應(yīng)用故事 | 如何從流變預(yù)測混凝土攪拌罐車的悶罐行為

如何從流變預(yù)測混泥土攪拌罐車的悶罐行為

前言

提到混凝土的運輸攪拌罐車，大家會有什么樣的印象呢？開得飛快，“不要命”！確實駕駛這類特種車輛的師傅都身懷絕技，飛速穿行于各種道路，導(dǎo)致經(jīng)常被大眾所詬病。開得再快也就節(jié)省個把小時，也不會帶來多大的創(chuàng)收，那為什么罐車師傅們一定要開這么快呢？因為不能慢！罐車?yán)镅b的是混合好的水泥混凝土漿料，一旦時間長了，凝固在罐中發(fā)生悶罐，可能這一整個月就白跑了。一旦發(fā)生悶罐，需要人工進(jìn)入罐車內(nèi)部使用電錘一點一點的鑿開，動輒幾個W，再加上人工時間成本，在如今的生活壓力面前，哪位師傅又敢放慢車速來增加自己的風(fēng)險呢？那作為技術(shù)人員，科研人員的我們只能在心里為師傅們默默祝福，做些科普讓大眾理解師傅們的不容易嗎？不，我們可以做的是通過科學(xué)的力量，來預(yù)測悶罐凝固的時間，來延長水泥混凝土在運輸過程中的凝固時間，給司機(jī)師傅明確的充足的時間，自然就不再需要一味地和時間賽跑了。

發(fā)生凝固悶罐其實就是能夠流動的水泥混凝土漿料隨著時間的延長，從能夠流動的狀態(tài)逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)的過程，那這種和流動行為相關(guān)的預(yù)測就可以通過流變儀來進(jìn)行研究，研究時間、轉(zhuǎn)速、溫度等等各種運輸過程中的影響因素對固結(jié)悶罐行為的影響。

圖1 攪拌罐車

測試案例

某再生水泥微粉及對其改性后的三種水泥微粉如圖2所示，按照水灰比0.35配置，手動攪拌10min，得到細(xì)膩無肉眼可見顆粒的水泥漿料。使用25mm直徑的槳式同軸圓筒進(jìn)行測試，模擬水泥在罐車中旋轉(zhuǎn)時黏度隨時間的變化。

圖2 a 再生水泥微粉；b 配置后的水泥；c 25mm槳式同軸圓筒

結(jié)果分析

我們在路上看見的罐車，有的會時不時轉(zhuǎn)一圈，有的會保持持續(xù)的低速旋轉(zhuǎn)，其目的都是為了抑制水泥混凝土在運輸過程中的結(jié)塊硬化。那么我們就通過流變儀來看看這樣的旋轉(zhuǎn)攪拌對抑制水泥的結(jié)塊固結(jié)有多大的作用。

首先我們來看看如果不對配置好的水泥混凝土進(jìn)行攪拌，它的黏度隨著時間是如何變化的。按照圖3的靜置模擬測試條件，利用我們Kinexus

旋轉(zhuǎn)流變儀的高級編程模式，設(shè)置編輯測試序列，如圖3右所示。每10min對水泥進(jìn)行一次超低速0.1s^-1的剪切，觀察靜置黏度隨時間的變化情況。

圖3 靜置模擬測試條件

圖4是參比樣以及三種改性水泥微粉的最終測試結(jié)果，曲線顏色由冷色（黑）到暖色（棕）代表著循環(huán)次數(shù)的增加。隨著循環(huán)次數(shù)的增加，也就是時間的延長，4種水泥的黏度（我們主要觀察20s后平衡時的黏度值）都在不斷的升高，且在兩個小時內(nèi)上升跨越了2個數(shù)量級的水平。如此迅速的黏度上升一定是會導(dǎo)致驗證的固結(jié)悶罐現(xiàn)象的。

圖4 靜置模擬黏度隨時間的變化測試結(jié)果

取每一次循環(huán)最后平衡時的粘度值，做黏度Vs時間的變化曲線如圖5所示，參比樣的黏度隨著時間的延長，增長速度越來越快，幾乎呈指數(shù)形式在增長，按照這種趨勢很快就會發(fā)生固結(jié)悶罐。1#2#3#樣品分別是不同改性工藝得到的水泥樣品，1#2#雖然整體黏度隨著時間的延長增長的略慢一些，但仍然呈指數(shù)型增長，到了后期仍然會在某一瞬間迅速上升發(fā)生嚴(yán)重的固結(jié)悶罐結(jié)果。3#改性樣品增長緩慢，到了后期也沒有出現(xiàn)黏度的快速增長，對于運輸來說可能是比較友好的。當(dāng)然這里都是在完全沒有攪拌的靜置狀態(tài)下的黏度變化，那如果引入了罐車的攪拌的旋轉(zhuǎn)剪切又是什么樣的情況呢？

