施工现场混凝土流变性动态检测方法专利背景

对流态混凝土的流变性测试和评价一直是混凝土质量控制的重要环节之一。流态混凝土属于非牛顿流体，其中两个最基本的流变学参数：浆体的剪应力屈服值τ₀和浆体的塑性粘度η_p是反映混凝土浆体流变性的主要指标。2009年5月前施工现场使用最多也是最方便的测试混凝土流变性的方法是塌落度测试。用塌落度来评价混凝土的流变性存在着诸多缺陷：它只适合稠度范围在3.8～17.8厘米的中等可塑到高等可塑的稠度范围，这种方法对不正规操作相当敏感，需要一定的操作技巧；对贫拌和物而言，塌落度方法不能测出稠度不同的两种拌和物的差异；即便塌落度相同的混凝土，稳定性如离析、泌水可能差异很大；对大流变性混凝土也不适用。此外也有在施工现场测试大流变性混凝土流速变化如：用L型流动仪、Orimet流速仪等，但要配合塌落度测试仪或维勃稠度仪等才能判断混凝土的流动性和工作性能，这些方法测点少、随意性强、手工操作误差大和对浇注混凝土流变性无法完整客观评价。

截至2009年5月，工程实践中也有其他一些新型测试混凝土流变性的方法，这些方法都是基于两点法原理测试流态混凝土的剪应力屈服值τ₀和浆体的塑性粘度η_p。但这些测试仪器和方法只能在现场由人工控制随机测试少量测点，获取少量离散数据，籍以评价混凝土的流变性能，对整体混凝土流变性的变化无法准确评判。

施工现场能实时获取所有浇注前混凝土流变性参数是对整体混凝土流变性评判的重要依据，也对混凝土的施工质量控制提供了可靠的技术指标。显然依靠上述诸多种测试方法无法满足获取对整体混凝土流变性评判的完整参数，因此不能对浇注的混凝土流变性有客观准确的评价。

施工现场混凝土流变性动态检测方法专利目的

为了克服2009年5月前所采用的混凝土流变性测试手段对整体混凝土流变性的变化无法准确评判的缺点，《施工现场混凝土流变性动态检测方法》公开了一种施工现场混凝土流变性动态检测方法，可以对混凝土整体流变性做出正确评价。

施工现场混凝土流变性动态检测方法技术方案

《施工现场混凝土流变性动态检测方法》步骤为：

首先，安装调试测试仪，使测试仪的料盒运动到采样位置时，正位于混凝土车或泵的卸料口下方；

然后，开始采样，从混凝土卸料口处自动采集混凝土拌合物试样，测试采集混凝土拌合物试样的温度T_j，然后对采集的T_j取算术平均，得到这组的温度

最后，将单片机中储存的数据传输到上位机中进行数据分析，根据所得旋转扭矩M_ji，由公式

把十字搅拌轴的剪切面看作一个圆筒面来计算，如图8，因此，受剪切的面按照侧面和两个底面计算，则所受旋转扭矩M_ji为：

由此可以得到

式中：D-十字型搅拌轴的直径：h-旋转叶片长度：M_ji-第i档转速n_i下的旋转扭矩，π-3.14；

搅拌轴的剪切速率γ_i的推导过程如下：假定十字型搅拌轴的剪切面为一圆筒，而料浆盒内部混凝土在搅拌过程中形成一圆筒如图9：则A处产生的粘滞阻力的剪切速率是

式中ω：A处的旋转角速度变量，v：A处线速度，r：A处半径，取

将（1）式、（2）式带入（3）式，整理后得到：

当r＝R₁时，ω＝0；当r＝R₂时，ω＝Ω。代入（4）式进行积分：

将（1）式代入（6）式，移项整理得：

由于（7）式中

由剪切速率

因为

把（9）式代入（8）后得到

（10）式表示：剪切速率可以由已知量n_i、R₁、h、R₂求出。

式中：D-十字型搅拌轴的直径，n_i-第i档转速；R₁-料浆盒高度；h-旋转叶片长度；R₂-旋转叶片半径；ω-角速度，0≤ω≤Ω。

将j组试样第i档转速n_i下测得的τ_ji数据对应分别取平均，得到第i档剪切速率γ_i和平均剪切应力

从搅拌机出料口处自动采集混凝土拌合物试样，测试记录采集的混凝土拌合物试样的温度，以及每个试样不同i档转速下的旋转扭距M_ji的具体步骤为：测试开始后，料盒运动至搅拌机出料口下方接取待测混凝土拌合物试样，接取完毕，料盒后退离开搅拌机出料口下方，温度传感器测试温度T_j，同时料盒内的十字型搅拌轴开始以不同转速由低到高，再由高到低的变速搅拌，共分i＝11档，速度范围为60转/分钟～200转/分钟，由60转/分钟～90转/分钟-120转/分钟～150转/分钟-180转/分钟～200转/分钟～180转/分钟-150转/分钟～120转/分钟-90转/分钟～60转/分钟转动，扭矩传感器同时测出不同转动速度下的旋转扭矩M_ji，测试完毕料盒闸门开，浆料流出，再次采样。

