基于流变学的新拌混凝土工作性评价方法研究

徐 俊

1.上海建工集团股份有限公司 上海 200080；2.上海高大结构高性能混凝土工程技术研究中心 上海 200080

随着现代混凝土结构朝着更高、更快、更复杂的方向不断发展，混凝土泵送难度不断增大，这势必对新拌混凝土工作性评价方法提出更高的要求和挑战。

目前，国内外对混凝土工作性的评价方法尚未统 一[1-2]。模拟泵送试验可真实、全面、直观地评价混凝土拌和物的工作性能，如迪拜哈里法塔（Burj khalifa）在工程施工前，采用长600 m的水平模拟泵送管线，测试混凝土的泵送性能[3]。该方式虽然可靠性较高，但却存在成本高昂、对场地要求高、操作复杂、难以满足工程快速检测评定需要等不足。

坍落扩展度试验作为简便易行的试验方法应用最为广泛，我国行业标准JGJ/T 10—2011《混凝土泵送施工技术规程》中对混凝土泵送压力损失的计算便是以此指标值为基础来进行的。但是，随着混凝土性能不断朝着高性能化的方向发展，混凝土材料体系的组成也发生了较大的变化。高效外加剂及功能掺合料等组分的应用，导致了现代混凝土拌和物性能，尤其是流变性能也发生了较大的改变。工程实践表明，混凝土拌和物的工作性与坍落度或坍落扩展度并非总是呈正相关，尤其是大流态混凝土，坍落扩展度过大往往会导致混凝土离析，传统以坍落扩展度值为指标来评价混凝土的工作性，认为“坍落扩展度越大、混凝土工作性就越好”的传统观念已难以满足现代混凝土工程施工的需要。

相比于传统评价方法，流变仪测试方法通过检测新拌混凝土拌和物的流变参数（如屈服应力τ和塑性黏度μ），能够更好地从本质上描述混凝土的工作性，并且物理意义明确[4]，如Mechtcherine等采用滑管式流变仪模拟混凝土在泵管中流动，测试压力与流速，得到的流变参数可直接真实地体现润滑层的流动阻力，其预测的压力/流量关系与现场实测结果非常接近。

同时，采用计算机数值仿真技术模拟混凝土超高泵送，分析不同工作性的新拌混凝土在泵送过程中的流动状态，可为混凝土泵送施工提供指导，如日本学者Nanayakkara通过建立混凝土泵送时的数学模型，揭示了离析和堵管的物理机理，用以解释、描述、预测诸如离析、堵管、压力损失等物理现象。

综上所述，为满足现代混凝土工程需要，通过混凝土流变仪测试方法与数值仿真分析相结合，研究新拌混凝土工作性评价方法是十分必要的。

1 试验

1.1 原材料

所用原材料包括安徽铜陵海螺水泥有限公司提供的P.Ⅱ52.5硅酸盐水泥、上海宝田新型建材有限公司提供的S95级粒化高炉矿渣粉、太仓杰捷新型建材有限公司提供的Ⅱ级粉煤灰、芜湖县申海建材有限公司提供的中砂、湖州新开元碎石有限公司提供的5～25 mm碎石以及上海麦斯特建工高科技建筑化工有限公司提供的聚羧酸系高效减水剂，拌和水为自来水。

1.2 试验方法

新拌混凝土坍落扩展度试验按GB/T 50080—2002《普通混凝土拌和物性能试验方法标准》进行。

新拌混凝土流变学试验采用丹麦ICAR流变仪（图1）进行，通过控制叶片式回转头的转速，采集叶片产生的扭矩，计算混凝土的动/静态屈服应力和塑性黏度。

图1 ICAR混凝土流变仪

2 结果及分析

2.1 混凝土工作性的临界效应

试验表明，随着混凝土减水剂掺量的不断提升，混凝土坍落扩展度指标值也随之增加，这在一定程度上改善了混凝土的工作性能，利于泵送施工。然而工程实践表明，当混凝土坍落扩展度超过一定临界值之后，混凝土将发生离析泌水现象，在高压作用下，便会导致堵管甚至爆管事故，影响工程施工进度与安全。

为此，本文选取C30、C60、C80三种不同强度等级新拌混凝土为研究对象，采用流变仪测试与坍落扩展度测试相结合的方法，研究混凝土工作性的临界效应，并揭示其内在机理。表1给出了C30、C60、C80三种不同强度等级新拌混凝土的配合比设计表。图2分别给出了C30、C60、C80三种不同强度等级新拌混凝土的塑性黏度µ随坍落扩展度U的变化规律。

