自密实混凝土流变模型和测试方法研究综述

任晨灏（中国水利水电第八工程局有限公司）

自密实混凝土流变模型和测试方法研究综述

任晨灏
（中国水利水电第八工程局有限公司）

自密实混凝土是一种具有较高流动性能的混凝土，它能仅依靠重力填充模板，因此自密实混凝土有降低工人劳动强度、减少施工噪音等优点，近年来自密实混凝土虽逐渐大量使用，但多是定性测试其工作性能，而其流变规律尚不完善，为了解自密实混凝土流变特性，应从自密实混凝土流变模型及流变参数测试入手。

自密实混凝土；流变模型；测试方法

1　前言

自密实混凝土 （Self-CompactingConcrete-SCC）无需振捣，仅依靠自身重力作用能够流动密实，完全填充模板，同时具有很好均质性，不产生离析分层的现象，是一种高性能混凝土（HighPerformanceConcrete-HPC）。流变学是研究物质在荷载作用下流动和变形的科学，1928年由美国E.C.Bingham教授创立。与普通混凝土相比，SCC具有更大的流动性，测量SCC的基本性质及变形更具流变性意义。

新拌自密实混凝土的流变性能受时间、温度、湿度等外部环境影响，同时也受SCC内部水化及凝结硬化过程中的一系列物理化学反应的影响，SCC在此过程中由粘塑性向粘弹性发展，SCC流变性能受多重因素影响、流变机理十分复杂，因此找到一种能简化并且能准确、直观的表征SCC流变特性的流变模型显得尤为重要。

2　SCC流变模型

⑴Bingham模型

Bingham模型由E.C.Bingham最早发现，提出用屈服应力和塑性黏度两个参数表征物体的性质，该模型由理想的圣维南体和理想牛顿流体合并而成。根据Tattersall［1］的研究，利用Binghanm模型可以准确描述新拌混凝土的流变性能；ChongHu［2］认为，当新拌混凝土的坍落度大于8cm时，而且没有严重的离析发生时，可将其视为Bingham材料。

Bingham材料在受剪应力作用下，在未达到一定的屈服应力时保持静止，一旦超过该屈服应力即发生流动。其表达式为：

τ=τ0+μγ（式1）

τ0——屈服应力，Pa；

μ——塑性黏度，Pa·s；

γ——剪切应变率，1/s。

⑵改进的Bingham模型

①FeysDimitri等［3，4］，考虑到由于粉煤灰、硅灰等掺入引起塑性粘度增大，导致新拌混凝土明显的剪切增稠，使混凝土剪切应力与剪切速率呈明显的非线性关系，在Bingham模型基础上提出改进的Bingham模型，其关系式为：

τ=τ0+μγ+cγ2（式2）

τ0——屈服应力，Pa；

μ——塑性黏度，Pa·s；

γ——剪切应变率，1/s；

c——调整系数。

②LiberatoFerrara和NathanTregger［5，6］等人用以下模型模拟坍落度筒流变过程，能够较为准确的得出坍落度试验的流动时间T。

γcrit——临界应变率，1/s。

⑶Herschel-Bulkley模型

法国学者LarrardFde［7］研究发现新拌SCC混凝土在低剪切速率下剪切应力与剪切速率成线性关系，提出了Herschel-Bulkley模型，流变特征曲线见图1。随着剪切速率的增大，表现出剪切增稠，呈现为非线性关系，采用Herschel-Bulkley模型描述新拌SCC流变特性比用宾汉姆模型更准确。其表达式为：

图1　幂律流体流变特征曲线

τ=τ0+aγb（式4）

τ0——屈服应力，Pa；

γ——剪切应变率，1/s；

a——一致性因素；

b——幂率指数。

⑷触变模型

法国学者N.Roussel［8］考虑到触变作用对新拌混凝土流变性的影响，得到新拌SCC材料的流变模型，其关系式为：

Athix是静止状态下混凝土的重结构化速率（Pa/s，一般取值为0.1-2），α是去结构化速率（数量级一般为1e-2），λ是混凝土流动状态参数。

⑸Casson模型［9］

⑻F.Mahmoodzadeh［10］认为SCC流变模型可分为现象模型和基本模型，Ferraris和deLarrard的模型属于现象模型，F.Mahmoodzadeh用细胞方法、几何描述、数学证明的基本模型来评价新拌自密实混凝土的流变性能。

Bingham模型流变参数简洁明朗、意义明确，是目前混凝土流变研究中用得最多的一种模型，很早以前许多学者就认为用Bingham模型表征混凝土流变参数是没有问题的［11］。而SCC与普通混凝土相比具有更大的流动性和黏聚性，同时伴有剪切增稠、经时损失大等现象，因此在SCC中Bingham模型体现出了明显的局限性，近年来Herschel-Bulkley模型被多数学者所接受，研究结果表面［12，13］，Herschel-Bulkley模型更符合SCC流变特性。

3　SCC工作性测试方法

3.1坍落流动度试验

将混凝土装入坍落度桶，测试坍落度桶提起后混凝土流动至50cm时间（T50）和最终扩展度（D）。流动时间反映混凝土的流动能力和塑性屈服能力。一般要求T50 约3～6s，D值在650～750mm之间，检测混凝土的匀质性、离析程度、分层以及石子的分布情况。这种方法与传统的坍落度方法相近，设备简单，容易操作。

