1、第一节第一节 混凝土流变学混凝土流变学 流变学是考虑了时间因素，研究材流变学是考虑了时间因素，研究材料在受力状态下的流动和变形性质的科料在受力状态下的流动和变形性质的科学。学。流变学研究流动和变形规律，必须流变学研究流动和变形规律，必须联系到联系到物体内部质点之间的相对运动物体内部质点之间的相对运动，因此必须联系到物体的结构与性质，在因此必须联系到物体的结构与性质，在掌握质点间相对运动规律的基础上，区掌握质点间相对运动规律的基础上，区别出物体的弹性、塑性、黏性的不同变别出物体的弹性、塑性、黏性的不同变形状态来。形状态来。1.新拌混凝土新拌混凝土的流变学研究的流变学研究 根据流变学理论，用某种物
2、理量来评根据流变学理论，用某种物理量来评价新拌混凝土的变形性质，并对这些物理价新拌混凝土的变形性质，并对这些物理量进行流动化解析。关于新拌混凝土的流量进行流动化解析。关于新拌混凝土的流变学研究还处于发展之中。变学研究还处于发展之中。2.2.流变学模型流变学模型u（1 1）基本模型元件）基本模型元件 利用结构模型可以描述物体在受力利用结构模型可以描述物体在受力状态下的流变学特征，而物体的结构模状态下的流变学特征，而物体的结构模型由三个基本单元构成，相应地表达三型由三个基本单元构成，相应地表达三种理想的物体。种理想的物体。 虎克弹性固体虎克弹性固体：由一个完全弹性的弹簧构：由一个完全弹性的弹簧构成
3、，其形变符合虎克定律，即应力与应变成，其形变符合虎克定律，即应力与应变成正比，比例常数为成正比，比例常数为E E，称为虎克弹性固，称为虎克弹性固体，其流变曲线为直线。体，其流变曲线为直线。 圣维南塑性固体圣维南塑性固体：一个重物与桌面之间存：一个重物与桌面之间存在着一定的静摩擦力，当外力在着一定的静摩擦力，当外力P P没有克服没有克服该静摩擦力时，塑性固体的流变特征表现该静摩擦力时，塑性固体的流变特征表现为弹性；当外力达到该屈服应力时，则重为弹性；当外力达到该屈服应力时，则重物沿着外力的方向做等速运动，外力不再物沿着外力的方向做等速运动，外力不再增加变形，具有这样特性的固体为理想的增加变形，具
4、有这样特性的固体为理想的塑性体，称为圣维南塑性固体。塑性体，称为圣维南塑性固体。 牛顿液体牛顿液体：牛顿从理论上系统地提出了：牛顿从理论上系统地提出了液体粘性的概念，建立了黏性阻力与速液体粘性的概念，建立了黏性阻力与速度成比例这一学说。有一个带孔的活塞，度成比例这一学说。有一个带孔的活塞，在充满粘性液体的油壶中运动，如果该在充满粘性液体的油壶中运动，如果该液体属于理想液体，则称为液体属于理想液体，则称为牛顿液体牛顿液体。牛顿液体的剪切力与流速呈直线比例关牛顿液体的剪切力与流速呈直线比例关系，随着流速的增加，其流变曲线为一系，随着流速的增加，其流变曲线为一直线。直线。 实际的物体往往同时具有弹性
5、、塑性、实际的物体往往同时具有弹性、塑性、粘性等性能，根据物体行为特征，可以粘性等性能，根据物体行为特征，可以将上述基本模型元件合理地组合，来描将上述基本模型元件合理地组合，来描述实际物体的变形性能，称为述实际物体的变形性能，称为物体的流物体的流变学模型变学模型。 u（2）宾汉姆体模型）宾汉姆体模型 早在早在1919年，宾汉姆首先发现，油年，宾汉姆首先发现，油漆是属于同时具有塑性和粘性的物质。漆是属于同时具有塑性和粘性的物质。在此基础上，他把理想圣维南塑性体和在此基础上，他把理想圣维南塑性体和理想牛顿液体的流变方程合并成为：理想牛顿液体的流变方程合并成为： 后来人们称之为宾汉姆体。式中后来人们
6、称之为宾汉姆体。式中 为屈服为屈服应力应力 ；为塑性粘度系数；其流变曲线见；为塑性粘度系数；其流变曲线见图图2-1。 图图2-1 宾汉姆体流变曲线宾汉姆体流变曲线 从图从图2-12-1中可以看出，宾汉姆体中可以看出，宾汉姆体 时，不发生流动。因此，圣维南体是宾时，不发生流动。因此，圣维南体是宾汉姆体歉性为零时的特殊形式。同时汉姆体歉性为零时的特殊形式。同时 后，宾汉姆体就按牛顿理想液体的规律后，宾汉姆体就按牛顿理想液体的规律产生流动。产生流动。 图图2-2、图、图2-3为宾汉姆体在细管中的为宾汉姆体在细管中的流动示意。图中可以看出，流动示意。图中可以看出，OA段表示段表示 ，纫管中没有流动。，
