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(shù)的。該儀器采用了傳感技術(shù)和微電腦技術(shù)，能直接通過液晶顯示器顯示坍落度值、溫度，預(yù)測28 天強(qiáng)度，為工程施工和混凝土生產(chǎn)人員提供水灰比、用水量等參考值，并進(jìn)行平均值計(jì)算等。

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

1 　技術(shù)基礎(chǔ)介紹

1.1 　新拌混凝土性能測量原理

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

    混凝土拌合物這種性能的產(chǎn)生原因在于，混凝土材料本身具有的流變特性： 經(jīng)攪拌后的新鮮混凝土中，骨料、未水化水泥顆粒、早期水化產(chǎn)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(jìn)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(nèi)，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(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，這種微觀結(jié)構(gòu)的形成和表現(xiàn)的宏觀現(xiàn)象符合流變學(xué)特性。

    流變學(xué)是研究材料流動和變形的科學(xué)，可反映材料應(yīng)力─應(yīng)變關(guān)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(nèi)呈現(xiàn)粘塑性體特性，在中等流動性時又呈現(xiàn)塑性體特征，在大流動性范圍，則變?yōu)橘e漢姆體。

    半個世紀(jì)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(yīng)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(dá)到屈服應(yīng)力θt 之前，物體具有固態(tài)性質(zhì)，不流動；τ>θt 時，材料結(jié)構(gòu)破壞迅速進(jìn)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)。混凝土拌合物在攪拌、輸送、澆灌、搗實(shí)、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(yīng)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(shù)。凡影響兩個參數(shù)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(xué)性能，因此它一直是混凝土生產(chǎn)工藝中很重要的性能，但至今對于它的確切含義各國學(xué)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(dá)到完全密實(shí)所消耗的有效內(nèi)部功的大小的一種性能”。國內(nèi)的專家學(xué)者認(rèn)為應(yīng)包含四種性能的綜合表現(xiàn)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(nèi)摩阻力和粘聚力便于流動，而穩(wěn)定性又要求有大的內(nèi)摩阻力和粘聚力，使粗細(xì)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(zhì)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(shí)現(xiàn)需通過及時調(diào)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(chǎn)工藝中承上啟下的關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)。

1.2 　新拌混凝土性能的主要測量方法

    半世紀(jì)以來世界很多學(xué)者都研究和提出過多種測定方法，1960 年K·Newman 曾認(rèn)為世界至少有30 多種方法，T·C·Powers1968 年估計(jì)多達(dá)100 種以上，其中一些方法幾乎僅限于試驗(yàn)室內(nèi)應(yīng)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(yàn)已得到人們的認(rèn)可并在施工中使用。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)迄今已知的測定方法按原理及衡量稠度的技術(shù)指標(biāo)可歸納為以下幾類：

1.2.1 　經(jīng)驗(yàn)法

    這類方法是經(jīng)驗(yàn)性的，無嚴(yán)格理論根據(jù)，但目前又是廣泛被采用和納入各國標(biāo)準(zhǔn)的方法，如：

    (1) 對經(jīng)增實(shí)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(shè)計(jì)) ，球體貫入度法(Kelly 設(shè)計(jì)) ，錐體貫入度法(Grag 設(shè)計(jì)) 等。

    (2) 對經(jīng)增實(shí)拌合物體引入一定量功所產(chǎn)生變形的測定：主要有跳桌擴(kuò)展法( Graf 設(shè)計(jì)) ，滑動距離法(Burmister 設(shè)計(jì)) ，墜落擴(kuò)展度法(吉田) 。

    (3) 對經(jīng)增實(shí)拌合物體，重塑至某一形狀所需功的測定：有維勃法(Bahrner 設(shè)計(jì)) 的VB 試驗(yàn)，蘇聯(lián)中央建筑研究院制定的工業(yè)粘度計(jì)法，以及由Powers 和Thaulows 分別設(shè)計(jì)的重塑跳落次數(shù)測定試驗(yàn)。

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

    (5) 搗實(shí)系數(shù)法：測定拌合物經(jīng)引入一定功使之增實(shí)后的密實(shí)程度。如Walz 設(shè)計(jì)的增實(shí)度試驗(yàn)，Glanville Collins 和Mathews 所設(shè)計(jì)的增實(shí)因數(shù)試驗(yàn)等。

