肖 鵬（成都市郫縣交通運(yùn)輸局，四川成都611730）

新拌混凝土流變特性是指拌合料在外力作用下的變形、流動(dòng)的能力。新拌混凝土屬賓漢姆流變模型，其流變參數(shù)主要包括屈服應(yīng)力 和塑性粘度 ，屈服應(yīng)力是拌合物開(kāi)始流動(dòng)的重要條件，塑性粘度則表示混凝土流動(dòng)的難易程度。屈服應(yīng)力和塑性粘度是混凝土工作性的自然延伸和本質(zhì)反映，也是反映混凝土工作性的兩個(gè)主要流變參數(shù)，凡影響兩個(gè)流變參數(shù)的因素必影響混凝土工作性[1~3]。

自從上世界90年代高性能混凝土問(wèn)世以來(lái)，由于大量應(yīng)用高效減水劑（外加劑）、超細(xì)礦物摻合料等使拌合物的流變性發(fā)生很大改變，傳統(tǒng)塌落度方法已不適用現(xiàn)代混凝土施工[4~6]。目前已有相當(dāng)集中于混凝土流變特性的科研和開(kāi)發(fā)工作，有關(guān)文章、成果相繼發(fā)表，但被研發(fā)出來(lái)的一系列設(shè)備除作研究使用外并沒(méi)有進(jìn)行實(shí)踐應(yīng)用，相關(guān)理論成果也沒(méi)有投入工程應(yīng)用。本文基于流變儀量測(cè)混凝土流變參數(shù)，試驗(yàn)研究其表征性，量化混凝土原材料微摻量與流變參數(shù)的關(guān)系，建立新拌混凝土流變性預(yù)報(bào)和反饋理論，嘗試探索新型混凝土工作性檢測(cè)、評(píng)價(jià)、反饋優(yōu)化方法，以期精準(zhǔn)控制拌合料性能，提升澆筑質(zhì)量。

1 混凝土流變性研究

1.1 流變儀

目前，基于“兩點(diǎn)法”測(cè)試原理的Btrheom式流變儀應(yīng)用與研究最為廣泛，國(guó)內(nèi)相關(guān)試驗(yàn)研究與工程應(yīng)用部分采用河海大學(xué)田正宏教授等研制的移動(dòng)式混凝土智能流變儀，該流變儀設(shè)計(jì)十字?jǐn)嚢栎S，單片機(jī)智能控制，操作簡(jiǎn)單，可直接應(yīng)用至拌合樓、施工現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)檢測(cè)，輔助新拌混凝土拌合、施工。

圖1 流變儀示意圖

1.2 流變性參數(shù)表征性研究

前期有學(xué)者[7]采用有限元分析方法，得到塌落度與屈服應(yīng)力的經(jīng)驗(yàn)公式：

式中：τf—屈服應(yīng)力，Pa;ρ—容重，kg/m3;S—坍落度，mm。

為研究流變參數(shù)與塌落度的精準(zhǔn)關(guān)系，選用不同塌落度新拌混凝土并應(yīng)用流變儀對(duì)其進(jìn)行同步檢驗(yàn)，對(duì)比研究各參數(shù)相關(guān)度，如圖2、圖3。

圖2 塌落度與fτ 的關(guān)系曲線

圖3 塌落度與的關(guān)系曲線

從圖3可以看出，屈服應(yīng)力τf與塌落度相關(guān)度較高，隨塌落度的增大而減小，它們之間的經(jīng)驗(yàn)公式為；而塑性粘度 則與塌落度不相關(guān)，說(shuō)明傳統(tǒng)塌落度法不能正確表征新拌混凝土料的塑性粘度。塌落度法只考慮新拌混凝土料流動(dòng)停止后的高度差，而忽略混凝土料本身的流動(dòng)、液化、粘性等屬性，說(shuō)明流變參數(shù)法較塌落度法更能正確表征混凝土和易性指標(biāo)。不僅如此，借助自動(dòng)化采集儀器和BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分析方法，還可實(shí)現(xiàn)對(duì)流變性能發(fā)展精準(zhǔn)預(yù)報(bào)，這是傳統(tǒng)塌落度法無(wú)法比擬的，在預(yù)測(cè)混凝土工作性發(fā)展和指導(dǎo)施工方面有重大應(yīng)用前景[8,9]。