7、纫管中没有流动。AB段，流体沿段，流体沿管壁首先克服阻力，开始产生流动，也管壁首先克服阻力，开始产生流动，也就是结构开始破坏。这种沿管壁的流动，就是结构开始破坏。这种沿管壁的流动，属于塞流现象。属于塞流现象。BC段应力加大，塞流现段应力加大，塞流现象逐渐消失，接近于全部流动。而象逐渐消失，接近于全部流动。而CO段，段，则速度梯度则速度梯度 接近抛物线，全部流动，接近抛物线，全部流动，其流速与其流速与 成正比。因此，在图成正比。因此，在图2-2中，中，将将CO线延长到线延长到E点，点，E点即为屈服应力点即为屈服应力 。 图图2-2 2-2 牛顿液体与宾汉姆体流变曲线牛顿液体与宾汉姆体流变曲线 图
8、图2-3 2-3 细管流动示意图细管流动示意图 图图2-22-2为宾汉姆体流变模型。当作用为宾汉姆体流变模型。当作用力力P P小于液固体混合料颗粒间的摩擦力时，小于液固体混合料颗粒间的摩擦力时，混合料做弹性伸长，颗粒未发生移动。混合料做弹性伸长，颗粒未发生移动。当当P P等于摩擦力时，混合料中的应力保持等于摩擦力时，混合料中的应力保持不变而颗粒做连续运动。这时，不变而颗粒做连续运动。这时，P P即为屈即为屈服应力服应力 。如果没有粘性存在，这就是。如果没有粘性存在，这就是圣维南固体。但由于颗粒间有一定粘性，圣维南固体。但由于颗粒间有一定粘性，塑性变形必随应力的增加而增加，塑性塑性变形必随应力的
9、增加而增加，塑性粘度则是一常数。粘度则是一常数。 3.3.新拌混凝土的流变学参数新拌混凝土的流变学参数u（1 1）屈服值屈服值 采用宾汉姆体模型来描述新拌混凝采用宾汉姆体模型来描述新拌混凝土的流变学特性时，作为流变学常数，土的流变学特性时，作为流变学常数，屈服值可以说是最重要的参数。屈服值屈服值可以说是最重要的参数。屈服值是使材料发生变形所需的最小应力。是使材料发生变形所需的最小应力。 影响混凝土拌合物屈服值的主要因影响混凝土拌合物屈服值的主要因素有素有用水量用水量和和化学外加剂化学外加剂，一般，混凝，一般，混凝土的单方用水量越大，屈服值越小。掺土的单方用水量越大，屈服值越小。掺入塑化剂也会使
10、屈服值降低。关于新拌入塑化剂也会使屈服值降低。关于新拌混凝土的屈服值的具体数值，有关研究混凝土的屈服值的具体数值，有关研究成果指出，当坍落度为成果指出，当坍落度为18cm18cm时，大致在时，大致在100100400Pa400Pa之间；当坍落度值正好为之间；当坍落度值正好为0 0时，时，屈服值在屈服值在1000100010000Pa10000Pa的范围。的范围。u（2 2）塑性粘度塑性粘度 塑性粘度时宾汉姆体模型中表示材塑性粘度时宾汉姆体模型中表示材料粘性的流变学参数，是反映作用力与料粘性的流变学参数，是反映作用力与流动速度之间关系的参数。流动速度之间关系的参数。影响混凝土影响混凝土塑性粘度的
11、因素主要有水灰比、用水量、塑性粘度的因素主要有水灰比、用水量、水泥用量及细粉掺合料量等，但影响机水泥用量及细粉掺合料量等，但影响机理非常复杂。理非常复杂。 4.4.新拌混凝土的流变学试验新拌混凝土的流变学试验u（1 1）回转粘度仪法回转粘度仪法 新拌混凝土所用的回转黏度仪大多为新拌混凝土所用的回转黏度仪大多为双重圆筒型。使用该仪器可直接测定转动双重圆筒型。使用该仪器可直接测定转动力矩和回转速度，再分别根据理论公式换力矩和回转速度，再分别根据理论公式换算成剪切应力和剪切应变速率。由某一回算成剪切应力和剪切应变速率。由某一回转速度和此时的力矩，可得到一组应力和转速度和此时的力矩，可得到一组应力和应
