CN111307664B - 一种利用扩展度动态测量表征水泥浆粘度的方法 - Google Patents
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Abstract
一种利用扩展度动态测量表征水泥浆粘度的方法，试验时，开启录像装置后，缓慢提起坍落度筒，采用高速摄像机对浆体的坍落过程进行拍摄，待录像完成后，采用专用视频软件逐帧播放，通过图像分析软件读取每一时刻浆体的面积，计算浆体在任意时刻的扩展半径，也可直接读取浆体扩展直径，计算浆体在任意时刻的扩展半径；根据测定的水泥浆体快速扩展匀速期的不同时刻扩展半径，分别计算不同时刻的剪切应力和表观剪切速率，做出水泥浆体的剪切应力与表观剪切速率的曲线，根据该曲线的斜率即可求得水泥浆体的粘度。本发明对水泥浆体的塑性粘度进行预测，并与流变仪测定值进行比较，以期获得利用动态测量水泥浆体扩展度评价水泥浆体塑性粘度的方法。
Description
技术领域
本发明涉及水泥浆流变参数技术领域，特别涉及一种利用扩展度动态测量表征水泥浆粘度的方法。
背景技术
水泥浆体是典型的非牛顿流体，一般认为水泥基材料(尤其在水泥浆较稀或剪切速率较低时)浆体的流动符合Bingham模型，可采用流变仪获得水泥基材料的流变参数。但由于流变仪价格昂贵，不适合普通实验室和工程应用中推广。
通过微型坍落度筒测试水泥浆扩展度，是一种广泛应用的水泥浆体流动性能评价方法。但该方法只能测定扩展度的最终直径，评价指标单一，并且无法与水泥浆体的流变性能的本质物理量粘度相联系。
因此，如果能够通过简单的微型坍落度筒评价水泥浆流变参数，对水泥基材料的工程应用有重要实用价值。
发明内容
为了克服上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种利用扩展度动态测量表征水泥浆粘度的方法，对水泥浆体的塑性粘度进行预测，并与流变仪测定值进行比较，以期获得利用动态测量水泥浆体扩展度评价水泥浆体塑性粘度。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种利用扩展度动态测量表征水泥浆粘度的方法，包括以下步骤；
采用由微型坍落度筒、玻璃框架、高速摄像头及电脑组成的测试装置，玻璃框架顶面玻璃板上贴有靶形透明刻度；
试验时，开启录像装置后，5s内缓慢提起坍落度筒，采用高速摄像机对浆体的坍落过程进行拍摄，待录像完成后，采用专用视频软件逐帧播放，通过图像分析软件读取每一时刻浆体的面积，计算浆体在任意时刻的扩展半径xi，也可直接读取浆体扩展直径，计算浆体在任意时刻的扩展半径xi；
根据测定的水泥浆体快速扩展匀速期的不同时刻扩展半径xi，分别计算不同时刻的剪切应力和表观剪切速率，做出水泥浆体的剪切应力τ与表观剪切速率的/>曲线，根据该曲线的斜率即可求得水泥浆体的粘度。
所述的玻璃框架顶面玻璃板中心贴有同心圆环组成的透明刻度，半径为50～160mm，间隔为10mm，另配有8条呈45°夹角的基准线；
实验开始前调整摄像头角度，使基准线中心与摄像机图像中心对齐。
所述的粘度值经过系数乘以修正因子k＝0.121后，可用于预测水泥浆旋转粘度计的粘度测试值，修正因子通过线性回归分析求得。
所述的剪切应力具体计算方式为：
根据力的平衡关系，圆台浆体中距顶部距离为d的任一水平层浆体受到的垂直方向应力τy为：
式中，τy为任意层浆体的最大剪切应力；rd为该层浆体的半径；ρ为浆体容重；Vd为d层以上浆体体积；g为重力加速度。
而任意一层浆体水平方向受到的最大剪切应力τx为垂直方向应力τy的一半，即：
结合公式(1)和(2)可得浆体沿侧面在z方向上受到的剪切应力τz为：
因此，在侧面滑移模型中，假定浆体体积不可压缩，对于最底层浆体外沿，任意时刻测得水泥浆扩展半径xi，则在z方向上受到的剪切应力τi为：
