智能化混凝土性能測試儀的研究（上）

[摘　要] 　智能化混凝土測試儀是利用混凝土的流變特性來測量混凝土的基本參數的。該儀器采用了傳感技術和微電腦技術，能直接通過液晶顯示器顯示坍落度值、溫度，預測28 天強度，為工程施工和混凝土生產人員提供水灰比、用水量等參考值，并進行平均值計算等。

[關鍵詞] 　智能化混凝土測試儀； 流變特性； 粘滯阻力矩； 傳感技術； 微電腦技術

1 　技術基礎介紹

1.1 　新拌混凝土性能測量原理

    在混凝土生產及施工過程中，為了保證建筑物的質量，必須按照規(guī)定的方法及時測定到達澆灌部位的拌合物的和易性，實現對混凝土配合比、攪拌工藝、運輸、澆灌作業(yè)的正確性進行控制。和易性是一種涉及混凝土多種性能的綜合指標，主要指拌合物的稠度，而稠度即表現為混凝土形成良好密實、均勻、成型難易程度的性能。

    混凝土拌合物這種性能的產生原因在于，混凝土材料本身具有的流變特性： 經攪拌后的新鮮混凝土中，骨料、未水化水泥顆粒、早期水化產物等均處于分散狀態(tài)，同時彼此保持一定距離而具有較好的流動性。但隨著水泥水化的深入進行，其固、液、氣相比例不斷發(fā)生變化，在水化持續(xù)40分鐘～120分鐘的潛伏期內，水泥顆粒表面被一層凝膠覆蓋，顆粒間距逐漸縮小，整個漿體迅速形成均勻絮凝網狀結構，這種微觀結構的形成和表現的宏觀現象符合流變學特性。

    流變學是研究材料流動和變形的科學，可反映材料應力─應變關系隨時間發(fā)展演變的規(guī)律。對于混凝土來說是反映新拌混凝土從加入拌和水開始后的粘性、塑性、彈性在混凝土凝固硬化前的變化規(guī)律。目前比較趨于一致的看法是在低流動性范圍內呈現粘塑性體特性，在中等流動性時又呈現塑性體特征，在大流動性范圍，則變?yōu)橘e漢姆體。

    半個世紀前E·C·Bingham 在研究瓷土、硅藻土等材料時，提出了賓漢姆體的流變方程。

        τ=θt +ηp (dv/ dt)

        式中　θt ———屈服應力；

        ηp ———塑性粘度；

        dv/ dt ———速度梯度。

    水泥漿體及混凝土混合物其流變性能都具有賓漢姆體(Bingham body) 特征。方程式說明賓漢姆體τ<θt 時，在外力達到屈服應力θt 之前，物體具有固態(tài)性質，不流動；τ>θt 時，材料結構破壞迅速進入液態(tài)，按牛頓粘性體規(guī)律連續(xù)移動；外力一旦降低到屈服值以下時又迅速形成新固態(tài)?；炷涟韬衔镌跀嚢?、輸送、澆灌、搗實、抹平等工序中所須加的外力，首先要克服混凝土拌合物的屈服應力θt ，然后是塑性粘度ηpl 。因此θt 和ηpl是反映混凝土和易性的兩個主要流變參數。凡影響兩個參數的因素也必影響和易性因素。

    由于和易性直接決定了混凝土施工的難易程度，也直接影響著混凝土硬化后的物理力學性能，因此它一直是混凝土生產工藝中很重要的性能，但至今對于它的確切含義各國學者眾說不一。

    1932 年T·C·Powers 曾把和易性定義為“混凝土拌合物澆灌成型的難易程度和抵抗離析能力的一種性能，它包括流動性和粘聚性兩方面的作用”。W·H·Glanv2ille ，A·R·Collins 與D·O·Mathaws 則定義為“決定混凝土拌合物達到完全密實所消耗的有效內部功的大小的一種性能”。國內的專家學者認為應包含四種性能的綜合表現即和易性= 流動性+ 可塑性+ 穩(wěn)定性+ 易密性上述四種基本性能之間又互存矛盾，如流動性要求拌合物有小的內摩阻力和粘聚力便于流動，而穩(wěn)定性又要求有大的內摩阻力和粘聚力，使粗細骨料不易下沉和泌水，故和易性是要求兼顧幾個方面的性能，可見要保證制取高質量的混凝土拌合物，必須要選擇和控制最佳和易性，而最佳和易性的實現需通過及時調整混凝土配合比中水灰比、骨灰比、骨料級配、用水量等各因素的變化，因此和易性的確是混凝土生產工藝中承上啟下的關鍵技術指標。

