[發明專利]一種水泥基材料剪切稠化特性分析方法

在審

• 申請號: 202010797174.0
• 申請日: 2020-08-10
• 公開（公告）號: CN111982751A
• 公開（公告）日: 2020-11-24
• 發明（設計）人: 韓建國;王軍;閻培渝;高育欣;楊文;畢耀;李承洋;涂玉林
• 申請（專利權）人: 清華大學;中建西部建設股份有限公司;中建西部建設建材科學研究院有限公司
• 主分類號: G01N11/14
• 分類號: G01N11/14
• 代理公司: 北京眾合誠成知識產權代理有限公司 11246
• 代理人: 李全旺

本發明一種水泥基材料剪切稠化特性分析方法，面對具有剪切稠化特性的水泥基材料，通過使用R?S模型、建立轉速?扭矩關系式、使用非線性擬合法進行初步求解、基于初步求解結果再次優化轉速?扭矩數據對的選擇、并再次使用非線性擬合來實現R?S流變模型中流變參數a、c和n的最終求解的方法，實現了使用同軸雙圓柱流變儀，對水泥基材料剪切稠化特征的正確表達；可指導新型的、用于水泥基材料剪切稠化特征測試的同軸雙圓柱流變儀的開發，可用于指導水泥基材料如凈漿、砂漿和混凝土的配合比設計和性能優化，還可用于施工方法指導；本發明在水泥基材料的流變性能分析方面具有方法上的原創性，同時，在設備研發、材料制備和工程應用上具有實踐指導價值。

技術領域

本發明屬于土木工程技術領域，尤其涉及一種水泥基材料剪切稠化特性分析方法。

背景技術

低水膠比(水和膠凝材料的質量比)水泥基材料，如水膠比小于0.25的凈漿、強度等級大于C60的混凝土(其水膠比常小于0.35)，在剪切力作用下進行流動時，一方面會表現出屈服應力現象，一方面會表現出剪切稠化現象，如圖1所示。可見，剪切稠化流體的剪切應力-剪切應變速率關系，超越了賓漢姆流體顯示的線性關系，隨著剪切應變速率的提升，剪切稠化流體所需的剪切應力越來越高。

從物理含義表述的角度，H-B模型可清晰地表達具有剪切稠化性能的水泥基材料的流變性能，如式1所示，其中，τ₀為具有剪切稠化性能的水泥基材料開始流動時需要克服的初始應力(屈服應力)，k為稠度系數，d為流動指數且大于1。H-B模型中，相同的屈服應力和稠化指數時，剪切稠化的程度隨d值的增大而增大，如圖2所示。

其中，τ為剪切應力，Pa；τ₀為屈服應力，Pa；k為稠度系數，Pa·s^d；為剪切應變速率，s^(-d)；d為流動指數；

水泥基材料流變性能的測試，常使用同軸雙圓柱流變儀，如圖3所示。待測試的水泥基材料填充于流變儀的內筒和外筒之間的間隙中；同軸雙圓柱流變儀測試過程中，可直接獲取的測試數據為內筒的轉速和扭矩，為求解具有剪切稠化特性的水泥基材料的流變模型中的流變參數，如H-B模型中的τ₀、k和d三個參數，需要建立明確的轉速-扭矩表達式。

然而，迄今尚未建立同軸雙圓柱流變儀中，可用于求解H-B模型中三個流變參數(τ₀、k和d)的普適的轉速-扭矩關系，使得具有剪切稠化特性的水泥基材料的流變性能不能被完善地表達。眾多的研究報告或文章中，忽略水泥基材料的剪切稠化現象，將其作為具有賓漢姆流體特性的材料來對待，導致具有剪切稠化特性的水泥基材料的流變性能不能被正確表征。

綜上，提出一種可正確分析水泥基材料剪切稠化特性的方法，同時實現具有剪切稠化特性的水泥基材料的流變參數的求解，已經成為亟需解決的問題。

發明內容

為了克服現有技術存在的一系列缺陷，本發明的目的在于針對上述問題，提供一種水泥基材料剪切稠化特性分析方法，其特征在于，包括以下步驟：

步驟1：使用R-S流變模型來表征具有剪切稠化特征的水泥基材料的流變性能，如下式所示：

其中，a為稠度系數，Pa·s^n；c為剪切應變速率校正因子，1/s；n為流動指數，n值用于表征水泥基材料剪切稠化趨勢，且n總是大于1。

步驟2：建立同軸雙圓柱流變儀的轉速-扭矩關系，如下式所示：

其中，Ω為流變儀內筒的轉速，rad/s；T為內筒的扭矩，Nm；a、c和n為待求解的R-S流變模型的參數；h為內筒的高度，m；R₁為內筒的半徑，m；