CN108169463B - 一种基于浆体流变的透水混凝土工作性能的检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于浆体流变的透水混凝土工作性能的检测方法，该方法直接建立水泥浆体流变参数与骨料表面浆体最大包裹层厚度的关系，进而表征透水混凝土的工作性能。首先，将硅酸盐水泥、矿物掺合料、水、外加剂等组分按比例制备浆体，测试浆体的流变性能，并采用HB模型(τ＝τ₀+γⁿ)拟合获得浆体的流变参数。然后，根据测试的水泥浆体密度、骨料表面积，计算浆体在骨料表面的最大包裹层厚度，并建立水泥浆体流变参数与浆体最大包裹层关系。本发明提出的透水混凝土工作性能检测方法，可定量检测新拌透水混凝土的工作性能，为设计、制备高性能透水混凝土奠定了理论基础和技术支撑，有利于透水混凝土的大规模推广应用。

Description

一种基于浆体流变的透水混凝土工作性能的检测方法

技术领域

本发明属于建筑材料领域，具体涉及一种基于浆体流变的透水混凝土工作性能的检测方法。

背景技术

近年来，随着我国城市化水平的不断发展，非透水区域的面积逐渐增大，导致城市渗透功能降低，最终引发了城市内涝、热岛效应、地表下陷等城市病。鉴于此，国家提出了建设海绵城市构想，旨在增加城市透水面积、减少城市洪涝灾害、有效补充地下水资源，以增强城市环境相容性，促进生态环境的可持续发展。透水混凝土具有成本低廉、力学和透水性能良好等的特点，已经成为构建海绵城市的关键材料之一。

透水混凝土由粗集料堆积形成骨架结构、浆体包裹骨料并粘结形成整体，透水混凝土实际上是一种无细集料或少量细集料的贫浆混凝土。由于透水混凝土是由骨料、水泥等胶凝材料、水以及外加剂拌制而成、采用振实或压实工艺成型的一种多孔轻质混凝土，其粗骨料通过包覆一层较薄的水泥浆体而相互粘结，形成孔隙连通且均匀分布的蜂窝状结构，从而赋予了混凝土透气、透水等良好的环境相容性。国内外学者对透水混凝土配合比、成型或施工方法与力学、透水等性能开展了大量研究，发现新拌透水混凝土的工作性能是影响硬化后性能的重要指标，同时决定着透水混凝土的成型或施工时间与方式。在宏观上可归结为：浆体过稀，不利于浆体包裹骨料，且易堵塞孔隙，对强度和透水性均不利；浆体过稠，不利于浆体自身的密实和包裹骨料的均匀性，透水混凝土成型过程中易形成缺陷，严重影响其力学和耐久等性能。因此，如何科学、合理地表征透水混凝土的工作性能，成为透水混凝土开发和应用领域的研究热点。

目前，透水混凝土工作性能检测方法主要有：经验观察法、浆体流动度法和维勃稠度法。经验观察法是通过新拌透水混凝土的外观状态进行检测，即手握成团且不淌浆为宜；该方法没有量化指标，受人为主观因素的影响较大。浆体流动度法则是在经验观察法基础上，将浆体流动度与新拌透水混凝土外观形态建立关系，进而基于浆体流动度来判断新拌混凝土的工作性能；该方法虽然可量化浆体流动度，但仍未提出表征透水混凝土工作性能的指标，尚缺乏科学性和严谨性。维勃稠度法是将坍落度筒中置于振动台上并装入新拌透水混凝土，提起坍落度筒后在混凝土拌合物顶面放置一个直径为230mm±2mm的透明圆盘；启动振动台直至透明圆盘底面被水泥浆布满，以振动时间表征透水混凝土工作性能；该方法中振动源在透水混凝土下部，而实际施工时采用的振动辊、平板振动器多在混凝土上方且振动频率、幅度差异较大，因此采用维勃稠度法获得的结果与实际情况关联性较差。因此，亟待开发更加科学、高效的透水混凝土工作性能检测方法，指导透水混凝土的制备和应用。

发明内容

针对现有透水混凝土工作性能检测方法中的不足，本发明提出一种基于浆体流变的透水混凝土工作性能的检测方法，旨在建立浆体流变参数与骨料表面的浆体最大包裹层厚度的关系，进而表征和检测透水混凝土的工作性能。

为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于浆体流变的透水混凝土工作性能的检测方法，通过建立浆体流变参数与骨料表面的浆体最大包裹层厚度之间的关系，进行检测透水混凝土的工作性能。

进一步的是：浆体流变参数确立的方法如下：将硅酸盐水泥、矿物掺合料、水、外加剂按比例混合，然后依照GB/T 1346-2011制备浆体；浆体拌合完成后的15min内采用流变仪测试不同剪切速率下浆体的剪切应力：

