低阻力高性能新拌混凝土流變參數(shù)分析

陳曉暉

文章對低阻力高性能新拌混凝土流變參數(shù)進(jìn)行了分析，指出了目前普遍采用的坍落度工作性能指標(biāo)過于籠統(tǒng)，提出建立低阻力混凝土屈服剪應(yīng)力和黏度系數(shù)設(shè)計公式，其計算數(shù)值符合設(shè)計要求即可確定混合料的組成設(shè)計，成為低阻力高性能新拌混凝土的施工性能指標(biāo)。

低阻力高性能新拌混凝土;屈服剪應(yīng)力設(shè)計公式;黏度系數(shù)設(shè)計公式

U416.03A050163

0 引言

新拌混凝土混合料的本質(zhì)特征是其流變性，可采用流變性能本構(gòu)關(guān)系表示。目前的混凝土工作性能指標(biāo)普遍采用坍落度表征。近年來，隨著低阻力高性能混凝土的推廣應(yīng)用，以坍落度、坍落擴展度及其經(jīng)時損失表征的工作性能指標(biāo)過于籠統(tǒng)，難以與混凝土的攪拌、運輸、攤鋪、密實和成型等工藝過程建立聯(lián)系。目前的施工都是根據(jù)不同的施工工藝、工藝特點和施工人員的工程經(jīng)驗，提出各自的施工性能指標(biāo)，這種狀況不利于低阻力高性能混凝土的質(zhì)量監(jiān)控。對此，本文研究建立低阻力混凝土屈服剪應(yīng)力和黏度系數(shù)設(shè)計公式，運用這些新型公式算出的混合料各種參數(shù)，可成為低阻力高性能新拌混凝土的統(tǒng)一施工性能指標(biāo)。此研究成果在馬灘紅水河特大橋橋面鋪裝施工中運用，得到了理想的效果，具有推廣價值。

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質(zhì)特征是其流變性。在材料組成相同時，混凝土混合料的流變性能是相同的，不隨施工工藝變化而變化。混凝土混合料的流變性能受水泥水化和凝結(jié)硬化的影響，本質(zhì)上也是材料組成變化對流變性能的影響。因此，在不同工藝力學(xué)分析時，只應(yīng)根據(jù)材料組成和水泥水化反應(yīng)程度，改變混凝土混合料的流變性能參數(shù)，而不應(yīng)改變混凝土混合料的本構(gòu)關(guān)系[1]。

低阻力混凝土是相對于給定施工工藝而提出的?；炷粱旌狭系氖┕ぷ枇?yīng)明顯低于關(guān)鍵工藝設(shè)備的施工能力，保證關(guān)鍵工序的順利實施。對于水泥混凝土路面和橋面鋪裝施工，采用三軸式攤鋪施工工藝時，三軸式攤鋪機的施工能力是決定性因素。到達(dá)攤鋪現(xiàn)場的混凝土混合料，在施工工藝所要求和允許的時間范圍內(nèi)，混合料的施工阻力應(yīng)小于三軸攤鋪機的攤鋪和整平能力[2]。

本研究以馬灘紅水河特大橋橋面鋪裝為例，其采用直徑為168 mm的三軸式攤鋪機，攤鋪寬度為9 m，安裝在驅(qū)動軸上的電機重量為9 kN，采用鋼模板，干燥條件下最大驅(qū)動力為2.7 kN，在濕潤條件下的最大驅(qū)動力為1.8 kN。

主要施工阻力來源于混凝土混合料的施工阻力，該施工阻力等于混合料的屈服剪應(yīng)力乘以沉入混合料中的振動軸與混合料的接觸面積：

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應(yīng)力（kPa）;

B——三軸式攤鋪機的鋪筑寬度;

a——振動軸與混凝土混合料接觸部分的弧長。

弧長a按式（2）計算：

a=Rcos-1R-hCR（2）

式中：R——振動軸的半徑（mm），R=D/2，D為振動軸的直徑;

hC——振動軸沉入混合料中的深度（mm）。

根據(jù)三軸攤鋪施工的松鋪系數(shù)，振動軸沉入攤鋪混凝土混合料中的深度取值為0.02～0.03 mm。低阻力混凝土的施工阻力應(yīng)滿足下列條件：

