CN111982751A - 一种水泥基材料剪切稠化特性分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明一种水泥基材料剪切稠化特性分析方法，面对具有剪切稠化特性的水泥基材料，通过使用R‑S模型、建立转速‑扭矩关系式、使用非线性拟合法进行初步求解、基于初步求解结果再次优化转速‑扭矩数据对的选择、并再次使用非线性拟合来实现R‑S流变模型中流变参数a、c和n的最终求解的方法，实现了使用同轴双圆柱流变仪，对水泥基材料剪切稠化特征的正确表达；可指导新型的、用于水泥基材料剪切稠化特征测试的同轴双圆柱流变仪的开发，可用于指导水泥基材料如净浆、砂浆和混凝土的配合比设计和性能优化，还可用于施工方法指导；本发明在水泥基材料的流变性能分析方面具有方法上的原创性，同时，在设备研发、材料制备和工程应用上具有实践指导价值。

Description

一种水泥基材料剪切稠化特性分析方法

技术领域

本发明属于土木工程技术领域，尤其涉及一种水泥基材料剪切稠化特性分析方法。

背景技术

低水胶比(水和胶凝材料的质量比)水泥基材料，如水胶比小于0.25的净浆、强度等级大于C60的混凝土(其水胶比常小于0.35)，在剪切力作用下进行流动时，一方面会表现出屈服应力现象，一方面会表现出剪切稠化现象，如图1所示。可见，剪切稠化流体的剪切应力-剪切应变速率关系，超越了宾汉姆流体显示的线性关系，随着剪切应变速率的提升，剪切稠化流体所需的剪切应力越来越高。

从物理含义表述的角度，H-B模型可清晰地表达具有剪切稠化性能的水泥基材料的流变性能，如式1所示，其中，τ₀为具有剪切稠化性能的水泥基材料开始流动时需要克服的初始应力(屈服应力)，k为稠度系数，d为流动指数且大于1。H-B模型中，相同的屈服应力和稠化指数时，剪切稠化的程度随d值的增大而增大，如图2所示。

其中，τ为剪切应力，Pa；τ₀为屈服应力，Pa；k为稠度系数，Pa·s^d；

为剪切应变速率，s^(-d)；d为流动指数；

水泥基材料流变性能的测试，常使用同轴双圆柱流变仪，如图3所示。待测试的水泥基材料填充于流变仪的内筒和外筒之间的间隙中；同轴双圆柱流变仪测试过程中，可直接获取的测试数据为内筒的转速和扭矩，为求解具有剪切稠化特性的水泥基材料的流变模型中的流变参数，如H-B模型中的τ₀、k和d三个参数，需要建立明确的转速-扭矩表达式。

然而，迄今尚未建立同轴双圆柱流变仪中，可用于求解H-B模型中三个流变参数(τ₀、k和d)的普适的转速-扭矩关系，使得具有剪切稠化特性的水泥基材料的流变性能不能被完善地表达。众多的研究报告或文章中，忽略水泥基材料的剪切稠化现象，将其作为具有宾汉姆流体特性的材料来对待，导致具有剪切稠化特性的水泥基材料的流变性能不能被正确表征。

综上，提出一种可正确分析水泥基材料剪切稠化特性的方法，同时实现具有剪切稠化特性的水泥基材料的流变参数的求解，已经成为亟需解决的问题。

发明内容

为了克服现有技术存在的一系列缺陷，本发明的目的在于针对上述问题，提供一种水泥基材料剪切稠化特性分析方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：使用R-S流变模型来表征具有剪切稠化特征的水泥基材料的流变性能，如下式所示：

其中，a为稠度系数，Pa·s^n；c为剪切应变速率校正因子，1/s；n为流动指数，n值用于表征水泥基材料剪切稠化趋势，且n总是大于1。

步骤2：建立同轴双圆柱流变仪的转速-扭矩关系，如下式所示：

其中，Ω为流变仪内筒的转速，rad/s；T为内筒的扭矩，Nm；a、c和n为待求解的R-S流变模型的参数；h为内筒的高度，m；R₁为内筒的半径，m；

步骤3：在使用同轴双圆柱流变仪测得的水泥基材料的转速-扭矩数据中，等间隔地提取不少于6个的转速-扭矩数据对；

步骤4：采用非线性拟合方法，利用步骤2的转速-扭矩关系式和步骤3中选择出的转速-扭矩数据对，实现R-S流变模型中流变参数a、c和n的初步求解；

步骤5：将选择的转速-扭矩数据对中的最大扭矩值与T_max进行比较，T_max采用下式计算：

其中，R₂为外筒的半径，m；

步骤6：当T_max的值小于所选择的转速-扭矩数据对中的最大扭矩值时，则降低转速-扭矩数据对在测试所得的转速-扭矩数据中的选择上限，再次进行不少于6个转速-扭矩数据对的选择，使得所选择的转速-扭矩数据对中的最大扭矩值小于T_max；然后，再次使用步骤4实现R-S流变模型中流变参数a、c和n的最终求解。

与现有技术相比，本发明具备以下有益效果：

1)本发明面对具有剪切稠化特性的水泥基材料，难以用同轴双圆柱流变仪进行求解的问题，通过使用R-S模型、建立转速-扭矩关系式、使用非线性拟合法进行初步求解、基于初步求解结果再次优化转速-扭矩数据对的选择、并再次使用非线性拟合来实现R-S流变模型中流变参数a、c和n的最终求解的方法，实现了使用同轴双圆柱流变仪，对水泥基材料剪切稠化特征的正确表达；

