混凝土触变性能的研究

　　混凝土触变性粘度稠度塑性强度国家自然科学基金资助项目批准号：59378380国家教委博士点科研专项基金资助项目编号：9429012触变性是指在机械剪力作用下及剪力撤除后所发生的凝胶一溶胶一凝胶的等温可逆转换现象。在剪应力下表现粘度减小，剪应力撤除后，表现粘度又恢复到原来水平的现象。水泥浆、砂浆和混凝土都是具有触变性的宾汉姆体。对于水泥浆的触变性比较一致的认识是当浆体被迫流动时，颗粒的絮凝结构不断地遭到破坏，致使水泥浆体发生触变性的剪切稀化。但是混凝土由于粗细骨料的影响，使得其触变性与水泥浆的触变性又存在着较大差别。己有试验证明，新拌混凝土也是具有触变性的可塑性流体在剪切作用下具有转变为流态的性能ww〔3〕。此处“流态”不是通常指的流态混凝土中的定义，而是指使混凝土由准固体状态，冲击转变为可流动状态。

　　新拌混凝土的触变性是外界所施加的剪切应力来使混凝土拌合物絮凝结构发生剪切应变。上述外界剪力通常为机械或人工搅拌。爆炸冲击作用，则是一种高强剪切冲击破坏和压缩过程。本文所述的混凝土触变性包括机械和人工搅拌以及在爆炸冲击作用下混凝土触变性能。在爆炸冲击作用下混凝土触变性能的研究中所指的触变性能，主要是混凝土受冲击发生触变破坏后恢复凝结的性能，因为爆炸冲击作用是一瞬时完成的过程，要捕捉这一时刻混凝土性能的变化十分困难。从触变性的定义可知，触变过程是一个施加剪切力后再撤消时混凝土的粘度变化过程。我们将触变过程作为受冲击后到恢复凝结，即是施加剪切力前后的过程。着重研究混凝土在这一强剪切力撤消后混凝土的性能所发生的变化，包括使混凝土发生触变稀化后流变方面的性能特点和发生触变稀化后再凝结硬化后的性能，以及与普通硬化混凝土性能的差异。这是因为混凝土的后期性能与前期性能存在较大的内存联系，正如强度与其早期水化、孔隙的分布等，而这些又与早期流变性能关系密切〔4〕。

　　1试验方法和研究意义先通过人工和机械搅拌作用下混凝土触变性能试验得出一定触变规律，再通过爆炸冲击作用进行验证，得出混凝土受高温高压作用发生触变后的规律，通过与非爆炸冲击作用下混凝土触变性能的比较，分析其触变机理；*后通过应用试验验证试验结果。因为混凝土可视为是以砂浆为溶剂、粗骨料为溶质的悬浮液，而砂浆又可视为是以水泥浆为溶剂，细骨料为溶质的悬浮液，因而上述两种溶剂对混凝土的触变性的影响*为突出。为此，在试验前，分别通过这两种悬浮液进行触变试验，得出一定的触变规律后，再通过混凝土的试验得出其触变特性。

　　利用混凝土在凝固过程中具有的触变性和高冲击荷载作用下转变的流态的性能，实现地下工程混凝土爆炸成型支护，实现在粘土层中同步爆炸成型地下空间（包括各种用途和形式的地下储存仓和硐室）与混凝土支架。地下建造储粮仓、蓄水池、工农业废料仓、农村沼气池、城市建筑物化粪池等，比在地面建造具有防冻、防火、防爆、安全等特点，有利于节约用地和环境保护等许多优点。而在地下建造腔体的传统思路是在土体中人工或机械开挖后，再进行人工砌筑或用喷射混凝土进行支护，该方法存在边坡稳定问题和建造速度过慢等缺点。同步爆扩地下仓和混凝土支架则是利用混凝土受高冲击力作用下的触变性，在地下爆扩成腔的同时将混凝土冲击挤压到仓体表面实现支护的方法，从而减少施工工序，避免了后期支护工作的困难和危险，大大缩短工期，提高施工效率，节省工程费用。