流变仪的测试程序为：首先在30s内剪切速率由0s^-1提升至200s^-1；其次在30s内剪切速率由200s^-1降低至0s^-1；然后静停状态下保持20s；随后在60s内剪切速率由0s^-1提升至200s^-1；最后在60s内剪切速率由200s^-1降低至0s^-1；

使用流变仪测得浆体剪切应力τ与浆体剪切速率

的关系后，采用模型方程

进行拟合，获得浆体的流变方程，通过浆体的流变方程确定浆体的流变参数。

进一步的是：浆体的流变参数为屈服应力τ₀和表观粘度η，其中，η＝τ′。

进一步的是：获得浆体最大包裹层厚度的方法包括以下步骤：

第一步：制备透水混凝土，透水混凝土由浆体和设定质量的骨料拌合均匀并成型，然后观察透水混凝土是否发生堵孔现象；

第二步：多次重复第一步，每次制备透水混凝土所使用的骨料的质量相同，制备透水混凝土所使用的浆体的质量则逐渐增加，直至观察到第N次制备出的透水混凝土发生堵孔现象，然后记录第N-1次制备透水混凝土所用的浆体的质量为m_P；测试浆体密度ρ_P和骨料总表面积S_A，获得浆体的最大包裹层厚度

及浆体最大包裹层厚度指数

其中，r_A为骨料的平均半径。

进一步的是：透水混凝土的工作性能由劣到优依次分为第一等级、第二等级、第三等级；浆体流变参数、骨料表面的浆体最大包裹层厚度、透水混凝土工作性能的关系为：

当τ₀＜11Pa或η₁₀＜0.63Pa·s时，浆体最大包裹层厚度指数E＜0.045，透水混凝土的工作性能处于第一等级；

当11Pa≤τ₀≤106Pa或0.63Pa·s≤η₁₀≤1.99Pa·s时，浆体最大包裹层厚度指数0.045≤E≤0.095，透水混凝土的工作性能处于第三等级；

当τ₀＞106Pa或η₁₀＞1.99Pa·s时，浆体最大包裹层厚度指数E>0.095，透水混凝土的工作性能处于第二等级；

其中，η₁₀为剪切速率为10s^-1时的表观粘度。

总的说来，本发明具有如下优点：与现有基于经验描述的透水混凝土工作性能检测方法相比，本发明的优点在于：揭示了浆体流变参数与骨料表面浆体包裹层最大厚度、新拌透水混凝土工作性能之间的关系，可定量地检测新拌透水混凝土的工作性能，为设计、制备高性能透水混凝土奠定了理论基础和技术支撑，有利于透水混凝土的大规模推广应用。

附图说明

图1为透水混凝土工作性能检测方法的基本流程图；

图2为浆体的流变曲线；

图3为浆体屈服应力与浆体最大包裹层厚度指数之间的关系；

图4为浆体表观粘度与浆体最大包裹层厚度指数之间的关系。

具体实施方式

下面将结合附图和具体实施方式来对本发明做进一步详细的说明。这些实例并不限制本发明的权利要求，任何在本发明的启示下得出的与本发明相同或相近似的方法，均在保护范围之内。

实施例1

结合图1所示，一种基于浆体流变的透水混凝土工作性能的检测方法，通过建立浆体流变参数与骨料表面的浆体最大包裹层厚度之间的关系，依据浆体的流变参数检测透水混凝土的工作性能。

浆体流变参数确立的方法如下：将硅酸盐水泥、矿物掺合料、水、外加剂按比例混合，然后依照GB/T 1346-2011制备浆体；浆体拌合完成后的15min内采用流变仪测试不同剪切速率下浆体的剪切应力；

流变仪的测试程序为：首先在30s内剪切速率由0s^-1提升至200s^-1；其次在30s内剪切速率由200s^-1降低至0s^-1；然后静停状态下保持20s；随后在60s内剪切速率由0s^-1提升至200s^-1；最后在60s内剪切速率由200s^-1降低至0s^-1；

使用流变仪测得浆体剪切应力τ与浆体剪切速率

的关系后，采用模型方程进行拟合，获得浆体的流变方程，通过浆体的流变方程确定浆体的流变参数。模型方程

也叫HB模型，即Herschel–Bulkley equation模型；模型方程

拟合后，就能具体确定τ₀、k、n的数值，τ₀、k、n的数值确定后，模型方程

即为流变方程。

浆体的流变参数为屈服应力τ₀和表观粘度η，其中，η＝τ′；即表观粘度η为剪切应力τ流变方程的一阶导数。

GB/T 1346-2011对应的国家标准是《水泥标准稠度用水量、凝结时间、安定性检验方法》。

获得浆体最大包裹层厚度的方法包括以下步骤：

第一步：制备透水混凝土，透水混凝土由一定质量的浆体和设定质量的骨料拌合均匀并成型，该设定质量的骨料是预先确定好的，当混凝土硬化脱模后，然后观察透水混凝土的下表面是否发生浆体流淌引起的堵孔现象，当透水混凝土下表面发生孔隙堵塞现象浆时，说明浆体用量超出骨料表面所能包裹的最大值，即超过了骨料表面浆体最大包裹层厚度；此过程中，浆体均按照GB/T 1346-2011制得。