FCF（3）

滿足式（3）十分困難，可通過縮減攤鋪寬度、預(yù)先振動密實等措施，降低振動軸沉入深度，從而降低混合料的施工阻力來實現(xiàn)。

在振動密實成型條件下，單位體積中混凝土混合料的組成比例會發(fā)生變化，從而混合料的流變參數(shù)也會發(fā)生變化。振動過程中混凝土混合料表面液化，是顆粒沉降、上部固相體積率降低的結(jié)果。從混合料表面觀察或測定，可看到屈服剪應(yīng)力和黏度系數(shù)降低。

2 橋面鋪裝低阻力高性能混凝土設(shè)計

低阻力高性能混凝土設(shè)計的主要目標(biāo)是設(shè)計屈服剪應(yīng)力和黏度系數(shù)符合低阻力要求的高性能混凝土混合料，而要實現(xiàn)低阻力高性能混凝土混合料組成設(shè)計，必須建立屈服剪應(yīng)力和黏度系數(shù)與材料組成的關(guān)系。

2.1 屈服剪應(yīng)力設(shè)計公式

屈服剪應(yīng)力與材料組成的關(guān)系可表示為：

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應(yīng)力（kPa）;

SV——每立方米混凝土中全部固體顆粒的體積濃度（以小數(shù)表示）;

Vb——每立方米級配粒料中0.075 mm以下的顆粒體積（以小數(shù)表示）;

H1——經(jīng)驗常數(shù)，取值為H1=1.0×10-7 kPa·mm3;

λ——顆粒的線性濃度。

根據(jù)顆粒的體積濃度計算其線性濃度：

λ=[（SVm/SV）1/3-1]-1（5）

式中：SVm——臨界體積濃度;

di——膠凝材料顆粒級配序列中第i號篩的篩孔直徑（mm）;

Pi——膠凝材料級配序列中通過第i號篩的分計含量（以小數(shù)計）;

τ0——靜電排斥力、阻止顆粒相互靠近的彈性力等綜合作用力。

將混凝土視為由固相顆粒物和孔隙水溶液所組成的體系，混凝土混合料的臨界固相體積率SVm=0.90。1 g水泥（比重為3.10）完全水化時消耗0.38 g水，則混凝土中固相體積率為：

SV=Svg+0.38αC（t）mbρw+[1-αC（t）]mbρb（6）

式中：Svg——每m3混凝土中集料體積率;

mw，mb——每m3混凝土中的用水量、膠凝材料用量;

ρw，ρb——水和水泥顆粒的密度;

αC（t）——水化程度函數(shù)，可取為0.05。

此屈服剪應(yīng)力設(shè)計公式經(jīng)過多種場合多次驗證，具有較高的精度，可用于指導(dǎo)低阻力高性能混凝土混合料施工性能設(shè)計。

2.2 黏度系數(shù)設(shè)計公式

混凝土混合料黏度系數(shù)設(shè)計公式，包括：黏度系數(shù)設(shè)計公式;溶液黏度系數(shù)設(shè)計公式;相對黏度系數(shù)設(shè)計公式。其中，建立三層次黏度系數(shù)設(shè)計公式，按照水泥膠凝、砂漿和混凝土三個層次，從水泥膠漿的黏度系數(shù)開始，分層次計算黏度系數(shù)，其計算公式為：

η=ηgrηsrηbrηL（7）

式中：η——混凝土混合料的黏度系數(shù)（Pa·s）;

ηgr——混凝土相對于砂漿的比黏度系數(shù);

ηsr——砂漿相對于水泥膠漿的比黏度系數(shù);

ηbr——水泥膠漿相對于水溶液的比黏度系數(shù);

ηL——溶液的黏度系數(shù)（Pa·s）。

溶液黏度系數(shù)設(shè)計，根據(jù)外加劑種類、摻量和水的黏度系數(shù)，計算外加劑水溶液的黏度系數(shù)，其計算公式為：

ηL=1-kacc0ηw（8）

式中：ηL——溶液的黏度系數(shù)（Pa·s）;

ka——外加劑的減水率常數(shù)（以小數(shù)表示）;

c——外加劑摻量（%）;

c0——外加劑飽和摻量（%）;

ηw——水的黏度系數(shù)（Pa·s）。

選用表面活性劑類的引氣緩凝型高效減水劑，降低溶液的表面張力，其減水率為10%～20%。外加劑按飽和摻量摻用，按較低的減水率減水，將基準(zhǔn)混凝土坍落度提高到50～70 mm，減水率常數(shù)范圍為0.3≤ka≤0.7[3]。

混凝土黏度系數(shù)設(shè)計，根據(jù)顆粒相的體積含量，計算相對黏度系數(shù)，其計算公式為：

ηir=1+λi1+λi2λi（9）

式中：ηir——相對黏度系數(shù);

i——i=b，s，g，分別為水泥膠漿、砂漿和混凝土;