2)本发明可正确地表达水泥基材料的剪切稠化特征，可指导新型的、用于水泥基材料剪切稠化特征测试的同轴双圆柱流变仪的开发，可用于指导水泥基材料如净浆、砂浆和混凝土的配合比设计和性能优化，还可用于施工方法(如混凝土输送泵的选型和泵送速度抉择)指导；

3)本发明在水泥基材料的流变性能分析方面具有方法上的原创性，同时，在设备研发、材料制备和工程应用上具有实践指导价值。

附图说明

图1为剪切稠化流体表现出剪切稠化现象的示意图；

图2为H-B模型中剪切稠化趋势随流动指数d值而增大的示意图；

图3为同轴双圆柱流变仪的剖视图；

图4为根据转速-扭矩数据进行的R-S模型流变参数的初步求解的示意图；

图5为重新进行转速-扭矩数据对的选取并重新计算后的结果的示意图；

图6为应用求得的R-S模型流变参数绘制的剪切应变速率-剪切应力图形的示意图。

具体实施方式

为使本发明实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行更加详细的描述。所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

下面通过参考附图描述的实施例以及方位性的词语均是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

下面结合附图对本发明的一种水泥基材料剪切稠化特性分析方法进行详细描述。

本发明的一个宽泛实施例中，一种水泥基材料剪切稠化特性分析方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：使用R-S流变模型来表征具有剪切稠化特征的水泥基材料的流变性能，如下式所示：

其中，a为稠度系数，Pa·s^n；c为剪切应变速率校正因子，1/s；n为流动指数，n值用于表征水泥基材料剪切稠化趋势，且n总是大于1；

步骤2：建立同轴双圆柱流变仪的转速-扭矩关系，如下式所示：

其中，Ω为流变仪内筒的转速，rad/s；T为内筒的扭矩，Nm；a、c和n为待求解的R-S流变模型的参数；h为内筒的高度，m；R₁为内筒的半径，m；

步骤3：在使用同轴双圆柱流变仪测得的水泥基材料的转速-扭矩数据中，等间隔地提取不少于6个的转速-扭矩数据对；

步骤4：采用非线性拟合方法，利用步骤2的转速-扭矩关系式和步骤3中选择出的转速-扭矩数据对，实现R-S流变模型中流变参数a、c和n的初步求解；

步骤5：将选择的转速-扭矩数据对中的最大扭矩值与T_max进行比较，T_max采用下式计算：

其中，R₂为外筒的半径，m；

步骤6：当T_max的值小于所选择的转速-扭矩数据对中的最大扭矩值时，则降低转速-扭矩数据对在测试所得的转速-扭矩数据中的选择上限，再次进行不少于6个转速-扭矩数据对的选择，使得所选择的转速-扭矩数据对中的最大扭矩值小于T_max；然后，再次使用步骤4实现R-S流变模型中流变参数a、c和n的最终求解。

下面结合附图，列举本发明的优选实施例，对本发明作进一步的详细说明。

水胶比0.25的水泥净浆，使用同轴双圆柱流变仪测得的转速-扭矩数据上，选取9个点并进行R-S模型的流变参数计算，所得结果如图4所示，可见，所选取的9个数据点中，扭矩的最大值已经超越了T_max的值，因此，应缩小选择范围，再次进行求解。

重新选择转速-扭矩数据点(为提高计算精度，本次选择了11个点)，并再次进行计算后，所得R-S模型的流变参数a、c和n的最终求解结果，如图5所示。

将求得的本例的水胶比0.25水泥净浆所服从的R-S流变模式，如式5所示，在剪切应变速率为0至15/s范围内进行图形的绘制，如图6所示。可见，应用本专利所提出的方法，可以很好地从同轴双圆柱流变仪的测试数据中，求得具有剪切稠化特性的水泥基材料的流变参数：

最后需要指出的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制。尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (1)

1.一种水泥基材料剪切稠化特性分析方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：使用R-S流变模型来表征具有剪切稠化特征的水泥基材料的流变性能，如下式所示：

其中，a为稠度系数，Pa·s^n；c为剪切应变速率校正因子，1/s；n为流动指数，n值用于表征水泥基材料剪切稠化趋势，且n总是大于1；

步骤2：建立同轴双圆柱流变仪的转速-扭矩关系，如下式所示：

其中，Ω为流变仪内筒的转速，rad/s；T为内筒的扭矩，Nm；a、c和n为待求解的R-S流变模型的参数；h为内筒的高度，m；R₁为内筒的半径，m；

步骤3：在使用同轴双圆柱流变仪测得的水泥基材料的转速-扭矩数据中，等间隔地提取不少于6个的转速-扭矩数据对；

步骤4：采用非线性拟合方法，利用步骤2的转速-扭矩关系式和步骤3中选择出的转速-扭矩数据对，实现R-S流变模型中流变参数a、c和n的初步求解；

步骤5：将选择的转速-扭矩数据对中的最大扭矩值与T_max进行比较，T_max采用下式计算：

其中，R₂为外筒的半径，m；

步骤6：当T_max的值小于所选择的转速-扭矩数据对中的最大扭矩值时，则降低转速-扭矩数据对在测试所得的转速-扭矩数据中的选择上限，再次进行不少于6个转速-扭矩数据对的选择，使得所选择的转速-扭矩数据对中的最大扭矩值小于T_max；然后，再次使用步骤4实现R-S流变模型中流变参数a、c和n的最终求解。

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