钢纤维自密实混凝土的流变参数及其剪切增稠特性研究

苏文德

(厦门轨道交通集团有限公司，福建 厦门 361004)

钢纤维自密实混凝土的流变参数及其剪切增稠特性研究

苏文德

(厦门轨道交通集团有限公司，福建 厦门 361004)

采用现代技术配制自密实混凝土，能有效拓展水泥基材料在现代海洋、交通以及水利等工程领域的应用范围。采用坍落扩展度等指标对钢纤维自密实混凝土的传统工作性能进行表征，使用流变仪对拌合物的流变特性进行了测试，并对硬化后的钢纤维自密实混凝土的抗压强度进行了测试。结果表明，对于钢纤维自密实混凝土，使用幂律型的Herschel-Bulkley方程获得的屈服应力、黏度系数和流动指数这三项流变参数能够很好地反映拌合物的流变性能。

钢纤维；自密实混凝土；流变特性；剪切增稠

自密实混凝土正越来越多地应用于现代涉海工程。采用现代技术配制高流动度混凝土，能够在不实施振捣的情况下快速实现自密实浇筑，解决传统混凝土施工中的漏振、过振以及钢筋密集难以振捣等问题，从而降低劳动强度和工程造价，为采用新型结构提供充分条件。我国许多海洋工程位于远离大陆的外海，这些深水区域水文条件复杂，气象信息多变，工作环境恶劣，混凝土振捣施工难度大，对材料与结构的耐久性提出了更高的要求。

混凝土结构的耐久性首先取决于各原材料的品质，但在很大程度上也取决于从拌合到浇筑这段时期内的流变特性[1]。近年来越来越多的研究者开始尝试使用流变学的观点探索混凝土拌合物的工作性能。研究者使用流变学中的屈服应力和塑性黏度这两项参数来描述拌合物的特性[2-3]。水泥基材料拌合物由不同粒径的颗粒组成，通常情况下可以认为是良好的Bingham流体。也就是说，拌合物克服剪切屈服应力之后才会发生初始流动，而且流动时剪切应力和剪切速率之间大致呈现线性比例关系[4-5]。

国内在纤维自密实混凝土领域陆续展开试验研究和理论探索，研究多侧重于混凝土拌合物的经验工作性能，并与混凝土配比参数建立关联[6]。一些研究者依托实际工程，在钢纤维自密实混凝土配合比设计优化及应用领域开展研究工作[7]。也有部分研究者开展了钢纤维类型及体积率等因素对硬化后混凝土材料的弯曲和变形性能的研究[8-9]。目前国内公开出版的文献资料中，很少见到混凝土拌合物屈服应力和塑性黏度的相关报道[10-11]。本文使用混凝土流变仪，使用屈服应力和塑性黏度等流变参数表征新拌钢纤维自密实混凝土的工作性能，并对拌合物剪切增稠现象进行了初步探索。

1 原材料及试验方法

1.1原材料

使用P·Ⅱ 42.5水泥，密度3 020 kg/m3；硅灰为埃肯公司半加密硅灰；粉煤灰为某电厂Ⅰ级粉煤灰；矿渣粉为S95级矿渣粉；石粉系采用石灰岩加工而成的石灰石粉。水泥及各种矿物掺合料的化学组成如表1所示。

表1 水泥及矿物掺合料的化学组成 Tab. 1 Chemical compositions of cement and other mineral admixtures (wt.%)

减水剂为聚羧酸高性能减水剂。细骨料细度模数为2.9，平均粒径0.55 mm，表观密度2 650 kg/m3；粗骨料为5～16 mm碎石，表观密度2 870 kg/m3。

1.2试验方法

试验采用的配合比如表2所示。为保证混凝土拌合物具有较好的工作性能及力学性能，依据自密实混凝土设计方法，首先选取拌合物水灰比为0.22，单位用水量设定为160 kg或180 kg。据此计算各配合比中胶材用量在727～818 kg之间。

表2 自密实混凝土配合比Tab. 2 Mix proportion of steel fiber reinforced SCCs

混凝土采用TM3-100自落式搅拌机拌合，拌合时间180 s。分别测定每组拌合物的坍落扩展度、J-坍落扩展度和浆体坍扩至500 mm直径所需时间(T500)等传统工作性能参数。另外在加水拌合后的60 min、120 min和180 min，分别使用ConTec Viscometer混凝土流变仪测定拌合物的转动速率及对应的剪切应力，通过计算得到拌合物的流变参数。该流变仪测试部分由外圆筒和内圆筒(包括上部单元、下部单元和顶环)组成。测试时，盛放混凝土的外圆筒以不同速度旋转，内圆筒中的上部单元测量扭矩，底部单元消除或降低底部效应，顶环则用以稳定测试高度。内外圆筒的表面都有竖直的隔板用以消减混凝土的滑移。

2 结果及分析

2.1传统工作性能

拌合物的传统工作性能如表3所示。

表3 拌合物传统工作性能Tab. 3 Workability and physical properties of fresh steel-fiber-reinforced SCCs

由表3可知，掺加石粉的钢纤维自密实混凝土，其坍落扩展度和J-坍落扩展度明显低于掺加矿渣钢纤维自密实混凝土，说明其流动性稍差。

2.2流变参数

使用ConTec Viscometer混凝土流变仪测定拌合物的转动速率及对应的剪切应力，以SS8在不同时间的测试结果为例，其响应力矩T与测试桶转速N的关系如图1所示。

