L形箱測(cè)試自密實(shí)混凝土工作性能研究現(xiàn)狀

楊斌羅慰祖張曉燕

（1南華大學(xué)核三力技術(shù)有限公司；2南華大學(xué)土木工程學(xué)院）

L形箱測(cè)試自密實(shí)混凝土工作性能研究現(xiàn)狀

楊斌1羅慰祖2張曉燕2

（1南華大學(xué)核三力技術(shù)有限公司；2南華大學(xué)土木工程學(xué)院）

自密實(shí)混凝土屬于高性能混凝土的一種，代表高性能混凝土的發(fā)展方向。自密實(shí)混凝土工作性能的測(cè)試方法很多，本文簡(jiǎn)單介紹利用L形箱測(cè)試評(píng)價(jià)自密實(shí)混凝土的工作性能研究現(xiàn)狀，指出L形箱測(cè)試技術(shù)的發(fā)展方向。

自密實(shí)混凝土；L形箱；工作性能；評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

1　前言

自密實(shí)混凝土（Sel f-Com pacti ng Concrete，簡(jiǎn)稱SCC），又稱高流動(dòng)混凝土，通過摻入高效減水劑使混凝土拌合物得到高流動(dòng)性，混凝土拌合物可依靠自重，不經(jīng)振搗充滿模板包裹鋼筋達(dá)到密實(shí)，屬于高性能混凝土的一種[1]。自密實(shí)混凝土具有良好工作性能，可澆筑復(fù)雜、薄窄鋼筋密集的結(jié)構(gòu)，能解決傳統(tǒng)施工過程中，鋼筋密集區(qū)難以振搗，鋼筋和預(yù)埋件振搗移位的問題，同時(shí)可減輕勞動(dòng)強(qiáng)度、改善勞動(dòng)環(huán)境、縮短工期減少成本等特點(diǎn)。由于自密實(shí)混凝土工作性能上的優(yōu)越性，對(duì)于自密實(shí)混凝土的研究與應(yīng)用越來越廣泛。

測(cè)試新拌自密實(shí)混凝土的工作性能，主要是評(píng)價(jià)自密實(shí)混凝土填充能力、間隙通過能力、穩(wěn)定性這三種工作性能，這些工作性能直接影響自密實(shí)混凝土的工程應(yīng)用。填充能力是自密實(shí)混凝土最基本的工作性能，是自密實(shí)混凝土工作性能的體現(xiàn)，在不振搗的情況下填充到結(jié)構(gòu)的各個(gè)部位，且不會(huì)在混凝土結(jié)構(gòu)的內(nèi)部和表面引入多余的氣泡；間隙通過能力可以保證混凝土在鋼筋密集、無法振搗的結(jié)構(gòu)中，混凝土能夠順利到達(dá)各個(gè)部位，是比填充性要求更高的性能；穩(wěn)定性是自密實(shí)混凝土施工過程中保持自密實(shí)能力以及自密實(shí)混凝土硬化后勻質(zhì)性的能力，是自密實(shí)混凝土成功的關(guān)鍵。因此，對(duì)這三種工作性能的評(píng)價(jià)缺一不可。

測(cè)試的儀器與方法主要有坍落度拓展度、V型漏斗、L形箱、U型儀、J型環(huán)、O ri m et儀等。在國內(nèi)外出版的各個(gè)規(guī)范和章程中都有詳細(xì)說明[2-8]。其中L形箱是一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作簡(jiǎn)便、易于推廣應(yīng)用的測(cè)試儀器，故本文簡(jiǎn)單介紹L形箱測(cè)試新拌自密實(shí)混凝土工作性能的研究現(xiàn)狀。

2　傳統(tǒng)L形箱測(cè)試方法

L形箱（圖1至圖3）最初由日本學(xué)者設(shè)計(jì)，用于評(píng)價(jià)水下自密實(shí)混凝土，由一個(gè)豎直和一個(gè)水平的矩形箱組成，形狀呈“L”型，在兩個(gè)矩形箱連接處設(shè)有活動(dòng)門和阻滯鋼筋。當(dāng)混凝土拌合物的坍落度大于20cm時(shí)，拌合物可以順利的從L形箱中流出，并在水平槽中流動(dòng)至趨于水平狀態(tài)，但是混凝土拌合物坍落度小于20cm時(shí)，拌合物只能在水平槽中緩慢流動(dòng)一段距離，這說明L形箱適用于大流動(dòng)性的拌合物，尤其是自密實(shí)混凝土。