在该发明中采用了一个单片机控制系统，以实现自动循环测试，是以单片机MSP430为MPU，主要分为三个部分。

第一，测量部分。主要测量的量有两个，一是温度T_j，目的是监控混凝土的实时温度，实际操作时将j组的温度T_j取算术平均得到T_j来表征一段时间内的混凝土的温度，再一个是旋转扭矩M_ji，目的是测量混凝土的流变特性。这些测得的数据均存储在单片机上。

第二，控制电机部分。这部分主要是由单片机控制测试仪的料盒的进退采样、采好样后十字型搅拌轴的变速搅拌以及卸料。其中变速搅拌的速度可以分档，比如60～200～60转/分钟间分为11档。

第三，通讯部分。这部分又分为人机交互和计算机通讯两部分。其中人机交互包括输入装置键盘和输出装置LCD液晶显示器，可以控制整个测试仪的开关，并且将测得的温度T_j和旋转扭矩M_ji实时的显示。计算机通讯是将存储的数据通过MAX232传输给上位机，由上位机对数据进行处理分析。

施工现场混凝土流变性动态检测方法有益效果

1.《施工现场混凝土流变性动态检测方法》为满足工程实际应用要求，运用混凝土流变学、单片机控制、机械设计与控制以及数据库管理软件等，开发出的现场施工混凝土流变性在线检测方法，能及时、方便、准确、连续地获取施工现场混凝土流变性参数，并对混凝土的流变性形成客观完整的评价。

2.由于采用平卧十字型搅拌轴变速转动，更符合测试含碎石、砂等粗细颗粒的多相流体，连续测试混凝土，可以获取大量离散的样本数据，该方法应用于工程实践，可避免人为检测误差和其他测试方法表征性差的缺陷，真正实现精确化、自动化、信息化。

3.基于统计学原理，对测试参数结果数据建立数据库，依据分析模型评价混凝土流变性能。

图1-W/B＝0.40流态混凝土

图2-W/B＝0.45流态混凝土

图3-W/B＝0.40混凝土触变滞回曲线。

图4-W/B＝0.45混凝土触变滞回曲线。

图5-测试仪俯视示意图。

图6-测试仪主要工作部分主视图。

图7-测试仪主要工作部分右视图。

图8-十字型搅拌轴剪切面示意图。

图9-自动搅拌测试时浆体运动状态示意图。

1、《施工现场混凝土流变性动态检测方法》特征在于，步骤为：

首先，安装调试测试仪，使测试仪的料盒运动到采样位置时，位于混凝土车或泵的卸料口下方；

然后，开始采样，从混凝土卸料口处自动采集拌合物测试样，测试采集混凝土拌合物试样的温度T_j，然后对采集的T_j取算术平均，得到这组的温度T_j，其中j＝1，2，……k，j表示同一批次混凝土所需测试的试样编号，k为同一批次混凝土所需测试的试样总数，k根据具体需要取值；连续测试j个试样下的每个试样不同转速n_i下的旋转扭距M_ji，其中j＝1，2，……k，j、k意义同上，i＝1，2，……11，i为同一试样由60转/分钟～200转/分钟～60转/分钟之间转速变换次数；以这种方法连续采集得到同一批次混凝土拌合物试样的

最后，将单片机中储存的数据传输到上位机中进行数据分析，根据所得旋转扭矩M_ji，由公式

2.如权利要求1所述的施工现场混凝土流变性动态检测方法，其特征在于，所述的不同转速n_i是指从60转/分钟～90转/分钟-120转/分钟～150转/分钟-180转/分钟～200转/分钟～180转/分钟-150转/分钟～120转/分钟-90转/分钟～60转/分钟转动。