第二步：多次重复第一步，每次制备透水混凝土所使用的骨料的质量相同，制备透水混凝土所使用的浆体的质量则逐渐增加；即对于骨料的质量来说，每次制备透水混凝土中所使用的骨料的质量相同，对于浆体来说，在后制备透水混凝土中所使用的浆体的质量比在先制备透水混凝土中所使用的浆体的质量多；比如，第N次和第N-1次的制备中，骨料的质量相同，第N次制备所使用的浆体比第N-1次制备所使用的浆体多。一直重复制备透水混凝土，直至观察到某次成型后的透水混凝土下表面发生孔隙堵塞现象，然后记录该次的上一次制备透水混凝土所用的浆体的质量；亦即直至观察到第N次制备出的透水混凝土发生浆体流淌、堵孔现象，然后记录第N-1次制备透水混凝土所用的浆体的质量为m_P；测试浆体密度ρ_P和骨料总表面积S_A，获得浆体的最大包裹层厚度及浆体最大包裹层厚度指数

其中，r_A为骨料的平均半径。可采用现有技术的多种方法测试并得出浆体密度ρ_P、骨料总表面积S_A、骨料的平均半径r_A。

透水混凝土的工作性能由劣到优依次分为第一等级、第二等级、第三等级；浆体流变参数、骨料表面的浆体最大包裹层厚度、透水混凝土工作性能的关系为：

当τ₀＜11Pa或η₁₀＜0.63Pa·s时，浆体最大包裹层厚度指数E＜0.045，即浆体在骨料表面所能包裹的最大厚度很小，透水混凝土的工作性能处于第一等级，第一等级表示浆体易流淌、堵塞孔隙，硬化后透水混凝土力学性能差且透水率低；

当11Pa≤τ₀≤106Pa或0.63Pa·s≤η₁₀≤1.99Pa·s时，浆体最大包裹层厚度指数0.045≤E≤0.095，即浆体屈服应力和粘度适中，具有良好的包裹特性，包裹层较厚；透水混凝土的工作性能处于第三等级，第三等级表示浆体不会淌浆和堵孔，透水混凝土硬化后力学性能好且透水率高；

当τ₀＞106Pa或η₁₀＞1.99Pa·s时，浆体最大包裹层厚度指数E>0.095，浆体包裹层较厚，透水混凝土的工作性能处于第二等级，第二等级表示浆体无法均匀地包裹在骨料表面，易形成较大缺陷，硬化后透水混凝土力学性能差、透水率也较低。

其中，η₁₀为剪切速率为10s^-1时的表观粘度，τ₀为浆体的流变参数中的屈服应力。

矿物掺合料可为超细矿渣、硅灰等，外加剂可为减水剂等。

本发明确定浆体的流变参数后，基于浆体的流变参数与浆体最大包裹层厚度指数之间的关系，根据测定的流变参数预测该浆体最大包裹层厚度指数，检测由该浆体制备的透水混凝土的工作性能。

举例说明如下：本实施例1中将100份硅酸盐水泥、30份水充分混合，依照GB/T1346-2011制备水泥浆体。取200ml新拌浆体置于200ml烧杯中，拌合完成后15min内进行流变实验。在剪切速率0s^-1～200s^-1的范围内，测试不同剪切速率下浆体的剪切应力。采用HB模型拟合获得流变方程：

确定浆体的屈服应力τ₀＝236.9Pa，表观粘度η₁₀＝2.47Pa·s。

实施例2

除以下技术特征外，其余未提交技术特征同实施例1。

将60份硅酸盐水泥、28份超细矿渣、12份硅灰、25份水、1份减水剂充分混合，依照GB/T 1346-2011制备水泥浆体。取200ml新拌浆体置于200ml烧杯中，拌合完成后15min内进行流变实验。在剪切速率0s^-1～200s^-1范围内，测试不同剪切速率下浆体的剪切应力。采用HB模型拟合获得流变方程：

