[摘 要] 智能化混凝土測(cè)試儀是利用混凝土的流變特性來(lái)測(cè)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(guò)液晶顯示器顯示坍落度值、溫度，預(yù)測(cè)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(cè)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(cè)量原理
在混凝土生產(chǎn)及施工過(guò)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(shí)測(cè)定到達(dá)澆灌部位的拌合物的和易性，實(shí)現(xiàn)對(duì)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(shí)彼此保持一定距離而具有較好的流動(dòng)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(gè)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(dòng)和變形的科學(xué)，可反映材料應(yīng)力─應(yīng)變關(guān)系隨時(shí)間發(fā)展演變的規(guī)律。對(duì)于混凝土來(lái)說(shuō)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(dòng)性范圍內(nèi)呈現(xiàn)粘塑性體特性，在中等流動(dòng)性時(shí)又呈現(xiàn)塑性體特征，在大流動(dòng)性范圍，則變?yōu)橘e漢姆體。
半個(gè)世紀(jì)前E·C·Bingham 在研究瓷土、硅藻土等材料時(shí)，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(shuō)明賓漢姆體τ<θt 時(shí)，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(dòng)；τ>θt 時(shí)，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(dòng)；外力一旦降低到屈服值以下時(shí)又迅速形成新固態(tài)?；炷涟韬衔镌跀嚢琛⑤斔?、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(gè)主要流變參數(shù)。凡影響兩個(gè)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(duì)于它的確切含義各國(guó)學(xué)者眾說(shuō)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(dòng)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(guó)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(dòng)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(dòng)性要求拌合物有小的內(nèi)摩阻力和粘聚力便于流動(dòng)，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(gè)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(guò)及時(shí)調(diào)整混凝土配合比中水灰比、骨灰比、骨料級(jí)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(cè)量方法
半世紀(jì)以來(lái)世界很多學(xué)者都研究和提出過(guò)多種測(cè)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(lái)檢測(cè)和評(píng)價(jià)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(cè)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(wú)嚴(yán)格理論根據(jù)，但目前又是廣泛被采用和納入各國(guó)標(biāo)準(zhǔn)的方法，如：
(1) 對(duì)經(jīng)增實(shí)拌合物體在外力或自重作用下變形的測(cè)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(duì)經(jīng)增實(shí)拌合物體引入一定量功所產(chǎn)生變形的測(cè)定：主要有跳桌擴(kuò)展法( Graf 設(shè)計(jì)) ，滑動(dòng)距離法(Burmister 設(shè)計(jì)) ，墜落擴(kuò)展度法(吉田) 。
(3) 對(duì)經(jīng)增實(shí)拌合物體，重塑至某一形狀所需功的測(cè)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(cè)定試驗(yàn)。
(4) 流動(dòng)桌法：測(cè)定拌合物在重力作用下流經(jīng)一定截面所需的時(shí)間：如NECOB 設(shè)計(jì)的浮球式振動(dòng)粘滯儀，Graf 設(shè)計(jì)的灰漿粘滯儀。
(5) 搗實(shí)系數(shù)法：測(cè)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(guó)家的標(biāo)準(zhǔn)中只規(guī)定一種，也有的同時(shí)規(guī)定兩種。根據(jù)RILEM14 ———CPC1972 年資料介紹，這個(gè)國(guó)際組織已向國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織建議同時(shí)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(cè)定法一直使用至今，是國(guó)內(nèi)外廣泛用于測(cè)定混凝土拌合物和易性的主要方法。已被編入國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的有英國(guó)標(biāo)準(zhǔn)BS1881 ─1970 ；美國(guó)ASTM 試驗(yàn)手冊(cè)C143 ─74 標(biāo)準(zhǔn)；荷蘭標(biāo)準(zhǔn)NEN3801 ；德國(guó)標(biāo)準(zhǔn)DIN1048 ；日本J ISA1101標(biāo)準(zhǔn)；國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織ISO4109 ─1980 也接納它作為一項(xiàng)測(cè)定可塑性和流動(dòng)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(cè)定法
這是至今在理論上最有希望的測(cè)定法。由塔特索爾研究的MKⅠ測(cè)量裝置和MKⅡ測(cè)量裝置為其代表。但這些裝置在理論上還存在爭(zhēng)議，目前比較一致的看法認(rèn)為在坍落度小于12cm 時(shí)，新制混凝土表現(xiàn)為粘塑性體，在12cm～15cm 時(shí)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(guó)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(guó)標(biāo)準(zhǔn)后，坍落度法很可能還要保留一段很長(zhǎng)的時(shí)間。
1.3 國(guó)內(nèi)外新拌混凝土性能測(cè)量的現(xiàn)狀與問(wèn)題
在我國(guó)對(duì)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(lái)檢測(cè)混凝土的流動(dòng)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(shí)將混凝土從筒上端分三次加料澆搗，每澆一層同時(shí)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(cè)其坍落高度。該法對(duì)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(shí)的速度與用力的均勻程度不同，同一試驗(yàn)會(huì)得出不同的結(jié)果，在出現(xiàn)剪切型錐體結(jié)果時(shí)，其試料最佳測(cè)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(duì)者在1925 年也對(duì)此提出過(guò)異議。此外，試驗(yàn)器具為多個(gè)部件組成，一般測(cè)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(dòng)強(qiáng)度和人為誤差大，而且檢測(cè)極不方便，對(duì)大坍落度(商品化混凝土) 基本無(wú)法使用。
1975 年美國(guó)ACI ( 混凝土學(xué)會(huì)) 會(huì)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(jiǎn)易坍落度測(cè)定器，定名為“K- 坍落度測(cè)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(cè)定和易性數(shù)據(jù)，經(jīng)在美國(guó)和加拿大的幾個(gè)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(jiǎn)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(guó)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(cè)定器進(jìn)行了施工應(yīng)用觀測(cè)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(cè)中也列入為澆灌混凝土坍落度測(cè)定應(yīng)用的試驗(yàn)器具之一。1979 年該儀器開始在我國(guó)生產(chǎn)應(yīng)用，到1981 年約有23 個(gè)省市的112 個(gè)單位應(yīng)用過(guò)該儀器，1982 年國(guó)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(jiǎn)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(cè)定混凝土坍落度范圍僅用于塑性混凝土拌合物，而對(duì)于低流動(dòng)性和大流動(dòng)性混凝土的和易性測(cè)定結(jié)果則與圓錐形筒法有明顯差異，實(shí)際測(cè)量證實(shí)，在坍落度超過(guò)8cm 時(shí)，用該儀器測(cè)得的值與用圓錐形筒所測(cè)之值已有明顯差異，而且這個(gè)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(lái)擬合整個(gè)測(cè)量范圍的實(shí)測(cè)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(dòng)性增大，變化加劇，但是該儀器的測(cè)桿卻又無(wú)法分辨細(xì)微的變化，也是造成在高端測(cè)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(dòng)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(cè)定器的測(cè)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(shí)、省力，但功能過(guò)于單一，仍依靠手工操作完成測(cè)定，并憑測(cè)定者手感判斷終點(diǎn)，從而帶來(lái)人為誤差。如儀器測(cè)桿因自重而壓進(jìn)砂漿時(shí)造成的過(guò)失誤差難以校正。
(3) 測(cè)定值的讀取、計(jì)時(shí)也是靠人工目測(cè)估計(jì)取值，加上測(cè)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(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)處理計(jì)算的手段，因而在現(xiàn)場(chǎng)使用時(shí)還要進(jìn)行記錄和手算。