3.如权利要求1所述的施工现场混凝土流变性动态检测方法，其特征在于，从搅拌机出料口处自动采集混凝土拌合物试样，测试采集的混凝土拌合物试样的温度，以及不同转速n_i下的旋转扭距M_ji的具体步骤为：测试开始后，料盒运动至搅拌机出料口下方接取待测混凝土拌合物试样，接取完毕，料盒后退离开搅拌机出料口下方，温度传感器测试温度，同时料盒内的十字型搅拌轴开始以不同转速由低到高，再由高到低的变速搅拌，速度范围为60转/分钟～200转/分钟，扭矩传感器同时测出旋转扭矩M_ji，测试完毕料盒闸门开，浆料流出，再次采样。

施工现场混凝土流变性动态检测方法操作内容

《施工现场混凝土流变性动态检测方法》步骤为：

首先，安装调试测试仪，使测试仪的料盒运动到采样位置时，正位于搅拌机出料口下方；

然后，开始采样，从搅拌机出料口处自动采集混凝土拌合物试样，测试采集的混凝土拌合物试样的温度T_j，以及i档不同转速n_j下的旋转扭距M_ji，j为一共需测试的混凝土拌合物试样数，i＝1，2，……11，i为同一个试样由60转/分钟～200转/分钟～60转/分钟之间转速变换次数，以这种方法连续采集j个试样，温度

最后，将单片机中储存的数据传输到上位机中进行数据分析，根据所得旋转扭矩M_ji，由公式

从搅拌机出料口处自动采集混凝土拌合物试样，测试采集的混凝土拌合物试样的温度T_j，以及同一温度T_j下的，不同转速n_i下的旋转扭距M_ji的具体步骤为：测试开始后，料盒运动至搅拌机出料口下方接取待测混凝土拌合物试样，接取完毕，料盒后退离开搅拌机出料口下方，温度传感器测试温度T_j，同时料盒内的十字型搅拌轴开始以不同转速由低到高，再由高到低的变速搅拌，速度范围为60转/分钟～200转/分钟，比如由60转/分钟～90转/分钟-120转/分钟～150转/分钟-180转/分钟～200转/分钟～180转/分钟-150转/分钟～120转/分钟-90转/分钟～60转/分钟转动，扭矩传感器同时测出旋转扭矩M_ji，测试完毕料盒闸门开，浆料流出，再次采样。

该发明中所使用的测试仪如图5～7所示，主要由扭矩传感器1、步进电机2、轨道电机3、传动齿轮4、齿条5、十字型搅拌轴6、料盒启闭电机7、滑轮8、行程开关（含接触杆）9、联轴器10、继电器11、料盒刮板12、MSP430单片机控制器13、断电保护开关14、24V电源15、稳压器16、调节器17、温度传感器18、导轨19、导轮20、旋转叶片21、旋转轴22、固定螺丝23、料盒24和滤网25组成。测试仪的支架顶部设有一对相互平行的导轨19，导轨19上设有导轮20、料盒24和料盒刮板12，在导轨19上还设有前后行程开关9，以控制料盒运动的极限位置。在导轨上方平行于导轨设有齿条5，齿条5通过传动齿轮4和轨道电机3连接。料盒24上设有滤网25，料盒24内设有平卧十字型搅拌轴6，平卧十字型搅拌轴6通过联轴器10与步进电机2连接，在联轴器上设有扭矩传感器1，在料盒24上还设有温度传感器18，料盒24通过滑轮8和料盒启闭电机7连接用来控制料盒24底部的闸门开关卸料。平卧十字型搅拌轴6由旋转轴22、旋转叶片21组成，旋转叶片21通过固定螺丝23固定在旋转轴22上。料盒24通过传动齿轮4、齿条5在轨道电机3的带动下可以沿导轨19滑动。为了保证整个装置的正常运行，在测试仪支架上还设有继电器11、MSP430单片机控制器13、断电保护开关14、电源15、稳压器16、调节器17。

测试工作开始，启动开始按钮，指示灯亮，料盒24通过传动齿轮4、齿条5在轨道电机3的带动下前进，至导轨19顶端时即出料口处，接触到行程开关9，停止前进开始接料，流态混凝土通过滤网25滤去超大粒径骨料进入料盒24，料盒24停止20秒后后退，滤网25上多余混凝土通过料盒刮板12刮去，至接触到行程开关9后停止后退，通过料盒24内安置的温度传感器18测出混凝土温度指标，同时，十字型搅拌轴6在步进电机2带动下由60转/分钟～90转/分钟-120转/分钟～150转/分钟-180转/分钟～200转/分钟～180转/分钟-150转/分钟～120转/分钟-90转/分钟～60转/分钟转动，转动所需转动扭矩由扭矩传感器1测出，以电压表示，显示并储存在MSP430单片机控制器13上，测试完毕，料盒启闭电机7开，料盒底部的闸门开，浆料流出，卸料过程持续约10秒，料盒启闭电机7关，延时7秒后料盒底部闸门关，延时5秒后一次循环结束进而进入下一次循环。

