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用各种流变模型预测混凝土的泵送情况
摘 要：当混凝土通过管道输送时，在混凝土与管壁之间的界面处形成润滑层，是促进混凝土泵送的主要因素。说明层形成的可能机制是剪切诱导的粒子迁移，确定流变参数是模拟管道中混凝土流动的最重要因素。在这项研究中，进行了数值模拟，考虑了剪切诱导粒子迁移中的各种流变模型，并与170米全尺寸抽水试验进行了比较。结果表明，多模态粘度模型表示混凝土为由水泥浆，砂和砾石组成的三相悬浮液，可以精确模拟润滑层。此外，考虑到具有增加的特性粘度的混凝土成分的颗粒形状效应可以更准确地预测泵送混凝土的管道流动。
关键词：混凝土泵送，润滑层，剪切引起的颗粒迁移，多峰粘度模型，颗粒形状。
1 引言
由于混凝土泵送最初是在20世纪30年代引入的，因此它是在实际施工现场运输新拌混凝土的最常用技术，因为它允许进入难以到达的区域并减少铸造过程持续时间并允许连续铸造。它主要不是基于定量估算，而是基于手工经验或通过简单的材料测试（例如坍落度测试和出血测试）对可泵性进行定性估算。然而，需要一种定量预测混凝土泵送的方法，如可泵送的高度或距离，压力水平和流量，以控制铸造速度和确定施工期的总持续时间，这与施工直接相关成本。
各种研究（Browne和Bamforth1977;义德1957;Chailmo等。1989;Tanigawa等。1991;阿列克谢耶夫1952;韦伯1968;森永1973;Sakuta等。1989;雅各布森等人。2009;卡普兰等人。2005）已经表明，在混凝土和管壁之间的界面处形成的润滑层起着促进混凝土泵送的主导作用（参见图1）。1).它的存在首先由Alekseev提出（1952）和韦伯（1968).森永（1973）还从理论上指出了这一点
因此，考虑到材料的流变参数，如果没有形成这种滑移层，就不可能泵送混凝土。Sakuta等。（1989进一步证明了散装材料的流动性是无关紧要的。唯一重要的属性是材料形成该层的能力。Kaplan等人的一项研究。（2005）还证明润滑层是促进混凝土泵送的主要因素，因为该层具有比通常用混凝土流变仪测量的混凝土明显更低的粘度和屈服应力，并且还开发了称为测量摩擦的摩擦磨损试验仪器。在管壁上施加压力。Kwon等。（2013）还通过考虑在实际泵送期间引起润滑层的剪切速率水平来开发测试仪器。崔等人。（2013a）试图使用超声波速度分析仪（UVP）测量全尺寸泵浦回路的润滑层速度。
说明其层形成的可能机制是剪切诱导的粒子迁移（Choi等人。2013b;菲利普斯等人。1992;Jo等人。2012; Wallevik 2008;Koehler等。2006).当泵送混凝土时，由于剪切应力的梯度，在管壁附近会发生颗粒的再分布。这是颗粒悬浮液的共同特征，并且最初在浓缩悬浮液流中的充分混合的颗粒经历从较高剪切应力的区域迁移到较低剪切应力的区域。因此，在大多数情况下，混凝土泵送可以被认为是剪切了几毫米厚的环形层并且具有比混凝土本身低得多的粘度。菲利普斯等人。（1992）证实剪切诱导的颗粒迁移可以是形成层的形成机制。崔等人。（2013b）和Jo等人。（2012试图用剪切引起的粒子迁移模拟混凝土管流中层的形成。
在进行剪切诱导的颗粒迁移分析时，材料的流变参数是预测润滑层和泵送条件的最重要因素。各种流变模型（Hafid等。2010;Chateau和Trung2008;刘2000;克里格1959;冲和贝尔1971;法里斯1968）建议描述悬浮液的流变行为。然而，很少有研究建立混凝土泵送的综合预测方法，也就是说，很少有研究调查这些流变模型在确定泵送混凝土管道流动中的作用，更具体地说，是形成和材料特性润滑层。
因此，本研究的目的是根据各种流变模型研究泵送混凝土的管道流动。计算结果与170米全尺寸抽水试验进行了比较（Choi等。2013a).通过对比，发现多模态悬浮模型代表混凝土作为由水泥浆，砂和砾石组成的三相材料，具有颗粒形状的影响，可以准确预测润滑层的性质和泵送混凝土的管流.
