鋼纖維自密實混凝土的流變參數(shù)及其剪切增稠特性研究

蘇文德

(廈門軌道交通集團有限公司，福建 廈門 361004)

鋼纖維自密實混凝土的流變參數(shù)及其剪切增稠特性研究

蘇文德

(廈門軌道交通集團有限公司，福建 廈門 361004)

采用現(xiàn)代技術(shù)配制自密實混凝土，能有效拓展水泥基材料在現(xiàn)代海洋、交通以及水利等工程領(lǐng)域的應(yīng)用范圍。采用坍落擴展度等指標(biāo)對鋼纖維自密實混凝土的傳統(tǒng)工作性能進行表征，使用流變儀對拌合物的流變特性進行了測試，并對硬化后的鋼纖維自密實混凝土的抗壓強度進行了測試。結(jié)果表明，對于鋼纖維自密實混凝土，使用冪律型的Herschel-Bulkley方程獲得的屈服應(yīng)力、黏度系數(shù)和流動指數(shù)這三項流變參數(shù)能夠很好地反映拌合物的流變性能。

鋼纖維；自密實混凝土；流變特性；剪切增稠

自密實混凝土正越來越多地應(yīng)用于現(xiàn)代涉海工程。采用現(xiàn)代技術(shù)配制高流動度混凝土，能夠在不實施振搗的情況下快速實現(xiàn)自密實澆筑，解決傳統(tǒng)混凝土施工中的漏振、過振以及鋼筋密集難以振搗等問題，從而降低勞動強度和工程造價，為采用新型結(jié)構(gòu)提供充分條件。我國許多海洋工程位于遠離大陸的外海，這些深水區(qū)域水文條件復(fù)雜，氣象信息多變，工作環(huán)境惡劣，混凝土振搗施工難度大，對材料與結(jié)構(gòu)的耐久性提出了更高的要求。

混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性首先取決于各原材料的品質(zhì)，但在很大程度上也取決于從拌合到澆筑這段時期內(nèi)的流變特性[1]。近年來越來越多的研究者開始嘗試使用流變學(xué)的觀點探索混凝土拌合物的工作性能。研究者使用流變學(xué)中的屈服應(yīng)力和塑性黏度這兩項參數(shù)來描述拌合物的特性[2-3]。水泥基材料拌合物由不同粒徑的顆粒組成，通常情況下可以認為是良好的Bingham流體。也就是說，拌合物克服剪切屈服應(yīng)力之后才會發(fā)生初始流動，而且流動時剪切應(yīng)力和剪切速率之間大致呈現(xiàn)線性比例關(guān)系[4-5]。

國內(nèi)在纖維自密實混凝土領(lǐng)域陸續(xù)展開試驗研究和理論探索，研究多側(cè)重于混凝土拌合物的經(jīng)驗工作性能，并與混凝土配比參數(shù)建立關(guān)聯(lián)[6]。一些研究者依托實際工程，在鋼纖維自密實混凝土配合比設(shè)計優(yōu)化及應(yīng)用領(lǐng)域開展研究工作[7]。也有部分研究者開展了鋼纖維類型及體積率等因素對硬化后混凝土材料的彎曲和變形性能的研究[8-9]。目前國內(nèi)公開出版的文獻資料中，很少見到混凝土拌合物屈服應(yīng)力和塑性黏度的相關(guān)報道[10-11]。本文使用混凝土流變儀，使用屈服應(yīng)力和塑性黏度等流變參數(shù)表征新拌鋼纖維自密實混凝土的工作性能，并對拌合物剪切增稠現(xiàn)象進行了初步探索。

1 原材料及試驗方法

1.1原材料

使用P·Ⅱ 42.5水泥，密度3 020 kg/m3；硅灰為埃肯公司半加密硅灰；粉煤灰為某電廠Ⅰ級粉煤灰；礦渣粉為S95級礦渣粉；石粉系采用石灰?guī)r加工而成的石灰石粉。水泥及各種礦物摻合料的化學(xué)組成如表1所示。