1.3 流變參數(shù)經(jīng)時(shí)變化

據(jù)相關(guān)研究，屈服應(yīng)力的經(jīng)時(shí)變化與歷時(shí)、溫度、水泥水化速度等密切相關(guān)：屈服應(yīng)力經(jīng)時(shí)變化量與時(shí)間成正比，且初始屈服應(yīng)力越小，其增量越大，溫度高，則其增量也愈大，屈服應(yīng)力經(jīng)時(shí)增量隨時(shí)間成指數(shù)關(guān)系[10~12]。設(shè)τ0為初始屈服應(yīng)力值，Δt為新拌混凝土料靜置歷時(shí)，KT為凝膠材料水化速率對(duì)流變參數(shù)變化量的影響系數(shù)，又Δτ與Δt指數(shù)相關(guān)且與KT線性相關(guān)，據(jù)此用公式（2）來(lái)表示Δτ與Δt、T之間的關(guān)系。

式中：a,b,c,d為待求常量。

針對(duì)大體積混凝土工程，應(yīng)用智能流變儀動(dòng)態(tài)監(jiān)控相同溫度下等同時(shí)間段內(nèi)新拌混凝土料的屈服應(yīng)力變化值可推算常量a,b,c,d；再考慮不同溫度條件下等同時(shí)間段內(nèi)的變化值可推算凝膠材料水化速率系數(shù)KT。同理，考慮到塑性粘度經(jīng)時(shí)變化影響因素與變化規(guī)律與屈服應(yīng)力類似，可得式（4）、（5），亦同理可簡(jiǎn)單快速推求常量m、n、k、f、 KT等。

式中：m,n,k,f為待求常量。

由式（2）、（4）式推求流變參數(shù)經(jīng)時(shí)變 化量雖然快速簡(jiǎn) 單穩(wěn)定，但由于混凝土料所用材料、配比、拌合手段差異性很大導(dǎo)致其適應(yīng)性略顯不足，不宜推廣多配合比小體積混凝土工程應(yīng)用。但適用于商品混凝土攪拌站或大體積混凝土工程中，可顯著提升對(duì)拌合料和易性的控制，且借助于自動(dòng)化監(jiān)測(cè)儀器和單片機(jī)計(jì)算處理可顯著提高混凝土工程自動(dòng)化控制水平。

2 流變性微調(diào)理論

新拌混凝土拌合料流變性微調(diào)理論，即在充分保證混凝土工作性能基礎(chǔ)上，基本滿足給定配合比工況下，通過(guò)微調(diào)單位混凝土用水量、減水劑摻量、粉煤灰摻量、砂率、漿骨比等以達(dá)到改善拌合料和易性的目的。通過(guò)相關(guān)研究，我們發(fā)現(xiàn)在一定范圍內(nèi)（3%~5%）變動(dòng)混凝土原材料摻量，流變參數(shù)變動(dòng)值與摻量變動(dòng)量成線性關(guān)系，且對(duì)混凝土成型后工作性能影響有限；基于此可通過(guò)微調(diào)一種或若干種原材料摻量從而使混凝土流變參數(shù)達(dá)到預(yù)定理想值，保證混凝土拌合料工作性要求。

2.1 量化分析

新拌混凝土拌合料流變性與單位用水量存在緊密關(guān)聯(lián)，水泥等凝膠顆粒形成絮凝結(jié)構(gòu)可包裹住10%~30%的自由水，因此增添少量拌合水可促進(jìn)凝膠顆粒分散，提升拌合物流動(dòng)性；加入減水劑可以破壞凝膠絮凝結(jié)構(gòu)，釋放多余的自由水，降低固液界能，減小凝膠顆粒與骨料顆粒相對(duì)運(yùn)動(dòng)的摩擦阻力，顯著改善拌合料流動(dòng)性。流變參數(shù)改變量與水、減水劑摻量成線性遞減關(guān)系，Δ1τ、Δ1η如（6）、（7）式。

式中：a1，a2，b1，b2，c1，c2為常數(shù)；α為減水劑含固量，β為減水效率；ΔW 為單位用水微調(diào)增量，Δm1減水劑摻量微調(diào)增量。

