大流動度水泥凈漿流變模型研究

黃 鶴,蔣亞清,潘亭宏,吉旭平

(河海大學(xué)力學(xué)與材料學(xué)院,江蘇 南京 211100)

新拌水泥凈漿是一種多相、多尺度分散懸浮體系,其流變性能受水灰比、羧酸類聚合物組成[1]、水化齡期等因素影響,可用剪切應(yīng)力與剪切速率的關(guān)系來描述其流變行為[2]. 剪切應(yīng)力與剪切速率之間的最簡單關(guān)系可以通過穿過剪切應(yīng)力-剪切速率圖的原點的線性模型來表示,對于牛頓液體例如水和油,其中描述液體流變特性的唯一參數(shù)是粘度(η,Pa·s). 而對水泥漿體來說,必須克服一定的應(yīng)力(屈服應(yīng)力τ0,Pa)之后方可流動,描述該種流變行為最簡單的模型是Bingham模型,在大多數(shù)情況下,可以通過Bingham模型[3-4]來描述水泥基材料的流變行為. 但是,對于大流動度水泥凈漿,其剪切應(yīng)力-剪切速率之間的關(guān)系通常是非線性的,俗稱屈服-假塑性流體. 在這些情況下,應(yīng)用Bingham模型可能會導(dǎo)致結(jié)果不準(zhǔn)確,因此相關(guān)研究提出了Hereshel-Bulkley(H-B)模型和改進Bingham模型[5-7].

Bingham模型、改進Bingham模型和H-B模型是水泥基材料流變性能表征中應(yīng)用最為廣泛的3種模型,在實際使用過程中各有利弊. Peng等發(fā)現(xiàn)H-B模型最適用于水泥瀝青砂漿[8];Vance等研究發(fā)現(xiàn)Bingham和H-B模型分別高估、低估了水泥懸浮液的屈服應(yīng)力值[9];Agwu等認(rèn)為Bingham模型只有2個參數(shù),但其他模型都基本超過3個參數(shù)量,從而會增加模型復(fù)雜程度和精確度[10]. 目前,評價新拌水泥凈漿流變性能的模型還不完善,如改進Bingham模型中參數(shù)與Bingham模型流變參數(shù)的定量關(guān)系是什么?不同種流變模型表征流變性能時的各自優(yōu)勢是什么?

本文對大流動度水泥凈漿的流變性能展開研究,基于Krieger-Dougherty理論模型探討B(tài)ingham和改進Bingham兩種經(jīng)驗?zāi)Ｐ偷倪m用條件及關(guān)系,為3D打印技術(shù)提供支持[11].

1 實驗

1.1 實驗材料

水泥為海螺PⅠ52.5級水泥,主要化學(xué)成分如表1所示,顆粒粒徑分布如圖1所示;減水劑為自制聚羧酸減水劑,6組摻減水劑(0.3%)的凈漿流動度如表2所示;水為自來水.

表1 水泥化學(xué)成分Table 1 Cement chemical composition(wt.%)

圖1 水泥顆粒粒徑分布圖Fig.1 Particle size distribution of cement

表2 摻聚羧酸減水劑的水泥凈漿流動度Table 2 Cement paste fluidity with polycarboxylic superplasticizers

1.2 實驗方法

1.2.1 “濕堆積”法實驗

參照Wong和Kwan[12]研究的“濕堆積”法測量水泥凈漿的堆積密度,先在直徑為5 cm、高度為15 cm的圓柱形模具中填滿水泥漿振搗30s后,再添滿水泥漿振實,利用式(1)計算漿體堆積密度[13]:

φ[i.e. PD]=Vc/V,

(1)

式中,φ[i.e. PD]代表體積分?jǐn)?shù);Vc為模具中固體顆粒的總固體體積,cm3;V為模具體積295 cm3.

1.2.2 流變性能實驗

按照GB/T8077—2012《混凝土外加劑勻質(zhì)性試驗方法》中水泥凈漿流動度試驗配制水灰比為0.29、減水劑摻量0.16%的水泥凈漿,置于直徑70 mm,高度100 mm的試樣容量燒杯中,使用BROOKFIELD RST-SST型軟固體流變測試儀測試新拌漿體不同剪切率下的剪切應(yīng)力,實驗所用測量轉(zhuǎn)子直徑為15 mm,長度為30 mm. 先預(yù)剪切120 s,靜置10 s后在100 s內(nèi)剪切率從0 s-1增加到100 s-1,到達100 s-1后緊接著在100 s內(nèi)連續(xù)下降直至剪切速率為0 s-1,選取下降階段剪切速率為80～20 s-1間的數(shù)據(jù),分別用Bingham模型、改進Bingham模型進行擬合,如圖2所示.