1.2 　新拌混凝土性能的主要測量方法

    半世紀以來世界很多學者都研究和提出過多種測定方法，1960 年K·Newman 曾認為世界至少有30 多種方法，T·C·Powers1968 年估計多達100 種以上，其中一些方法幾乎僅限于試驗室內應用，不能為公眾所接納，還有一些方法盡管不能用來檢測和評價這一性能的全部特征，但一些稠度試驗已得到人們的認可并在施工中使用。據不完全統(tǒng)計迄今已知的測定方法按原理及衡量稠度的技術指標可歸納為以下幾類：

1.2.1 　經驗法

    這類方法是經驗性的，無嚴格理論根據，但目前又是廣泛被采用和納入各國標準的方法，如：

    (1) 對經增實拌合物體在外力或自重作用下變形的測定：主要有坍落度法(Abrams 設計) ，球體貫入度法(Kelly 設計) ，錐體貫入度法(Grag 設計) 等。

    (2) 對經增實拌合物體引入一定量功所產生變形的測定：主要有跳桌擴展法( Graf 設計) ，滑動距離法(Burmister 設計) ，墜落擴展度法(吉田) 。

    (3) 對經增實拌合物體，重塑至某一形狀所需功的測定：有維勃法(Bahrner 設計) 的VB 試驗，蘇聯中央建筑研究院制定的工業(yè)粘度計法，以及由Powers 和Thaulows 分別設計的重塑跳落次數測定試驗。

    (4) 流動桌法：測定拌合物在重力作用下流經一定截面所需的時間：如NECOB 設計的浮球式振動粘滯儀，Graf 設計的灰漿粘滯儀。

    (5) 搗實系數法：測定拌合物經引入一定功使之增實后的密實程度。如Walz 設計的增實度試驗，Glanville Collins 和Mathews 所設計的增實因數試驗等。

    以上方法在有些國家的標準中只規(guī)定一種，也有的同時規(guī)定兩種。根據RILEM14 ———CPC1972 年資料介紹，這個國際組織已向國際標準化組織建議同時采用坍落度法和維勃法兩種。坍落度試驗法是艾布拉姆斯(Abrams) 于1913 年設計的，這一古老的測定法一直使用至今，是國內外廣泛用于測定混凝土拌合物和易性的主要方法。已被編入國家標準的有英國標準BS1881 ─1970 ；美國ASTM 試驗手冊C143 ─74 標準；荷蘭標準NEN3801 ；德國標準DIN1048 ；日本J ISA1101標準；國際標準化組織ISO4109 ─1980 也接納它作為一項測定可塑性和流動性及拌合物和易性(稠度) 的標準法。

1.2.2 　土力學法

    如剪力學試驗法、三軸試驗法等。這些試驗方法太麻煩，而且在該領域里的進展還很有限。

1.2.3 　流變學測定法

    這是至今在理論上最有希望的測定法。由塔特索爾研究的MKⅠ測量裝置和MKⅡ測量裝置為其代表。但這些裝置在理論上還存在爭議，目前比較一致的看法認為在坍落度小于12cm 時，新制混凝土表現為粘塑性體，在12cm～15cm 時為塑性體，在15cm 以上則為賓漢姆體，但并未形成定論，因此這些方法目前尚未納入各國標準，而且其裝置都比較復雜，還遠遠談不到隨身攜帶，即使這些方法納入各國標準后，坍落度法很可能還要保留一段很長的時間。