粉煤灰具有使凝膠顆粒均勻分散的“滾珠”效應(yīng)，具備“解絮”功用，少量增加其摻量可降低拌合物屈服應(yīng)力；而當(dāng)粉煤灰摻量過(guò)多時(shí)，過(guò)量的粉煤灰會(huì)增加混凝土的單位需水量，反而使拌合物屈服應(yīng)力增大。粉煤灰比表面積較高且保水性良好，這都有效抑制拌合物泌水，提升其塑性粘度。微調(diào)粉煤灰摻量流變參數(shù)改變量Δ?2、Δ2η滿足（8）、（9）式。

砂率較小時(shí)，拌合料中砂漿量不足，粗骨料缺乏砂漿包裹潤(rùn)滑，故而出現(xiàn)流漿、干澀現(xiàn)象，拌合料流動(dòng)性、黏聚性較差；當(dāng)砂率超過(guò)最優(yōu)砂率時(shí)，由于骨料總表面積和孔隙顯著增大，造成砂漿功能性不足，因而拌合料過(guò)于干稠，不利于流動(dòng)。流變參數(shù)與砂率不是簡(jiǎn)單的線性相關(guān)：屈服應(yīng)力隨砂率遞增，當(dāng)砂率超過(guò)最優(yōu)砂率時(shí)，隨砂率遞減；塑性粘度一直隨砂率遞增。微調(diào)單位砂用量對(duì)流變參數(shù)影響量、Δη3，如下：

2.2 流變性參數(shù)微調(diào)計(jì)算

通過(guò)微調(diào)單位混凝土原材料用量?jī)?yōu)化調(diào)整拌合料流變性，使其滿足施工和易性要求，其流變性參數(shù)累積增量計(jì)算如式（11）、（12）。當(dāng)微調(diào)一種以上原材料摻量時(shí)，考慮到多余材料之間相互作用影響微調(diào)功效，故應(yīng)考慮原材料微調(diào)有效率 k，通過(guò)耦合因素試驗(yàn)分析或BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)報(bào)分析可預(yù)測(cè)出有效率 k，以此指導(dǎo)應(yīng)用中多因素耦合微調(diào)原材料量計(jì)算。原材料微調(diào)應(yīng)綜合考慮混凝土工作性能、施工要求、微調(diào)成本，由于混凝土工作性能多樣且不宜預(yù)測(cè)，故一般要求微調(diào)種類不宜超過(guò)三類，防止對(duì)混凝土工作性能造成不必要的影響；當(dāng)微調(diào)種類超過(guò)三類時(shí)，應(yīng)對(duì)“新配合比”混凝土進(jìn)行工作性、耐久性等方面試驗(yàn)校核

式中：ki、為微調(diào)有效率系數(shù)， i = 1 ,2,3,4…；n≥1。

3 流變性反饋優(yōu)化混凝土工程應(yīng)用研究

通過(guò)混凝土流變性自動(dòng)化智能測(cè)試儀器，精確記錄混凝土流變性在實(shí)驗(yàn)室、拌合站、運(yùn)輸過(guò)程、澆筑過(guò)程中的動(dòng)態(tài)變化，綜合拌合料攪拌形式、運(yùn)輸方法、天氣條件、入倉(cāng)流程、振搗要求反饋調(diào)整優(yōu)化拌合料工作性，使攪拌站對(duì)拌合料的有效控制細(xì)化到每一次出料。

表1 流變參數(shù)反饋結(jié)果

3.1 流變參數(shù)反饋流程

基于流變參數(shù)反饋調(diào)節(jié)，即通過(guò)量測(cè)試驗(yàn)配合比階段、拌合站卸料口、運(yùn)輸、到倉(cāng)后流變參數(shù)，計(jì)算差值，評(píng)價(jià)每一施工工序內(nèi)流變性經(jīng)時(shí)變化是否滿足施工要求；再者，通過(guò)全流程監(jiān)控流變性損失規(guī)律精確預(yù)報(bào)流變性微調(diào)額度，長(zhǎng)期積累微調(diào)數(shù)據(jù)，提高后期反饋效率和調(diào)節(jié)成本。針對(duì)大體積混凝土工程，實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)庫(kù)在拌合料流變性反饋調(diào)節(jié)中扮演重要角色，基于長(zhǎng)期累積的反饋調(diào)節(jié)方案、數(shù)據(jù)可以顯著縮短反饋調(diào)節(jié)歷時(shí)，快速確定、驗(yàn)證原材料微調(diào)、執(zhí)行方案的實(shí)效性，在一定范圍內(nèi)可預(yù)見(jiàn)反饋調(diào)節(jié)效果。

