué)，2009.

MENG Xiang-long. Study of Construction Rheological Performance of Road Cement Concrete[D]. Xi’an: Chang’an University, 2009.

[6]李海軍.砂對(duì)混凝土性能的影響[J].粉煤灰，2013(5):35-39.

LI Hai-jun. Effect of Sand on Concrete Performance [J]. Coal Ash, 2013(5):35-39.

[7]楊靜，覃維祖，呂劍峰.關(guān)于高性能混凝土工作性評(píng)價(jià)方法的研究[J].工業(yè)建筑，1998，28(4): 5-9.

YANG Jing, QIN Wei-zhu, Lü Jian-feng. A New Method to Evaluate Workability of High Performance Concrete[J]. Industrial Construction, 1998,28(4):5-9.

[8]HU C, LARRARD F D. The Rheology of Fresh High-Performance Concrete[J]. Cement and Concrete Research, 1996, 26(2)：283-294.

[9]馮乃謙.高性能混凝土[M].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，1996.

FENG Nai-qian. High Performance Concrete[M]. Beijing:China Building Industry Press, 1996.

[10]TATTERSALL G H. The Rationale of a Two-Point Workability Test[J]. Magazine of Concrete Research, 1973, 25(84)：169-172.

[11]徐定華，徐敏.混凝土材料學(xué)概論[M].北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2002.

XU Ding-hua, XU Min. Introduction to Concrete Material Science[M]. Beijing: Standards Press of Chinese,2002.

[12]NASSER K W. The K-slump Tester in Fresh Concrete: Important Properties and their Measurement[C]// Proceedings of a RILEM Seminar. Leeds: Leeds University, 1973.

[13]高久好.水泥砼水平滑模成型力學(xué)機(jī)理的試驗(yàn)研究[D].西安：長(zhǎng)安大學(xué)，2000.

GAO Jiu-hao. Study on Mechanical Mechanism of Cement Concrete Horizontal Sliding Molding[D]. Xi’an: Chang’an University, 2000.

[14]鄭少鵬.基于流變特性的新拌水泥混凝土質(zhì)量控制技術(shù)研究[D].天津：河北工業(yè)大學(xué)，2012.

ZHENG Shao-peng. Research of New Cement Concrete Quality Control Technologies Based on Rheological Properties[D]. Tianjin: Hebei University of Technology,2012.

Study on Workability of Slip-formed Concrete Based on Rheological Property

QU Yun-yong, TIAN Bo, LIU Ying, PENG Peng, LI Chuan-ping

(Research Institute of highway, Ministry of Transport, Beijing 100088,China)

Abstract：Depended on the principle of rheology, the relative plastic viscosity and relative yield stress of fine grained concrete and coarse grained concrete with the same slump and different sand ratios are measured when they are mixed to obtain the effect of sand ratio on the slip-form construction resistance and the formwork erection characteristics of concrete. In addition, the edge collapse heights of the concrete with the same slump and different sand ratios are measured respectively after vibrated and the templates are dismantled to directly reflect the concrete’s formwork erection characteristics. The result shows that (1) concrete slump is not good at reflecting the construction resistance and formwork erection characteristics of the concrete; (2) when concrete is mixed, with the increase of sand ratio of the concrete, its plastic viscosity decreases at first and then increases and then decreases, while its yield stress increases at first and then decreases; (3) with the increase of sand ratio of the concrete, the edge collapse height increases at first and then decreases.

Key words：road engineering; construction resistance; formwork erection characteristics; plastic viscosity; yield stress; sand ratio

收稿日期:2015-02-09

基金項(xiàng)目:國(guó)家國(guó)際科技合作專項(xiàng)項(xiàng)目(2014DFR81000)；民航局重大專項(xiàng)課題項(xiàng)目 (MHRD20130109)

作者簡(jiǎn)介:屈允永(1991-), 男, 山東滕州人, 碩士研究生.(up0105@163.com)

doi:10.3969/j.issn.1002-0268.2016.06.004

中圖分類號(hào)：U416.216

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1002-0268(2016)06-0020-05