CN104316438A - 一种牵引式混凝土泵送性能试验仪及其试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种牵引式混凝土泵送性能试验仪及其试验方法，所述试验仪由如下5个基本部分组成：管道1，连杆刚性连接的前后挡板活塞装置2，定速滑动牵引机构3，测力与记录仪4，和支座支架5，所述连杆刚性连接的前后挡板活塞装置位于所述管道中，前后挡板之间用于装载受测试的混凝土，所述定速滑动牵引机构用于牵引所述前后挡板活塞装置在管道内滑动，所述测力与记录仪用于测定拉力和/或压力，所述支座支架用于安装管道、定速滑动牵引机构和/或测力与记录仪。还提供了该试验仪的试验方法。本发明的试验仪和试验方法可以同时测量可泵性和易泵性，并且测量结果准确、结构简单、性能可靠。

Description

一种牵引式混凝土泵送性能试验仪及其试验方法

技术领域

本发明属于建筑领域，特别涉及一种用于定量化测试与评价混凝土拌和物的可泵性和易泵性的牵引式混凝土泵送性能试验仪及其试验方法。 

背景技术

从混凝土开始泵送施工至今近一个世纪，混凝土拌和物泵送性能(包括可泵性和易泵性)一直缺乏定量化的试验室测试手段和评价方法。泵送施工的普遍应用伴随着出现问题的增多，一方面原因是现在混凝土原材料种类、质量和性能越来越多样化，对泵送性能的影响越来越复杂，无法凭经验判断；另一方面原因是实际施工前，较难测试混凝土拌和物的泵送性能，即混凝土在实际施工泵送前缺乏“可泵性”和“易泵性”测试评价与性能确认，配制与生产比较盲目。 

CN1417582A公开了一种高性能混凝土综合性能测试仪，由机壳和机芯组成，其机壳的前端有一个探头，探头与机壳内的传感器连接，传感器连接电路主板，电路主板与机壳表面布置的视窗、开关、接口和按键电连接，电路主板的单片机控制电路与闭环控制回路连接，其输入端分别连接电源电路、温度传感器、键盘输入电路、实时时钟电路、扭矩测量电路，其输出端分别连接输出显示电路和通讯接口电路，闭环控制回路由连接单片机控制电路输出端的功率放大电路连接扭矩传感器、扭矩传感器分别连接测量反馈电路和扭矩测量电路后连接单片机控制电路的输入端。该测试可用于搅拌混凝土、预拌泵送混凝土的坍落度、扩展度、水灰比、强度、温度、水泥稠度准确检测及数据智能化处理。然而，在该专利文献中，没有公开检测装置的构造和 原理，仅仅公开了电路控制部分的结构，测量参数与泵送性能之间的关系不明。 

CN102128760A公开了一种混凝土拌合物可泵性试验方法，该方法包含有以下步骤：1)测试并计算混凝土中砂浆总含量及砂浆密度；2)计算填充于石子空隙的砂浆量；3)计算富裕填充砂浆质量为砂浆总质量减去填充石子空隙砂浆质量；4)计算富裕砂浆填充率＝富裕填充砂浆质量/填充石子空隙砂浆质量；本发明方法是在常规检测混凝土拌合物坍落度、塌落扩展度等基础上，考虑到混凝土的可泵性与混凝土中富裕填充砂浆含量有密切关系，因此提供的一种试验富裕砂浆填充率的“填充砂浆富裕含量法”，用于施工现场在混凝土拌合物入泵前，可快速判断混凝土拌合物的可泵性能，从而更好地指导施工，避免泵送过程中堵塞泵管，提高工作效率。然而，该试验方法仅仅能够用于评价可泵性。 

CN202471570U公开了一种混凝土泵送滑移阻力测试装置，它包括混凝土压送装置、可伸缩软管、拉力传感器、滑动导管、支撑部件、及计量容器。该可伸缩软管的一端连接混凝土压送装置，另一端连接滑动导管的一端，该滑动导管的另一端与该计量容器相连通，该滑动导管可相对于该支撑部件的表面滑动，该拉力传感器用于测量混凝土在该滑动导管中向压送方向移动时产生的滑移阻力，该混凝土泵送滑移阻力测试装置能准确测量高强高性能混凝土在泵管内的滑移阻力，对于计算混凝土的泵送压力损失，评价混凝土的可泵性，具有重要的意义。然而，该装置测试的是滑移启动时的阻力，不是泵送形成润滑层后的滑移阻力，用于计算泵送压力损失会有较大偏差。 

CN202903788U公开了一种超高泵送混凝土可泵性的测试装置，其特征在于，所述的测试装置包括有坍落度筒、固定框、支撑架、方形底板、机械式计时开关、机械式感应器和数显计时器；所述的坍落度筒倒置在所述的固定框中，所述的固定框可调节高度地设置于支撑架上，该支撑架固定于所述的方形底板上；坍落度筒底部设有可开闭的料斗门，在坍落度筒侧壁靠近料 斗门的位置设有小手柄和所述的机械式计时开关，在所述支撑架上靠近方形底板的位置设有所述的机械式感应器，所述的机械式计时开关和机械式感应器分别连接并输送数据至所述的数显计时器中。该专利文献中公开的装置测量的是混凝土工作性或流变性，用来评价可泵性，之间没有定量化关系。 

CN102203583B“浆体流变仪”可以定量化测量混凝土形成润滑层的泵送阻力和评价易泵性。其特点为：仪器中基本型和第二～第五改型测试的“浆体”(混凝土)活塞，一端(上端面)为自由端(“单侧开放式”)，优点是可以测试“浆体”活塞通过缩径、弯管管件或加压状态的阻力；缺点是仪器管道必须垂直放置和垂直方向相对运动进行测试。第六改型的管道为水平，“浆体”两侧为两个液压驱动活塞，在对“浆体”施加压力的状态下水平相对运动进行测试，其优点为模拟了泵送压力作用下“浆体”(混凝土)的流变性能(易泵性)；缺点是整个装置比较复杂，与基本型和第二～第五改型是不同结构的试验仪。能够在加压浆体(或混凝土)状态下进行测试，是该仪器的优势，但实用意义还不清楚。 

KR20130105067A公开了一种用于测量高坍落度混凝土和钢质输送管之间的摩擦特性的系统和方法，所述系统包含一个具有垂直肋的圆柱状容器，与所述容器的内壁间隔设置的圆柱体，与所述圆柱体连接的马达和旋转轴，该马达用于使所述圆柱体旋转，混凝土容纳在所述容器和圆柱体之间。然而，该专利系统仅仅可用于评价易泵性。 

另外，专利“混凝土拌和物可泵性试验方法”(CN102128760B)、“一种混凝土可泵性的检验方法和装置”(CN102519841A)和“一种超高泵送混凝土可泵性的测试装置”(CN202903788U)，这些方法或试验装置，仍然采用没有明确或可靠定量关系的参数表征可泵性或易泵性，所以也是定性或半定量测试评价方法。 

混凝土拌和物的“泵送性能”包括“是否适合泵送”和“是否容易泵送”两方面涵义，即需要从“可泵性”和“易泵性”两方面进行性能评价。“可泵 性”指混凝土拌和物能被泵送，有一定的流动性(坍落度超过50mm)和良好的粘聚性，在输送过程不会产生过量的泌水、泌浆或骨料沉降等离析，在正常泵送或重新起动时发生堵泵、堵管的可能性很小，也不会在泵送过程失去工作性。混凝土拌和物具备“可泵性”，是泵送施工顺利进行的前提条件。 

“易泵性”指混凝土拌和物在管道中流动阻力的相对高低，关系到泵送相同的距离或高度需要泵压的高低，决定子泵送施工的效率。在远距离、高程或超高程泵送时，以及较大混凝土结构施工时，对混凝土拌和物的“易泵性”就会提出比较高的要求。 

混凝土拌和物的泵送性能“好”，意味着“可泵”并且“易泵”。泵送性能属于混凝土工作性之一，是受到多种因素影响并且需要多方面“平衡兼顾”的一种性能，因此难以用单一试验进行测试评价。 

