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  混凝土在搅拌车运输后怎样具有好的匀质性


  如何使混凝土在搅拌车运输后仍具有好的匀质性,简单的方法是通过了解混凝土在搅拌筒中的流动形态,选择较优结构的搅拌筒和对应较为合理的操作参数使混凝土在运输过程得到更好的搅拌,使其具有较优的出料匀质性、出料效率、避免离析产生。近几十年来,学者们主要致力于新拌混凝土流变性能的研究。


  新拌混凝土的流变学研究,主要以欧美日本为主。如:英国爱丁堡瓦特大学的Banfill等,美国国家标准技术研究院(NIST)Ferraris和Francois等带领的研究团队,日本的NOOR和UOMOTO等,Chu等,和Li等,法国路中心(LCPC)的NicolasRoussel等,还有美国混凝土协会(ACI),另外还有丹麦、冰岛、德国、荷兰等国的相关学者,如:Feys等,Gram等和Hu等等在新拌混凝土流变学领域起到了带头作用,引领着该学科的发展。在国内,黄大能等先将流变学应用于新拌混凝土的研究,随后清华大学、长安大学、同济大学等对新拌混凝土流变学展开了大量的研究。


  研究新拌混凝土流变性的方法可以分为实验研究和数值模拟研究两方面。


  实验研究内容主要包括:组分含量和性能对流动性能影响、工作性能测试以及流变模型研究等。


  组分对流变性能影响主要体现为水灰比、骨料级配和特征性能等和外加剂对工作性以及流变参数值的作对新拌混凝土工作性能的测试主要表现为:通过坍落度试验、L型盒子试验或V型漏斗试验等的实验结果来衡量其工作性能,也可通过经验公式将工作性测试结果转变得到其流变参数值,或直接可以通过同轴旋转流变仪或平板流变仪等直接测量得到它屈服应力和塑性粘度的参数值。
混凝土在搅拌车运输后怎样具有好的匀质性

  对新拌混凝土流变模型的研究表明:普通的新拌混凝土表现为宾汉姆流体行为,一般采用宾汉姆模型来描述,但对于自密实或高流态混凝土的流变模型与Herschel-Bulkley模型更为接近。


  近年来,随着计算机技术的迅速发展,采用数值模拟技术来研究新拌混凝土流动行为以及其施工过程等取得了显著的进展。由于新拌混凝土是典型的多相流物质,一般将其简化为由砂浆和粗骨料组成,或由水泥浆和骨料组成,忽略空气的作用。其中,砂浆和水泥浆为典型的非牛顿流体,骨料为固体物质,可将其简化为流固两相流进行数值模拟。


  然而,数值模拟中对相的处理方法有两种:基于连续相的欧拉法和离散相的拉格朗日法。所以模拟中新拌混凝土的数值模拟处理方法主要有以下三种:一种是将混凝土看成连续体,采用单相流体法和两相流体来描述,简称CFD,耦合方式为欧拉或欧拉+欧拉;一种是将其看成离散颗粒群体,采用离散单元法(DiscreteElementMethod,DEM),包括单相或两相颗粒,简称DEM,耦合方式为拉格朗日或拉格朗日+拉格朗日;一种是将其看成悬浮液,采用流固耦合法,其中砂浆或水泥浆为流体,骨料为颗粒,简称CFD+DEM,耦合方式为欧拉+拉格朗日。它们在模拟新拌混凝土在施工过程中的流动行为都有一定的优缺点,尺度是选择模型需考虑的因素,研究者们应根据问题的尺度和所需研究现象来选择相应的处理方法。
混凝土在搅拌车运输后怎样具有好的匀质性

  全尺度浇注适合采用CFD流体方法模拟;颗粒离散元法适合研究稍微小尺度的特别情况,如新拌混凝土的离析和堵管等问题;悬浮颗粒流可以根据颗粒形状和粒径模拟实际大尺度混凝土的流动。离散元法也被认为是适合从新拌混凝土微观尺度来研究其宏观流变行为数值方法。1989年,Nabeta首次将离散元法应用到新拌混凝土的研究中。随后,大量学者已将离散元法应用于新拌混凝土的流变学研究中。DEM模型通过设计微观尺度颗粒与颗粒之间的接触本构法则来描述新拌混凝土宏观尺度的流动行为,例如,采用球形粗骨料和其外围包裹的粘合层砂浆组成来表示新拌混凝土,新拌混凝土也可由描述粗骨料的球形硬颗粒和环绕其外同心球形层的砂浆组成的复合颗粒组成,或将新拌混凝土视为一定量的粘弹性物质(砂浆)填充在粗骨料颗粒间。


  这些模型已经被使用去定性地再现新拌混凝土在坍落度试验、L-盒子试验和V型盒子流动试验等中的流动行为,然而,这些接触模型将粗骨料采用颗粒来描述,砂浆的作用通过粗骨料颗粒之间的接触模型来实现,这种处理方法难以模拟新拌混凝土搅拌过程中的匀质性。将粗骨料和砂浆都用颗粒来描述的两相DEM模型能模拟新拌混凝土的流动和搅拌行为以及搅拌匀质性,通过定义粗骨料与粗骨料、粗骨料与砂浆和砂浆与砂浆之间不同的本构关系能再现新拌混凝土宏观尺度的流动行为。

混凝土在搅拌车运输后怎样具有好的匀质性
  此外,也有一些研究者采用离散元法或DEM-CFD耦合方法研究了新拌混凝土在泵送过程中管壁磨损的分布。


  国内对搅拌运输车搅拌装置的建模、结构设计进行了大量的理论研究,对搅拌筒中混凝土的流动状态展开了初步数值模拟与实验研究,取得了一些成果,但它们都基于将新拌混凝土看作为单相流体,难以模拟得到搅拌车中拌合匀质性的变化以及出料匀质性。上面也已介绍,离散元方法比较适合模拟颗粒搅拌过程中拌合物匀质性和离析等现象,但由于混凝土为多相多尺度复杂物质,且搅拌筒尺度大、搅拌过程复杂等原因使混凝土在搅拌车中的运输过程有得到进一步研究。


  本文采用离散元法将混凝土考虑成由砂浆与骨料颗粒组成来研究了混凝土在搅拌车中的匀质性、搅拌机理和出料匀质性。
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