式中，V为坍落度筒容积。
所述的表观剪切速率具体计算方式为：
对不同时刻下底半径xi进行动态测量，再结合上述模型假设，依据几何关系计算出不同时刻的斜边长度Li，就可以表征出斜边表观剪切速率；
求出任意ti时刻的斜边长度：
式中，Hi为ti时刻水泥浆圆台体的高度；H为微型坍落度筒的高；r为微型坍落度筒上口半径；R为微型坍落度筒下口半径。
对于浆体斜面最底端外沿的表观流动速度vi可以表征为：
由于O点处浆体不发生移动，因而流动速度为零，故最外层浆体的表观剪切速率可用最外层浆体表观流动速度vi与其到O点垂直距离hi之比表示，即：
其中，
本发明的有益效果：
(1)本发明与旋转粘度计相比，所需仪器简单，只需微型坍落度筒、玻璃框架和高速摄像头就可以实现，为实验室快速测定水泥浆粘度提供一种简便的方法；
(2)本发明选取水泥浆扩展度快速变化的匀速期进行分析，数据稳定，重复性较好；
(3)本发明建立了侧面滑移模型，以水泥浆体最底层外沿的剪切应力与表观剪切应力之间的关系表征浆体粘度，与粘度的物理意义相关性较好。
附图说明
图1为水泥浆扩展度随时间变化图。
图2为侧面滑移坍落模型示意图。
图3为侧面滑移坍落模型中剪切应力图。
图4为测试装置示意图。
图5为坍落度筒示意图。
图6为水灰比0.42水泥浆体曲线。
图7为水灰比0.44水泥浆体曲线。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
水泥浆微型坍落度筒实验，是将水泥浆装入圆台形试模中，提起试模后，根据浆体最终扩展直径评价水泥浆的流动性。
水泥净浆扩展度试验中浆体的流动过程依赖于浆体的塑性粘度和屈服应力这两个关键的流变学参数，水泥浆体的流变行为是流变参数的宏观表现。
本发明针对水泥浆，建立数学模型，利用扩展度动态测量，对水泥浆体的塑性粘度进行预测，并与流变仪测定值进行比较，以期获得利用动态测量水泥浆体扩展度评价水泥浆体塑性粘度的方法。
测定水泥浆扩展度随时间变化规律，见图1。可以看出在初始阶段，水泥浆体存在快速扩展的匀速期，该阶段扩展度随时间变化斜率基本保持不变。
理论模型：微型坍落度筒中提起后，在水泥浆体快速扩展的匀速期，可以采用侧面滑移模型对浆体流变行为进行分析，如图2。模型建立做如下设定：(1)圆台体上表面由于不受外力作用，因此在坍落过程中形状保持不变(即上底半径r不变)，只是高度不断降低；(2)浆体侧表面斜面的剪切应力为垂直应力与水平应力的合力；(3)圆台体下底圆心在坍落过程中位置始终不变，因此该点浆体剪切速率为0；(4)浆体的坍落过程可以看作是以圆台体下底圆心为中心，圆台体侧面不断侧向滑移形成的，在扩展初期的匀速扩展阶段，其最底层外沿(图2中D'点)的表观剪切速率(垂直于流动方向的速度梯度)可以由斜面边长Li的变化速率(表观流动速度)与其到下底圆心的垂直距离(图2中hi)之比表征。
侧面滑移模型中剪切应力的表征：根据力的平衡关系(图2)，圆台浆体中距顶部距离为d的任一水平层浆体受到的垂直方向应力τy为：
式中，τy为任意层浆体的最大剪切应力；rd为该层浆体的半径；ρ为浆体容重；Vd为d层以上浆体体积；g为重力加速度。
而任意一层浆体水平方向受到的最大剪切应力τx为垂直方向应力τy的一半，即：
结合公式(1)和(2)可得浆体沿侧面在z方向上受到的剪切应力τz为：
因此，在侧面滑移模型中，假定浆体体积不可压缩，对于最底层浆体外沿(图2中D'点)，任意时刻测得水泥浆扩展半径xi，则在z方向上受到的剪切应力τi为：
式中，V为坍落度筒容积。
侧面滑移模型中剪切速率的表征：由于圆台试模的阻挡，对圆台高度进行动态测量起始段无法获得，而圆台下底面半径xi可以通过动态测量获得较精确的值。因此，可以对不同时刻下底半径xi进行动态测量，再结合上述模型假设，依据几何关系计算出不同时刻的斜边长度Li，就可以表征出斜边表观剪切速率。