文章“混凝土泵送性能的影响因素与试验评价方法”，赵筠，江西建材，2014年第12期，pp.6-32，概述了测试评价混凝土可泵性与易泵性的相关研究进展。 

在长期的混凝土泵送施工中，堵泵堵管是最常遇到的问题。混凝土拌和物之所以可以泵送，是依靠水泥砂浆包裹粗骨料、水泥净浆包裹细骨料传递泵压力和润滑拌和物而流动。在管道中如果拌和物发生泌水、泌浆或骨料沉降等离析，粗细骨料失去浆体的包裹润滑，骨料与管壁的摩擦阻力会骤然增大，就可能发生堵管。同样，如果拌和物入泵时就发生离析，很可能导致堵泵。因此，“可泵”的首要条件是拌和物不离析，至少不产生过度离析。迄今，研究可泵性测试评价方法，主要采用压力或常压泌水率和泌水速率表征混凝土拌和物粘聚性或抗离析能力。“泌水”指标只能将混凝土拌和物的抗离析能力划分为“好”、“中”和“差”，用于判断发生堵管的危险性，但无法将离析对泵送的影响定量化。 

本发明的牵引式混凝土泵送性能试验仪及其试验方法，可以将离析对泵送阻力的影响定量化，是可泵性测试与评价的突破性创新方法。 

长久以来，混凝土拌和物的流动阻力(易泵性)只能在真实泵送条件下检验，试验规模大、成本高，无法作为常规试验方法广泛使用。易泵性测试一直是试验室测试的难点，但过去十多年的研究，对混凝土拌和物在管道中流动方式、边界润滑层的认识逐步深入，在易泵性试验和评价方法方面取得了很大进展。 

另外，传统上认为，在泵压作用下，混凝土拌和物在管道中是以“活塞式”滑动方式流动，即中间部分呈圆柱状活塞滑动。因为过去缺乏有效试验测试手段，对混凝土活塞滑动的“摩擦方式”知之甚少，但大量真实泵送表明：泵送压力与流量之间(P/Q关系)为直线关系。现代试验研究证明，混凝土拌和物“圆柱活塞”在管道中滑移，会自发地在活塞与管壁之间形成一个“润滑层”，由水、水泥和细砂构成，厚度约2mm左右。 

在非专利文献“Design of concrete pumping circuit”，ACI Journal，Kaplan，D.等，March-April 2005，PP.110-117中，法国的D.Kaplan认为，在低速流动时(即流量低于Q₁)，依靠薄层细砂浆润滑管壁，混凝土拌和物是“活塞式”滑动，即流动以摩擦流为主；增大流速需要施加更高的泵送压力，当作用于“活塞流”的压力高到一定程度，所产生的剪切应力超过拌和物的屈服应力(τ₀)，就会产生粘滞流，这时混凝土拌和物是摩擦流与粘滞流两种方式流动，P/Q仍然为直线关系，在试验室条件下，能够施加的泵送压力有限，因此一般只需要考虑Q₁以前的P/Q直线段。评价易泵性初始泵压(P₀)和斜率(α)常采用k₁和k₂表示(P＝P₀+αQ＝k₁+k₂·Q)。D.Kaplan等通过大量泵送试验研究和理论分析认为：混凝土拌和物在管道中前进主要是依靠边界润滑层“滑移”(摩擦流或活塞流)，泵送压力损失(摩擦力)来源于润滑层的剪切变形。与管横截面相比，润滑层厚度(约2mm厚)可以忽略，这样可以将润滑层看作钢(或管道)与混凝土之间的界面、润滑层剪切应力看作界面摩擦应力。泵送压力与流量(P/Q)的直线关系说明：摩擦应力与压力无关，与滑移速率呈直线关系。因此，可以应用宾汉姆模型描述润滑层，先得到泵送界面润滑 层的剪切应力，然后可以推导泵送过程润滑层屈服应力和粘度，即：τ_i＝τ_0i+μ_i·υ(i表示界面，τ_0i屈服应力，μ_i塑性粘度，υ滑移速率) 

以此为基础，法国和德国分别研发了“圆柱摩擦仪”和“滑管式流变仪”(专利名称为“浆体流变仪”，中国发明专利授权公告号CN102203583B，德国普茨迈斯特工程有限公司)，直接测试润滑层的流变参数(屈服应力和塑性粘度)，可有效测试和评价混凝土拌和物的易泵性和建立较准确的泵送压力-流量之间的定量关系。 

D.Kaplan等设计了测试钢-混凝土界面摩擦特性的仪器-同轴圆柱摩擦仪，用于测试钢-混凝土界面的摩擦。测试原理为：钢圆柱在混凝土拌和物中旋转，摩擦在钢-混凝土界面产生润滑层后，测量不同旋转速率的扭矩，可以计算得到润滑层屈服应力τ_0i和塑性粘度μ_i。然后，可以根据下式计算泵送压力-流量(P/Q)直线的截距k₁和斜率k₂，评价混凝土的易泵性和预测施工泵送需要的压力。 

${\mathrm{\τ}}_{0i}=\frac{P_0\·R}{2L}\·g\·{10}^4\left[\mathrm{Pa}\right],{\mathrm{\μ}}_i=\frac{18\·k_2\·\mathrm{\π}\·R^3}{L}\·g\·{10}^6[\mathrm{Pa}\·s/m]$

(P₀为P/Q直线的截距k₁[巴]；k₂为P/Q直线的斜率[巴·h/m³]； 

R为管半径[m]；L为管长度[m]；g为重力加速度[m/s²]) 

德国普茨迈斯特(Putzmeister)公司最新研发的“滑管式流变仪”(CN102203583B)，也是以法国D.Kaplan的理论(摩擦应力等于润滑层剪切应力)为基础，但采用模拟真实泵送的状态测试压力与流速，直接获得评价易泵性相关参数。在该测试仪中，在滑管中装入混凝土拌和物插捣密实，上下移动滑管5-10次使混凝土与管壁之间形成润滑层；然后提起滑管，在滑管上套加重环，让滑管自由落下，同时在下部活塞顶面测试压力和滑管落下速率。通过几次不同配重，使滑管以不同速率落下，得到两组以上P和Q，扣除混凝土自重压力，就可直线回归计算得到易泵性相关参数。 

然而，上述法国D.Kaplan研制的“圆柱摩擦仪”和德国开发的“滑管式 流变仪”(或“浆体流变仪”)，均以混凝土润滑层的流变性参数(屈服应力和塑性粘度)表征滑移摩擦阻力，法国仪器的缺点在于，仪器的钢-混凝土摩擦状态与管道中摩擦有一定差异，测试屈服应力的离散性较大，需要较多测试数据克服偏差。德国仪器测试评价易泵性效果较好，但管道垂直方向设置不适合评价可泵性；其专利中第六改型，管道为水平设置，理论上也可以用于测试可泵性(专利中仅考虑测试加压状态混凝土流变性)，但该第六改型机构复杂，在长时间静置状态(1-2小时)两侧液压活塞必须保持压力和位置恒定有技术上难度，或需要非常精密的液压和活塞系统。 

相比之下，下文将要描述的本发明的试验仪可同时测量可泵性和易泵性，并且既简单又可靠。在本发明的试验仪中，牵引混凝土活塞在管道中往复滑动产生润滑层，然后测试有润滑层的混凝土活塞在不同给定滑动速率下的滑动摩擦阻力，获得分别反映润滑层屈服应力和塑性粘度的k₁和k₂，从而建立泵送压力-流量(P/Q)定量关系和评价易泵性，并且还通过测试离析趋势与工作性损失等经时变化对滑动阻力的定量影响，使混凝土可泵性评价定量化。 

另外，前述德国普茨迈斯特的CN102203583B的浆体流变仪的特点为：仪器中基本型和第二～第五改型测试的“浆体”(混凝土)活塞，一端(上端面)为自由端(“单侧开放式”)，第六改型的管道为水平，“浆体”两侧为两个液压驱动活塞，在对“浆体”施加压力的状态下水平相对运动进行测试。但是，该装置的缺点也非常明显，缺点是仪器管道必须垂直放置和垂直方向相对运动进行测试，并且整个装置比较复杂。 

与德国普茨迈斯特的该专利中的浆体流变仪相比，下文将要描述的本发明的试验仪用比较简单的装置和方法，在水平状态进行测试，不仅可以测试有润滑层状态混凝土活塞的滑移阻力(定量评价易泵性)，还可以定量测试评价可泵性。 