圖4 流變性反饋調(diào)節(jié)流程圖

需要說(shuō)明的是，在反饋調(diào)節(jié)中，選用合適的流變性量測(cè)儀器至關(guān)重要，量測(cè)儀器除了應(yīng)具有精度高、適應(yīng)能力強(qiáng)、經(jīng)濟(jì)性好，操作方便等特點(diǎn)外，還應(yīng)具有尺寸多變、自動(dòng)量測(cè)、數(shù)據(jù)上傳快、單片機(jī)數(shù)據(jù)處理能力強(qiáng)，且借助于計(jì)算機(jī)可實(shí)現(xiàn)智能化映射學(xué)習(xí)。

3.2 應(yīng)用效益分析

流變性反饋調(diào)節(jié)理論對(duì)指導(dǎo)高流態(tài)、自密實(shí)、泵送等對(duì)流動(dòng)性要求較高種類混凝土施工尤為重要，可以充分保證拌合料流動(dòng)性、提升填充密實(shí)度，增大輸送速率，減少泵送堵管，提高施工效率等。

基于新拌混凝土流變性反饋調(diào)節(jié)理論及模型可快速、廉價(jià)、精準(zhǔn)指導(dǎo)大體積混凝土工程中拌合料全流程優(yōu)化控制，降低混凝土構(gòu)件局部差異性，保證混凝土成型后整體工作性能。通過(guò)拌合料全程控制系統(tǒng)，有助于簡(jiǎn)化現(xiàn)場(chǎng)管理人員的盯倉(cāng)、跟倉(cāng)工作，借助于信息自動(dòng)化傳輸和實(shí)時(shí)顯示系統(tǒng)，質(zhì)量部、監(jiān)理部、實(shí)驗(yàn)室等眾多部門均可實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)拌合料工作性能實(shí)時(shí)掌控，從根本上杜絕由于拌合料不合格造成材料浪費(fèi)、工期延誤、返工等各方面的缺陷。

另外，應(yīng)用流變參數(shù)反饋流程還可以起到嚴(yán)格規(guī)范施工流程、增強(qiáng)工藝執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)的作用。

4 應(yīng)用實(shí)例

依托管理轄區(qū)的公路工程建設(shè)項(xiàng)目（以及其它大型水電站工程）進(jìn)行試驗(yàn)，應(yīng)用流變儀對(duì)塌落度為90~110mm的某配合比拌合料進(jìn)行反饋調(diào)節(jié)，已知該拌合料采用自卸罐裝汽車運(yùn)輸?shù)搅鞯榔脚_(tái)，利用高度差通過(guò)導(dǎo)管輸送，反饋結(jié)果如表1，由反饋結(jié)果看出，經(jīng)反饋調(diào)節(jié)后入倉(cāng)拌合料均勻性提高，流動(dòng)性增強(qiáng)，說(shuō)明利用新拌混凝土流變特性優(yōu)化調(diào)整提升拌合料工作性方法的可行、科學(xué)、可靠。

5 結(jié)語(yǔ)

新拌混凝土流變特性相關(guān)理論研究較多，但大多都只能在實(shí)驗(yàn)室中應(yīng)用，應(yīng)用至實(shí)際工程中較少，一方面是因?yàn)槿狈线m流變性量測(cè)儀器，再者沒(méi)有合適量化流變參數(shù)經(jīng)時(shí)變化規(guī)律。本文盡管量化水、減水劑、粉煤灰、砂率與流變參數(shù)增量之間的關(guān)系，但流變性發(fā)展規(guī)律復(fù)雜多變，且在多因素耦合影響方面研究不足，進(jìn)而導(dǎo)致反饋預(yù)測(cè)精度有待提高，適應(yīng)性不足。為得到完整的流變參數(shù)經(jīng)時(shí)變化預(yù)測(cè)模型和更精準(zhǔn)的混凝土原材料微摻標(biāo)準(zhǔn)，還應(yīng)綜合考慮漿骨比、外加劑、級(jí)配等影響因素進(jìn)行深層次研究分析。

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