混凝土的备组成材料

混凝土的备组成材料(水泥、粗细集料、水等)按一定的比例搅拌商得的尚采蹉结硬他的材料称为混凝土混合料，也有人称之为新拌混凝土。‘混凝土混合料可以看成为是一种出水和分散粒予组成的体系，它具有弹性、粘性、塑性等特性。÷目前许多学者蔗运用《演变学》所提供的理论以深入研究混合料各种特性，深刻了解其变形的本质。+j‘’1，．一、流变学大意流变学是研究物体流动和变形的科学，是近代力学的一个分支。凡是在适当的外力作用下，物质能流动和变形的性能称为该物质的流变性。流变学的研究对象几乎包括了所有的物质，综合研究了物质的弹性变形，塑睦变形和祜性流动。对水泥混凝土而言，则研究水泥浆、砂浆和混凝土混合料粘、塑、弹性的演变，以及硬化混援土的强度、弹性模量和徐变等问题。研究材料的流变特性时，要研究材料在某一瞬间的应力和应变的定量关系，这种关系常用流变方程来表示。而一般材料的流变方程的建立，都基于以下三种理想材料的基本模型(或称流变基元)的基本流变方程上：1．胡克(I-icoke)固体模型(H——模型)表示具有完全弹性的理想材料；2．圣维南(St．Venant)固体模型(gtV——模型)表示超过屈服点后只具有塑性变形沟理想材料；．3。牛顿(Nev。ton)液体模型(N——模型)表示只具有粘性的理想材料。以上三种基本模型的表示方式、流变方程和应力一应变一时间的关系如图1—15所示。弹性、塑性、粘性和强度是四个基本流变性质，根据这些基本性质可以导出其他性质。胡克固体具有弹性和强度，但没有粘性。圣维南固体具有弹性和塑性，但没有粘性。牛顿液体具有粘性，但没有弹性和强度。严格地说，以上三种理想物体并不存在。大量的物俸是介于弹、塑、粘性体之间。所以实际材料的流变性质具有所有上述四种基本流变性质，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同的弹性模量G、粘性系魏叼：：‘和表示塑襁舳屈服应力z。的流变基元以不同的形式组合成妁流变模型来研究。最简单的流变横型可由流变基元串联或并联而成。若用H、N、sty分别表示上述三种流鸯基元，用符号“}‘乏表示并联，“一"表示串联，则可用不同的符号表示出各种流交裢墅；均结构羲i例一、麦克斯茕(Maxwell)模型(图1-16)系最筒单的串联模型，M一}j—H，只：柒表示恒定变形下趣r蕈力变化历程。在这种模型中，各基了己所受的应力相等，而总的变形为各基元变形之不j，即{重庆建筑工程学院南京工学院编著,混凝土学,中国建筑工业出版社,1981年07月第1版,第24页在外力加在模型上的瞬间，首先产生弹性变形7，。，随着外力作用时间t的增加，粘性漉动7。也增大。如果在时间为t时将外力除去，则弹性变形立即恢复，而残余的永久变形为粘性流动7，；百t／仉如果在外力作用在模型上后，保持变形不中变，则应力百将随时间t的增加而减少，这是因为弹性变形转化为粘性流动的结果。在时间为无限]bdt时，模型将发生dy的变形，它等于d7。与d7。之和，亦即：小，这种现象称为应力松弛。当时间间隔t—T时，模型上的应力百只为初始应力f。的1／e。例二、开尔芬(Kelvin)模型(图1—17)系最简单的并联模型，M—NlH，用来表示恒定应力下的形变过程。在这种模型的情况下，各基元的变形都相等，而总的应力则等于各基元应力之和，即：7—7。一7。．气百==百E+百，J'因此，百一G7+叩{}。积分上式，并当t一0时，7—0，则得：7一音(，玎导‘)。6图1-17开尔芬模型由上式可以看出，模型在受外力作用的瞬间(t—O)，7一O。随着时间￡的增加，7也增加，当t—oo时，7一—}，亦即以弹性应变7。