表1 混凝土配合比设计 单位：kg/m3

图2 不同强度的混凝土µ-U变化规律

由图2可知，随着新拌混凝土坍落扩展度的不断增加（由混凝土外加剂掺量进行控制），混凝土塑性黏度均呈现出先减小、后增大的抛物线变化趋势。这主要是由于随着初期减水剂掺量的增加，水泥颗粒表面静电排斥作用增强，絮凝结构解体，释放出被包裹的部分自由水，参与流动，从而有效地增加混凝土坍落扩展度，降低混凝土塑性黏度，改善混凝土拌和物的工作性能；然而当新拌混凝土坍落扩展度超过某一临界值（C30混凝土为170 mm、C60混凝土为750 mm、C80混凝土为710 mm）时，混凝土拌和物开始出现离析、泌水/泌浆等不良现象，混凝土拌和物工作性急剧下降，这在实际高压泵送过程中表现得更加明显，最终导致堵管、爆管等事故。因此，对于新拌混凝土而言，坍落扩展度越大，混凝土工作性并非越好，这一点可以从上述混凝土拌和物流变特性变化规律得到证明。可以认为，混凝土工作性是存在一个临界效应的。

2.2 混凝土工作性区间带控制方法

根据本文2.1节分析，工作性控制区间带上限值，即适合泵送施工的混凝土坍落扩展度最大值Umax、塑性黏度最小值µmin，可由塑性黏度随坍落扩展度抛物线变化规律拟合曲线μ=f（U）=aU2+bU+c的最低点对应求得，混凝土坍落扩展度实际值超过该上限值，则该拌和物将发生离析，对泵送施工十分不利。理论上，只要输送泵输出压力足够大，便可实现低坍落扩展度混凝土的泵送施工，这样可以在一定程度上节约混凝土原材料成本。然而高泵压强行输送，会大幅增加混凝土输送泵的油耗以及相关零部件的损耗，从而增加工程施工成本，这两种成本叠加形成经济型综合成本，如图3所示。该综合成本曲线最低值所对应的便是可接受的混凝土塑性黏度最大值µmax，即坍落扩展度最小值Umin，混凝土坍落扩展度实际值低于该下限值，则泵送施工在经济上是不合理的。

图3 经济型综合成本示意

因此，对于混凝土工程而言，存在一个适合泵送施工的混凝土工作性控制区间带，该区间带由混凝土拌和物坍落扩展度上下限临界值决定，如图4所示。

图4 新拌混凝土工作性区间带控制方法

2.3 混凝土拌和物流变参数仿真分析

研究表明，混凝土拌和物流变特性会对混凝土泵送压力损失产生重要影响。本文采用Fluent软件对混凝土超高泵送过程进行数值仿真。结果表明，混凝土塑性黏度增大，泵送压力损失随之增大，在固定输送距离的情况下，对输送泵出口压力要求越高，如图5所示。

图5 新拌混凝土塑性黏度与泵送压力损失关系

而对于混凝土输送泵而言，都存在其理论最大输出压力，在预留足够安全储备（一般取1.15）后，其实际最大输出压力Pmax便是一个相对固定的值。通过上述数值仿真计算分析，便可根据Pmax值，计算确定理论上可接受的混凝土拌和物塑性黏度最大值µmax（坍落扩展度最低值Umin）；结合本文2.2节工程经济性分析结论，二者对比得出最终混凝土拌和物塑性黏度最大值µmax（坍落扩展度最低值Umin），即混凝土工作性控制区间带下限值。

3 结语

1）通过混凝土流变仪测试研究与泵送仿真分析相结合，建立新拌混凝土工作性控制区间带，该区间带以塑性黏度和坍落扩展度为控制参数，其下限值通过流变学试验与坍落扩展度试验共同确定，上限值通过泵送仿真分析与工程经济性分析共同确定。

2）基于混凝土流变学参数确定的混凝土工作性控制区间带的提出，突破了传统坍落扩展度指标控制存在的局限性，为混凝土泵送施工提供理论指导与技术支撑，满足了现代混凝土工程施工的需要。

3）混凝土流变学的研究为混凝土工作性控制提供了新的途径，然而不同研究人员得到的工作性控制区间带可能会存在差异，这与混凝土流变学参数测试方法的不统一有关，有待于广大研究人员的进一步研究与探索。