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1、第三章新拌混凝土的性能properties of fresh concrete本章主要内容 3.1 3.1 定义定义 3.2 3.2 新拌混凝土的物理结构及其演变新拌混凝土的物理结构及其演变 3.3 3.3 新拌混凝土的流变特性新拌混凝土的流变特性 3.4 3.4 新拌混凝土的工作性新拌混凝土的工作性 3.5 3.5 新拌混凝土的离析和泌水新拌混凝土的离析和泌水3.13.1定义定义新拌混凝土：是混凝土生产过程中的一种过渡状态，是指混凝土材料（水泥、粗细骨料、水等）按一定的比例搅拌而得的尚未凝结硬化的材料，又称为混凝土拌合物。新拌混凝土性能的重要性：新拌混凝土性能的重要性：对于任一建筑材料而已，
2、材料选用和施工都对于任一建筑材料而已，材料选用和施工都是决定结构工程质量的重要环节。是决定结构工程质量的重要环节。新拌混凝土的性能既影响新拌混凝土的性能既影响浇筑施工的质量浇筑施工的质量，又影响到又影响到混凝土性能的发展混凝土性能的发展，对，对混凝土结构混凝土结构的承载能力和使用安全性与耐久性的承载能力和使用安全性与耐久性起决定性起决定性的作用。的作用。3.2 新拌混凝土的物理结构及其演变 新拌混凝土可以看作是一种由固相、液相和气相固相、液相和气相组成的一种非匀质的多相混合物非匀质的多相混合物，它具有弹性、粘性、塑性等特性，并且其性质会随时间、温度、湿度以及受力状态发生变化。新拌混凝土的固相包
3、括粗细集料、矿物掺合料、未水化水泥颗粒、水泥水化产物等。液相主要是水，包括处于游离状态的自由水和存在于凝胶孔、毛细孔的吸附水。气相为空气，存在于混凝土未被水分占据的孔隙中。新拌混凝土的物理结构可以描述为集料等固相颗粒处于分散状态悬浮于水泥浆中，颗粒与颗粒之间保持着一定的距离。水泥浆中的未水化水泥颗粒和初期的水化产物在微观层次上也处于分散状态。随着时间的推移，水不断的与水泥颗粒发生反应，并且伴随着蒸发，液相不断减少，而固相不断增加，固-气-液相之间的比例发生变化，固体之间的距离也不断缩小，新拌混凝土也从塑性状态过渡到以弹性和粘性为主的物理结构状态。3.3 新拌混凝土的流变特性新拌混凝土的流变特性
4、rheological characteristics of fresh concrete 基本概念基本概念 流变性流变性：凡是在适当的外力作用下，物质能流动和变形的性能。流变学流变学：研究材料在受力状态下的流动和变形性质的科学。流变学研究内容流变学研究内容：物质的弹性变形、塑性变形和粘性流动。流变特性：流变特性：物体在某一瞬间所表现的应力与应变的定量关物体在某一瞬间所表现的应力与应变的定量关系。系。即用一些参数把应力和应变的关系表示为即用一些参数把应力和应变的关系表示为流变方程式。流变方程式。流变模型的作用：流变模型的作用：用某些用某些理想元件理想元件组成的模型，组成的模型，近似而定性近似而
5、定性的模的模拟某些真实物体的拟某些真实物体的力学结构力学结构，并以，并以作用力作用力和和变变形形关系导出物体关系导出物体流变方程流变方程。3.2.13.2.1流变学模型流变学模型rheological model 将基本模型元件将基本模型元件串联或并联串联或并联起来，进行各种串并起来，进行各种串并联组合，模拟各种物体的力学结构。常用的组合联组合，模拟各种物体的力学结构。常用的组合模型如下：模型如下：（2 2）组合模型组合模型宾汉姆体宾汉姆体马克斯韦尔液体（液态粘弹性物体）马克斯韦尔液体（液态粘弹性物体）开尔文固体（固态粘弹性物体）开尔文固体（固态粘弹性物体）实际的物体往往同时具有实际的物体往往