λi——（i=b，s，g）水泥膠漿、砂漿和混凝土中顆粒的線性濃度。

計算線性濃度λi為：

λi=[（SVm/SVi）1/3-1]-1（10）

式中：SVi——（i=b，s，g）水泥膠漿、砂漿和混凝土中顆粒的體積濃度。

水泥膠漿、砂漿和混凝土顆粒的體積濃度分別計算為：

SVb=kV（1+kCGmw/mb）-1（11）

SVs=Vs/Vm（12）

SVg=Vg（13）

式中：SVm——固-相兩相體系中固相顆粒相接觸的臨界體積。

水泥漿、砂漿和混凝土的臨界體積率為：

SVm≈0.56。

2.3 根據(jù)坍落度與屈服剪應(yīng)力的關(guān)系設(shè)計屈服剪應(yīng)力

坍落度與屈服剪應(yīng)力的關(guān)系，可根據(jù)坍落試驗中的受力分析，應(yīng)用混合料的本構(gòu)方程，直接建立以下關(guān)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應(yīng)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，高流動性取高值。

2.4 根據(jù)橋面砂漿鋪裝厚度要求設(shè)計黏度系數(shù)

根據(jù)水泥混凝土橋面鋪裝表面砂漿組成及提漿厚度，確定混凝土混合料最佳黏度系數(shù)范圍，其計算公式為：

umax=d2[g（ρg-ρ）+ρgAω2]36ηt（15）

式中：umax——顆粒的最大移動距離（m）;

d——顆粒直徑（m）;

g——重力加速度（m/s2）;

ρg——顆粒的表觀密度（kg/m3）;

ρ——混凝土混合料的表觀密度（kg/m3）;

A——振動軸的振幅（m）;

ω——振動軸的角頻率（Hz）;

t——持續(xù)振動時間（s）;

η——混合料的黏度（Pa·s）。

橋面鋪裝層中，要求表面砂漿厚度為3 mm，表面砂漿中幾乎不含2.36 mm以上的顆粒，0.6 mm以下的顆粒幾乎不發(fā)生位移。其中，粒徑>2.36 mm的顆粒最大位移量不低于表面砂漿厚度;粒徑<1.18 mm的顆粒最大位移量不大于顆粒直徑。

根據(jù)施工要求，攪動1遍時，混合料中2.36 mm及以上的顆粒沉降量達(dá)到3 mm以上，1.18 mm的顆粒位移量控制為1.0 mm，0.6 mm以下顆粒的沉降量幾乎為零。根據(jù)攪動1～3遍的作用時間和顆粒位移量要求，計算顆粒位移速度。取細(xì)集料顆粒的表觀密度為2 650 kg/m3，則要求混合料的黏度系數(shù)η為20～100 Pa·s。

根據(jù)屈服剪應(yīng)力設(shè)計結(jié)果，驗算水泥膠漿、砂漿和混凝土的相對黏度系數(shù)，按式（7）計算混凝土混合料的黏度系數(shù)值，符合設(shè)計要求時即可確定混合料組成設(shè)計。黏度系數(shù)不滿足要求時，可按照混凝土相對黏度系數(shù)和砂漿相對黏度系數(shù)相等的原則，確定最佳砂率及最低黏度系數(shù);黏度系數(shù)離設(shè)計目標(biāo)相差太大時，可摻表面活性劑類減水劑，按式（8）調(diào)整混合料的黏度系數(shù)。

3 結(jié)語

本文根據(jù)對影響低阻力高性能新拌混凝土流變參數(shù)的分析研究提出了對混凝土混合料的施工阻力、屈服剪應(yīng)力、黏度系數(shù)、坍落度的新計算公式，并在馬灘紅水河特大橋橋面鋪裝中得到了良好的驗證效果。這些公式算出的參數(shù)可作為統(tǒng)一的低阻力高性能新拌混凝土的施工工作性能指標(biāo)，避免了以往根據(jù)經(jīng)驗各行其道的做法，具有推廣價值。

[1]張 璇，李之達(dá)，張志華.基于離散元的新拌混凝土流變性能分析[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報，2017：39（6）：62-67.

[2]韓林海，陶 忠，王文達(dá).現(xiàn)代組合結(jié)構(gòu)和混合結(jié)構(gòu)-試驗、理論和方法[M].北京：科學(xué)出版社，2009.

[3]謝洪學(xué).混凝土配合比實用手冊[M].北京：中國計劃出版社，2002.