流变学在水泥与混凝土研究中的应用

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1、万方数据≈占爿k"IL叉II_Land经ma典rkS回er放ies学在水泥与混凝土研究中的应用一、流变学简介流变学(Rheology)是--1'7研究物体由于各种不同原因所引起的随时间发展的变形与应力关系的科学。对于固体材料来说，是要研究其变形的规律；对于液体物质来说，则要掌握其流动的规律，但其间都贯穿着时间这一重要因素。因此，在研究材料的流变性时，就要研究材料在某一瞬间应力与变形的定量关系，而其关系通常都以流变方程式来表示。早在数百年前，就有学者提出了三种基本性的理想物体。这三种物体是：Hooke(1635—1703)弹性固体，流变方程式为：，，=／trSt．Ven

2、ant(1797—1886)塑性固体，流变方程式为：f=倪Newton(1642—1726)粘性液体，流变方程式为：f=，7户式中：f一剪应力；卢～刚度模数；，一位移梯度；卜速度梯度；只—屈服应力；才—粘度系数。原载《水泥与水泥制品)。1963年。第2期。这三种单纯的理想物体，虽然世间并不存在，但是在研究材料的弹性、塑性或粘性时，都离不开与这些理想体的关系，而许多非匀质物体在研究它们的流变性能时，也往往要从这些理想体的流变性出发。流变学把流动解释为物体在承受不变的剪应力下随时间产生的连续性变形，因此流动实质上就是一种特殊状态的变形。从这个观点出发，流变学认为固体和液体

3、的界限是人为规定的，可以从外力作用下是否能流动来区别。于是玻璃虽然是过冷液体，但从其刚度和体积稳定性来观察，在流变学中仍以固体对待。流变学还把固体，根据其变形特征，分成刚性固体、塑性固体和柔性固体三种；把流动按其内部剪应力与流动速率的关系，分成塑流和粘流两种。于是像油漆这种粘塑性物体，就被作为柔性固体处理。所有这些都说明了流变学的现象逻辑性。虽然几百年前已经有人研究了物体的变形问题，但是流变学成为有系统的--fl独立学科，还是近二三十年的事。第二次世界大战期间，出现了多种供军事和其他特殊需要的新材料。与此同时，研究这些材料的基本物理化学结构与其力学特性间的关系的近代流

4、变学也就逐渐成为--1'7独立的学科出现。因此，近代流变学所研究的对象，范围日益扩大，至今总27期2011．09混凝土世界21—m—————l㈣]11I万方数据已包罗了各种金属和非金属材料，如黑色和各种有色金属，水泥和混凝土制品、玻璃、陶瓷和粘土制品、木材、沥青、土壤、橡胶、塑料以及油漆、涂料等。流变学也研究材料的微观结构，从微观结构联系到它们的弹、塑、粘性，并且还结合材料的使用特征和外界条件来研究材料力学性质的变化。因此，流变学是从化学、分子物理学和固体力学交界处生长的一门边缘科学，它和现代热力学、结晶学、地质学、物理化学、弹塑性理论以及流体力学等都有着密切关系，⋯

5、而物质结构力学和物理化学力学这些新的学科，也是在流变学的基础上发展起来的。新的国防和工业实践，对于材料的抗高温、高压、抗高速冲击，抗高速磨耗等的特殊要求，又向流变学提出了更多的新问题，促使流变学继续迅速成长和向尖端发展。二、松弛、徐变与粘弹性(1)松弛与徐变一般粘弹性或粘塑性物体，就其内部结构而言，都可看作是由弹性或塑性骨架与填充其间的粘性体共同组成。最明“弹性应力的松弛”问题121，因此后人常把液态粘弹性物体称为Maxwell物体。液态粘弹性物体是由弹性及粘性两种成分组成的聚集体，其中弹性成分埋在连续的粘性成分之中(图1)。由于弹性颗粒彼此不相连接，所以在外力作用下

6、，分布于弹性体与粘性体的应力是相等的；而弹性组成和粘性组成的应变则不相同，其总应变应是两者之和。为了便于用数学方法解决流变问题，Maxwell物体可以用一个Hooke弹性构件(H)和一个Newton粘性构件(N)的串联模型来表示(图2)。从模型更可清楚看出，在恒定荷载下，贮存于弹性体中的势能，随时间会逐渐消失于粘性体中，表现了应力松弛现象。图1液态粘弹性图2液态粘弹质物图3Maxwell体松弛曲线体物体示意体流变模型显的例子是混凝土、土壤、沥青、木材等。这些材料的变形，在考虑时间因素下，表现了两个突出的现象，即松弛和徐变。松弛是材料在恒定应变下，应力随时间而消失的过程

7、。徐变是材料在恒定荷载下，变形随时间而发展的不平衡过程。从热力学观点来分析，物体在恒定应变下，所保持的弹性势能不可能永久存在，它必然逐渐会转变为热能。松弛现象就是从势能转为热能的过程，因此也就是能量消失的过程。材料徐变是材料流动现象之·，F．R．McMillan-早在1921年就发现浇注600天的混凝土柱，在受压状态下，仍在以—定速度变形。然而由于其变形速率随时间逐渐减慢，所以应归于粘流的一种现象。徐变现象已为近代工程界所熟知，在预应力钢筋混凝土设计中，已开始考虑到混凝土由于干缩徐变而产生的钢筋中预应力的损失。松弛和徐变都是物体的应力与变形关系随时间