3.2倒坍落度筒试验

这种方法是李志明提出的［14］。测试方法为：将坍落度筒倒置，底部加封盖，装满混凝土并抹平（一般地将倒置坍落筒固定于一支架上，底部离地50cm），迅速滑开底盖，用秒表计量混凝土流空的时间，并同时测定坍落度、扩展度和中边差，以此来判断SCC的工作性。一般要求坍落度250～280mm，流动时间8～15s，扩展度60～70cm，中边差值宜≤20mm。该方法简便实用，可重复性好。

3.3J环试验

J环试验是在一个直径为300的圆环上垂直焊接若干圆钢筋，圆钢间距为（48±2）mm或粗骨料最大粒径的3倍。试验时将J环套在坍落度筒外，和坍落度试验一样，让SCC拌合物流出环，最后测试环内外高差和扩展度。内外高差首先反映了受阻滞的拌合物的体积百分比，然后可估计受阻而被分离的部分的比例。J环试验表征SCC拌合物的间隙通过能力（抗阻滞性）。宁严庆等［16］对J环试验进行了较系统的研究。

3.4U形仪试验

U形仪试验用来检测混凝土的填充能力，以及混凝土的粘聚性、匀质性和钢筋间隙通过能力。试验时先向A室内加满混凝土，然后拉起活门，混凝土通过障碍流到B室，待混凝土停止流动后，测试混凝土两边的高差及石子分布情况。一般要求两边高差小于10mm，石子分布均匀.。

3.5L形仪试验

L形流动仪用来检测混凝土的钢筋间隙通过能力，试验时往型箱体垂直部分加入混凝土拌合物，静置1min，拉起活门，混凝土自垂直部分通过障碍流向水平部分，测量混凝土流动到200mm和400mm的时间，量取H1和H2的高度。一般要求T40在3～6s，水平高差小于20%，L型盒试验还被用十测试新拌SCC的抗离析性［15］。

3.6V形漏斗试验

将新拌SCC装满V形漏斗，然后测试SCC全部流出的时间，表征了拌合物的流动性，所测时间T与塑性粘度μ存在一定关系。刘华良［17］进行了V形漏斗试验研究。

4　SCC 流变参数测试方法［2，11，18-20］

目前，SCC流变参数测试方法并不完善，其测试方法主要有以下几种：

4.1流变仪法

流变仪的原理是通过直接测定多组转动力矩和相应的回转速度，再根据理论公式换算成剪切应力和剪切应变率，并绘制关系曲线，然后通过直线部分的斜率和在应力坐标轴上的截距得到SCC的屈服应力和塑性黏度。但流变仪价格昂贵，且易受仪器的种类、尺寸等因素影响。

4.2提升型黏度计法

提升型黏度计法是通过提升沉入SCC内部的落锤，用实测的提升速率、提升荷载来估计SCC的黏度。该方法操作简便，常用于水泥浆和砂浆流变参数测试。

根据上文模型的推算得到公交刷卡乘客的上、下车信息，在此基础上统计得到任意2站点之间的客流量，继而得到公交线路OD、公交线网OD和交通小区OD. 需要注意的是，一方面在公交乘客上、下车站点识别过程中所采用的的刷卡数据存在部分无效数据，推算的结果需要根据数据率(有效刷卡记录/所有刷卡记录)进行初步扩样；另一方面，公交刷卡乘客上、下车站点识别只包含刷卡乘客不包含投币乘客，所以采用数据率进行初步扩样后还需要采用刷卡率进一步扩样得到最终结果.

4.3直剪试验法

直剪试验法是一种利用土工试验原理测得SCC流变参数的方法，该方法的理论依据是库伦定理τ=σtanφ+c，其中τ为抗剪强度，σ为垂直应力，φ为内摩擦角，c为内聚力。试验通过改变垂直应力σ的大小，测得与之相对应的抗剪强度τ，再在σ-τ坐标系内并连成直线，则直线在τ轴上的截距即近似可认为是新拌自密实混凝土的屈服应力τ0（当没水泥浆时c=0，为散体，τ=σtanφ；当水泥浆较多时，tanφ明显下降，即内摩阻力趋于0，这时可近似认为τ=c）。

4.4塑性强度试验法

该方法的原理是圆锥体在外力作用下不同时间内沉入试样中所受剪切阻力，计算不同时间内的塑性强度，其中Pm塑性强度，F为作用在圆锥体上的荷载，h为圆锥体下沉深度，Kα为圆锥体角度系数。

4.5滑移阻力试验法

滑移阻力试验法源于现在混凝土施工中常用的泵送混凝土施工技术，该试验方法可分为以下两种：改变滑移应力测定滑移阻力；改变滑移速度测定滑移黏性。该方法原理是根据滑移阻力在泵送压力损失中的所占比例估计混凝土的流变特性。

4.6贯入试验法

5　结语

综上所述，自密实混凝土流变性能的评价不仅应从其工作性能入手，还应建立流变模型、流变参数及工作性能之间的本构方程，从而能较精确的预测和判断自密实混凝土的流动状态，为今后自密实混凝土的应用提供指导。●

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［3］DimitriFeys，RonnyVerhoeven，GeertDeSchutter. self-compactingconcrete，ashearthickeningmaterial ［J］.CementandConcreteResearch，2008.

［4］DimitriFeys，RonnyVerhoeven，GeertDeSchutter. Whyisfreshself-compactingconcreteshearthickening ［J］.CementandConcreteResearch，2009.

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