低阻力高性能新拌混凝土流变参数分析

陈晓晖

文章对低阻力高性能新拌混凝土流变参数进行了分析，指出了目前普遍采用的坍落度工作性能指标过于笼统，提出建立低阻力混凝土屈服剪应力和黏度系数设计公式，其计算数值符合设计要求即可确定混合料的组成设计，成为低阻力高性能新拌混凝土的施工性能指标。

低阻力高性能新拌混凝土;屈服剪应力设计公式;黏度系数设计公式

U416.03A050163

0 引言

新拌混凝土混合料的本质特征是其流变性，可采用流变性能本构关系表示。目前的混凝土工作性能指标普遍采用坍落度表征。近年来，随着低阻力高性能混凝土的推广应用，以坍落度、坍落扩展度及其经时损失表征的工作性能指标过于笼统，难以与混凝土的搅拌、运输、摊铺、密实和成型等工艺过程建立联系。目前的施工都是根据不同的施工工艺、工艺特点和施工人员的工程经验，提出各自的施工性能指标，这种状况不利于低阻力高性能混凝土的質量监控。对此，本文研究建立低阻力混凝土屈服剪应力和黏度系数设计公式，运用这些新型公式算出的混合料各种参数，可成为低阻力高性能新拌混凝土的统一施工性能指标。此研究成果在马滩红水河特大桥桥面铺装施工中运用，得到了理想的效果，具有推广价值。

1 低阻力高性能新拌混凝土的概念

新拌高性能混凝土混合料的本质特征是其流变性。在材料组成相同时，混凝土混合料的流变性能是相同的，不随施工工艺变化而变化。混凝土混合料的流变性能受水泥水化和凝结硬化的影响，本质上也是材料组成变化对流变性能的影响。因此，在不同工艺力学分析时，只应根据材料组成和水泥水化反应程度，改变混凝土混合料的流变性能参数，而不应改变混凝土混合料的本构关系[1]。

低阻力混凝土是相对于给定施工工艺而提出的。混凝土混合料的施工阻力应明显低于关键工艺设备的施工能力，保证关键工序的顺利实施。对于水泥混凝土路面和桥面铺装施工，采用三轴式摊铺施工工艺时，三轴式摊铺机的施工能力是决定性因素。到达摊铺现场的混凝土混合料，在施工工艺所要求和允许的时间范围内，混合料的施工阻力应小于三轴摊铺机的摊铺和整平能力[2]。

本研究以马滩红水河特大桥桥面铺装为例，其采用直径为168 mm的三轴式摊铺机，摊铺宽度为9 m，安装在驱动轴上的电机重量为9 kN，采用钢模板，干燥条件下最大驱动力为2.7 kN，在湿润条件下的最大驱动力为1.8 kN。

主要施工阻力来源于混凝土混合料的施工阻力，该施工阻力等于混合料的屈服剪应力乘以沉入混合料中的振动轴与混合料的接触面积：

FC=τyaB（1）

式中：FC——混凝土混合料的施工阻力（kN）;

τy——混凝土混合料的屈服剪应力（kPa）;

B——三轴式摊铺机的铺筑宽度;

a——振动轴与混凝土混合料接触部分的弧长。

弧长a按式（2）计算：

a=Rcos-1R-hCR（2）

式中：R——振动轴的半径（mm），R=D/2，D为振动轴的直径;

hC——振动轴沉入混合料中的深度（mm）。

根据三轴摊铺施工的松铺系数，振动轴沉入摊铺混凝土混合料中的深度取值为0.02～0.03 mm。低阻力混凝土的施工阻力应满足下列条件：

FCF（3）

满足式（3）十分困难，可通过缩减摊铺宽度、预先振动密实等措施，降低振动轴沉入深度，从而降低混合料的施工阻力来实现。

在振动密实成型条件下，单位体积中混凝土混合料的组成比例会发生变化，从而混合料的流变参数也会发生变化。振动过程中混凝土混合料表面液化，是颗粒沉降、上部固相体积率降低的结果。从混合料表面观察或测定，可看到屈服剪应力和黏度系数降低。