为其极限值。这说明弹性变形并不是立刻完成，而是随时间按指数关系推迟完成，这种现象称为徐变，也称为滞弹性。在外力除去以后，变形的恢复也是逐渐的。设除去作用力时的变形为7。，则变形的恢复与时间的关系为：．、·一～7—7。e’旦t。可见只有当t—oo时，变形才能完全消失，这种现象称为弹性后效。’二、混凝±混合料的流变方程’固体材料在外力作用下要发生弹性变形和流动。应力小时作弹性变形；应力大干某一限度(屈服值)时发生流动。混凝土混合料也基本上具有类似的变形特性，但由于屈服值很小，所以由流动方面的特征所支配。重庆建筑工程学院南京工学院编著,混凝土学,中国建筑工业出版社,1981年07月第1版,第26页混凝土混合料的流变性质可以用冥汉姆(廿mgnam，俱型米岍艽。'兵队赙俣=型嗣玷倒式为M一(NIsty)一H，如图卜18所示。显然，当百<百，时，则并联部分不发生变形，。互y图1-18宾汉姆模移■此式摄p称为宾汉姆力程。为牛顿液体公式。因此：’T—G7¨百．’7。一一ZF。当百>下，时，则在并联部分发生与应力(f一百，)成正比的粘性流动，因此有：‘-’dy。·T一百口一叼1r。因为总的变形7—7。+7。，而，)'。是常数，．因此上式可写成．‘。d7，i一百，十叼一aF。把符合于宾汉姆方程的液体称为謇汉姆体。式中若百，一0．，：贝4尊重庆建筑工程学院南京工学院编著,混凝土学,中国建筑工业出版社,1981年07月第1版,第26页，牛顿液体和宾汉姆体的流变方程中粘度系数77为常数，变形遮度D(一名})和剪切应力百的关系曲线(称流动曲线)成直线形状，如图1～19(o)、(c)。但若液体中有分散粒D翱卜19流动曲线的基本类型a一牛顿液俸，b一非牛顿液俸’c一宾汉姆体，d一一般宾汉姆体子存在，胶体中凝聚结构比较强，则粘度系数_，7．将是T或D的函数，则流动曲线形状如图1-19(b)、(d)那样，分别称为非牛顿液体和一般宾汉姆体j超流动性的混凝土混合料接近于非牛顿液体，一般的混凝土混合料接近于一般宾汉姆体。’三、混合料流变参数百，与叼的舍义J．．由混凝土混合料的流变方程i一百，+叼{}可知屈服剪切应力百，与粘度系数叼是决定混合料流变特性的基本参数。屈服剪切应力T，是阻止塑性变形的最大应力，故又称为塑性强度。当在外力作用下产生的剪切应力小于屈服剪切应力时，混合料不发生流动，只有当剪切应力比屈服剪切应力大时，才会发生流动，并可塑造成征一形状的制品。而且只有在制品本身的重量不产生超过屈服剪切应力的应力时，制品的形状才可能保持不变。混合料的屈服剪切应力是组成材料各颗粒之间的附着力和摩擦力引起的。如图卜20，A在B的平面上，A给予B以垂直压力P，当A开始滑动时，接触面上产生剪切应力百，如A与B间没有附着力，则库仑定律成立：百一pP—ptg舻。式中肚——摩擦系数；妒——摩擦角。如果A与B间有附着力，则接触面上产生的剪应力用百，表示，q与P的关系为：图1-20重庆建筑工程学院南京工学院编著,混凝土学,中国建筑工业出版社,1981年07月第1版,第27页zⅣ一百o+P／,g,p。式中百。可以认为垂直压力P为零时(即不考虑外力及重力时)所存在的剪切阻力，称为附着力，它是A与B间的内聚力引起的。屈服剪切应力可用试验方法测定。如图1-21装置，当改变垂直压力P时，可测得不同蠹{；J使混凝土混合料发生运动的最大剪切应力f。。。。作P～百图，得P一百直线，延长此直线交千万轴上的数值便是百一与P轴的交角便是摩擦角妒(图l一22)。粘性系数叼是液体内部结构阻碍流动的一种性能。