综上可见，本领域需要一种能够同时定量测试与评价混凝土可泵性和易泵性的简单且可靠的混凝土泵送性能试验仪及其试验方法。 

发明内容

为克服现有技术中存在的上述缺陷，本发明人经过深入研究，创造性地提出了一种新的混凝土泵送性能试验仪及其试验方法。 

在一方面，本发明提供了一种牵引式混凝土泵送性能试验仪，该试验仪包括如下5个基本部分或者由如下5个基本部分组成：(1)管道，(2)连杆刚性连接的前后挡板活塞装置，(3)定速滑动牵引机构，(4)测力与记录仪，和(5)支座支架，所述连杆刚性连接的前后挡板活塞装置位于所述管道中，前后挡板之间用于装载受测试的混凝土，所述定速滑动牵引机构用于牵引所述前后挡板活塞装置在管道内滑动，所述测力与记录仪用于测定拉力和/或压力，所述支座支架用于安装管道、定速滑动牵引机构和/或测力与记录仪。 

优选地，所述管道一般为泵送施工使用的平直的钢质管道或塑料管道，长度约1200mm～2000mm，管道内半径R通常为62.5mm或75mm，所述长度和半径还可以根据骨料最大粒径或实际工程使用管道直径确定。也可以使用塑料管道，减小管道重量，优选耐磨性好的尼龙管。 

优选地，在所述连杆刚性连接的前后挡板活塞装置中，连杆为钢质螺杆，前、后挡板材料为塑料，优选透明材料或尼龙材料；后挡板用螺栓固定在钢连杆后端，前挡板在装料后旋入，可挤紧混凝土拌和物形成圆柱活塞状。前后挡板的内间距L可以为40mm～60mm；前、后挡板直径略小于管径，优选不与管道直接摩擦或者摩擦很小；挡板外缘设耐磨密封材料层，该耐磨密封材料层可以为密封圈形式，还可以为橡胶密封圈，在保证密封不漏水漏浆前提下，与管壁的摩擦力应尽可能小。 

在一个优选方式中，定速滑动牵引机构中的滑动牵引机构由可控制速率的动力单元、速度控制系统(面板)和牵引齿条(或螺杆、或钢索)构成。可控制速率的动力单元包括伺服电机、步进电机或多速率卷扬机。可控制速率的动力单元优选由伺服电机和相应速率控制系统组成，牵引机构优选为齿 条或螺杆(可以动力牵引推和/或拉使活塞往返滑动)。所述定速是指在调控到所需速率后速率恒定。 

另外，优选地，在所述测力与记录仪中，测力传感器可测定拉力和/或压力，分辨率0.1N，量程0～2000N(当管道内半径为R＝62.5mm时)或0～3000N(当管道内半径为R＝75mm时)。测力传感器与活塞连杆、齿条(或螺杆)的连接为铰接，只转递轴向拉力和/或压力，不传递弯距(略微偏心时可能产生弯距)。记录仪从牵引机构启动的同时，连续记录测力传感器的测量数据，并记录相应牵引速率。 

优选地，所述支座支架用于精确安装滑动牵引机构和管道，使牵引齿条(或螺杆、或钢索)与管道中心轴线在一条中心线上。装混凝土拌和物时，管道处于垂直位。固定管道的A卡具，设置在管道中间，允许管道旋转处于装料位和卸料位。测量时管道处于水平位，用卡具B固定管道。支座支架需要足够的强度和刚度，保证在牵引混凝土活塞滑动时没有明显震动和变形。支座支架材料为钢质型材、铝质型材或木材，优选钢型材。所述A和B仅仅是两个卡具的编号而已，当然也可以采用其它编号(例如第一卡具、第二卡具)，A卡具和B卡具可以相同或不同。 

在进一步优选的实施方式中，在前后挡板活塞装置与管道的内壁相接触部分(即外缘)衬有0.1-3mm厚度的耐磨密封材料层。 

该耐磨密封材料优选为改性聚四氟乙烯材料(PTFE)，该改性聚四氟乙烯材料为玻璃纤维、纳米碳纤维和聚硅氧烷联合改性的聚四氟乙烯材料，基于改性聚四氟乙烯材料的总重量计，包含玻璃纤维2-3wt.％，纳米碳纤维1.5-2.0wt.％和聚硅氧烷3-6wt.％。 

本发明人发现，在试验仪的使用过程中，随着使用时间的增加，前后挡板活塞装置会发生磨损，从而导致密封不严，严重导致测试结果的准确性，需要经常更换，导致成本增加。经过深入研究发现，通过玻璃纤维、纳米材料和聚合物的联合使用，使耐磨密封材料的性能得到极大改善。使得前后挡 板活塞装置具有耐磨损、使用寿命长的优点。玻璃纤维、纳米碳纤维的加入使得在PTFE层状结构中形成网状节点，从而提高刚度、导热性、抗蠕变性及耐磨性，使密封寿命大大延长，例如试验过程中出乎意料地发现，在PTFE中加入2wt.％玻璃纤维、2wt.％的纳米碳纤维和3.5wt.％聚硅氧烷，使前后挡板活塞的耐磨性相比于不加入所述填料可以提高很多，例如提高320倍，比普通橡胶密封圈提高280倍以上。本发明出乎意料地发现，如果仅仅加入所述材料(玻璃纤维和纳米碳纤维)，则会使材料的硬度增大，弹性降低，柔韧性变差，因此本发明人尝试向耐磨密封材料中引入聚硅氧烷，帮助摩擦面润滑，从而延长挡板活塞的使用寿命。所述聚硅氧烷优选为支化的聚硅氧烷，更优选为环氧改性支化聚硅氧烷。所述支化聚硅氧烷可以通过使式(a)表示的具有硅-氢键的硅氧烷，与式(b)表示的不对称线性硅氧烷反应来进行制备： 

其中n表示12-28的整数， 

其中X表示任意卤素，m表示2或3的整数， 

反应条件可以包括：在有机溶剂中将(a)和(b)二者混合，在氮气气氛下搅拌过夜，所述混合可以采用滴加方式，例如将式(b)表示的不对称线性硅氧烷滴加到式(a)表示的具有硅-氢键的硅氧烷中。 

耐磨密封材料可以通过包括如下步骤的方法制得：将聚四氟乙烯料和玻璃纤维进行高剪切混合，得混合物A，再将纳米碳纤维和聚硅氧烷混合，得到混合物B，然后将混合物A和B进行混合、压制、烧结和切削加工。可以将其加工成带状，以便于施加在挡板活塞上。通过上述混合顺序，可以实现 各组分的均匀混合，避免了在所有组分同时混合时，玻璃纤维和纳米材料如纳米碳纤维之间由于缠结而附聚。 

所述耐磨密封材料可通过本领域常规的方法施加在挡板活塞的外缘(即外周缘)，所述方法例如热熔结合或者使用粘合剂。 

在另一方面，本发明还提供了上述试验仪的试验方法，该方法包括： 

(1)测试和评价易泵性：在管道中制成混凝土拌和物活塞，牵引使混凝土活塞往复运动m(例如8-10)个循环形成润滑层，然后分别以两个以上不同速度拉混凝土活塞，同时测试拉力，得到两组以上速度-拉力点(v_i-f_i点，两个点可以得到P/Q直线，P为泵送压力，Q为流量，多点测试时可以提高测量精度，优选3个以上的点，更优选5个以上的点，最优选10个以上的点)，换算为相应的P_i-Q_i点，回归计算得到P＝k₁+k₂·Q关系中k₁和k₂，评价易泵性，其中k₁和k₂均相对小时，混凝土拌和物易泵性相对好；对于工作性相同或接近的不同混凝土拌和物，拌和物之间k₁接近，k₂小的易泵性好。所述k₁和k₂大小的比较是指不同混凝土拌和物之间的比较，也可以是与标准混凝土拌和物比较，本领域技术人员可以根据实际需要选择不同的比较对象。 

优选地，在建立混凝土拌和物的P/Q关系直线，评价混凝土拌和物易泵性中，预测工程泵送需要的泵压和作为混凝土泵选型的参考；试验分析各种原材料(例如外加剂、掺和料、骨料种类和级配等)对泵送性能的影响，优化组成和配合比；施工泵送前，检验确认混凝土的易泵性或质量稳定性；k₁和k₂参数还可在施工泵送管线上测量计算和记录，在线实时监测混凝土质量、性能变化或波动，出现异常可及时报警和处理，防止堵管等不可逆转的问题发生；和 