图1 响应力矩T与测试桶转速N的关系Fig. 1 Relationship between response torque T and test drum speed N

由图1可以看出，响应力矩与转速之间存在明显的非线性关系，因此拌合物的剪切应力也会随着剪切速率的不断增加而呈现出非线性的增长关系，导致黏度随着剪切速率的增加而增大，这种现象被称为混凝土拌合物的剪切增稠特性。此时线性的的Bingham方程不再适合描述拌合物的流变特性，可以用幂律型的关系式对试验数据点进行线性回归，如下式所示：

式中：GHB为流体响应系数(N·m)；HHB为黏度因子(N·m·sJ)；J为流动指数因子(无量纲)。将回归分析得到的GHB和HHB值代入式(2)～(4)得到拌合物基于Herschel-Bulkley方程的流变参数：

式中：τ0,HB为屈服应力(Pa)；K为黏度系数(Pa·sn)；n为流动指数(无量纲)。当n>1时，拌合物表现出剪切增稠特性；当n<1时，拌合物表现出剪切致稀特性。

拌合物流变参数如表4所示。

表4 基于Herschel-Bulkley方程的自密实混凝土拌合物流变参数Tab. 4 Rheological parameters of fresh SCCs according to Herschel-Bulkley function

由此得到拌合物剪切应力与剪切速率之间的Herschel-Bulkley关系方程，如式(5)所示：

不同静置时间SS8拌合物剪切应力与剪切速率的关系如图2所示。

由图2及表4可知，拌合物剪切应力与剪切速率之间存在明显的非线性增长关系，且SS8组混凝土拌合物的屈服应力τ0,HB和黏度系数K则随着静置时间的增长而降低。

不同配比混凝土在60 min时剪切应力与剪切速率的关系如图3所示。由图3及表4可知，与SS5相比，掺加钢纤维的SS8的屈服应力τ0,HB增大，但由于用水量较SS5增加了20 kg/m3，SS8的黏度系数K降低。由SS8与LS1 的流变曲线可知，掺加石粉的LS1拌合物，其屈服应力虽然略高，但塑性系数K和流动指数n则都有明显的降低。

图3 不同配比混凝土在60 min时剪切应力与剪切速率的关系Fig. 3 Shear stress with relation to shear rate at water addition time 60 min for different SCCs

2.3力学性能

拌合物流变性能测试完成之后，及时装入100 mm×100 mm×100 mm的钢模，将成型好的试样按标准条件进行养护，并测试其在7 d、28 d和90 d的抗压强度，试验结果如表5所示。

表5 钢纤维自密实混凝土在不同龄期时的抗压强度Tab. 5 Compressive strength of fresh steel-fiber-reinforced high strength SCCs with different curing durations

由表5可知，水灰比一定时，胶材用量对纤维自密实混凝土抗压强度产生主要影响。当胶材总量增大时，混凝土的抗压强度也随之增大。而当水灰比和胶材用量都不变时，掺加矿渣的钢纤维混凝土比石灰石粉钢纤维混凝土的强度略有增高。

3 结 语

采用坍落扩展度等指标对钢纤维自密实混凝土的传统工作性能进行表征，并使用流变仪对拌合物的流变特性进行了测试。主要结论如下：

1)本研究中的钢纤维自密实混凝土拌合物表现出剪切增稠特性。钢纤维自密实混凝土拌合物的剪切应力随着剪切速率呈现出幂律型的增长关系，因此拌合物的黏度并非一个固定的常数，而是随着剪切速率的增加而增大。剪切增稠特性的影响因素还有待进一步开展深入探讨。

2)随着时间的增加，各组拌合物的屈服应力和黏度系数都不断增加。矿渣钢纤维自密实混凝土的流动指数随着静置时间的增加而降低，而石粉纤维自密实混凝土的流动指数随着静置时间的增加而增大。

3)当水灰比不变时，钢纤维的掺入能够增加拌合物的屈服应力，用水量的增加则会降低拌合物的黏度系数。除此之外，若使用石灰石粉取代矿渣粉作为矿物掺合料，拌合物的屈服应力变化不大，但是黏度系数和流动指数有较为明显的降低。

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Rheological parameters and shear thickening behavior of fresh steel-fiber-
reinforced self-compacting concrete

SU Wende

(Xiamen Rail Transit Group Limited Corporation, Xiamen 361004, China)

The preparation of self-compacting concrete according to modern technology could enlarge the application range of high fluidity cementitious materials in modern transportation, ocean and hydraulic engineering. The slump flow was used to characterize the traditional workability of fresh self-compacting concrete, while the rheological parameters of the mixture were measured by viscometer. The compressive strength was also measured. The results indicated that the rheological parameters obtained by Herschel-Bulkley model, namely Herschel-Bulkley yield stress, consistency coefficient and flow index, could be used to characterize the rheological properties of fresh steel-fiber-reinforced self-compacting concrete.

steel fiber; self-compacting concrete; rheological properties; shear thickening

TV431

A

10.16483/j.issn.1005-9865.2015.06.009

1005-9865(2015)06-070-05

2015-04-10

苏文德(1973-)，男，高级工程师，主要从事地下工程研究与建设。E-mail：suwende1973@163.com