表1 水泥及礦物摻合料的化學(xué)組成 Tab. 1 Chemical compositions of cement and other mineral admixtures (wt.%)

減水劑為聚羧酸高性能減水劑。細骨料細度模數(shù)為2.9，平均粒徑0.55 mm，表觀密度2 650 kg/m3；粗骨料為5～16 mm碎石，表觀密度2 870 kg/m3。

1.2試驗方法

試驗采用的配合比如表2所示。為保證混凝土拌合物具有較好的工作性能及力學(xué)性能，依據(jù)自密實混凝土設(shè)計方法，首先選取拌合物水灰比為0.22，單位用水量設(shè)定為160 kg或180 kg。據(jù)此計算各配合比中膠材用量在727～818 kg之間。

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

混凝土采用TM3-100自落式攪拌機拌合，拌合時間180 s。分別測定每組拌合物的坍落擴展度、J-坍落擴展度和漿體坍?dāng)U至500 mm直徑所需時間(T500)等傳統(tǒng)工作性能參數(shù)。另外在加水拌合后的60 min、120 min和180 min，分別使用ConTec Viscometer混凝土流變儀測定拌合物的轉(zhuǎn)動速率及對應(yīng)的剪切應(yīng)力，通過計算得到拌合物的流變參數(shù)。該流變儀測試部分由外圓筒和內(nèi)圓筒(包括上部單元、下部單元和頂環(huán))組成。測試時，盛放混凝土的外圓筒以不同速度旋轉(zhuǎn)，內(nèi)圓筒中的上部單元測量扭矩，底部單元消除或降低底部效應(yīng)，頂環(huán)則用以穩(wěn)定測試高度。內(nèi)外圓筒的表面都有豎直的隔板用以消減混凝土的滑移。

2 結(jié)果及分析

2.1傳統(tǒng)工作性能

拌合物的傳統(tǒng)工作性能如表3所示。

表3 拌合物傳統(tǒng)工作性能Tab. 3 Workability and physical properties of fresh steel-fiber-reinforced SCCs

由表3可知，摻加石粉的鋼纖維自密實混凝土，其坍落擴展度和J-坍落擴展度明顯低于摻加礦渣鋼纖維自密實混凝土，說明其流動性稍差。

2.2流變參數(shù)

使用ConTec Viscometer混凝土流變儀測定拌合物的轉(zhuǎn)動速率及對應(yīng)的剪切應(yīng)力，以SS8在不同時間的測試結(jié)果為例，其響應(yīng)力矩T與測試桶轉(zhuǎn)速N的關(guān)系如圖1所示。

圖1 響應(yīng)力矩T與測試桶轉(zhuǎn)速N的關(guān)系Fig. 1 Relationship between response torque T and test drum speed N

由圖1可以看出，響應(yīng)力矩與轉(zhuǎn)速之間存在明顯的非線性關(guān)系，因此拌合物的剪切應(yīng)力也會隨著剪切速率的不斷增加而呈現(xiàn)出非線性的增長關(guān)系，導(dǎo)致黏度隨著剪切速率的增加而增大，這種現(xiàn)象被稱為混凝土拌合物的剪切增稠特性。此時線性的的Bingham方程不再適合描述拌合物的流變特性，可以用冪律型的關(guān)系式對試驗數(shù)據(jù)點進行線性回歸，如下式所示：

式中：GHB為流體響應(yīng)系數(shù)(N·m)；HHB為黏度因子(N·m·sJ)；J為流動指數(shù)因子(無量綱)。將回歸分析得到的GHB和HHB值代入式(2)～(4)得到拌合物基于Herschel-Bulkley方程的流變參數(shù)：

式中：τ0,HB為屈服應(yīng)力(Pa)；K為黏度系數(shù)(Pa·sn)；n為流動指數(shù)(無量綱)。當(dāng)n>1時，拌合物表現(xiàn)出剪切增稠特性；當(dāng)n<1時，拌合物表現(xiàn)出剪切致稀特性。