(2)测试和评价可泵性：先在混凝土拌和物活塞处于相对匀质状态，即刚搅拌完成并制成活塞，时间t0，以一定速率v₁拉混凝土活塞滑动，测量启动时拉力F_t0启动；之后，牵引活塞往返滑动m(例如8～10)个循环，在混凝土活塞与管道界面形成润滑层，再次以速率v₁拉混凝土活塞滑动，记录匀速 滑动的拉力F_t0润滑；将F_t0启动和F_t0润滑分别换算为启动压力P_t0启动和匀速滑动压力P_t0润滑；然后，让混凝土拌和物在水平管道中处于密封状态静置时间t(可以根据实际工程现场条件和要求确定，例如表示为P_t润滑和F_t润滑，如果以60分钟为例，则以t60表示，如P_t60润滑和F_t60润滑)，让混凝土自然离析(在一些情形中，同时可能有一定的工作性经时损失)，再以同样速率v₁和方法测量启动时拉力F_t启动和有润滑层状态，在m个往返滑动次数后，匀速滑动的拉力F_t润滑，分别换算为P_t启动和P_t润滑。 

采用如下评价程序进行评价方法：与P_t0启动和P_t0润滑相比，P_t启动和P_t润滑体现经过t(例如60)分钟的静置自然离析和工作性损失，混凝土拌和物泵送性能的变化，如果泵送管线设计最大泵压P_max与正常工作泵压P_w之比(P_max/P_w)≥2，则可泵的混凝土拌和物需满足下列条件： 

●P_t60润滑＜P_w，P_t60启动＜0.9P_max可泵性须达到指标)，并且 

●P_t60启动/P_t0启动＜2须达到的抗离析指标 

●P_t60润滑/P_t0润滑＜1.2建议达到的抗离析性能指标 

上述判定可泵性指标，优选为根据一般情况建议指标。一个混凝土拌和物能不能泵送(可泵性)实际上与泵送施工的现场条件密切相关，需要考虑的因素包括管线总长度(水平段+垂直段)、管线布置(含有的弯管、接口、变径、阀门等)、泵的功率与性能、管道直径和耐压程度、环境温度，等等。也就是说，在某个工地能泵送的混凝土拌和物，换个工地就不一定能泵送。因此，评定混凝土拌和物可泵或不可泵的指标(P_w、P_t启动和P_max)优选根据工程现场条件确定。泵送施工中最不利的情况为：泵送过程因故中断，管道中混凝土处于静置状态，经过一定时间t(现场可能发生中断的最长时间)重新启动泵送的压力P_t启动不能超过P_max(实际泵送管线上能够提供的最大泵压，MPa/m)。 

在所述步骤(2)的可泵性的测量中，优选选取有一定工作性(例如坍落度大于50mm)的混凝土拌和物，刚搅拌完成的相对匀质状态是其最好的泵 送状态。如果拌和物粘聚性不好，在重力作用下就可能出现离析并经时发展，变的越来越不匀质，体现为水上浮聚集到上部和表面，粗骨料沉降到下部和底部(如图1所示)。因此，离析趋势大的混凝土拌和物活塞，在水平状态由于下部水分少、粗骨料多而较难形成润滑层或形成的润滑层“润滑”性能较差。在水平管道中混凝土活塞滑移的摩擦阻力随混凝土离析程度的增大而“非线性”增大，局部或整个管线的摩擦阻力超过泵压极限推力则发生堵管。应用本发明的试验装置，处于水平管道中是混凝土拌和物产生离析的最不利状态，可以检验经时离析和工作性损失对可泵性的定量化影响，即：对泵送启动的摩擦阻力(模拟泵送中断后重新启动泵送)的增大作用，以及对润滑层质量降低所增大的滑动摩擦阻力(正常泵送状态)，是否会导致混凝土无法泵送。 

本发明的上述试验方法包含了离析和工作性(坍落度或扩展度)损失的影响。在大多数情况下，所关注的确实是混凝土拌和物的离析趋势和工作性损失的共同作用，对可泵性的影响(在需要的可工作时间内)。如果要区分离析和工作性损失单独作用的影响，可单独测试混凝土拌和物工作性经时损失后的可泵性，即：混凝土拌和物先放置在桶中(加盖)静置特定时间(如60分钟)，然后搅拌均匀装入本发明“牵引式泵送性能试验仪”进行测试。此时，混凝土拌和物处于相对匀质状态，消除了离析影响。 

在又一方面，本发明提供了上述试验仪或其试验方法的用途，该用途包括检验混凝土拌和物的可泵性，试验分析影响因素和优化混凝土组成、配合比；针对特定工程泵送施工条件(包括环境温度)，确认混凝土拌和物是否可以或合适使用；P_t启动/P_t0启动和P_t润滑/P_t0润滑也可以作为混凝土抗离析性能的“新指标”。 

本发明的优选的试验方法包括如下步骤： 

(1)空载试验(测定挡板摩擦阻力)：试验仪管道处于垂直位(图4-a)，装入自来水使水柱高度500mm，安装前挡板，水与挡板之间不留空隙；将管道放置到水平位固定，活塞处于“终止位”，连接活塞连杆与测力传感器； 分别以速率v₁、v₂、v₃、...、v_n，牵引活塞从“起始位”向“终止位”滑动(图5)，测定记录全程对应的空载滑动拉力，得到平稳(匀速)滑动阻力F₀₁、F₀₂、F₀₃、…、F_0n(图6-b，一般n＝5～10)。拆开活塞连杆与测力传感器，将管道放置在卸料位(图4-b)，拉出活塞放掉全部水。 

(2)装载混凝土：试验仪管道处于垂直位(图4-a)，分三层装入混凝土拌和物试样和插捣密实，调整装入量使混凝土活塞净长度L＝500mm(也可设定其它L长度)，安装前挡板，混凝土与挡板之间不留空隙；将管道放置到水平位固定，活塞处于终止位，连接活塞连杆与测力传感器。 

(3)可泵性第一步(t0)测试：将活塞缓慢推到起始位，以速率v₁拉向终止位，测定记录全程的滑动驱动力(参考图6和图7)，得到混凝土活塞无润滑层状态启动阻力F_t0。减去挡板摩擦阻力F₀₁，得到净混凝土活塞启动阻力为f_t0启动(＝F_t0-F₀₁)，计算P_t0启动(P＝f/L·π·R²)。下一步测试可得到F_t0润滑，可计算f_t0润滑(＝F_t0润滑-F₀₁)和P_t0润滑。 

(4)易泵性测试、计算与评价：牵引活塞在起始位与终止位之间往复滑动m(8～10)个循环，使混凝土活塞形成润滑层。然后，每次均从起始位，分别以速率v₁、v₂、v₃、…、v_n牵引活塞向终止位滑移，测定记录每次滑动全程对应的滑动驱动力，得到平稳(匀速)滑动阻力F₁(F_t0润滑)、F₂、F₃、…、F_n(图6-b)。此后，活塞处于起始位停止(静置，并开始计时，到要求时间t，例如60分钟，进行后续可泵性测试)。 

(5)可泵性第二步测试(以静置60分钟为例)与评价：将静置后的活塞以速率v₁从起始位拉向终止位，测定记录全程的滑动驱动力(参考图7)，得到混凝土活塞离析和工作性损失后、无润滑状态启动阻力F_t60。减去挡板摩擦阻力F₀₁，得到净混凝土活塞启动阻力为f_t60启动(＝F_t60-F₀₁)。之后，牵引活塞往返滑动m个循环，使混凝土活塞与管道界面形成润滑层，再次以速率v₁拉混凝土活塞滑动，记录匀速滑动的拉力F_t60润滑，得到有润滑层状态的混凝土活塞的净摩擦阻力f_t60润滑(＝F_t60润滑-F₀₁)。分别计算P_t60启动和P_t60润滑(P ＝f/L·π·R²)。针对具体工程开展该试验，应在混凝土施工可能经历的相同温度环境(特别是夏季高温)静置，检验混凝土可泵性，因为温度可能对离析和工作性损失产生显著影响，需要检验确认。 

可泵性评价：泵送管线设计正常工作泵压为P_w，最大允许泵压为P_max(泵最高压力或管道能承受最大压力)，如果P_max/P_w≥2，可泵送的混凝土拌和物要满足下列条件： 

