[发明专利]一种水泥基材料剪切稠化特性分析方法

说明书

本发明一种水泥基材料剪切稠化特性分析方法，面对具有剪切稠化特性的水泥基材料，通过使用R‑S模型、建立转速‑扭矩关系式、使用非线性拟合法进行初步求解、基于初步求解结果再次优化转速‑扭矩数据对的选择、并再次使用非线性拟合来实现R‑S流变模型中流变参数a、c和n的最终求解的方法，实现了使用同轴双圆柱流变仪，对水泥基材料剪切稠化特征的正确表达；可指导新型的、用于水泥基材料剪切稠化特征测试的同轴双圆柱流变仪的开发，可用于指导水泥基材料如净浆、砂浆和混凝土的配合比设计和性能优化，还可用于施工方法指导；本发明在水泥基材料的流变性能分析方面具有方法上的原创性，同时，在设备研发、材料制备和工程应用上具有实践指导价值。

技术领域

本发明属于土木工程技术领域，尤其涉及一种水泥基材料剪切稠化特性分析方法。

背景技术

低水胶比(水和胶凝材料的质量比)水泥基材料，如水胶比小于0.25的净浆、强度等级大于C60的混凝土(其水胶比常小于0.35)，在剪切力作用下进行流动时，一方面会表现出屈服应力现象，一方面会表现出剪切稠化现象，如图1所示。可见，剪切稠化流体的剪切应力-剪切应变速率关系，超越了宾汉姆流体显示的线性关系，随着剪切应变速率的提升，剪切稠化流体所需的剪切应力越来越高。

从物理含义表述的角度，H-B模型可清晰地表达具有剪切稠化性能的水泥基材料的流变性能，如式1所示，其中，τ₀为具有剪切稠化性能的水泥基材料开始流动时需要克服的初始应力(屈服应力)，k为稠度系数，d为流动指数且大于1。H-B模型中，相同的屈服应力和稠化指数时，剪切稠化的程度随d值的增大而增大，如图2所示。

其中，τ为剪切应力，Pa；τ₀为屈服应力，Pa；k为稠度系数，Pa·s^d；为剪切应变速率，s^(-d)；d为流动指数；

水泥基材料流变性能的测试，常使用同轴双圆柱流变仪，如图3所示。待测试的水泥基材料填充于流变仪的内筒和外筒之间的间隙中；同轴双圆柱流变仪测试过程中，可直接获取的测试数据为内筒的转速和扭矩，为求解具有剪切稠化特性的水泥基材料的流变模型中的流变参数，如H-B模型中的τ₀、k和d三个参数，需要建立明确的转速-扭矩表达式。

然而，迄今尚未建立同轴双圆柱流变仪中，可用于求解H-B模型中三个流变参数(τ₀、k和d)的普适的转速-扭矩关系，使得具有剪切稠化特性的水泥基材料的流变性能不能被完善地表达。众多的研究报告或文章中，忽略水泥基材料的剪切稠化现象，将其作为具有宾汉姆流体特性的材料来对待，导致具有剪切稠化特性的水泥基材料的流变性能不能被正确表征。

综上，提出一种可正确分析水泥基材料剪切稠化特性的方法，同时实现具有剪切稠化特性的水泥基材料的流变参数的求解，已经成为亟需解决的问题。

发明内容

为了克服现有技术存在的一系列缺陷，本发明的目的在于针对上述问题，提供一种水泥基材料剪切稠化特性分析方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：使用R-S流变模型来表征具有剪切稠化特征的水泥基材料的流变性能，如下式所示：

其中，a为稠度系数，Pa·s^n；c为剪切应变速率校正因子，1/s；n为流动指数，n值用于表征水泥基材料剪切稠化趋势，且n总是大于1。

步骤2：建立同轴双圆柱流变仪的转速-扭矩关系，如下式所示：

其中，Ω为流变仪内筒的转速，rad/s；T为内筒的扭矩，Nm；a、c和n为待求解的R-S流变模型的参数；h为内筒的高度，m；R₁为内筒的半径，m；