2 桥面铺装低阻力高性能混凝土设计

低阻力高性能混凝土设计的主要目标是设计屈服剪应力和黏度系数符合低阻力要求的高性能混凝土混合料，而要实现低阻力高性能混凝土混合料组成设计，必须建立屈服剪应力和黏度系数与材料组成的关系。

2.1 屈服剪应力设计公式

屈服剪应力与材料组成的关系可表示为：

τy=2H1SVVF（2+1/λ）2+λ2（2+1/λ）2（1+1/λ）3∑mi=1Pid3i-τ0（4）

式中：τy——混凝土混合料的屈服剪应力（kPa）;

SV——每立方米混凝土中全部固体颗粒的体积浓度（以小数表示）;

Vb——每立方米级配粒料中0.075 mm以下的颗粒体积（以小数表示）;

H1——经验常数，取值为H1=1.0×10-7 kPa·mm3;

λ——颗粒的线性浓度。

根据颗粒的体积浓度计算其线性浓度：

λ=[（SVm/SV）1/3-1]-1（5）

式中：SVm——临界体积浓度;

di——胶凝材料颗粒级配序列中第i号筛的筛孔直径（mm）;

Pi——胶凝材料级配序列中通过第i号筛的分计含量（以小数计）;

τ0——静电排斥力、阻止颗粒相互靠近的弹性力等综合作用力。

将混凝土视为由固相颗粒物和孔隙水溶液所组成的体系，混凝土混合料的临界固相体积率SVm=0.90。1 g水泥（比重为3.10）完全水化时消耗0.38 g水，则混凝土中固相体积率为：

SV=Svg+0.38αC（t）mbρw+[1-αC（t）]mbρb（6）

式中：Svg——每m3混凝土中集料体积率;

mw，mb——每m3混凝土中的用水量、胶凝材料用量;

ρw，ρb——水和水泥颗粒的密度;

αC（t）——水化程度函数，可取为0.05。

此屈服剪应力设计公式经过多种场合多次验证，具有较高的精度，可用于指导低阻力高性能混凝土混合料施工性能设计。

2.2 黏度系数设计公式

混凝土混合料黏度系数设计公式，包括：黏度系数设计公式;溶液黏度系数设计公式;相对黏度系数设计公式。其中，建立三层次黏度系数设计公式，按照水泥胶凝、砂浆和混凝土三个层次，从水泥胶浆的黏度系数开始，分层次计算黏度系数，其计算公式为：

η=ηgrηsrηbrηL（7）

式中：η——混凝土混合料的黏度系数（Pa·s）;

ηgr——混凝土相对于砂浆的比黏度系数;

ηsr——砂浆相对于水泥胶浆的比黏度系数;

ηbr——水泥胶浆相对于水溶液的比黏度系数;

ηL——溶液的黏度系数（Pa·s）。

溶液黏度系数设计，根据外加剂种类、掺量和水的黏度系数，计算外加剂水溶液的黏度系数，其计算公式为：

ηL=1-kacc0ηw（8）

式中：ηL——溶液的黏度系数（Pa·s）;

ka——外加剂的减水率常数（以小数表示）;

c——外加剂掺量（%）;

c0——外加剂饱和掺量（%）;

ηw——水的黏度系数（Pa·s）。

选用表面活性剂类的引气缓凝型高效减水剂，降低溶液的表面张力，其减水率为10%～20%。外加剂按饱和掺量掺用，按较低的减水率减水，将基准混凝土坍落度提高到50～70 mm，减水率常数范围为0.3≤ka≤0.7[3]。

混凝土黏度系数设计，根据颗粒相的体积含量，计算相对黏度系数，其计算公式为：

ηir=1+λi1+λi2λi（9）

式中：ηir——相对黏度系数;

i——i=b，s，g，分别为水泥胶浆、砂浆和混凝土;