●P_t60润滑＜P_w，P_t60启动＜0.9P_max可泵性须达到指标，并且 

●P_t60启动/P_t0启动＜2须达到的抗离析指标 

●P_t60润滑/P_t0润滑＜1.2建议达到的抗离析性能指标 

(6)卸料：拆开活塞连杆与测力传感器的连接，将管道放置在卸料位，拉出活塞，卸下混凝土，彻底清洗管道和连杆挡板装置，不得有任何混凝土残留。 

在进一步方面，本发明还提供了用于上述试验的易泵性测试、计算与评价步骤中的数据处理方法，该方法包括： 

(1)混凝土活塞净摩擦阻力：f_i＝F_i-F_0i(i＝1～n，i对应于速率v_i)，本领域熟知N为力单位 

(2)摩擦阻力换算为活塞压力损失：P_i＝f_i/L·π·R²(N/mm²/m，MPa/m) 

(3)滑动速率换算为流量：Q_i＝v_i·π·R²(m³/h) 

(4)得到一组n个P/Q点：(P₁，Q₁)，(P₂，Q₂)，(P₃，Q₃)，...，(P_n，Q_n) 

(5)用最小二乘法回归泵送压力一流量直线：P＝k₁+k₂·Q 

计算均值： $\stackrel{\‾}{P}=\frac{{\mathrm{\Σ}}_{i=1}^n{P}_i}{n}=\frac{(P_1+P_2+\·\·\·+P_n)}{n},\stackrel{\‾}{Q}=\frac{{\mathrm{\Σ}}_{i=1}^n{Q}_i}{n}$

$k_1=\stackrel{\‾}{P}-k_2\·\stackrel{\‾}{Q}$

$k_2=\frac{{\mathrm{\Σ}}_{i=1}^n{P}_i\·Q_i-n\·\stackrel{\‾}{P}\·Q}{{\mathrm{\Σ}}_{i=1}^n{Q}_i-n\·{\stackrel{\‾}{Q}}^2}$

采用本发明的上述数据处理方法，可以准确地进行易泵性评价： 

●P＝k₁+k₂·Q定量关系中，k₁反映有润滑层状态的起始泵压，与混凝土工作性(坍落度或扩展度)相关；k₂体现增加流量需要增大泵压的比例。 

●k₁与k₂均相对小，混凝土拌和物易泵性相对好；对于工作性相同或接近的不同混凝土拌和物，拌和物之间k₁接近，k₂小的易泵性好。 

●使用P＝k₁+k₂·Q，可以较准确估算泵送施工需要的泵压。 

本发明的上述试验仪及其试验方法与现有技术相比，具有显著且预料不到的技术效果，所述技术效果如下： 

(1)传统的方法采用压力或常压泌水判断混凝土抗离析能力，判断发生堵泵堵管的可能性(可泵性)；采用混凝土工作性(坍落度/扩展度、倒筒或漏斗流空时间等)半定量测试和依靠经验判断易泵性，其缺点在于依靠经验，难以应付新原材料或组成的混凝土拌和物，不能准确评价混凝土泵送性能，也不能定量预测泵送压力-流量关系。传统的方法或试验装置，仍然采用没有明确或可靠定量关系的参数表征可泵性或易泵性，所以也是定性或半定量测试评价方法。 

法国D.Kaplan研制的研制的“圆柱摩擦仪”和德国开发的“滑管式流变仪”(或“浆体流变仪”)，均以混凝土润滑层的流变性参数(屈服应力和塑性粘度)表征滑移摩擦阻力，然而该仪器的缺点在于，仪器的钢-混凝土摩擦状态与管道中摩擦有较大差异，测试屈服应力的离散性较大，需要较多测试数据克服偏差。 

德国仪器(CN102203583B)测试评价易泵性效果较好，但管道垂直方向设置不适合评价可泵性，管道为水平设置，理论上也可以用于测试可泵性(该专利中仅考虑测试加压状态混凝土流变性)，但机构复杂，在长时间静置状态两侧液压活塞必须保持压力和位置恒定有技术上难度，或需要非常精密的液压和活塞系统。 

与现有技术的上述方法形成非常鲜明对比的是，本发明试验仪虽然基于同样的理论基础(摩擦应力等于润滑层剪切应力)测试易泵性，但是采用了 不同的仪器设计和测试方法，简述为：用连杆刚性连接前后两个可滑动挡板在管道中形成混凝土拌和物的活塞，牵引混凝土活塞在管道中往复滑动产生润滑层，然后测试有润滑层的混凝土活塞在不同给定滑动速率下的滑动摩擦阻力，获得分别反映润滑层屈服应力和塑性粘度的k₁和k₂，从而建立泵送压力一流量(P/Q)定量关系和评价易泵性。本发明试验仪的另一个重要功能是测试与评价混凝土的可泵性，通过测试离析趋势(泌水、骨料沉降)与工作性损失等经时变化对滑动阻力的定量影响，使混凝土可泵性评价定量化。这是创新的方法，以前评价可泵性的方法均是定性的。 

另外，还应明确指出的是，本发明试验仪设计采用一个由连杆刚性连接前后两个可滑动密封挡板装置，管道处于垂直方向在两个挡板之间装载混凝土拌和物试样，在管道中形成混凝土活塞；然后将管道在水平方向固定，在不同控制速率下牵引混凝土活塞在管道中滑移和进行测定。该方法的优点是用比较简单的装置和方法，在水平状态进行测试，不仅可以测试有润滑层状态混凝土活塞的滑移阻力(定量评价易泵性)，还可以定量测试评价可泵性，即混凝土活塞在挡板密封状态下静置一定时间(如60分钟)，让混凝土自然离析(如果泌水严重、骨料沉降接触管壁和润滑层消失最易发生堵管)，然后测量滑移启动和有润滑层状态的阻力，评价可泵性。用本发明试验仪和方法测试评价混凝土可泵性是一种全新的方法，将混凝土的经时离析和工作性损失对可泵性影响定量化。 

(2)本发明设计的牵引式混凝土泵送性能试验仪能够同时测试与评价可泵性和易泵性，现有“圆柱摩擦仪”和“浆体流变仪”仅可测试和评价易泵性；本发明设计的连杆刚性连接双挡板装置，用于制作混凝土拌和物活塞、牵引活塞滑动，进行不同滑动速率下的摩擦阻力测试，是一种在现有技术中没有记载或教导的创新设计和新测试方法。 

(3)本发明的可泵性试验测试与评价方法，能够采用与泵送直接相关的定量化指标判别混凝土拌和物的可泵性，是可泵性测试与评价方法的创新与 突破。 

(4)通过在前后挡板活塞上施加耐磨密封材料，使前后挡板活塞的耐磨性相比于不加入所述填料可以提高很多，例如可提高高达320倍。 

附图说明：

图1是根据本发明一个实施方案的牵引式混凝土泵送性能试验仪的原理图； 

图2是根据本发明一个实施方案的牵引式混凝土泵送性能试验仪的结构示意图； 

其中：1是管道(内半径为R，为钢或塑料试验管)；2是连杆刚性连接的前后挡板活塞装置；3是定速滑动牵引机构；3-1是速率控制器；3-2是齿条、螺杆或钢索；4是测力传感器；4’是记录仪(记录速度v/牵引力F)；5是支座支架；5A和5B是管固定卡具；6是混凝土试样活塞(内长L)。 

图3是根据本发明一个实施方案的连杆刚性连接的前后挡板活塞装置的结构示意图。 

图4是根据本发明一个实施方案的支座支架的结构示意图。 

图5是根据本发明一个实施方案的试验程序的示意图。 

图6是根据本发明一个实施方案的可泵性和易泵性测试、计算与评价的图。 

图7是根据本发明一个实施方案的测定记录全程的滑动驱动力的坐标图。 

具体实施方式

下面的实施例有助于进一步说明本发明。 

实施例1 

(1)易泵性的测试 

在管道中制成混凝土拌和物活塞，牵引使混凝土活塞往复运动m(8～10)个循环形成润滑层，然后分别以两个以上不同速度拉混凝土活塞，同时测试拉力，得到两组以上速度-拉力点(v_i-f_i点，两个点可以得到P/Q直线，多点测试时可以提高测量精度)，换算为相应的P_i-Q_i点，回归计算得到P＝k₁+k₂·Q关系中k₁和k₂，评价易泵性。 

建立混凝土拌和物的P/Q关系直线，评价混凝土拌和物易泵性，预测工程泵送需要的泵压和作为混凝土泵选型的参考；试验分析各种原材料(外加剂、掺和料、骨料种类和级配等)对泵送性能的影响，优化组成和配合比；施工泵送前，检验确认混凝土的易泵性或质量稳定性；k₁和k₂参数还可在施工泵送管线上测量计算和记录，在线实时监测混凝土质量、性能变化或波动，出现异常可及时报警和处理，防止堵管等不可逆转的问题发生。 