　　爆炸冲击作用下混凝土的触变性将为其它结构或构件的连续密实成型开辟新工艺和新方法；混凝土的触变性研究在建筑施工时对于确定混凝土构件浇灌和密买成型时间十分有价值。另外也为处理建筑物基础、地下大开挖、地下大型围护结构的建造开辟新途径；对商品混凝土的运输和二次搅拌提供有价值的结论〔4〕〔5〕。

　　2试验材料混凝土是由水泥、细骨料、粗骨料用水拌和后形成的高浓度悬浮液，其水泥和粗细骨料直接影响其流变性。水泥性能指标见表1.表1水泥主要技术指标品名425R普通硅酸盐水泥产地江苏徐州淮海水泥厂细度标准稠度用水量（凝结时间初凝2：15终凝5：00安定性合格胶砂强度（MPa）抗压强度抗折强度3天28天3天28天试验用水采用徐州地区饮用自来水。细骨料采用新沂河砂，细度模数为2.67，为中砂。粗骨料采用江苏盱胎石灰岩碎石，*大粒径为15mm，为连续粒级。

　　3水泥浆试验水泥浆作为混凝土的胶凝材料，直接影响混凝土的其它性能。它是混凝土*主要的成份之一。混凝土的工作性受水泥浆体部分的影响十分敏感。因而许多研究混凝土流变性的试验，一般首先都是针对水泥浆进行。想直接利用混凝土来获得其流变性的实质性结果还力不能及，因为混凝土中粗细骨料的影响使得流变参数的测定十分困难，需要大量的原材料，而且因为测量仪器的大刻度无法满足测量精度，以及由于原材料（尤其是骨料）缺少复演性，导致数据离散。为了获得混凝土的触变指标，决定先借助影响混凝土流动性的主要组成部分一水泥浆的流变试验，获得*基本的触变规律。再按传统的研究方法即将砂浆视为是以水泥浆为溶剂，细骨料为溶质的悬浮液；混凝土则是以砂浆为溶剂、粗骨料为溶质的悬浮液来研究砂浆和混凝土的触变规律。

　　3.1水泥浆的稠度与触变研究表明外界剪切作用可使水泥浆粘度值发生变化，原因是絮凝结构破坏导致发生触变现象。而粘度与稠度从现象上则为两个相关的定义。为此，对水泥浆进行受触变扰动的试验研究，试图获得*大触变时间的确定方法。触变量定义为同一时间破坏前后的稠度差，也即锥入度差值。

　　试验采用水泥净浆标准稠度仪进行测试。触变扰动方式为净浆搅拌机，触变扰动时间均为4min得出触变前后的稠度曲线见。

　　试验表明：随触变扰动的加，水泥净浆吸收外界作功累加，其触变量也愈来愈大，*终达到*大触变。

　　*大触变出现时间随W/C大而推迟。在水泥净浆零时刻拌完测定锥入深度后静置1h测定完其锥入度后搅拌，破坏了净浆的絮凝结构，出现一定触变是必然的，而且由于水泥与水接触初期水化较快，出现较大触变也是可能的。从前述试验可以分别得出，水泥净浆受外界剪切作用发生触变随时间变化而改变。由于拌和水通过水化、吸附、结合以及形成空隙水而减小，因而触变前锥入度呈曲线变化，而连续触变作用使得其絮凝结构不断破坏，因而凝结结构束缚水不断减少，非化合水无法达到稳定，始终处于游离状态，水泥颗粒排列也不断紧密，因而表现为触变后的锥入度呈直线型通过作触变前锥入度曲线的切线并与触变后的直线平行的直线，切点对应时间即*大触变时间。将所得*大触变时间定义为*佳触变时间。或者通过作用对应时刻锥入度差随时间的变化曲线，*大锥入度差对应时间即为*佳触变时间。对上述试验曲线进行回归后，得出锥入度差曲线见3.2水泥浆的凝结时间与触变由于水泥的凝结时间的定义是水泥净浆开始失去可塑性到完全失去可塑性为标准，由前面试验可知，触变扰动可改变水泥净浆的粘稠度，因而必然导致水泥净浆的凝结时间的变化。为此进行水泥净浆的凝结时间与触变的关系试验。试验完全按GB1346-89凝结时间测定的规定进行操作。水泥浆凝结时间测定方法：采用GB13350.6规定的维卡仪测定，用标准稠度的水泥净浆在规定的温度和湿度下进行。