拌合物流變參數(shù)如表4所示。

表4 基于Herschel-Bulkley方程的自密實混凝土拌合物流變參數(shù)Tab. 4 Rheological parameters of fresh SCCs according to Herschel-Bulkley function

由此得到拌合物剪切應(yīng)力與剪切速率之間的Herschel-Bulkley關(guān)系方程，如式(5)所示：

不同靜置時間SS8拌合物剪切應(yīng)力與剪切速率的關(guān)系如圖2所示。

由圖2及表4可知，拌合物剪切應(yīng)力與剪切速率之間存在明顯的非線性增長關(guān)系，且SS8組混凝土拌合物的屈服應(yīng)力τ0,HB和黏度系數(shù)K則隨著靜置時間的增長而降低。

不同配比混凝土在60 min時剪切應(yīng)力與剪切速率的關(guān)系如圖3所示。由圖3及表4可知，與SS5相比，摻加鋼纖維的SS8的屈服應(yīng)力τ0,HB增大，但由于用水量較SS5增加了20 kg/m3，SS8的黏度系數(shù)K降低。由SS8與LS1 的流變曲線可知，摻加石粉的LS1拌合物，其屈服應(yīng)力雖然略高，但塑性系數(shù)K和流動指數(shù)n則都有明顯的降低。

圖3 不同配比混凝土在60 min時剪切應(yīng)力與剪切速率的關(guān)系Fig. 3 Shear stress with relation to shear rate at water addition time 60 min for different SCCs

2.3力學(xué)性能

拌合物流變性能測試完成之后，及時裝入100 mm×100 mm×100 mm的鋼模，將成型好的試樣按標(biāo)準(zhǔn)條件進行養(yǎng)護，并測試其在7 d、28 d和90 d的抗壓強度，試驗結(jié)果如表5所示。

表5 鋼纖維自密實混凝土在不同齡期時的抗壓強度Tab. 5 Compressive strength of fresh steel-fiber-reinforced high strength SCCs with different curing durations

由表5可知，水灰比一定時，膠材用量對纖維自密實混凝土抗壓強度產(chǎn)生主要影響。當(dāng)膠材總量增大時，混凝土的抗壓強度也隨之增大。而當(dāng)水灰比和膠材用量都不變時，摻加礦渣的鋼纖維混凝土比石灰石粉鋼纖維混凝土的強度略有增高。

3 結(jié) 語

采用坍落擴展度等指標(biāo)對鋼纖維自密實混凝土的傳統(tǒng)工作性能進行表征，并使用流變儀對拌合物的流變特性進行了測試。主要結(jié)論如下：

1)本研究中的鋼纖維自密實混凝土拌合物表現(xiàn)出剪切增稠特性。鋼纖維自密實混凝土拌合物的剪切應(yīng)力隨著剪切速率呈現(xiàn)出冪律型的增長關(guān)系，因此拌合物的黏度并非一個固定的常數(shù)，而是隨著剪切速率的增加而增大。剪切增稠特性的影響因素還有待進一步開展深入探討。

2)隨著時間的增加，各組拌合物的屈服應(yīng)力和黏度系數(shù)都不斷增加。礦渣鋼纖維自密實混凝土的流動指數(shù)隨著靜置時間的增加而降低，而石粉纖維自密實混凝土的流動指數(shù)隨著靜置時間的增加而增大。

3)當(dāng)水灰比不變時，鋼纖維的摻入能夠增加拌合物的屈服應(yīng)力，用水量的增加則會降低拌合物的黏度系數(shù)。除此之外，若使用石灰石粉取代礦渣粉作為礦物摻合料，拌合物的屈服應(yīng)力變化不大，但是黏度系數(shù)和流動指數(shù)有較為明顯的降低。

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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

蘇文德(1973-)，男，高級工程師，主要從事地下工程研究與建設(shè)。E-mail：suwende1973@163.com