可泵性的测试 

原理：有一定工作性(坍落度大于50mm)的混凝土拌和物，刚搅拌完成的相对匀质状态是其最好的泵送状态。如果拌和物粘聚性不好，在重力作用下就可能出现离析并经时发展，变的越来越不匀质，体现为水上浮聚集到上部和表面，粗骨料沉降到下部和底部(如图1所示)。因此，离析趋势大的混凝土拌和物活塞，在水平状态由于下部水分少、粗骨料多而较难形成润滑层或形成的润滑层“润滑”性能较差。在水平管道中混凝土活塞滑移的摩擦阻力随混凝土离析程度的增大而“非线性”增大，局部或整个管线的摩擦阻力超过泵压极限推力则发生堵管。应用本发明的试验装置，处于水平管道中是混凝土拌和物产生离析的最不利状态，可以检验经时离析和工作性损失对可泵性的定量化影响，即：对泵送启动的摩擦阻力(模拟泵送中断后重新启动泵送)的增大作用，以及对润滑层质量降低所增大的滑动摩擦阻力(正常泵送状态)，是否会导致混凝土无法泵送。 

说明：该试验包含了离析和工作性(坍落度或扩展度)损失的影响。在大多数情况下，所关注的确实是混凝土拌和物的离析趋势和工作性损失的共 同作用，对可泵性的影响(在需要的可工作时间内)。如果要区分离析和工作性损失单独作用的影响，可单独测试混凝土拌和物工作性经时损失后的可泵性，即：混凝土拌和物先放置在桶中(加盖)静置特定时间(如60分钟)，然后搅拌均匀装入本发明“牵引式泵送性能试验仪”进行测试。此时，混凝土拌和物处于相对匀质状态，消除了离析影响。 

试验方法：先在混凝土拌和物活塞处于相对匀质状态(刚搅拌完成并制成活塞，时间t0)，以特定速率(以下以v₁速率为例)拉混凝土活塞滑动，测量启动时拉力F_t0启动；之后，牵引活塞往返滑动m(8～10)个循环，在混凝土活塞与管道界面形成润滑层，再次以特定速率(v₁)拉混凝土活塞滑动，记录匀速滑动的拉力F_t0润滑。将F_t0启动和F_t0润滑分别换算为启动压力P_t0启动和匀速滑动压力P_t0润滑。然后，让混凝土拌和物在水平管道中处于密封状态静置一定的时间t(可根据实际工程现场条件和要求确定，以下以60分钟为例，以t60表示)，让混凝土自然离析(同时可能有一定的工作性经时损失)，再以同样速率(v₁)和方法测量启动时拉力F_t60启动和有润滑层状态(m个往返滑动次数后)匀速滑动的拉力F_t60润滑，分别换算为P_t60启动和P_t60润滑。 

评价方法：与P_t0启动和P_t0润滑相比，P_t60启动和P_t60润滑体现经过60分钟的静置自然离析和工作性损失，混凝土拌和物泵送性能的变化。如果泵送管线设计最大泵压P_max与正常工作泵压P_w之比(P_max/P_w)≥2，则可泵的混凝土拌和物需满足下列条件： 

●P_t60润滑＜P_w，P_t60启动＜0.9P_max(可泵性须达到指标)，并且 

●P_t60启动/P_t0启动＜2(须达到的抗离析指标) 

●P_t60润滑/P_t0润滑＜1.2(建议抗离析性能指标) 

说明：上述判定可泵性指标，为根据一般情况建议指标。一个混凝土拌和物能不能泵送(可泵性)实际上与泵送施工的现场条件密切相关，需要考虑的因素包括管线总长度(水平段+垂直段)、管线布置(含有的弯管、接口、变径、阀门等)、泵的功率与性能、管道直径和耐压程度、环境温度，等等。 也就是说，在某个工地能泵送的混凝土拌和物，换个工地就不一定能泵送。因此，评定混凝土拌和物可泵或不可泵的指标(P_w、P_t启动和P_max)需要根据工程现场条件确定。泵送施工中最不利的情况为：泵送过程因故中断，管道中混凝土处于静置状态，经过一定时间t(现场可能发生中断的最长时间)重新启动泵送的压力P_t启动不能超过P_max(实际泵送管线上能够提供的最大泵压，MPa/m)。 

用途：检验混凝土拌和物的可泵性，试验分析影响因素和优化混凝土组成、配合比；针对特定工程泵送施工条件(包括环境温度)，确认混凝土拌和物是否可以或合适使用；P_t启动/P_t0启动和P_t润滑/P_t0润滑也可以作为混凝土抗离析性能的“新指标”。 

(2)牵引式混凝土泵送性能试验仪设计 

本发明的“牵引式混凝土泵送性能试验仪”由5个基本部分组成，即管道、连杆刚性连接的前后挡板活塞装置、定速滑动牵引机构、测力与记录仪和支座支架，见图2。 

①管道 

管道一般为泵送施工使用的平直的钢质管道或塑料管道，长度约1200mm～2000mm，管道内半径R通常为62.5mm或75mm(根据骨料最大粒径或实际工程使用管道直径确定)。也可以使用塑料管道，减小管道重量，优先选择耐磨性好的尼龙管。 

②连杆刚性连接的前后挡板活塞装置 

具体结构见图3。连杆为钢质螺杆，前、后挡板材料为塑料，优选透明材料或尼龙材料。后挡板用螺栓固定在钢连杆后端，前挡板在装料后旋入，可挤紧混凝土拌和物形成圆柱活塞状。前后挡板的内间距L一般为40mm～60mm。前、后挡板直径略小于管径，优选不与管道直接摩擦或者摩擦很小；挡板外缘设密封圈，优选橡胶密封圈，在保证密封不漏水漏浆前提下，与管壁的摩擦力应尽可能小。 

③定速滑动牵引机构 

滑动牵引机构由可控制速率的动力单元、速度控制系统(面板)和牵引齿条(或螺杆、或钢索)构成。可控制速率的动力单元包括伺服电机、步进电机或多速率卷扬机。可控制速率的动力单元优选由伺服电机和相应速率控制系统组成，牵引优选齿条或螺杆(可以动力牵引推和/或拉使活塞往返滑动)。 

④测力与记录仪 

测力传感器可测定拉力和/或压力，分辨率0.1N，量程0～2000N(R＝62.5mm)或0～3000N(R＝75mm)。测力传感器与活塞连杆、齿条(或螺杆)的连接为铰接，只转递轴向拉力和/或压力，不传递弯距(略微偏心时可能产生)。记录仪从牵引机构启动的同时，连续记录测力传感器的测量数据，并记录相应牵引速率。 

⑤支座支架 

支座支架用于精确安装滑动牵引机构和管道，使牵引齿条(或螺杆、或钢索)与管道中心轴线在一条中心线上。装混凝土拌和物时，管道处于垂直位(见图4-a)。固定管道的A卡具，设置在管道中间，允许管道旋转处于装料位(图4-a)和卸料位(图4-b)。测量时管道处于水平位(见图2)，用卡具B固定管道。支座支架需要足够的强度和刚度，保证在牵引混凝土活塞滑动时没有明显震动和变形。支座支架材料为钢质型材、铝质型材或木材，优选钢型材。 

(3)试验程序和泵送性能评价 

1)空载试验(测定挡板摩擦阻力)：试验仪管道处于垂直位(图4-a)，装入自来水使水柱高度500mm，安装前挡板，水与挡板之间不留空隙；将管道放置到水平位固定，活塞处于“终止位”，连接活塞连杆与测力传感器；分别以速率v₁、v₂、v₃、...、v_n，牵引活塞从“起始位”向“终止位”滑动(图5)，测定记录全程对应的空载滑动拉力，得到平稳(匀速)滑动阻力F₀₁、F₀₂、 F₀₃、...、F_0n(图6-b，一般n＝5～10)。拆开活塞连杆与测力传感器，将管道放置在卸料位(图4-b)，拉出活塞放掉全部水。 

2)装载混凝土：试验仪管道处于垂直位(图4-a)，分三层装入混凝土拌和物试样和插捣密实，调整装入量使混凝土活塞净长度L＝500mm(也可设定其它L长度)，安装前挡板，混凝土与挡板之间不留空隙；将管道放置到水平位固定，活塞处于终止位，连接活塞连杆与测力传感器。 

