混凝土流变性质与施工

邱晖仁 詹颖雯

（1.财团法人台湾营建研究院计划工程师；2.财团法人台湾营建研究院院长／台湾大学土木系教授）

混凝土的流变行为

混凝土是由水、胶结料（包括水泥、矿渣粉、粉煤灰、硅灰、……），以及粗、细骨料和化学掺料所拌和而成，因此其未硬固前的新拌混凝土属于一种非均质流体（heterogeneous material）；而在新拌混凝土流动的过程中，骨料等颗粒较大的固体与胶状或含有细微悬浮颗粒的液体将相互影响，此一特性可由流变行为来表示。

流变行为（rheological behavior，或称质流行为），是指介于液态与固态之间的材料所产生的变形和流动行为。一般以流变行为分析流体时，流体性质大致被区分为牛顿流体及非牛顿流体；在牛顿流体中，其流动行为的应力与应变率存在着固定的比例，此比例系数称之为黏滞性（viscosity），如图1中直线的斜率值。非牛顿流体则除黏滞性外，另存在屈服应力（yield stress），如图2所示，表示必须存在特定应力下，才能使之如同牛顿流体流动；而相较于牛顿流体一施加应力即产生流动，非牛顿流体则在屈服应力到达前其状态皆属于固体的行为。

图1 牛顿流体质流行为[6]

新拌混凝土的流动行为则以非牛顿流体中的塑性流体（又称宾汉流体，Bingham model ）作分析较为符合，如图2所示，其流变的行为主要控制于屈服应力及塑性黏滞系数两个变量，公式如下，

其中τ0为屈服应力，η为塑性黏滞系数。

图2 塑性流体质流行为[6]

以上述流变行为分析混凝土拌和物的特性，则混凝土坍度值是为展现屈服应力的最直接现象，当混凝土的屈服应力大时，则混凝土在进行坍落度试验时坍落的过程中，其自重较无法超过屈服应力，因此新拌混凝土随即失去坍落性，结果将获得较小的坍度值，但若混凝土的屈服应力小，则新拌混凝土将可藉由自重持续缓慢坍落，最终可获得诸如自密实混凝土的23cm以上坍度（如图3）；另外，由参考文献数据可知，新拌混凝土的坍落度与其屈服应力大致呈现线性负相关趋势，如下图4所示；因此，屈服应力是为区别传统混凝土与高流动性混凝土最直接的参数。

至于塑性黏滞系数则于流动性混凝土中较易观察，图5为自密实混凝土坍落流动度试验所获得的结果，其中当坍落流动度达直径50公分时，其所需的时间记为T50，而参考国外研究数据可知，T50与塑性黏滞系数呈正相关的趋势，因此新拌混凝土的黏滞性越高，则混凝土流动需求的时间将越长。

图3 不同混凝土的非牛顿流体行为[1]

图4 混凝土坍落度与屈服应力的关系[2]

图5 坍落流动度T 50的表现[2]

除从新拌混凝土试验获知流变行为外，混凝土施工过程亦与流变行为息息相关，例如浇注施工时振动捣实的过程，即是提供混凝土额外能量以克服其屈服应力，使混凝土进行流动，或是增加用水使固体颗粒之间有为更多的润滑，减低临界应力的值，使混凝土较易流动；然而水的增加亦将降低黏滞性，过量的水易导致混凝土的黏滞性太低而无法支撑骨料受重力沉降的行为，最终产生混凝土析离的情形。

配比对混凝土流变性质的影响

混凝土的流变性质主要取决于配比比例与原物料性质，依ACI 238.1R的建议，包括水泥用量、用水量、骨料因子、化学掺料类型、矿物掺料种类及纤维等，对于混凝土流变行为皆有不同的影响性；其中，水泥、用水量时或水灰比的增加，将直接提高混凝土配比中浆体的体积量，因此对于屈服应力与黏滞性而言，皆会同时降低其数值，而使新拌混凝土更易流动。

图6 T 50与塑性黏滞性的关系[2]

骨料部分则是用量越高，屈服应力与黏滞性皆将越大幅提高而降低混凝土的流动性；至于砂率的大小则有其最佳的影响范围，参考下图7可知，以砾石而言，砂率在35%~40%范围时，混凝土可具有最小的屈服应力值（约600Pa~800Pa），但最小的黏滞系数则落于砂率为30%时（300Pa·s），而离开此砂率范围，则新拌混凝土的屈服应力与黏滞系数皆将提高，混凝土的流动性即随之降低；此外，骨料的形状与级配亦会影响屈服应力与黏滞性，一般而言，使用级配佳、粒形圆滑的骨料，对新拌混凝土的流动性皆有帮助。