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图1管道中混凝土流动的示意图。
2泵送混凝土管流分析方法
2.1剪切诱导的粒子迁移
如引言中所述，为了预测泵送混凝土的管道流动，应仔细研究润滑层。在现有研究中可以找到几种可能的机制来说明其层的形成（Kaplan等。2005;Kwon等。2013;崔等人。2013b;菲利普斯等人。1992;Jo等人。2012; Wallevik 2008;Koehler等。2006).在这项研究中，剪切诱导的粒子迁移表明悬浮液中的颗粒从较高剪切速率的区域迁移到较低剪切速率的区域，被认为是一种主要的可能机制。形成润滑层。Leighton等人。（Leighton和Acrivos1987a, b）提出了非均匀剪切流中粒子迁移的现象学模型，这种模型通常是由不可逆相互作用频率和有效粘度的空间变化引起的。菲利普斯等人。（1992适应Leighton和Acrivos的缩放论据（1987a, b并提出了一个扩散通量方程来描述基于双体相互作用模型的颗粒浓度的时间演变。在这项研究中，Phillips等人提出了粒子扩散模型。（1992结合一般流动方程，扩展到解决混凝土流动并预测压力驱动管道流中悬浮液的颗粒浓度分布。
Poiseuille流的剪切诱导粒子迁移的控制方程如下（Phillips等。
=
其中/是粒子浓度，t是时间，uz 是流动方向的速度分量，a是粒子半径，z是流动方向，r是径向，g是表观粘度。浓缩悬浮液，Kc 和Kg 是无量纲的现象学常数。
在泵送混凝土的管道流中，剪切应力在管壁处最高，并随着位置移动到管道中心而线性减小。应力梯度是将粒子移向管道中心的驱动力，如公式1中右侧第一项所述。（1).由于迁移引起的颗粒浓度的增加可能增加粘度和屈服应力，这阻碍了颗粒的额外迁移，如权利要求1中右侧的第二项中所述。（1).结果，管内颗粒的浓度由两种作用之间的平衡决定，即由于应力梯度引起的迁移和由于流变性质增加引起的阻碍。
治理方程（1）应在管壁上补充适当的边界条件，该条件经受通常的无滑移条件（u = 0）且不穿过墙壁的粒子通量如下所示：
假设颗粒浓度最初在管道入口处是均匀的，即
其中/0 是颗粒的初始浓度。参数Kc 和Kg 应与粒径，浓度和剪切速率无关。这些参数的值分别设定为0.3和0.6（Phillips等。1992).
2.2颗粒浓度和颗粒形状对流变性的影响
关于方程中剪切诱导粒子迁移的控制方程。（1），表观粘度g是a材料的流变参数应仔细确定。Bingham流体模型的表观粘度g可表示如下：
其中gp 和s0 分别是Bingham流体模型的塑性粘度和屈服应力。由于颗粒迁移引起的颗粒浓度变化可能导致混合物的流变特性发生相当大的变化。对于屈服应力s0，使用了文献中提出的一种可能的模型（Hafid等人。2010;Chateau和Trung2008)
其中/s 和/g 是砂和砾石的体积分数，而/S，最大值 和/克，最大 分别是砂和砾石的最大浓度。
通过初步调查流变特性对混凝土泵送的影响（Choi et al。2013a），与塑性粘度的影响相比，屈服应力对管道流动产生微小影响，也就是说，单一屈服应力模型足以分析混凝土流动。另一方面，塑性粘度gp 对流速和泵压力有很大影响，因此应仔细确定混凝土泵送。
已有各种研究来说明悬浮液的行为并提出了一些粘度模型（Liu2000;克里格1959;冲和贝尔1971;法里斯1968).考虑到混凝土时，建议的粘度模型可根据成分的规模水平分为两类：单峰悬浮模型和多峰悬浮模型。从单峰悬挂的角度来看，混凝土可以被认为是由砂浆和砾石组成的两相材料。在这种近似中，砂浆是悬浮介质，砂砾是唯一考虑的颗粒。在该研究中，研究了三种单峰粘度模型。
第一个单峰粘度模型是Liu模型（Liu2000).该模型能够预测在不同剪切条件下各种陶瓷悬浮液的粘度。关于该模型，为了考虑最大填充密度，Liu提出了一种模型来估计理论上最大颗粒体积分数（/最大），其对于给定悬浮液是允许的，其中混凝土粘度接近无穷大。在Liu模型下，本研究确定砾石的最大固体分数为0.645。刘提出的粘度模型如下：
其中a是由（1-gr） - /关系确定的常数。
本研究中使用的第二个模型是Krieger-多尔蒂模特（克里格1959）， 如下
-2.5ϕ_max
该模型考虑了悬浮液中颗粒的浓度，尺寸分布和形状。理想情况下，Krieger-Dougherty模型更适合评估水泥浆或混凝土的粘度。