3)可泵性第一步(t0)测试：将活塞缓慢推到起始位，以速率v₁拉向终止位，测定记录全程的滑动驱动力(参考图6和图7)，得到混凝土活塞无润滑层状态启动阻力F_t0。减去挡板摩擦阻力F₀₁，得到净混凝土活塞启动阻力为f_t0启动＝(F_t0-F₀₁)，计算P_t0启动(P＝f/L·π·R²)。下一步测试可得到F_t0润滑，可计算f_t0润滑(＝F_t0润滑-F₀₁)和P_t0润滑。 

4)易泵性测试、计算与评价：牵引活塞在起始位与终止位之间往复滑动m(8～10)个循环，使混凝土活塞形成润滑层。然后，每次均从起始位，分别以速率v₁、v₂、v₃、...、v_n牵引活塞向终止位滑移，测定记录每次滑动全程对应的滑动驱动力，得到平稳(匀速)滑动阻力F₁(F_t0润滑)、F₂、F₃、...、F_n(图6-b)。此后，活塞处于起始位停止(静置，并开始计时，到要求时间t，例如60分钟，进行后续可泵性测试)。 

数据处理： 

●混凝土活塞净摩擦阻力：f_i＝F_i-F_0i(i＝1～n，i对应于速率v_i) 

●摩擦阻力换算为活塞压力损失：P_i＝f_i/L·π·R²(N/mm²/m，MPa/m) 

●滑动速率换算为流量：Q_i＝v_i·π·R²(m³/h) 

●得到一组n个P/Q点：(P₁，Q₁)，(P₂，Q₂)，(P₃，Q₃)，...，(P_n，Q_n) 

●用最小二乘法回归泵送压力一流量直线：P＝k₁+k₂·Q 

计算均值： $\stackrel{\‾}{P}=\frac{{\mathrm{\Σ}}_{i=1}^n{P}_i}{n}=\frac{(P_1+P_2+\·\·\·+P_n)}{n},\stackrel{\‾}{Q}=\frac{{\mathrm{\Σ}}_{i=1}^n{Q}_i}{n}$

$k_1=\stackrel{\‾}{P}-k_2\·\stackrel{\‾}{Q}$

$k_2=\frac{{\mathrm{\Σ}}_{i=1}^n{P}_i\·Q_i-n\·\stackrel{\‾}{P}\·Q}{{\mathrm{\Σ}}_{i=1}^n{Q}_i-n\·{\stackrel{\‾}{Q}}^2}$

易泵性评价： 

●P＝k₁+k₂·Q定量关系中，k₁反映有润滑层状态的起始泵压，与混凝土工作性(坍落度或扩展度)相关；k₂体现增加流量需要增大泵压的比例。 

●k₁与k₂均相对小，混凝土拌和物易泵性相对好；对于工作性相同或接近的不同混凝土拌和物，拌和物之间k₁接近，k_２小的易泵性好。 

●使用P＝k₁+k₂·Q，可以较准确估算泵送施工需要的泵压。 

5)可泵性第二步测试(以静置60分钟为例)与评价：将静置后的活塞以速率v₁从起始位拉向终止位，测定记录全程的滑动驱动力(参考图7)，得到混凝土活塞离析和工作性损失后、无润滑状态启动阻力F_t60。减去挡板摩擦阻力F₀₁，得到净混凝土活塞启动阻力为f_t60启动(＝F_t60-F₀₁)。之后，牵引活塞往返滑动m个循环，使混凝土活塞与管道界面形成润滑层，再次以速率v₁拉混凝土活塞滑动，记录匀速滑动的拉力F_t60润滑，得到有润滑层状态的混凝土活塞的净摩擦阻力f_t60润滑(＝F_t60润滑-F₀₁)。分别计算P_t60启动和P_t60润滑(P＝f/L·π·R²)。针对具体工程开展该试验，应在混凝土施工可能经历的相同温度环境(特别是夏季高温)静置，检验混凝土可泵性，因为温度可能对离析和工作性损失产生显著影响，需要检验确认。 

可泵性评价：泵送管线设计正常工作泵压为P_w，最大允许泵压为P_max(泵最高压力或管道能承受最大压力)，如果P_max/P_w≥2，可泵送的混凝土拌和物要满足下列条件： 

●P_t60润滑＜P_w，P_t60启动＜0.9P_max(可泵性须达到指标，图7-d)，并且 

●P_t60启动/P_t0启动＜2(须达到的抗离析指标) 

●P_t60润滑/P_t0润滑＜1.2(建议抗离析性能指标) 

6)卸料：拆开活塞连杆与测力传感器的连接，将管道放置在卸料位(图4-b)，拉出活塞，卸下混凝土，彻底清洗管道和连杆挡板装置，不得有任何混凝土残留。 

本书面描述使用实例来公开本发明，包括最佳模式，且还使本领域技术人员能够制造和使用本发明。本发明的可授予专利的范围由权利要求书限定，且可以包括本领域技术人员想到的其它实例。如果这种其它实例具有不异于权利要求书的字面语言的结构元素，或者如果这种其它实例包括与权利要求书的字面语言无实质性差异的等效结构元素，则这种其它实例旨在处于权利要求书的范围之内。在不会造成不一致的程度下，通过参考将本文中参考的所有引用之处并入本文中。 

Claims (9)

1.一种牵引式混凝土泵送性能试验仪，该试验仪包括如下5个基本部分或者由如下5个基本部分组成：(1)管道，(2)连杆刚性连接的前后挡板活塞装置，(3)定速滑动牵引机构，(4)测力与记录仪，和(5)支座支架，所述连杆刚性连接的前后挡板活塞装置位于所述管道中，前后挡板之间用于装载受测试的混凝土，所述定速滑动牵引机构用于牵引所述前后挡板活塞装置在管道内滑动，所述测力与记录仪用于测定拉力和/或压力，所述支座支架用于安装所述管道、定速滑动牵引机构和/或测力与记录仪。

2.根据权利要求1所述的牵引式混凝土泵送性能试验仪，其中所述管道为泵送施工使用的平直的钢质管道或塑料管道，长度为约1200mm～2000mm，管道内半径R为62.5mm或75mm；

在所述连杆刚性连接的前后挡板活塞装置中，连杆为钢质螺杆，前、后挡板材料为塑料，优选透明材料或尼龙材料；后挡板用螺栓固定在钢连杆后端，前挡板在装料后旋入，可挤紧混凝土拌和物形成圆柱活塞状，前后挡板的内间距L可以为40mm～60mm；前、后挡板直径略小于管径，挡板外缘设耐磨密封材料层，该耐磨密封材料层优选为密封圈形式，或者设橡胶密封圈；

所述定速滑动牵引机构中的滑动牵引机构由可控制速率的动力单元、速度控制系统和牵引齿条(或螺杆、或钢索)构成，可控制速率的动力单元包括伺服电机、步进电机或多速率卷扬机，可控制速率的动力单元优选由伺服电机和相应速率控制系统组成，所述滑动牵引机构可以动力牵引推和/或拉使活塞往返滑动；

在所述测力与记录仪中，测力传感器可测定拉力和/或压力，分辨率0.1N，量程0～2000N(当管道内半径为R＝62.5mm时)或0～3000N(当管道内半径为R＝75mm时)，测力传感器与活塞连杆、齿条(或螺杆)的连接为铰接，只转递轴向拉力和/或压力，记录仪从牵引机构启动的同时，连续记录测力传感器的测量数据，并记录相应牵引速率；

所述支座支架用于精确安装滑动牵引机构和管道，使牵引齿条、或螺杆、或钢索与管道中心轴线在一条中心线上，装混凝土拌和物时，管道处于垂直位，固定管道的A卡具，设置在管道中间，允许管道旋转处于装料位和卸料位，测量时管道处于水平位，用卡具B固定管道，支座支架需要足够的强度和刚度，保证在牵引混凝土活塞滑动时没有明显震动和变形，支座支架材料为钢质型材、铝质型材或木材，优选钢型材。

3.根据权利要求1或2所述的牵引式混凝土泵送性能试验仪，其中在前后挡板活塞装置与管道的内壁相接触部分衬有0.1-3mm厚度的耐磨密封材料层。

4.使用权利要求1-3中任一项所述的牵引式混凝土泵送性能试验仪进行试验的方法，该方法包括：

(1)测试和评价易泵性：在管道中制成混凝土拌和物活塞，牵引使混凝土活塞往复运动m个循环形成润滑层，然后分别以两个以上不同速度拉混凝土活塞，同时测试拉力，得到两组以上速度-拉力点v_i-f_i点，两个点可以得到P/Q直线，P为泵送压力，Q为流量，多点测试时可以提高测量精度，换算为相应的P_i-Q_i点，回归计算得到P＝k₁+k₂·Q关系中k₁和k₂，评价易泵性，其中k₁和k₂均相对小时，混凝土拌和物易泵性相对好；对于工作性相同或接近的不同混凝土拌和物，拌和物之间k₁接近，k₂小的易泵性好；和