图7 砂率对屈服应力与黏滞性的影响[2]

表1 混凝土配比参数对流变行为的影响[2]

化学外加剂品种对混凝土流变行为最为相关，当使用高效减水剂（superplasticizer）时，可有效降低混凝土的屈服应力，但对黏滞性的改变与否，则需与配比组成作共同评估；当使用引气剂（air-entraining agent）时，可改善混凝土的黏滞性，但对屈服应力则需与配比组成作共同评估；当使用黏度调整剂（viscosity modifying admixture）时，则混凝土的黏滞性与屈服应力皆将提高；因此若一混凝土配比的坍流度大，但T50的量测值较高时，则可考虑增加微量的引气剂，以调整混凝土的流变性。

图8 混凝土配比因子对流变行为的影响[6]

图9 混凝土泵送机制[3]

图10 混凝土于泵送管内的示意图

至于矿物掺和料对于混凝土流变行为的影响，则与掺和料的种类有关，通常粉煤灰的使用可降低屈服应力，矿渣粉的使用将增加黏滞性，低掺量硅灰的使用可同时减少屈服应力与黏滞性，但提高硅灰用量后则影响相反。最后，将配比中各因子对混凝土流变的影响性汇整如表1及图8供参考。

混凝土流变行为对泵送的影响

图11 混凝土于泵送管的流速曲线[5]

在了解混凝土流变行为与影响参数后，进一步探讨受混凝土流变行为影响最大的施工过程-混凝土泵送。混凝土泵送的过程系利用活塞的原理，将油压管的力量转换输出予混凝土，以使混凝土推送至欲浇注的工程现场，其机制如图9所示。而在泵送的过程中，混凝土在泵送管中的情形如图10所示，其由外而内依序为泵送管、润滑层与圆柱状流体，润滑层（Lubricating Layer）为由水、水泥和砂所组成，在中央圆柱状流体受压推送时，起减小管壁间摩擦力作用；其中圆柱状流体（Conic Plug）为混凝土主体，由骨料、砂和水泥颗粒所组成。根据流体力学理论，在泵送管中央形成的圆柱状流体，其速率为一定值，且和骨料之间不会产生相对运动，而润滑层的流速则呈一梯度变化，由中央圆柱状流体的流速直接递减至靠近管壁面的零流速，其混凝土于管中的流速剖面状况则如图11所示。

图12 混凝土泵送后水流向示意图[7]

图13 SCC与传统混凝土的泵送速度与压力关系[4]

图14 C 280-FL40与T 280-FL50配比泵送速度与泵送压力的比较图[8]

此外，泵送中的混凝土会因需求水量供给的多寡而区分为饱和、不饱和与过渡带，此所谓的需求水量系指填充于混凝土空洞、骨料表面孔隙及润滑层的总水量，当混凝土配比中的水量满足泵送需求水量甚易超过，则泵送中的混凝土就像一种过饱和的流体，在这种情况下，混凝土很容易流动到其他地方；但过多的水量将会造成混凝土丧失其黏聚性和均质性，且当压力增加时，会使水分从流体中泌出，使泵送混凝土变成不饱和流，严重者将使得粗骨料堆积，造成塞管情形，如图12所示。

至于流变性质对泵送的影响则主要取决于流体剪应力对于泵送需求能量的影响，因等管径直线泵送距离间的压力差ΔP与流体剪应力τ呈线性正相关（如下式所示），故当新拌混凝土的屈服应力值或黏滞性较高时，需求的泵送压力即越大，对泵送机具性能就有更高要求。

图15 HVFA混凝土与其他高性能混凝土泵送速度与泵送压力的比较图[8]（单位长度压力损失v.s. 泵送速度）

另外，由参考图13自密实混凝土与传统混凝土的泵送比较可知，若泵送速度较慢（shear rate < 10），则自密实混凝土因具有较低的屈服伏应力，所以产生的流体剪应力亦较小，泵送需求的能量便较传统混凝土为低；但若泵送的速度提高（shear rate > 25），则自密实混凝土因高黏滞性造成的流体剪应力已较传统混凝土为高，泵送需求的能量则将大于传统混凝土的，而此时泵送速率、泵送设备能量或泵送管径便需作相应的改善，以达施工的需求。