最后一个模型由Chong和Baer提供（1971）预测相对粘度作为颗粒体积分数和最大填充分数的函数，其定义如下:
2
同时，从多模式悬挂的角度来看，混凝土可以被认为是由水泥浆，砂和砾石组成的三相材料。法里斯（1968）基本上开发了一种计算球体多峰悬浮液粘度的理论。多峰悬浮液的颗粒的粘度可以由每种尺寸的单峰粘度计算，只要相对尺寸足以确保砾石和砂颗粒之间没有相互作用即可。Farris模型定义如下：
Farris模型将聚合参数分为两个层次：沙子和砾石。每种模式的体积分数，即/s 和/g 根据混合比例和/S，最大值 分别确定，并且/克，最大 分别是砂和砾石的最大固体分数。通过刘模型（2000），对于该研究条件，每种模式的最大固体分数分别确定为0.675和0.645。其中gs 和gg 分别是砂和砾石的特性粘度，它代表单个颗粒形状对粘度的影响。它的定义如下：
其中gr 由方程式确定。（9).因此，在多峰粘度模型的情况下，在计算粘度时应仔细确定单个颗粒形状的影响。
2.3粒子形状的影响
基本上，法里斯（1968）提出了多峰悬浮液粘度模型，其使用恒定的特性粘度值，即2.5，用于表示球形颗粒的情况。在特性粘度代表单个颗粒形状对粘度的影响。在混凝土的情况下，由于组分偏离球形，应该使用改进的特性粘度值来模拟颗粒形状的影响。根据Struble和Sun（1995）和巴恩斯等人。（沃尔特斯1989），球形颗粒的特性粘度为2.5，当颗粒偏离球形时，应增加该值。当颗粒浓度接近零时，特性粘度是比浓粘度的极限值。通过用特性粘度代替2.5级分，可以考虑表达式的颗粒形状。因此，为了模拟颗粒形状对塑性粘度的影响，有必要获得固有粘度与聚集体的形状表征之间的关系。Ssecsy (1997）获得了特性粘度值和圆形度之间的某种关系，圆形度是解释形状特征的参数，以便计算总粘度（参见图2）。2).对于特性粘度设定最大极限10，因为它是Barnes等人的特性粘度的最大报告值。（沃尔特斯1989).圆形度计算如下：
其中A是颗粒的横截面积，P是颗粒的周长。在这项研究中，为了找出圆形度的参数，使用了数字图像处理技术，更多的细节信息可以在早期的作品中找到（Choietal。2013b).
图2特性粘度值与圆度之间的关系
3实验计划
3.1材料和混合比例
为了研究管道中的混凝土流动，研究了一种高度可行的混凝土（即流体混凝土）工作。混合比例在表中给出1.水泥为CEM I 52.5N，密度为3,150kg / m3。砂为天然河砂，密度为2,590 kg / m3 ，细度模数为2.81。砂粒径范围为0.08至5毫米，吸水能力为2.43％。最大粗骨料尺寸为25毫米。它是一种石灰石骨料，吸水能力为0.8％，密度为2,610kg / m3，细度模数为6.72。校正混合水的量以考虑由沙子和粗骨料吸收的水。还使用基于聚羧酸盐的高范围减水掺合物（HRWRA）。其剂量如表所示1 标记为％HRWRA，表示混合物相对于粘合剂含量的百分比，粘合剂含量是水泥，飞灰和高炉矿渣的总和（重量）。混合比例含有4.5％的空气含量。
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物料 |
设计实力 |
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系列名称 水泥CEM I 52.5 N（kg / m3） 粉煤灰F级（kg / m3） 高炉渣（kg / m3） W / B比率 砂（kg / m3） 粗骨料（kg / m3） 基于聚羧酸盐的HRWRA％ 坍落流量（mm） |
C50 225 50 255 0.33 736 871 0.9 620 plusmn; 20 |
表格1混合比例
3.2流变性质的测量
为了通过使用浓缩形式的颗粒来确定混凝土的流变性质，通过使用配备有圆柱形光滑主轴的市售数字Brookfield流变仪测量悬浮液如砂浆和水泥浆的流变性质（参见图1）。3).该装置通过样品容器周围的水循环系统在流变测试的整个时间跨度内保持样品的温度恒定。在加水时间后15分钟开始测试。在100,50,30,20,10和5rpm下逐步进行测试。在每个转速下，记录扭矩和角速度数据。然后使用标准程序（Mitschka）将记录的结果转换成粘度函数，例如
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