1.3 　國內外新拌混凝土性能測量的現狀與問題

    在我國對混凝土和易性的檢驗，仍普遍沿用傳統(tǒng)錐形筒的方法來檢測混凝土的流動性。其方法是用一金屬制成的空心截頭錐形筒，兩端開口，高300mm ，底徑200mm ，頂徑100mm ，試驗時將混凝土從筒上端分三次加料澆搗，每澆一層同時進行搗實，全部澆搗完畢后垂直提起錐形筒，混凝土自然坍落后測其坍落高度。該法對于操作者的技術偏差很敏感，由于操作者在提拔錐形筒時的速度與用力的均勻程度不同，同一試驗會得出不同的結果，在出現剪切型錐體結果時，其試料最佳測量點很難確定，而多被視為作廢重做。格蘭維爾，柯林斯與馬修斯等反對者在1925 年也對此提出過異議。此外，試驗器具為多個部件組成，一般測定需2 人以上，因由人力手工操作，其結果很粗略。此法不僅勞動強度和人為誤差大，而且檢測極不方便，對大坍落度(商品化混凝土) 基本無法使用。

    1975 年美國ACI ( 混凝土學會) 會員， 加拿大Saskatschewen(薩斯喀川) 大學土木工程系教授K·W·Nasser 發(fā)明了簡易坍落度測定器，定名為“K- 坍落度測定器”，在加拿大被稱為“托拉姆”(TORAM) 。該儀器是設計一種帶孔的尺寸為60mm ×300mm、重量為250 克的管型構造物，可實現在60 秒內直讀式測定和易性數據，經在美國和加拿大的幾個試驗中心驗證，該儀器與坍落度試驗法有較好的相關關系，且在應用中大大簡化了坍落度圓錐法。在加拿大多倫多市興建的世界最高的自立式國家電視旅游高塔550 米高的施工中，加拿大安達略省雷克斯達勒試驗業(yè)務公司經理(john A·Bickley) 比克利，曾采用了K- 坍落度測定器進行了施工應用觀測控制混凝土質量。

    日本于1975 年首先刊出了研究報導，目前在日本混凝土施工手冊中也列入為澆灌混凝土坍落度測定應用的試驗器具之一。1979 年該儀器開始在我國生產應用，到1981 年約有23 個省市的112 個單位應用過該儀器，1982 年國家水電部正式接納該試驗法并列入水工混凝土試驗規(guī)程SD105 ─82 中。K- 型坍落度儀經幾年的應用試驗證明，它雖然在簡化圓錐形筒方面有了不少改進，但也存在一些局限性和不足，主要有以下幾點：

    (1) K- 型坍落度儀測定混凝土坍落度范圍僅用于塑性混凝土拌合物，而對于低流動性和大流動性混凝土的和易性測定結果則與圓錐形筒法有明顯差異，實際測量證實，在坍落度超過8cm 時，用該儀器測得的值與用圓錐形筒所測之值已有明顯差異，而且這個差值隨坍落度的增大而急劇增大，商品混凝土一般在12cm以上，從而使該儀器的使用范圍受到很大限制。主要原因在于它只用一條直線來擬合整個測量范圍的實測數據，但要找到一條在高、中、低端都適合的直線是不可能的；其次，由于高端的砂漿流動性增大，變化加劇，但是該儀器的測桿卻又無法分辨細微的變化，也是造成在高端測不準的重要原因。Nasser 的驗證方程式其坍落度值也在小于8cm 以下范圍。當代建筑施工技術不斷的發(fā)展，為提高混凝土澆筑效率，商品混凝土與泵送的大坍落度大流動性混凝土已被廣泛采用，其坍落度值均大于10cm，這使得K- 坍落度測定器的測定范圍受到了一定的限制，而難于適用。

    (2) K- 型坍落度儀雖使用方便，省時、省力，但功能過于單一，仍依靠手工操作完成測定，并憑測定者手感判斷終點，從而帶來人為誤差。如儀器測桿因自重而壓進砂漿時造成的過失誤差難以校正。

    (3) 測定值的讀取、計時也是靠人工目測估計取值，加上測桿刻度精度較粗而形成系統(tǒng)誤差，影響準確性。

    (4) K- 型坍落度儀為手工操作儀，功能上不具備對數據進行自動處理計算的手段，因而在現場使用時還要進行記錄和手算。