圖5、 4種水泥微粉靜置黏度隨時間的變化

前面都是描述的水泥混凝土靜置時黏度變化的情況，但實際生活中，我們往往見到的罐車都是時不時旋轉(zhuǎn)一圈，在運輸過程中不斷地給水泥混凝土物料一個攪拌的作用力，抑制它的固結(jié)硬化，一般這種定時旋轉(zhuǎn)的方式大約每10分鐘轉(zhuǎn)一圈，那我們就可以通過序序列編程系統(tǒng)，模擬編寫這樣一條序列如圖6所示，首先黃色框中先給樣品進(jìn)行一個預(yù)剪切去除加載過程中存在的應(yīng)力歷史，接著就是紅色框中的循環(huán)測試，10分鐘循環(huán)一次，做一次200s的加減速剪切速率掃描，隨后靜置400s，做9個循環(huán)。

圖6 測試序列編寫---模擬罐車定時旋轉(zhuǎn)

圖7是按照上述序列得到的測試結(jié)果，預(yù)剪切加上9個加減速剪切循環(huán)。紅色曲線就是我們設(shè)定的剪切速率條件，藍(lán)色曲線就是對應(yīng)的黏度隨時間變換的結(jié)果。隨著時間的延長，每一次循環(huán)，整體的黏度曲線都是在不斷的上升的，但整體的流動曲線線形一致，沒有出現(xiàn)明顯的固結(jié)現(xiàn)象，導(dǎo)致流動行為的差異。

圖7 定時旋轉(zhuǎn)模擬測試

圖8是4個樣品的測試結(jié)果對比，從整個測試的結(jié)果上來看，似乎差異非常小，流動曲線的線性完全一致，黏度也幾乎一致，僅在最后幾個循環(huán)能夠看出一些微弱的差異。

圖8、 4種水泥微粉定時旋轉(zhuǎn)模擬測試結(jié)果

那我們不妨將每一個循環(huán)都拆開來看，圖9是4種水泥樣品每一次循環(huán)的測試結(jié)果，同樣曲線的顏色由冷色到暖色代表著循環(huán)次數(shù)的增加。未改性的參比樣流動曲線隨著循環(huán)次數(shù)的增加，整體向上平移，黏度隨著時間逐漸增大，縱向上展示出一個較寬的彩虹帶形狀。1#2#樣品經(jīng)過改性后，彩虹帶的寬度變小，黏度上升速度降低。3#樣品在經(jīng)過9次循環(huán)后，整體黏度只是略微上升，流動曲線重疊，幾乎看不出彩虹帶的寬度，具有最好的防固結(jié)效果。除此以外，由于加入了高速攪拌的剪切作用，進(jìn)一步抑制了水泥混凝土的固結(jié)速率，這里整體黏度曲線的往高黏度平移，僅僅是在很小的黏度范圍內(nèi)移動。任何剪切速率下，從第一個循環(huán)到最后一個循環(huán)黏度上升都不會超過一個數(shù)量級，反觀前面圖4的靜置測試，黏度的上升甚至能跨越2-3個數(shù)量級，因此定時的攪拌對于水泥混凝土的固結(jié)具有很好的抑制作用。

圖9 每一循環(huán)測試結(jié)果（循環(huán)次數(shù)，冷色→暖色）

為了更加直觀的比較，我們將每一個循環(huán)200s^-1下的黏度對時間作圖，不同改性工藝樣品之間的差異同靜置模擬測試相同，參比樣品黏度隨時間上升最快，3#上升最慢，甚至在這種攪拌的模式下，3#樣品黏度幾乎沒有明顯的上升趨勢。除此以外，由于攪拌行為的加入，不管水泥是否改性，4種樣品均沒有出現(xiàn)靜置時黏度指數(shù)級增長的行為，隨著時間的延長，粘度的增長隨著時間逐漸趨于平緩，因此只要在運輸過程中定時給予水泥混凝土一定的攪拌作用，就能夠大大延長運輸時間，防止悶罐的發(fā)生。

圖10  定時旋轉(zhuǎn)模擬測試200s^-1下黏度隨時間的變化

結(jié)論

本文僅僅是簡單模擬研究了攪拌對水泥混凝土固結(jié)悶罐的影響。靜置不動，固結(jié)快，容易悶罐；加入攪拌，固結(jié)慢，不易悶罐。但是具體在罐車上用多大的轉(zhuǎn)速能夠在有效抑制悶罐的同時，又能盡可能的降低轉(zhuǎn)速提高車輛的行駛安全呢？冬天和夏天溫度的高低對悶罐發(fā)生的時間又是否有影響呢？那我們還需要大量的實驗來研究剪切速率、溫度、時間等等不同參數(shù)對水泥混凝土固結(jié)的影響，這就需要靠各位科研人員技術(shù)人員的共同努力，不斷完善這樣一系列的測試標(biāo)準(zhǔn)了。