圖1　日本標(biāo)準(zhǔn)L形箱

圖2　歐洲標(biāo)準(zhǔn)L形箱

測(cè)試時(shí)，用混凝土將豎直箱填滿，靜置1m i n，然后打開活動(dòng)門，待混凝土流入水平箱并停止流動(dòng)后，測(cè)量水平箱遠(yuǎn)端混凝土高度h2和豎直箱內(nèi)混凝土高度h1。自密實(shí)混凝土的填充性可以用h2/h1來評(píng)價(jià)，當(dāng)h2/h1越接近1時(shí)，填充性能越好；L形箱對(duì)自密實(shí)混凝土的抗離析性比較敏感，在打開活動(dòng)門前靜置1m i n，穩(wěn)定性不夠的新拌自密實(shí)混凝土?xí)诹鲃?dòng)開始時(shí)出現(xiàn)堵塞的現(xiàn)象；流動(dòng)停止后，在規(guī)范的鋼筋網(wǎng)后沒有明顯的粗骨料堆積，則自密實(shí)混凝土的間隙通過能力良好。

L形箱在一定程度上可以同時(shí)評(píng)價(jià)自密實(shí)混凝土的三種工作性能，而且可以通過改變阻滯鋼筋構(gòu)件的尺寸、鋼筋特點(diǎn)可以評(píng)價(jià)適用于不同結(jié)構(gòu)的自密實(shí)混凝土的工作性能。

3　改進(jìn)L形箱

圖3　美國標(biāo)準(zhǔn)L形箱

在國內(nèi)外各規(guī)范中都推薦使用L形箱評(píng)價(jià)自密實(shí)的工作性能，與其他試驗(yàn)儀器相比，L形箱是各規(guī)范中操作方法、儀器規(guī)格和評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)相差最小的儀器。

圖4　中國標(biāo)準(zhǔn)L形箱

傳統(tǒng)的L形箱試驗(yàn)，能夠粗略的評(píng)價(jià)自密實(shí)混凝土的工作性能，試驗(yàn)裝置的材料沒有統(tǒng)一，試驗(yàn)過程容易由于操作不當(dāng)引起誤差。隨著自密實(shí)混凝土的研究不斷深入，L形箱的測(cè)試方法、裝置和評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)沒有得到及時(shí)的改進(jìn)和更新，在自密實(shí)混凝土工作性能測(cè)試上難以跟上研究的步伐。因此國內(nèi)外很多學(xué)者在已有L形箱的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，通過改進(jìn)的儀器能更精確的評(píng)價(jià)自密實(shí)混凝土的工作性能。

楊靜等[9]學(xué)者認(rèn)為變形能力和變形速度兩個(gè)指標(biāo)更能反應(yīng)自密實(shí)混凝土的工作性能，通過改變L形箱尺寸（圖5），測(cè)量相關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù)來反應(yīng)自密實(shí)混凝土的變形能力和變形速度。

圖5　改進(jìn)尺寸的L形箱

試驗(yàn)通過混凝土拌合物流動(dòng)到水平槽不同距離的時(shí)間反應(yīng)變形速度，通過豎直箱坍落的高度和水平槽流動(dòng)的最大距離反應(yīng)變形能力。

武漢理工大學(xué)的研究人員[10]（圖6）針對(duì)應(yīng)用于狹長封閉的無砟軌道結(jié)構(gòu)的自密實(shí)混凝土，要求能更精確的測(cè)試自密實(shí)混凝土的填充性和抗離析性。研究人員對(duì)傳統(tǒng)L形箱的尺寸和結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)，并運(yùn)用新的測(cè)試方法，得到評(píng)價(jià)自密實(shí)混凝土填充性和抗離析性的計(jì)算公式。

圖6　改進(jìn)尺寸與結(jié)構(gòu)的L形箱

該改進(jìn)儀器是專門適用于狹長封閉結(jié)構(gòu)，相對(duì)傳統(tǒng)L形箱測(cè)試，能夠得到更為精確，而且能用公式求導(dǎo)的填充性和抗離析性。

自密實(shí)混凝土的工作性能要求很多，但是各標(biāo)準(zhǔn)推薦的測(cè)試方法中，還沒有單一的一種測(cè)試方法能夠完全評(píng)價(jià)其工作性能，往往需要兩種或以上的儀器進(jìn)行測(cè)試。為了得到一種能全面評(píng)價(jià)自密實(shí)混凝土工作性能的裝置，研究人員將幾種儀器進(jìn)行組合。