施工现场混凝土流变性动态检测方法实施案例

实施例1

应用实例：测试j＝1，2……5共5个试样的两种不同配合比下的流变参数和触变滞回曲线间的面积各一组，配合比如下表：

1.测试获取的扭矩值和对应的转速如下表：

表3：W/C＝0.45流态混凝土对应转速的扭矩

根据转速n_i，由公式（9）可计算出剪切速率γ_i，根据所得旋转扭矩由公式（1）可自动计算出对应的剪切应力τ_ji；

由表2和表3的数据根据公式（1）和（9）计算得到的五组τ_ji数据求平均，得剪切速率γ_i和平均剪切应力

表4：计算获得W/C＝0.40剪切速率γ_i和剪切应力

表5：计算获得W/C＝0.45剪切速率γ_i和剪切应力

根据表4和表5各11组的前5组平均

由图1、2和表4、5可得：流变曲线的拟合函数分别为：τ_0.4＝25.65γ_0.4 201.6，τ_0.45＝20.386γ_0.45 194.02；其中R²分别为0.9661和0.9536；

根据流变学公式可知流变参数如下表

由上表看出，水灰比W/C增大，混凝土拌合物粘度系数η_p明显减小，而初始屈服应力τ₀变化较小。

2.根据表4和表5各11组的平均γ_i-τ_ji结果得到混凝土的触变滞回曲线如图3、图4；

可见，触变滞回曲线由下曲线f₁（γ_i）和上曲线f₂（γ_i）组成，且两条曲线不重合，这说明试样存在着触变性，混凝土拌合物被剪切稀化，而触变性的大小可由两曲线之间的面积表征，如上图，由公式S=E莅（户）可计算触变滞回曲线间的面积如下：S_0.40＝35340，S_0.45＝22942，随着水灰比W/C增大，混凝土拌合物的触变滞回面积减小，触变性有逐渐减小的趋势。

该例中只是举了一个简化的例子来对《施工现场混凝土流变性动态检测方法》的方法进行说明，在该例中只是改变了水灰比，在一个水灰比下只取了一个T_j，实际操作中可以根据实际需要取若干组的T_j，相应的得到若干组的{τ₀，η_p，T_j}，构建数据库以分析施工现场的混凝土流变性情况。

2013年，《施工现场混凝土流变性动态检测方法》获得第八届江苏省专利项目奖优秀奖。

触变性流体是一种典型的非牛顿流体，但国内外关于其流动行为的研究远不如其它非牛顿流体。其原因主要是实际中具有较强触变性的液体较少，然而我国原油具有显著的触变性。因此，开展触变性流体流动行为的研究在我国具有重要的实际意义。泊肖叶流动是管道输送原油的主要方式之一，而多孔介质中渗流的研究有助于对原油开采的分析。研究结果为我国原油的开采和输送提供了理论依据。

国内外学者对含蜡原油的触变性做了大量研究，建立了描述触变性的模型，其中最常用的则是用指数方程来描述含蜡原油的触变性。这些模型大多是依据旋转粘度计测定的流变参数而建立的。胶凝原油在旋转粘度计中属于剪切流，而在管道内属于拖动流，两者的流动边界条件不同，对介质的剪切方式也不同，从而引起其测试数据的差异。

触变性揭示的是材料的黏度随时间的变化关系。触变性流体具有如下典型特征：

①从静止的物料开始剪切或从低到高改变物料的剪切速率时，黏度随时间降低；

②剪切停止后或从高到低改变物料的剪切速率时，黏度随时间恢复；

③保持剪切速率不变直到应力达到恒定值，可得到平衡流变曲线；

④反复循环剪切可得到滞后环；

⑤无限重复循环剪切可得到平衡滞后环。

以上5种触变性特征现象从不同的方面反映了触变体的流变行为。

流变是指物体受力变形中存在的与时间有关的变形特性。土体具有流变性，其常见的流变现象主要包括蠕变、松弛、流动、应变率效应和长期强度效应等。通常是采用试验模型研究这些流变现象，揭示流变规律，建立相应理论及计算方法。近年来，由于工程建设的需要，对土工结构或地基的变形以及强度的计算分析要求越来越高，必须考虑土体的流变性，使得土体的流变研究成为近年来岩土工程界关注的重要热点问题之一。