圖2 流變參數(shù)測試圖Fig.2 Rheological parameters test procedure

1.3 流變模型

Bingham模型、改進Bingham模型和Krieger-Dougherty模型可用于計算和描述水泥凈漿的流變特性,其中Krieger-Dougherty模型最適合于評估水泥漿體的粘度[14],3個模型分別如式(2)～(4)所示:

τ=τ0+η·γ, (Bingham model)

(2)

τ=τ0+η1·γ+c·γ2, (Modified Bingham model)

(3)

η/ηc=(1-φ/φmax)-[η]φmax, (Krieger-Dougherty model)

(4)

式中,τ為剪切應(yīng)力,Pa;τ0為剪切速率為0時的剪切應(yīng)力,即屈服應(yīng)力,Pa;η和η1為粘度,Pa·s;γ為剪切速率,s-1;c表示二階參數(shù);φmax為最大體積分?jǐn)?shù),由“濕堆積”法實驗求得;[η]為本征粘度,近似為2.5 Pa·s[15];ηc為水溶液粘度,為2.98×10-3Pa·s.

2 結(jié)果與討論

2.1 漿體堆積密度

由圖3可知,當(dāng)水分含量較低時,無法實現(xiàn)水泥顆粒的整體包裹,漿體中固體顆粒既團聚又分離,存在大量空隙結(jié)構(gòu),因此具有較低的濕密度. 當(dāng)水分含量增加到最佳需水量(OWD)時,水分恰好完全包裹漿體中固體顆粒,體系中沒有多余的水分,另外振動作用也導(dǎo)致顆粒盡可能地緊密堆積,因此體系具有最大的濕密度. 當(dāng)水分含量超過OWD時,過量的水會導(dǎo)致圍繞固體顆粒的水層厚度增加,并開始將顆粒推開,從而導(dǎo)致濕密度降低,隨著水含量的進一步增加,濕密度的減少變得更加明顯. 漿體最大濕密度時對應(yīng)的固體體積分?jǐn)?shù)即為漿體的堆積密度. 摻聚羧酸減水劑的水泥凈漿堆積密度如表3所示.

圖3 水泥漿體微結(jié)構(gòu)概念模型Fig.3 Conceptual model of cement pastes microstructure

表3 新拌水泥凈漿堆積密度Table 3 Maximum packing density of cement particles in freshly cement paste

2.2 流變參數(shù)擬合結(jié)果

通過Bingham模型和改進Bingham模型對摻6組不同聚羧酸減水劑的新拌水泥凈漿的剪切應(yīng)力-剪切速率曲線進行擬合,擬合結(jié)果如表4 所示.

表4 流變參數(shù)擬合結(jié)果Table 4 Fitted results of rheological parameters

由表4可知,兩種流變模型對流變數(shù)據(jù)進行擬合時其相關(guān)系數(shù)R2基本都能達到0.99以上,表明兩個經(jīng)驗?zāi)Ｐ投季哂泻芎玫臄M合效果. 但如第6組減水劑,流動度較大時利用Bingham模型擬合時會出現(xiàn)屈服應(yīng)力為負(fù)值的結(jié)果,改進Bingham模型在擬合過程中不會出現(xiàn)這樣的現(xiàn)象,改進Bingham模型的最大優(yōu)勢在于非線性擬合,可以有效避免屈服應(yīng)力為負(fù)值的情況.

2.3 流變參數(shù)計算結(jié)果

基于Krieger-Dougherty模型,可根據(jù)新拌水泥凈漿的堆積密度預(yù)測其粘度,得到的漿體粘度如表5所示.

表5 K-D模型計算結(jié)果與公式計算值的誤差Table 5 Error between the K-D model calculation and the value calculated by the formula

由表4、5可知Bingham模型得到的粘度數(shù)值與理論計算數(shù)值十分接近,在求解漿體粘度值時,選用Bingham模型效果更佳. 改進Bingham模型多了平方項,模型公式中的η1不能真實表示漿體的粘度值. 通過數(shù)學(xué)計算中的中值定理對數(shù)據(jù)進行處理,求得改進Bingham模型中的η1與Bingham模型中的粘度η滿足式5所示的定量關(guān)系,且誤差小于3%,屬于精準(zhǔn)度較高的范疇,具有較高的參考價值.

(5)

3 結(jié)論

根據(jù)實驗結(jié)果分析,得出如下結(jié)論:

(1)針對大流動度水泥凈漿,改進Bingham模型相比較Bingham模型能進行非線性擬合,更加適用.

(2)Bingham模型得到的經(jīng)驗粘度值與漿體理論粘度更一致,Bingham模型中粘度參數(shù)可用于表征漿體粘度值.

(3)改進Bingham模型中各參數(shù)與漿體理論粘度滿足定量關(guān)系式:η=η1+100c.