它是由于流动的液体中，在平行流圈1—21雷格翦切试验图卜22P—f图_p重庆建筑工程学院南京工学院编著,混凝土学,中国建筑工业出版社,1981年07月第1版,第27页动方向的各流层之间，产生与流动方向相反的阻力(粘滞阻力)的结果。因此，粘性是流动的反面。对于不同的液体，粘性有的大，有的小，取决于液体的内部结构。如果粘性大到无穷大的物体，其流动微乎其微，以致无法测量，实际上成为弹性固体。粘性愈小，则流动愈大i粘性系数单位用泊表示。当剪切应力百一1达因／厘米2，产生速度梯度D-----1／秒时，粘性系数回一1泊。即1泊一1达因秒／厘米2。水的粘性系数约为0．01泊。．象水泥浆、，混凝土混合料这样带有分散粒子、形成凝聚结构的液体，其粘性系数随剪切应力或速度梯度而变化，实质上是随其凝聚结构的破坏程度而变化。如图卜23、卜24所示；d表示结构破坏曲线，叼表示粘性变化曲线。这种随结构破坏程度而变化的粘性系数称为结构粘性系数。由图1—23、1-24可见，当剪切应力小于百。时，凝聚结构实际上未破坏，此时粘性系数具有恒定的最大值(叼。)，虽然也会发生缓慢的流动，但实际上觉察不判。当‘百接近于百，时，粘性系数大大降低，结构发生“雪崩”式的破坏。当结构完全破坏时，粘性系数就会达到最低值叩。，也就是说粘度不再随应力值的变化而变化。重庆建筑工程学院南京工学院编著,混凝土学,中国建筑工业出版社,1981年07月第1版,第28页四、流动特性的测定方法(一)粘度计为了求得浓体匈流动特性，应改变剪切应力百，．方程的函数式。‘j’D—J=(百)。。把用承这种目的装置称为粘度计、、塑魔计或流度计。计，旋转粘度计等。测定速度拂度D，就可确定流动特性肇+’粘度计禳毛细管粘度计、薄球粘痊·、因为砂浆或混凝土混合料的颗粒较大，所以一般认为用旋转粘度计较为适合。外筒旋转式粘度计(图卜25)是由装试料的旋转外筒及悬于试料中的内筒组成，内筒与外筒共轴，并配置有扭力计。当外筒旋转时，由于试料的粘性，在内筒壁上产生旋转力矩，由试验可测得外筒的角速度Q及加到内筒上的旋转力矩T，并以Q—T曲线表示它们之ii硝勺关系。此种粘度计的各都尺寸：内筒半径R。，外筒半径R。，装料高度L根掘试料性质而定。(二)D-：T曲线与Q—T曲线重庆建筑工程学院南京工学院编著,混凝土学,中国建筑工业出版社,1981年07月第1版,第28页在外筒旋转式粘度计内成稳定流动状态的试料中，我们研究一下距中心为r，厚度为lr，长度为L一层薄的试料圆筒壳(图l一25)。假设作用在这个试料圆筒壳的内侧表面切线方向上力为F，则旋转力矩T—P·r，所以作用在这个表面上的单位面积的力，即剪切应力：P11百一≤石一1寿F。(卜1)设这个面上的角速度为OJ，则沿试料圆筒，笆的厚度d’’的速度梯度重庆建筑工程学院南京工学院编著,混凝土学,中国建筑工业出版社,1981年07月第1版,第29页此处，(卜5a)式是圆筒内的试样处于静止状态的情况；(1-5。b)式是在内筒附近的地方部分流动的状态；(1—5c)式是全部试料处于流动状态。图1～26中，A、／3表示D—百蚺．线，C、D表示Q二T曲线。D中n、b、c部分分别与上述三种状态相对应。“+(1—5c)式是在内外筒表面与、斌料之间没有滑动的条件下建立的。如有滑动，测定的T值偏低，求得的屈服剪切应力也小。对混凝土混合料流变特性比较成功的测定，．可以说直到七十年代才开始。英国谢菲尔德大学建筑科学系的泰托索尔(G．H．Tattersall)曾采用一种拌和锅中带有一个自，转和绕锅旋转的搅刀的装置来试验混凝土混合料的流变特性，以不同转速下的能耗除以搅刀的转速作为转矩T的假定单位，以搅乃的转速N作为混合料的流动速度，作T一Ⅳ曲线，证明混合料的流变曲线符合宾汉姆