　　通过凝结时间测试可知：一次触变扰动后，初凝时间均在不同程度上推迟；触变时间越晚，初凝时间与终凝时间相差则越少。终凝时间随触变时间的推迟变化不如初凝时间，但仍具有推迟的趋势。对于连续触变扰动，初凝时间和终凝时间均较非连续触变时间晚。

　　由于凝结时间试验只是从锥入度值的大小来定义，并非真正是水泥完全凝结或水化，因而其初凝和终凝的划分也只是定性的。水泥浆水化生成絮凝结构导致浆体逐渐变硬，而触变扰动则破坏了这种絮凝结构，因而导致测定的凝结时间推迟。这在一定程度上说明了触变能够改变水泥水化凝结生成结构。

　　4砂浆的触变性能较大的固体颗粒分散在水中是一种不稳定系统，会发生一系列状态变化。砂浆和混凝土的早期流变性和凝结，一定程度上是这种状态变化的反映。并表现在砂浆的粘稠度、流动度，而且影响到后期强度的变化⑴。

　　41砂浆的稠度与触变砂浆稠度的测定仿水泥浆试验，分两类进行，即触变扰动叠加与不叠加试验。触变扰动叠加试验是使砂浆不断吸收外力作的功，对同一砂浆重复作用搅拌破坏，即其絮凝结构不断重复受破坏。破坏不叠加试验是使同一砂浆仅作一次触变扰动，测定完破坏前后稠度后即不再进行。通过这种方法分析外力作功连续冲击作用与单独冲击作用对触变性影响的区别，同时可以分析爆炸冲击试验中能量对触变程度的认识。

　　试验表明，触变前稠度曲线近似为弧线，触变后近似为直线。对稠度曲线回归后作出相同配比对应时刻稠度差随时间的变化曲线。求得稠度差随触变时间的变化规律见。根据水泥浆中定义的*佳触变时间方法确定砂浆的*佳触变时间。

　　2砂浆塑性强度与触变考虑到混凝土受爆炸冲击作用后发生触变得到一定的流动性，塑性强度降低，粘度值降低，当混凝土被压缩成型后，粘度迅速加以恢复到原来的水平即触变的定义，加上高温高压作用，水份迅速减少，混凝土迅速变硬，因而利用这一特点可实现仓壁支护。由于在同步爆扩成仓和混凝土支架试验中，要求混凝土受爆炸冲击触变后形成支护层时的表面要光滑、致密。

　　这要求支架材料受到触变后塑性强度不能过低，否则将会从仓体上掉下；当塑性强度过高时，又无法与土体形成很好的粘结，同样也会脱落；另外当触变后过于干硬，支架将会出现开裂，影响支架的效果〔4.为此必须控制在一定的塑性强度时进行爆炸成型支护。为获得名义*佳触变时间时的塑性强度，设计砂浆的塑性强度试验，求得塑性强度与触变时刻的关系。改变配合比，寻求不同配合比的不同触变时间和*佳触变时间的塑性强度。试验采用相同流动度但不同配比的砂浆进行，以加可比性。

　　通过试验可得出如下规律：不同配比的塑性强度触变前均近似为二次曲线，触变后变为直线型（见），可见触变扰动能降低塑性强度。而从塑性强度的来源分析可知，触变改变了砂浆的拌合物结构，导致其凝结和硬化发生变化，从而推迟塑性强度的产生。