12、变速率，但是宾汉姆体模型中，应力应变速率，但是宾汉姆体模型中，应力- -应变速率的关系不通过坐标原点，所以仅应变速率的关系不通过坐标原点，所以仅由一个点不能确定曲线。由一个点不能确定曲线。 因此，对于宾汉姆体需要改变回转速因此，对于宾汉姆体需要改变回转速度测定多组相应的力矩，在应力度测定多组相应的力矩，在应力- -应变速率应变速率坐标系内找点，得到应力坐标系内找点，得到应力- -应变速率曲线，应变速率曲线，通过直线的斜率和在应力轴上的截距，求通过直线的斜率和在应力轴上的截距，求出把拌合物的粘度系数和屈服应力。但是出把拌合物的粘度系数和屈服应力。但是回转粘度仪比较适合于骨料颗粒较小的砂回转粘度仪
13、比较适合于骨料颗粒较小的砂浆或水泥浆，并且只适用于屈服值较小的浆或水泥浆，并且只适用于屈服值较小的浆体。浆体。u（2 2）提升球体型粘度仪提升球体型粘度仪 本试验方法是提升在混凝土拌合物中的本试验方法是提升在混凝土拌合物中的球体，测定提升速度和提升荷载，以此来衡球体，测定提升速度和提升荷载，以此来衡量拌合物的粘度。若球体大小一定，对宾汉量拌合物的粘度。若球体大小一定，对宾汉姆体拌合物的提升速度下测定多个提升荷载姆体拌合物的提升速度下测定多个提升荷载值。值。 提升球体型粘度仪由于试验方法简单，提升球体型粘度仪由于试验方法简单，被广泛地应用于砂浆和水泥浆的流变学常数被广泛地应用于砂浆和水泥浆的流变
14、学常数的测定。但是该方法的理论基础是在球体周的测定。但是该方法的理论基础是在球体周围产生层流，而混凝土拌合物由于内部存在围产生层流，而混凝土拌合物由于内部存在着颗粒较大的粗骨料，该方法很难适用，只着颗粒较大的粗骨料，该方法很难适用，只限于测定非常柔软的浆体试样。限于测定非常柔软的浆体试样。u（3 3）两点式试验两点式试验 两点式试验方法是由两点式试验方法是由G.H.TattersallG.H.Tattersall提出的、用于测定新拌混凝土粘度的试提出的、用于测定新拌混凝土粘度的试验方法。为了求得宾汉姆体的屈服值和验方法。为了求得宾汉姆体的屈服值和塑性粘度这两个流变学参数，与回转粘塑性粘度这两个
15、流变学参数，与回转粘度仪和提升球体试验等方法同样需要测度仪和提升球体试验等方法同样需要测定不同的两点以上的应力定不同的两点以上的应力- -应变速率关系，应变速率关系，两点式试验即表示这个概念。两点式粘两点式试验即表示这个概念。两点式粘度仪是类似于搅拌机翼型的回转式粘度度仪是类似于搅拌机翼型的回转式粘度仪，叫做两点式试验。仪，叫做两点式试验。 采用回转翼型的回转式粘度仪，为了采用回转翼型的回转式粘度仪，为了防止测量过程中材料分离，一般利用回防止测量过程中材料分离，一般利用回转翼一边进行搅拌，一边测定多个力矩转翼一边进行搅拌，一边测定多个力矩- -回转速度的关系。得到两者的关系。由回转速度的关系。
16、得到两者的关系。由两点式试验得到的流变学参数值分别叫两点式试验得到的流变学参数值分别叫做表观屈服值和表观塑性粘度。做表观屈服值和表观塑性粘度。u（4 4）剪切法试验剪切法试验 剪切法流变学试验有两种方法：其一剪切法流变学试验有两种方法：其一是假设试样在一个很薄的平面状范围内发是假设试样在一个很薄的平面状范围内发生剪切变形，进行单面剪切试验；另一种生剪切变形，进行单面剪切试验；另一种方法是假设试样整体发生剪切变形，采用方法是假设试样整体发生剪切变形，采用剪切箱实验。后者适用于新拌混凝土的流剪切箱实验。后者适用于新拌混凝土的流变学特性。改变剪切速度进行多次试验，变学特性。改变剪切速度进行多次试验，能够求出粘性参数。剪切箱型试验与上述能够求出粘性参数。剪切箱型试验与上述集中方法相比，虽然试验机理少变得复杂，集中方法相比，虽然试验机理少变得复杂，但不需要更换试样，可以多次进行重复剪但不需要更换试样，可以多次进行重复剪切变形试验，能提高试验值的可靠性。切变形试验，能提高试验值的可靠性。u（5 5）滑移阻力试验滑移阻力试验 滑移阻力试验有两种方法：滑移阻力试验有两种方法： 一种是改变垂直应力测定滑