由河海大學(xué)研究人員設(shè)計(jì)[11]（圖7）與北京工業(yè)大學(xué)設(shè)計(jì)[12]（圖8）的兩款組合儀器，分別將L形箱試驗(yàn)與坍落擴(kuò)展度和U型箱結(jié)合，實(shí)現(xiàn)一個(gè)儀器可以進(jìn)行兩種實(shí)現(xiàn)，有利于解決運(yùn)用兩種儀器試驗(yàn)時(shí)存在的連續(xù)性和精確性較差的問題。

圖7　與坍落度結(jié)合的L形箱

圖8　與U形儀結(jié)合的L形箱

還有一些改進(jìn)的L型測(cè)試儀在傳統(tǒng)的L形箱基礎(chǔ)上進(jìn)行尺寸的改變，增加一些測(cè)試裝置，能夠得到自密實(shí)混凝土更精確的工作性能。

在傳統(tǒng)L形箱基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)的L型測(cè)試儀，能夠得到更精確的填充性、間隙通過性和抗離析的工作性能，但是沒有提出新的測(cè)試方法和評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，也沒有反映影響自密實(shí)混凝土工作性能的本質(zhì)原因。

4　流變學(xué)角度

從流變學(xué)的角度研究自密實(shí)混凝土的工作性能，可以了解自密實(shí)混凝土的本質(zhì)特征，有利于自密實(shí)混凝土的發(fā)展。流變學(xué)研究的是物體的變形和流動(dòng)的學(xué)科，研究對(duì)象主要是流體。一般認(rèn)為新拌自密實(shí)混凝土屬于賓漢姆流體，也有研究學(xué)者認(rèn)為H erschel-Bul kl ey模型更符合其變形規(guī)律，常用用屈服應(yīng)力和塑性粘度兩個(gè)參數(shù)定義自密實(shí)混凝土的流動(dòng)性，并滿足如下關(guān)系：

賓漢姆模型：τ=τ0+μp（?γ/?t）

H-B模型：τ=τ0+a（?γ/?t）b

τ0——屈服應(yīng)力（Pa）；

μ——塑性粘度（Pa·s）

?γ/?t——速度梯度或速度指數(shù)（1/s）；

a—— 一致性因素；

b——冪律指數(shù)。

對(duì)于自密實(shí)混凝土粘性大，不同的配合比，即使坍落度拓展度值相同，但是拌合物坍落的過程與速度會(huì)有很大的區(qū)別，所以通過最終流動(dòng)停止形態(tài)的數(shù)據(jù)已經(jīng)不能全面反映自密實(shí)混凝土的工作性能，采用變形能力和變形速度更為合理，而屈服應(yīng)力和塑性粘度是影響變形能力和變形速度的本質(zhì)因素。當(dāng)自密實(shí)混凝土所受外力或自身重力大于屈服應(yīng)力時(shí)，自密實(shí)混凝土開始流動(dòng)，流動(dòng)的過程主要受到塑性粘度的影響，自密實(shí)混凝土的穩(wěn)定性與屈服應(yīng)力和塑性粘度兩者都存在相關(guān)性。有試驗(yàn)證明[13]，在兩種混凝土的坍落度與屈服應(yīng)力相近的情況下，塑性粘度差別很大，混凝土工作的量化值差距很大，新拌混凝土的工作性能的差別可以用流變參數(shù)反映出來。

4.1混凝土流變參數(shù)研究

流變儀能夠測(cè)出混凝土拌合的剪切應(yīng)力和剪切速率曲線，采用兩點(diǎn)法，可計(jì)算出新拌自密實(shí)混凝土的流變參數(shù)τ0和μp。流變儀主要有BM L旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)、BTRH EO M流變計(jì)和ICAR流變儀等[14-16]，主要分為同軸性和平行板型等，但是有些流變儀價(jià)格昂貴，有些儀器笨重、操作復(fù)雜，有些結(jié)構(gòu)復(fù)雜，有些在試驗(yàn)時(shí)會(huì)發(fā)生卡住葉片的故障，有些會(huì)使混凝土發(fā)生離析，這些存在的問題都不利于流變儀的普及應(yīng)用，且不適合現(xiàn)場(chǎng)使用。

坍落度試驗(yàn)可以評(píng)價(jià)新拌自密實(shí)混凝土的流動(dòng)性，國內(nèi)外很多學(xué)者通過理論分析和大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)，并結(jié)合流變儀測(cè)試數(shù)據(jù)，確定了坍落度試驗(yàn)數(shù)據(jù)與自密實(shí)混凝土流變參數(shù)之間的關(guān)系[17]。