　　对相同配比的砂浆，重复触变和一次触变相比较而重复触变的实质为加触变扰动程度，可知触变程度愈充分，对降低后期塑性强度影响较大。

　　对应*大触变时间时，触变前后的塑性强度差值相对触变后的塑性强度也迅速大。表明在一定时间后触变，砂浆的干硬性强迅速，不利于密实成型。

　　3砂浆凝结时间与触变根据塑性强度试验，分析可知触变影响凝结过程。

　　对于砂浆和混凝土，凝结是根据其贯入阻力来表现，并不真正代表其水泥水化程度和自身凝结的明确界限。

　　但能反映拌合物的硬化程度。这一硬化程度可反映其拌合物内部絮凝结构的好坏。触变影响凝结，必然导致内部絮凝结构的变化。

　　砂浆凝结时间测定方法采用G7O90标准进行，仪器为无锡建筑仪器机械厂生产的HG-80S型手动混凝土贯入阻力测定仪。试验结果表明触变后，砂浆的初凝时间得到延迟，对终凝时间，在一触变时间内，也得到延迟，但一定触变时间后，延迟时间基本达到平衡。终凝时间延迟渐趋平衡，表明触变对混凝土的凝结影响程度的减弱，必然存在一个触变时间与触变后砂浆凝结时间的变化，主要原因是凝结产生的絮凝结构受破坏后重新生成。这必然影响后期性能如强度的变化，这己被其他研究理论所证实。根据二次搅拌理论，一定时间内进行二次搅拌，可提高混凝土后期性能和耐久性。但这一时间通常混凝土浇捣后4h左右，即在水泥初凝之后不久。按二次搅拌理论，这一时间一旦超出，对后期性能很不利。而由前面的研究表明，混凝土的触变作用效果可延迟到很久仍能保证正常凝结。为了证实这一结论，进行砂浆强度与触变的关系试验。

　　结果表明：扰动破坏对早期强度有利，至少不会降低其有效强度。无论是抗折、抗压或劈拉强度，3天、7天和28天强度值在初次搅拌完后静置开始的几个小时后触变扰动时成型强度发展较好。而对后期强度影响不十分明显。这主要与人工成型时间和密实度有关。因为此处试验在触变后均为人工成型，不能充分利用触变后的流动性，但仍能保证强度在较长时间内不明显降低。可以预测通过高冲击作用发生的触变并压缩成型后的强度应该高于初始搅拌后成型的强度。

　　由触变后砂浆表面泌水现象说明触变作用破坏絮凝结构后重新凝结时，排出内部孔隙水，降低了实际W/C，减少内部由游离水生成的孔隙，降低空隙率，提高砂浆的强度。

　　混凝土的触变性能混凝土与砂浆的成分具有不同点和相同点。混凝土与砂浆主要区别是混凝土含有粗骨料，其基本性能与砂浆较相似，这己是大家公认的。因此虽然己对混与砂浆结论相一致，不再重复。此次仅列就坍落度作一介绍。

　　混凝土的工作性包括三个方面：流动性、粘聚性和保水性。表征工作性的一个常用且简单的指标为坍落度。混凝土坍落度的实质是混凝土的组份在自重下抗内部阻力的流动性。通过测定坍落度随触变时间的变化来寻找混凝土的触变规律是较直接和方便的办法。

　　通过对不同配比但相同坍落度的三种混凝土进行试验，表明触变扰动可在一定程度上提高混凝土坍落度，或者说触变能提高混凝土工作性或流动性。从三种坍落度基本相同的配比试验可知，触变扰动在一定时间内，可保证坍落度基本不变。且重复触变有利于提高坍落度，但在试验过程中发现，重复触变后静置时混凝土表面出现泌水现象较一次触变泌水严重。在坍落度测试时，重复触变的混凝土下部渗水较多，表明其保水性较差，而试验表明其粘聚性良好。这说明触变能提高混凝土工作性的流动性和粘聚性，表明触变后排出的水为混凝土的空隙水，一方面提高了混凝土流动性，另一方面相应加了粘聚性。

　　6爆炸冲击作用触变试验爆炸冲击触变试验是利用前述试验结论对特定配比的砂浆和混凝土，并按前述试验所得*佳触变时间和触变期限进行受爆炸冲击作用下的试验，以便得出受爆炸冲击作用下混凝土和砂浆早期性能、后期性能和微观性能的结果，再进行触变机理的分析。