除自密实混凝土外，HVFA混凝土的流变行为亦与传统混凝土的不同，因HVFA配比中的用水量低（<150kg/m3），故需使用引气剂作调整，否则其流体的剪应力便相对较传统混凝土的为高，同时泵送的需求能量亦应随的提升。参考HVFA的泵送研究资料可知（如图14、图15所示），流动型HVFA配比（HVFA T280-FL50）与超高强度自密实混凝土的泵送行为相当，而一般工作型的HVFA配比（HVFAC280-FL40）则与一般型自密实混凝土的泵送行为类似。

压力泌水与泵送的关系

虽然透过泵送设备性能的提升，可解决混凝土的流体剪应力高而泵送不易的问题，但混凝土在不同压力泵送下，其流变行为会有所改变，甚至影响其可泵送性。参考文献资料可知，各种配比混凝土都有一种不同的特定压力值会使混凝土从饱和流变成不饱和流，超过这个压力值则会使混凝土浆体与大颗粒骨料分离而阻塞管路，这个特定压力即称为离析压力（Segregation Pressure）。因此，当泵送压力大于离析压力时，容易造成粗骨料和水泥浆体分离，导致泵送管堵塞，但当泵送压力太小时，会造成管壁摩擦力太大，故施工时以稍低于离析压力为最好的泵送压力。

混凝土中的离析压力并非一特定值，其与混凝土中的用水量、水灰比、细骨料量有关联性，因此国外建议以压力泌水试验来评估混凝土的可泵性，其设备如图16所示，试验时利用油压给予混凝土3MPa的压力，并量测混凝土于压力施加后10秒与140秒的泌水量，试验后参考图17以评估混凝土的可泵性与否，以坍度15cm的混凝土而言，其140秒泌水量与10秒泌水量的差值应大于120cm3，混凝土始可具有泵送性，因此若混凝土的保水性不佳，在压力施加的初始时间即产生大量泌水，则混凝土便容易变成不饱和流，而使粗骨料和水泥浆体分离，导致泵送管堵塞。

图16 混凝土压力泵送设备[9]

图17 混凝土压力泵送设备[5]

图18 利用长距离泵送试验评估混凝土配比的施工性

结论

混凝土是由水、胶结料、粗细骨料和化学掺料所拌和而成的非均质体，其在硬化前的流变行为可以按牛顿流体考虑，而通过配比中各种材料的变动，可对新拌混凝土的屈服应力与黏滞性作调整，以达到较低的流体剪应力，使混凝土易于泵送；另外，混凝土在压力作用下的保水性亦是一需考虑的重点，此部分可透过压力泌水试验进行评估，但由于相关的研究甚少，建议同时藉由长距离泵送试验的验证，以探讨出合宜的混凝土泵送评估机制。

[1] Eric P. Koehler, Test Methods for Workability andRheology of Fresh Concrete, ACI Fall Convention, New Orleans, Louisiana, USA, 9 November, 2009.

[2] Peter Billberg, Factors AffectingWorkabilityandRheologyof Concrete,ACI Fall Convention, New Orleans, Louisiana, USA, 9 November,2009.

[3] http://www.symtec.co.jp/english/product.htm l

[4] Dimitri Feys, Ronny Verhoeven, Geert De Schutter, The paradox of SCC,Why does it require more pumpingpressure compared to TC ?,MagnelLaboratoryfor Concrete ResearchHydraulicsLaboratory.

[5] Browne Roger.D, Bam forth Phillip B. （1977） Tests to establish concrete pumpability, ACI JournalMay 1977, 193-203.

[6] 刘谊曦（詹颖雯指导），「自充填混凝土质流行为之离散元素法参数研究」，硕士论文，台湾大学土木工程系，台北，2001。

[7] R A Crepas, Pumping Concrete Techniques and Applications,Concrete Constructions, Publ. Inc., USA, PP. 2.1-2.15, 1985.

[8] 颜聪、詹颖雯、杨仲家、陈豪吉、郑瑞滨、林树根等，「高粉煤灰掺量混凝土产制技术与应用研究-期末报告」，台湾电力股份有限公司，2011。

[9] Methods for Testing FreshLightWeight Aggregate Concrete,Economic Design and Construction withLight Weight Aggregate Concrete,Document BE96-3942/R4, December 1999.