4.2L形箱測(cè)試流變參數(shù)研究

N guyen T L H等[18]利用L形箱試驗(yàn)進(jìn)行理論推導(dǎo)，建立了測(cè)試數(shù)據(jù)h1/h2與均勻流體的流變參數(shù)屈服應(yīng)力之間的關(guān)系。并用石灰粉懸浮液進(jìn)行試驗(yàn)，得到的流變參數(shù)與流變儀測(cè)試結(jié)果吻合較好。

未插阻滯鋼筋時(shí)，有：

在N guyen T L H理論推導(dǎo)的基礎(chǔ)上，Anni ka Gram等[19]運(yùn)用改進(jìn)的L形箱對(duì)水泥砂漿進(jìn)行試驗(yàn)，建立了水泥砂漿屈服應(yīng)力和塑性粘度兩個(gè)流變參數(shù)與實(shí)驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)之間的關(guān)系。

有研究人員在此基礎(chǔ)上利用L形箱對(duì)自密實(shí)混凝土的流變參數(shù)進(jìn)行求導(dǎo)，并得到相關(guān)的求解公式。

劉偉強(qiáng)[20]用L形箱進(jìn)行自密實(shí)混凝土試驗(yàn)，根據(jù)的得到的結(jié)果，對(duì)公式（4）進(jìn)行變換，得到適用于自密實(shí)混凝土的屈服應(yīng)力求解公式（7）；再將坍落度時(shí)間和L箱中的流動(dòng)時(shí)間（T）進(jìn)行擬合，得到他們的關(guān)系，進(jìn)而對(duì)公式(2)進(jìn)行改寫，得到塑性粘度的公式（8）：

單智[21]對(duì)L箱實(shí)驗(yàn)進(jìn)行改進(jìn)，去掉水平槽端部的擋板，根據(jù)流體力學(xué)當(dāng)中的知識(shí)，提出“三段兩區(qū)，穩(wěn)定層流”的假設(shè)，分別對(duì)穩(wěn)定流變與流變終止兩個(gè)狀態(tài)下的流變?cè)磉M(jìn)行推導(dǎo)，并建立相關(guān)測(cè)試參數(shù)與屈服應(yīng)力τ0、塑性粘度μp之間的關(guān)系：

周揚(yáng)[22]借鑒巖石力學(xué)參數(shù)反演的思路，對(duì)新拌自密實(shí)混凝土進(jìn)行L箱流變實(shí)驗(yàn)測(cè)試，記錄相關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，并對(duì)試驗(yàn)過程錄像。然后借助數(shù)值模擬進(jìn)行反演，得到最佳的流變模型和流變參數(shù)。再將L箱得到的流變參數(shù)與新拌自密實(shí)混凝土流變參數(shù)擬合，得到經(jīng)驗(yàn)公式。

μp=0.416×10-3ρgT700+5.04(式12)

上述研究證明通過L形箱試驗(yàn)?zāi)軌虻贸鲎悦軐?shí)混凝土的流變參數(shù)，而且相對(duì)于其他流變儀，L形箱結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作方便。但是根據(jù)流體力學(xué)中的相關(guān)知識(shí)，上述研究使用的L形箱，不能做到忽略側(cè)壁剪切的影響，水平槽末端的擋板引起拌合物回流會(huì)影響拌合物流動(dòng)過程，會(huì)影響試驗(yàn)結(jié)果的精確程度。

5　結(jié)論與展望

隨著社會(huì)的發(fā)展，越來越多的工程將會(huì)使用自密實(shí)混凝土，傳統(tǒng)的測(cè)試方法與儀器難以滿足其工作性能的評(píng)價(jià)，從流變學(xué)角度評(píng)價(jià)自密實(shí)混凝土的工作性能是自密實(shí)混凝土的研究趨勢(shì)。

已有的研究表明，L形箱試驗(yàn)?zāi)軌驕y(cè)試自密實(shí)混凝土的流變參數(shù)，而且能夠克服現(xiàn)有的一些流變儀存在的不足。將L形箱的改進(jìn)與流體力學(xué)的知識(shí)結(jié)合，能夠做到真正忽略側(cè)壁剪切的影響，得到較為簡(jiǎn)單的求解屈服應(yīng)力與塑性粘度的公式，并利用數(shù)值模擬技術(shù)驗(yàn)證流變參數(shù)的正確性。通過研究的不斷深入，L形箱能夠成為結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作方便、價(jià)格便宜的流變儀，為自密實(shí)混凝土工作性能的評(píng)價(jià)提供依據(jù)和參考?！?/p>

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第一作者：楊斌（1968-），男，本科，助理工程師，主要研究方向：土木工程材料，E-m ai l:932936624@qq.com，聯(lián)系電話：13873480832，通訊地址：湖南省衡陽市南華大學(xué)。