6、同时具有弹性、塑性、粘性弹性、塑性、粘性等性等性能，根据物体行为特征，可以将上述基本模型元能，根据物体行为特征，可以将上述基本模型元件合理地组合，来描述实际物体的变形性能，称件合理地组合，来描述实际物体的变形性能，称为为物体的流变学模型。物体的流变学模型。流变基元（模型）流变基元（模型）三种理想材料的基本模型（或称流变基元）三种理想材料的基本模型（或称流变基元）1.胡克胡克（Hooke)固体模型（固体模型（H模型）模型）表示具有完全弹性的理想材料。表示具有完全弹性的理想材料。2.牛顿牛顿（Newton）液体模型液体模型(N-模型模型)表示只有粘性的理想材料表示只有粘性的理想材料 3.圣维南圣维
7、南（St.Venant)固体模型固体模型(St.V模型模型)表示超过屈服点后只有塑性变形的理想材料表示超过屈服点后只有塑性变形的理想材料。虎克型虎克型 牛顿型牛顿型 圣维南型圣维南型 流动曲线流动曲线摩擦力摩擦力F弹簧弹簧PPP带孔活塞带孔活塞粘性液体粘性液体P 速度梯度：速度梯度：dv/dy t 变变形形粘杯-阻尼器弹簧（2）现实物质模拟）现实物质模拟 大量大量的物体时介于弹、粘、塑性体之间。的物体时介于弹、粘、塑性体之间。实际材料的流变性质具有所有上述基本流变性质，只是实际材料的流变性质具有所有上述基本流变性质，只是在程度上有差异。因此各种材料的流变性质可用具有不在程度上有差异。因此各种材
8、料的流变性质可用具有不同的同的弹性模量、粘性系数弹性模量、粘性系数、和屈服应力、和屈服应力的的流变基元以不流变基元以不同的形式组合成的流变模型来研究。同的形式组合成的流变模型来研究。最简单的流变模型可由流变基元串联或并联而成。用符最简单的流变模型可由流变基元串联或并联而成。用符号号“”表示并联，表示并联，一一”表示串联，可用不同的符号表示串联，可用不同的符号表示出各种流变模型的机构式。表示出各种流变模型的机构式。宾汉姆体宾汉姆体流变方程流变方程 ：0 dv/dy dv/dy 或或 0 硅藻土、瓷土、石墨、油漆、水泥、新拌混凝土等具硅藻土、瓷土、石墨、油漆、水泥、新拌混凝土等具有宾汉姆体的流变特
9、性。有宾汉姆体的流变特性。在承受较小外力时物体产生弹性形变，当外力超过屈在承受较小外力时物体产生弹性形变，当外力超过屈服应力服应力 0 0时，按牛顿液体的规律产生粘性流动。时，按牛顿液体的规律产生粘性流动。牛顿液体与宾汉姆体牛顿液体与宾汉姆体流变曲线流变曲线 宾汉姆体在细管中的流动示宾汉姆体在细管中的流动示意图意图 OAOA段表示段表示 ，细管中没有流动。，细管中没有流动。ABAB段，流体沿管壁首先克服阻力，开始产生流动，也就是段，流体沿管壁首先克服阻力，开始产生流动，也就是结构开始破坏。这种沿管壁的流动，属于塞流现象。结构开始破坏。这种沿管壁的流动，属于塞流现象。BCBC段应力加大，塞流现象
10、逐渐消失，接近于全部流动。段应力加大，塞流现象逐渐消失，接近于全部流动。而而CDCD段，则速度梯度段，则速度梯度 接近抛物线，全部流动，其接近抛物线，全部流动，其流速与流速与 成正比。成正比。在左图中，将在左图中，将COCO线延长到线延长到E E点，点，E E点即为屈服应力点即为屈服应力 。3.3.2 3.3.2 新拌混凝土的流变学研究新拌混凝土的流变学研究混凝土材料在拌和物阶段，由于有浆体的作用，因混凝土材料在拌和物阶段，由于有浆体的作用，因而具有流变性，但粗、细集料使得其流变性能的研究而具有流变性，但粗、细集料使得其流变性能的研究很复杂。很复杂。根据流变学理论，用某种物理量来评价新拌混凝土
11、根据流变学理论，用某种物理量来评价新拌混凝土的变形性质，并对这些物理量进行流动化解析。新拌的变形性质，并对这些物理量进行流动化解析。新拌混凝土的流变学研究还处于发展之中。混凝土的流变学研究还处于发展之中。混凝土混合料的流变性质接近于宾汉姆体。其流变混凝土混合料的流变性质接近于宾汉姆体。其流变方程为：方程为：dtd0新拌混凝土的流变学参数新拌混凝土的流变学参数 屈服值屈服值：采用宾汉姆体模型来描述新拌混凝土的流采用宾汉姆体模型来描述新拌混凝土的流变学特性时，屈服值是最重要的参数。屈服值是使变学特性时，屈服值是最重要的参数。屈服值是使材料发生变形所需的最小应力。屈服值是组成材料材料发生变形所需的最