(2)测试和评价可泵性：先在混凝土拌和物活塞处于相对匀质状态，即刚搅拌完成并制成活塞，时间为t0，以一定速率v₁拉混凝土活塞滑动，测量启动时拉力F_t0启动；之后，牵引活塞往返滑动m个循环，在混凝土活塞与管道界面形成润滑层，再次以速率v₁拉混凝土活塞滑动，记录匀速滑动的拉力F_t0润滑；将F_t0启动和F_t0润滑分别换算为启动压力P_t0启动和匀速滑动压力P_t0润滑；然后，让混凝土拌和物在水平管道中处于密封状态静置时间t，让混凝土自然离析，再以同样速率v₁和方法测量启动时拉力F_t启动和有润滑层状态，在m个往返滑动次数后，匀速滑动的拉力F_t润滑，分别换算为P_t启动和P_t润滑。

采用如下评价程序进行评价方法：与P_t0启动和P_t0润滑相比，P_t启动和P_t润滑体现经过t(例如60)分钟的静置自然离析和工作性损失，混凝土拌和物泵送性能的变化，如果泵送管线设计最大泵压P_max与正常工作泵压P_w之比(P_max/P_w)≥2，则可泵的混凝土拌和物需满足下列条件：

P_t60润滑＜P_w，P_t60启动＜0.9P_max可泵性须达到的指标，并且

P_t60启动/P_t0启动＜2须达到的抗离析指标；

P_t60润滑/P_t0润滑＜1.2建议达到的抗离析性能指标。

5.根据权利要求4的方法，其中(1)和(2)中的m独立地为8-10。

6.根据权利要求4或5的方法，其中(1)中多点测试的点数为3个以上，优选5个以上，更优选10个以上。

7.根据权利要求4-6中任一项的方法，该方法包括如下具体步骤：

(1)空载试验，即测定挡板摩擦阻力：试验仪管道处于垂直位，装入自来水使水柱高度500mm，安装前挡板，水与挡板之间不留空隙；将管道放置到水平位固定，活塞处于“终止位”，连接活塞连杆与测力传感器；分别以速率v₁、v₂、v₃、...、v_n，牵引活塞从“起始位”向“终止位”滑动，测定记录全程对应的空载滑动拉力，得到平稳(即匀速)滑动阻力F₀₁、F₀₂、F₀₃、...、F_0n，优选地n＝5～10，拆开活塞连杆与测力传感器，将管道放置在卸料位，拉出活塞放掉全部水；

(2)装载混凝土：试验仪管道处于垂直位，分三层装入混凝土拌和物试样和插捣密实，调整装入量使混凝土活塞净长度L＝500mm，安装前挡板，混凝土与挡板之间不留空隙；将管道放置到水平位固定，活塞处于终止位，连接活塞连杆与测力传感器；

(3)可泵性第一步(t0)测试：将活塞缓慢推到起始位，以速率v₁拉向终止位，测定记录全程的滑动驱动力，得到混凝土活塞无润滑层状态启动阻力F_t0，减去挡板摩擦阻力F₀₁，得到净混凝土活塞启动阻力为f_t0启动(＝F_t0-F₀₁)，计算P_t0启动(P＝f/L·π·R²)，下一步测试得到F_t0润滑，计算f_t0润滑(＝F_t0润滑-F01)和P_t0润滑；

(4)易泵性测试、计算与评价：牵引活塞在起始位与终止位之间往复滑动m(m＝8～10)个循环，使混凝土活塞形成润滑层，然后，每次均从起始位，分别以速率v₁、v₂、v₃、...、v_n牵引活塞向终止位滑移，测定记录每次滑动全程对应的滑动驱动力，得到平稳(匀速)滑动阻力F₁(F_t0润滑)、F₂、F₃、...、F_n，此后，活塞处于起始位停止即静置，并开始计时，到要求时间t，例如60分钟(t60)，进行后续可泵性测试；

(5)可泵性第二步测试与评价：将静置(t60)后的活塞以速率v₁从起始位拉向终止位，测定记录全程的滑动驱动力，得到混凝土活塞离析和工作性损失后、无润滑状态启动阻力F_t60，其中t表示所述静置的时间，减去挡板摩擦阻力F₀₁，得到净混凝土活塞启动阻力为f_t60启动(＝F_t60-F₀₁)，之后，牵引活塞往返滑动m个循环，使混凝土活塞与管道界面形成润滑层，再次以速率v₁拉混凝土活塞滑动，记录匀速滑动的拉力F_t60润滑，得到有润滑层状态的混凝土活塞的净摩擦阻力f_t60润滑(＝F_t60润滑-F₀₁)，分别计算P_t启动和P_t润滑，其中P＝f/L·π·R²，针对具体工程开展该试验，应在混凝土施工可能经历的相同温度环境(特别是夏季高温)静置，检验混凝土可泵性；

可泵性评价：泵送管线设计正常工作泵压为P_w，最大允许泵压为P_max即泵最高压力或管道能承受最大压力，如果P_max/P_w＞2，可泵送的混凝土拌和物要满足下列条件：

P_t60润滑＜P_w，P_t60启动＜0.9P_max可泵性须达到指标，并且

P_t60启动/P_t0启动＜2须达到的抗离析指标；

P_t60润滑/P_t0润滑＜1.2建议达到的抗离析性能指标；

(6)卸料：拆开活塞连杆与测力传感器的连接，将管道放置在卸料位，拉出活塞，卸下混凝土，彻底清洗管道和连杆挡板装置，不得有任何混凝土残留。

8.根据权利要求4-6中任一项的方法，该方法还包括用于上述试验的易泵性测试、计算与评价步骤中的数据处理方法，该方法包括：

(1)混凝土活塞净摩擦阻力：f_i＝F_i-F_0i(i＝1～n，i对应于速率v_i)

(2)摩擦阻力换算为活塞压力损失：P_i＝f_i/L·π·R²(N/mm²/m，MPa/m)

(3)滑动速率换算为流量：Q_i＝v_i·π·R²(m³/h)

(4)得到一组n个P/Q点：(P₁，Q₁)，(P₂，Q₂)，(P₃，Q₃)，...，(P_n，Q_n)

(5)用最小二乘法回归泵送压力-流量直线：P＝k₁+k₂Q

计算均值： $\stackrel{\‾}{P}=\frac{{\mathrm{\Σ}}_{i=1}^n{P}_i}{n}=\frac{(P_1+P_2+...+P_n)}{n},$ $\stackrel{\‾}{Q}=\frac{{\mathrm{\Σ}}_{i=1}^n{Q}_i}{n}$

$k_1=\stackrel{\‾}{P}-k_2\·\stackrel{\‾}{Q}$

$k_2=\frac{{\mathrm{\Σ}}_{i=1}^n{P}_i\·Q_i-n\·\stackrel{\‾}{P}\·Q}{{\mathrm{\Σ}}_{i=1}^n{Q}_i-n\·{\stackrel{\‾}{Q}}^2}$

采用本发明的上述数据处理方法，以准确地进行易泵性评价：

P＝k₁+k₂·Q定量关系中，k₁反映有润滑层状态的起始泵压，与混凝土工作性(例如坍落度或扩展度)相关；k₂体现增加流量需要增大泵压的比例；

k₁与k₂均相对小，混凝土拌和物易泵性相对好；对于工作性相同或接近的不同混凝土拌和物，拌和物之间k₁接近，k₂小的易泵性好；

使用P＝k₁+k₂·Q，可以较准确估算泵送施工需要的泵压。

9.根据权利要求2-3中任一项的试验仪或者根据权利要求4-8中任一项的方法的用途，该用途包括检验混凝土拌和物的可泵性，试验分析影响因素和优化混凝土组成、配合比；针对包括环境温度在内的特定工程泵送施工条件，确认混凝土拌和物是否可以或合适使用。此外，可以使用P_t60启动/P_t0启动和P_t60润滑/P_t0润滑作为混凝土抗离析性能的定量化评价指标。