在图2中可以求出任意ti时刻的斜边长度：
式中，Hi为ti时刻水泥浆圆台体的高度；H为微型坍落度筒的高；r为微型坍落度筒上口半径；R为微型坍落度筒下口半径。
对于浆体斜面最底端外沿(图2中D'点)的表观流动速度vi可以表征为：
由于O点处浆体不发生移动，因而流动速度为零，故最外层浆体的表观剪切速率可用最外层浆体表观流动速度vi与其到O点垂直距离hi之比表示，即：
其中，
根据公式(4)和公式(8)分别计算浆体最底层外沿浆体的剪切应力和表观剪切速率，作图拟合后即可求得浆体的塑性粘度。
扩展度动态测量试验方法与装置：为记录浆体扩展半径的动态变化，采用由微型坍落度筒、玻璃框架、高速摄像头及电脑组成的测试装置，如图4。玻璃框架顶面玻璃板上贴有靶形透明刻度。
微型坍落度筒具体尺寸见图5。
试验时，开启录像装置后，5s内缓慢提起坍落度筒。采用高速摄像机对浆体的坍落过程进行拍摄，待录像完成后，采用专用视频软件逐帧播放，通过图像分析软件读取每一时刻浆体的面积，计算浆体在任意时刻的扩展半径xi。也可直接读取浆体扩展直径，计算浆体在任意时刻的扩展半径xi。
根据测定的水泥浆体快速扩展匀速期的不同时刻扩展半径xi，代入公式(4)和公式(5)、(7)、(8)计算不同时刻的剪切应力和表观剪切速率，可做出水泥浆体的剪切应力与表观剪切速率的曲线。根据该曲线的斜率即可求得水泥浆体的粘度。
该粘度值经过系数乘以修正因子k＝0.121后，可用于预测水泥浆旋转粘度计的粘度测试值。修正因子通过线性回归分析求得。
如图4，水泥浆微型坍落度扩展度动态测量装置由微型坍落度筒、玻璃框架、高速摄像头及其连接的电脑组成，其中，1-微型坍落度筒；2-透明刻度；3-玻璃框架；4-摄像装置。
玻璃框架顶面玻璃板中心贴有同心圆环组成的透明刻度，半径为50～160mm，间隔为10mm，另配有8条呈45°夹角的基准线。
实验开始前调整摄像头角度，使基准线中心与摄像机图像中心对齐。
实验时，将微型坍落度筒和顶面玻璃板用拧干湿布擦拭，然后将微型坍落度筒放在顶面玻璃板的中心。装入待测水泥浆体，用小刀轻轻插捣数次，使浆体填充密实，刮平微型坍落度筒上表面水泥浆。
开启录像装置后，垂直提起微型坍落度筒。高速摄像装置对浆体扩展过程进行拍摄，记录扩展度随时间变换过程。
录像完成后，采用视频软件读取每帧图像的水泥浆扩展面积或扩展直径，计算出扩展半径。
实施例1：
采用水灰比为0.42的水泥浆，容重为1990kg/m3，测得不同时刻水泥浆扩展半径xi如表1。
表1水灰比0.42水泥浆快速扩展阶段扩展度数据
根据测定的扩展半径xi，代入公式(4)和公式(5)、(7)、(8)计算不同时刻的剪切应力τi和表观剪切速率见表2。
表2水灰比0.42水泥浆剪切应力τi与剪切速率计算值
根据表2，可做出水灰比0.42水泥浆体的剪切应力τ与表观剪切速率的/>曲线，如图6所示。
对图6的曲线斜率进行线性拟合可以得到水灰比为0.42水泥浆体的塑性粘度μ0为11.2Pa·s。该塑性粘度值乘以修正因子k＝0.121得到塑性粘度预测值为1.36Pa·s。该预测值与利用旋转粘度计获得的实测值1.31Pa·s很接近。
实施例2：
采用水灰比为0.44的水泥浆，容重为1970kg/m3，测得不同时刻的水泥浆扩展半径xi如表3。
表3水灰比0.44水泥浆快速扩展阶段扩展度数据
| ti/s | xi/mm |
| 0.0075 | 57.3 |
| 0.0100 | 61.0 |
| 0.0125 | 65.4 |
| 0.0150 | 70.2 |
| 0.0175 | 76.4 |
| 0.0200 | 82.8 |
| 0.0225 | 88.8 |
| 0.0250 | 95.7 |
| 0.0275 | 102.6 |
| 0.0300 | 109.5 |
| 0.0325 | 116.3 |