　　6.1砂浆和混凝土受爆炸冲击作用下的触变试验爆炸冲击触变试验是将砂浆和混凝土装在一直径为41cm的厚壁钢管内进行，通过不同部位的压力传感器测得对应的冲击力，并取对应部位的混凝土进行性能测试，包括早期和后期性能，以及微观结构的测试。

　　6.1.1砂浆和混凝土的早期和后期性能对应不同爆炸冲击力下的砂校涫鼙ǔ寤鞔变程度不同，从而由对应位置砂浆的性质可得不同冲击力作用下砂浆的触变性，试验结果见表2表2爆炸冲击触变试验结果爆炸冲击力（MPa）普通砂浆和混凝土砂浆塑性强度（KPa）立方体抗压强度（MPa）混凝土塑性强度（KPa）立方体抗压强度（MPa）观察发现，药源附近部位的砂浆表现出明显的干硬性，偏离药源部位则表现出较好的流动性，且有较多水分析出。由所得塑性强度和立方体抗压强度与普通砂浆和混凝土相比较，加上观察结果表明，混凝土受爆炸冲击作用发生触变是完全存在的，且触变后的塑性强度比同期普通砂浆和混凝土低（如1.71MPa处较普通砂浆和混凝土分别下降45%和23%）但由于受高温高压作用，导致在药源附近的砂浆和混凝土稠度迅速提高而变硬，致使该部分的塑性强度较其他部位和普通砂浆和混凝土偏高。立方体抗压强度表明，爆炸冲击触变后的砂浆和混凝土其抗压强度明显高于普通砂浆和混凝土。

　　61.2微观结构测试取新鲜断口试件尺寸为13mmX 4mm，用502粘结上样品台，加入EE-4X高真空喷镀仪，加喷Au膜后利用EM-200CX附件，EM-ASID3D高分辨扫描台，用80kV加速电压进行测试。根据资料表明C-S-HI型凝胶为针维状或毛刺状，C-S-H型凝胶为空间网状，C-S-H趣为蠕虫丝状，固结状为W型〔7.按这一描述进行比较。

　　观察发现：初拌后即成型时的水泥水化物多为不规则的片状结构，而在爆炸时刻前进行的人工搅拌触变成型的则为规则的方型板状晶体居多，表明为Ca（OH）的晶体析出，而C-S-H为整体凝结。受爆炸冲击触变后人工成型的现象与距爆炸源*近的部位即管首部基本相同，即针状I型的C-S-H的数量较小。偏离药源部位微裂缝较宽，裂隙两侧布满I型针状C-S-H，在离药源部位较远处，裂隙几乎完全由I型C-S-H型布满。

　　爆炸冲击作用对水化物形态有较大影响。由爆炸前人工触变成型和爆炸后远离药源部位比较可见前者的六方板状Ca（OH）比例较大，而爆炸冲击后的C-S-H的I和W型比例较大。

　　爆炸冲击压力大小也对水化物形态有关。冲击力越大，加上受高温高压作用多为趣和W型，冲击力越小且温高偏低多为I型。爆炸冲击压力作用使内部微裂缝减小。且加上由I和W型C-S-H填满，其抗压强度自然提高。

　　2同步爆扩成仓和混凝土仓壁支架模型试验按照同步爆扩成仓和混凝土仓壁支架试验原理进行相似模型试验〔5，由*佳触变时间控制试验，可获得理想支架。同时由试验可以看出对较稠的混凝土在*大触变时刻以内爆炸支架性能均较理想；对于W/C大的混凝土起爆时间过早则会出现流淌，严重的会导致脱落。在*大触变时刻以后实现触变破坏愈晚，支架效果愈差，支架表面出现许多裂缝。因而所定义的*佳触变时间是正确的。爆压成型的混凝土支架的强度，包括抗压强度和抗折强度约大于人工成型试件对应强度的9%~20%不等；观察爆压成型混凝土支架和普通方法成型混凝土一个月后的微观结构，观察结果与前述结论相一致。详细过程见