12、小应力。屈服值是组成材料各颗粒之间的附着力和摩擦力引起的。各颗粒之间的附着力和摩擦力引起的。塑性粘度：塑性粘度：塑性粘度时宾汉姆体模型中表示材料粘塑性粘度时宾汉姆体模型中表示材料粘性的流变学参数，是反映作用力与流动速度之间关性的流变学参数，是反映作用力与流动速度之间关系的参数。系的参数。影响混凝土塑性粘度的因素主要有水灰影响混凝土塑性粘度的因素主要有水灰比、用水量、水泥用量及细粉掺合料量等，但影响比、用水量、水泥用量及细粉掺合料量等，但影响机理非常复杂。机理非常复杂。dtd03.3.33.3.3新拌混凝土的流变学试验新拌混凝土的流变学试验A coaxial cylinder viscomete
13、r.（1 1）水泥浆的流变试验）水泥浆的流变试验同轴圆筒粘度仪同轴圆筒粘度仪 同轴圆筒仪可直接测定转动力同轴圆筒仪可直接测定转动力矩矩T T和回转速度和回转速度N N，再分别根据理论，再分别根据理论公式换算成剪切应力和剪切应变速公式换算成剪切应力和剪切应变速率。由某一回转速度和此时的力矩，率。由某一回转速度和此时的力矩，可得到一组应力和应变速率，但是可得到一组应力和应变速率，但是宾汉姆体模型中，应力宾汉姆体模型中，应力-应变速率应变速率的关系不通过坐标原点，所以仅由的关系不通过坐标原点，所以仅由一个点不能确定曲线。一个点不能确定曲线。因此，对于宾汉姆体需要改变回转速度测定多组相应的力矩，因此，
14、对于宾汉姆体需要改变回转速度测定多组相应的力矩，在应力在应力-应变速率坐标系内找点，得到应力应变速率坐标系内找点，得到应力-应变速率曲线，应变速率曲线，通过直线的斜率和在应力轴上的截距，求出把拌合物的粘度通过直线的斜率和在应力轴上的截距，求出把拌合物的粘度系数和屈服应力。但是回转粘度仪比较适合于骨料颗粒较小系数和屈服应力。但是回转粘度仪比较适合于骨料颗粒较小的砂浆或水泥浆，并且只适用于屈服值较小的浆体。的砂浆或水泥浆，并且只适用于屈服值较小的浆体。Typical effect of water/cement ratio on Bingham constants for cement paste
15、（2）the two-point workability test 为了求得宾汉姆体的屈服值和塑性粘度这两个流变学参数，为了求得宾汉姆体的屈服值和塑性粘度这两个流变学参数，需要测定不同的两点以上的应力需要测定不同的两点以上的应力-应变速率关系，两点式试验应变速率关系，两点式试验即表示这个概念。两点式粘度仪是类似于搅拌机翼型的回转式即表示这个概念。两点式粘度仪是类似于搅拌机翼型的回转式粘度仪，叫做两点式试验。粘度仪，叫做两点式试验。A system based on a mixing action in which an impeller is rotated in a bowl of conc
16、rete,known as the Tattersall(after the leader of its development team),or two-point workability test.Two alternative impeller types can be used:an interrupted helix for medium-and high-workability mixes(the MH system)(Figure 1.19(a)an H-shaped blade with a planetary motion within the concrete for medium-to-low workability mixes(the LM system)(Figure 1.19(b).The two impeller systems for the two-point workability test3.4 新拌混凝土的工作性新拌混凝土的工作性Workability（工作度、和易性）（工作度、和易性）工作性的定义：工作性的定义：工作性（度）是反映新拌混凝土性质