λi——（i=b，s，g）水泥胶浆、砂浆和混凝土中颗粒的线性浓度。

计算线性浓度λi为：

λi=[（SVm/SVi）1/3-1]-1（10）

式中：SVi——（i=b，s，g）水泥胶浆、砂浆和混凝土中颗粒的体积浓度。

水泥胶浆、砂浆和混凝土颗粒的体积浓度分别计算为：

SVb=kV（1+kCGmw/mb）-1（11）

SVs=Vs/Vm（12）

SVg=Vg（13）

式中：SVm——固-相两相体系中固相颗粒相接触的临界体积。

水泥浆、砂浆和混凝土的临界体积率为：

SVm≈0.56。

2.3 根据坍落度与屈服剪应力的关系设计屈服剪应力

坍落度与屈服剪应力的关系，可根据坍落试验中的受力分析，应用混合料的本构方程，直接建立以下关系：

S=300-2 000τyγC（1-v）（14）

式中：S——混凝土坍落度（mm）;

τy——混凝土混合料屈服剪应力（kPa）;

γC——混凝土混合料的重度（kN/m3）;

v——混合料泊松比，v=0.3～0.5，高流动性取高值。

2.4 根据桥面砂浆铺装厚度要求设计黏度系数

根据水泥混凝土桥面铺装表面砂浆组成及提浆厚度，确定混凝土混合料最佳黏度系数范围，其计算公式为：

umax=d2[g（ρg-ρ）+ρgAω2]36ηt（15）

式中：umax——颗粒的最大移动距离（m）;

d——颗粒直径（m）;

g——重力加速度（m/s2）;

ρg——颗粒的表观密度（kg/m3）;

ρ——混凝土混合料的表觀密度（kg/m3）;

A——振动轴的振幅（m）;

ω——振动轴的角频率（Hz）;

t——持续振动时间（s）;

η——混合料的黏度（Pa·s）。

桥面铺装层中，要求表面砂浆厚度为3 mm，表面砂浆中几乎不含2.36 mm以上的颗粒，0.6 mm以下的颗粒几乎不发生位移。其中，粒径>2.36 mm的颗粒最大位移量不低于表面砂浆厚度;粒径<1.18 mm的颗粒最大位移量不大于颗粒直径。

根据施工要求，搅动1遍时，混合料中2.36 mm及以上的颗粒沉降量达到3 mm以上，1.18 mm的颗粒位移量控制为1.0 mm，0.6 mm以下颗粒的沉降量几乎为零。根据搅动1～3遍的作用时间和颗粒位移量要求，计算颗粒位移速度。取细集料颗粒的表观密度为2 650 kg/m3，则要求混合料的黏度系数η为20～100 Pa·s。

根据屈服剪应力设计结果，验算水泥胶浆、砂浆和混凝土的相对黏度系数，按式（7）计算混凝土混合料的黏度系数值，符合设计要求时即可确定混合料组成设计。黏度系数不满足要求时，可按照混凝土相对黏度系数和砂浆相对黏度系数相等的原则，确定最佳砂率及最低黏度系数;黏度系数离设计目标相差太大时，可掺表面活性剂类减水剂，按式（8）调整混合料的黏度系数。

3 结语

本文根据对影响低阻力高性能新拌混凝土流变参数的分析研究提出了对混凝土混合料的施工阻力、屈服剪应力、黏度系数、坍落度的新计算公式，并在马滩红水河特大桥桥面铺装中得到了良好的验证效果。这些公式算出的参数可作为统一的低阻力高性能新拌混凝土的施工工作性能指标，避免了以往根据经验各行其道的做法，具有推广价值。

[1]张 璇，李之达，张志华.基于离散元的新拌混凝土流变性能分析[J].武汉理工大学学报，2017：39（6）：62-67.

[2]韩林海，陶 忠，王文达.现代组合结构和混合结构-试验、理论和方法[M].北京：科学出版社，2009.

[3]谢洪学.混凝土配合比实用手册[M].北京：中国计划出版社，2002.