| 0.0350 | 122.8 |
| 0.0375 | 129.1 |
根据测定的扩展半径xi，代入公式(4)和公式(5)、(7)、(8)计算不同时刻的剪切应力τi和表观剪切速率见表4。
表4水灰比0.44水泥浆剪切应力τi与剪切速率计算值
根据表4，可做出水灰比0.44水泥浆体的剪切应力τ与表观剪切速率的/>曲线，如图7所示。
对图7的曲线斜率进行线性拟合可以得到水灰比0.44水泥浆体的塑性粘度μ0为8.38Pa·s。该塑性粘度值乘以修正因子k＝0.121得到塑性粘度预测值为1.01Pa·s。该预测值与利用旋转粘度计获得的实测值0.903Pa·s很接近。/>
Claims (2)
1.一种利用扩展度动态测量表征水泥浆粘度的方法，其特征在于，包括以下步骤；
采用由微型坍落度筒、玻璃框架、高速摄像头及电脑组成的测试装置，玻璃框架顶面玻璃板上贴有靶形透明刻度；
试验时，开启高速摄像头后，5s内缓慢提起微型坍落度筒，采用高速摄像头对浆体的坍落过程进行拍摄，待录像完成后，采用专用视频软件逐帧播放，通过图像分析软件读取不同时刻浆体的面积，计算浆体在不同时刻的扩展半径xi，也可直接读取浆体扩展直径，计算浆体在不同时刻的扩展半径xi；
根据测定的浆体快速扩展匀速期的不同时刻的扩展半径xi，分别计算不同时刻的剪切应力和表观剪切速率，做出浆体的剪切应力τ与表观剪切速率的/>曲线，根据该曲线的斜率即可求得浆体的粘度；
所述的玻璃框架顶面玻璃板中心贴有同心圆环组成的透明刻度，半径为50～160mm，间隔为10mm，另配有8条呈45°夹角的基准线；
实验开始前调整高速摄像头角度，使基准线中心与高速摄像头图像中心对齐；
所述的剪切应力具体计算方式为：
根据力的平衡关系，圆台浆体中距顶部距离为d的任一水平层浆体受到的垂直方向应力为：
式中，τy为任一水平层浆体的垂直方向应力；rd为该层浆体的半径；ρ为浆体容重；Vd为d层以上浆体体积；g为重力加速度；
而任一水平层浆体水平方向受到的最大剪切应力τx为垂直方向应力τy的一半，即：
结合公式(1)和(2)可得浆体沿侧面在z方向上受到的剪切应力τz为：
因此，在侧面滑移模型中，假定浆体体积不可压缩，对于最底层浆体最外层，不同时刻测得浆体扩展半径xi，则在z方向上受到的剪切应力τi为：
式中，V为坍落度筒容积；
所述的表观剪切速率具体计算方式为：
对不同时刻的扩展半径xi进行动态测量，再结合上述模型假设，依据几何关系计算出不同时刻的斜边长度Li，就表征出最外层浆体表观剪切速率；
求出不同时刻ti时刻的斜边长度Li：
式中，Hi为ti时刻浆体圆台体的高度；H为微型坍落度筒的高；r为微型坍落度筒上口半径；R为微型坍落度筒下口半径；
对于浆体斜面最底层浆体最外层的表观流动速度vi可以表征为：
由于O点处浆体不发生移动，O点为圆台体最底层圆心，因而流动速度为零，故最外层浆体的表观剪切速率可用最外层浆体表观流动速度vi与其到O点垂直距离hi之比表示，即：
其中，
2.根据权利要求1所述的一种利用扩展度动态测量表征水泥浆粘度的方法，其特征在于，所述的粘度值经过系数乘以修正因子k＝0.121后，可用于预测浆体旋转粘度计的粘度测试值，修正因子通过线性回归分析求得。
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| CN111307664A (zh) | 2020-06-19 |
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| PB01 | Publication | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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