    以上方法在有些國家的標(biāo)準(zhǔn)中只規(guī)定一種，也有的同時規(guī)定兩種。根據(jù)RILEM14 ———CPC1972 年資料介紹，這個國際組織已向國際標(biāo)準(zhǔn)化組織建議同時采用坍落度法和維勃法兩種。坍落度試驗(yàn)法是艾布拉姆斯(Abrams) 于1913 年設(shè)計(jì)的，這一古老的測定法一直使用至今，是國內(nèi)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(biāo)準(zhǔn)的有英國標(biāo)準(zhǔn)BS1881 ─1970 ；美國ASTM 試驗(yàn)手冊C143 ─74 標(biāo)準(zhǔn)；荷蘭標(biāo)準(zhǔn)NEN3801 ；德國標(biāo)準(zhǔn)DIN1048 ；日本J ISA1101標(biāo)準(zhǔn)；國際標(biāo)準(zhǔn)化組織ISO4109 ─1980 也接納它作為一項(xiàng)測定可塑性和流動性及拌合物和易性(稠度) 的標(biāo)準(zhǔn)法。

1.2.2 　土力學(xué)法

    如剪力學(xué)試驗(yàn)法、三軸試驗(yàn)法等。這些試驗(yàn)方法太麻煩，而且在該領(lǐng)域里的進(jìn)展還很有限。

1.2.3 　流變學(xué)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(rèn)為在坍落度小于12cm 時，新制混凝土表現(xiàn)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(biāo)準(zhǔn)，而且其裝置都比較復(fù)雜，還遠(yuǎn)遠(yuǎn)談不到隨身攜帶，即使這些方法納入各國標(biāo)準(zhǔn)后，坍落度法很可能還要保留一段很長的時間。

1.3 　國內(nèi)外新拌混凝土性能測量的現(xiàn)狀與問題

    在我國對混凝土和易性的檢驗(yàn)，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(yàn)時將混凝土從筒上端分三次加料澆搗，每澆一層同時進(jìn)行搗實(shí)，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(shù)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(yàn)會得出不同的結(jié)果，在出現(xiàn)剪切型錐體結(jié)果時，其試料最佳測量點(diǎn)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(yàn)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(jié)果很粗略。此法不僅勞動強(qiáng)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(xué)會) 會員， 加拿大Saskatschewen(薩斯喀川) 大學(xué)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(shè)計(jì)一種帶孔的尺寸為60mm ×300mm、重量為250 克的管型構(gòu)造物，可實(shí)現(xiàn)在60 秒內(nèi)直讀式測定和易性數(shù)據(jù)，經(jīng)在美國和加拿大的幾個試驗(yàn)中心驗(yàn)證，該儀器與坍落度試驗(yàn)法有較好的相關(guān)關(guān)系，且在應(yīng)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(dá)略省雷克斯達(dá)勒試驗(yàn)業(yè)務(wù)公司經(jīng)理(john A·Bickley) 比克利，曾采用了K- 坍落度測定器進(jìn)行了施工應(yīng)用觀測控制混凝土質(zhì)量。

    日本于1975 年首先刊出了研究報(bào)導(dǎo)，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(yīng)用的試驗(yàn)器具之一。1979 年該儀器開始在我國生產(chǎn)應(yīng)用，到1981 年約有23 個省市的112 個單位應(yīng)用過該儀器，1982 年國家水電部正式接納該試驗(yàn)法并列入水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程SD105 ─82 中。K- 型坍落度儀經(jīng)幾年的應(yīng)用試驗(yàn)證明，它雖然在簡化圓錐形筒方面有了不少改進(jìn)，但也存在一些局限性和不足，主要有以下幾點(diǎn)：

    (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(jié)果則與圓錐形筒法有明顯差異，實(shí)際測量證實(shí)，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(shí)測數(shù)據(jù)，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(xì)微的變化，也是造成在高端測不準(zhǔn)的重要原因。Nasser 的驗(yàn)證方程式其坍落度值也在小于8cm 以下范圍。當(dāng)代建筑施工技術(shù)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(diǎn)，從而帶來人為誤差。如儀器測桿因自重而壓進(jìn)砂漿時造成的過失誤差難以校正。

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

    (4) K- 型坍落度儀為手工操作儀，功能上不具備對數(shù)據(jù)進(jìn)行自動處理計(jì)算的手段，因而在現(xiàn)場使用時還要進(jìn)行記錄和手算。