确定浆体的屈服应力τ₀＝53.8Pa，表观粘度η₁₀＝1.59Pa·s。

实施例3

除以下技术特征外，其余未提交技术特征同实施例1。

将100份硅酸盐水泥、25份水、1份减水剂充分混合，依照GB/T1346-2011制备水泥浆体。取200ml新拌浆体置于200ml烧杯中，拌合完成后15min内进行流变实验。在剪切速率0s^-1～200s^-1范围内，测试不同剪切速率下浆体的剪切应力。采用HB模型拟合获得流变方程：

确定浆体的屈服应力τ₀＝24.1Pa，表观粘度η₁₀＝1.43Pa·s。

实施例4

除以下技术特征外，其余未提交技术特征同实施例1。

将60份硅酸盐水泥、34份超细矿渣、6份硅灰、25份水、1份减水剂充分混合，依照GB/T 1346-2011制备水泥浆体。取200ml新拌浆体置于200ml烧杯中，于拌合完成后15min内进行流变实验。在剪切速率0s^-1～200s^-1范围内，测试不同剪切速率下浆体的剪切应力。采用HB模型拟合获得流变方程：

确定浆体的屈服应力τ₀＝10.5Pa，表观粘度η₁₀＝0.68Pa·s。

实施例5

除以下技术特征外，其余未提交技术特征同实施例1。

将60份硅酸盐水泥、40份超细矿渣、25份水、1份减水剂充分混合，依照GB/T 1346-2011制备水泥浆体。取200ml新拌浆体置于200ml烧杯中，于拌合完成后15min内进行流变实验。在剪切速率0s^-1～200s^-1范围内，测试不同剪切速率下浆体的剪切应力。采用HB模型拟合获得流变方程：

确定浆体的屈服应力τ₀＝6.5Pa，表观粘度η₁₀＝0.29Pa·s。

根据实施例1～5可以建立图2中浆体的流变曲线；图3中浆体屈服应力与浆体最大包裹层厚度指数之间的关系；图4中浆体表观粘度与浆体最大包裹层厚度指数之间的关系。实施例1～5透水混凝土工作性能检测如下：

实施例1～5中浆体的流变参数、浆体最大包裹层厚度指数预测值E_预、浆体最大包裹层厚度指数实测值E_实、工作性能检测结果如下表所示：

透水混凝土性能测试结果

Claims (1)

1.一种基于浆体流变的透水混凝土工作性能的检测方法，其特征在于：通过建立浆体流变参数与骨料表面的浆体最大包裹层厚度之间的关系，进行检测透水混凝土的工作性能；

浆体流变参数确立的方法如下：将硅酸盐水泥、矿物掺合料、水、外加剂按比例混合，然后依照GB/T 1346-2011制备浆体；浆体拌合完成后的15min内采用流变仪测试不同剪切速率下浆体的剪切应力：

流变仪的测试程序为：首先在30s内剪切速率由0s^-1提升至200s^-1；其次在30s内剪切速率由200s^-1降低至0s^-1；然后静停状态下保持20s；随后在60s内剪切速率由0s^-1提升至200s^-1；最后在60s内剪切速率由200s^-1降低至0s^-1；

使用流变仪测得浆体剪切应力τ与浆体剪切速率

的关系后，采用模型方程

进行拟合，获得浆体的流变方程，通过浆体的流变方程确定浆体的流变参数；

浆体的流变参数为屈服应力τ₀和表观粘度η；其中，η＝τ′；

获得浆体最大包裹层厚度的方法包括以下步骤：

第一步：制备透水混凝土，透水混凝土由浆体和设定质量的骨料拌合均匀并成型，然后观察透水混凝土是否发生堵孔现象；

第二步：多次重复第一步，每次制备透水混凝土所使用的骨料的质量相同，制备透水混凝土所使用的浆体的质量则逐渐增加，直至观察到第N次制备出的透水混凝土发生堵孔现象，然后记录第N-1次制备透水混凝土所用的浆体的质量为m_P；测试浆体密度ρ_P和骨料总表面积S_A，获得浆体的最大包裹层厚度

及浆体最大包裹层厚度指数

其中，r_A为骨料的平均半径；

透水混凝土的工作性能由劣到优依次分为第一等级、第二等级、第三等级；浆体流变参数、骨料表面的浆体最大包裹层厚度、透水混凝土工作性能的关系为：

当τ₀＜11Pa或η₁₀＜0.63Pa·s时，浆体最大包裹层厚度指数E＜0.045，透水混凝土的工作性能处于第一等级；

当11Pa≤τ₀≤106Pa或0.63Pa·s≤η₁₀≤1.99Pa·s时，浆体最大包裹层厚度指数0.045≤E≤0.095，透水混凝土的工作性能处于第三等级；

当τ₀＞106Pa或η₁₀＞1.99Pa·s时，浆体最大包裹层厚度指数E＞0.095，透水混凝土的工作性能处于第二等级；

其中，η₁₀为剪切速率为10s^-1时的表观粘度。

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