CFD自密实混凝土泵送性能模拟研究进展_赵军.pdf

收稿日期：20221113CFD自密实混凝土泵送性能模拟研究进展赵军，曾庆生（南华大学 机械工程学院，湖南衡阳421001）摘要：自密实混凝土（SCC）因其更好的可泵性被广泛用于混凝土泵送施工。由于成本高、耗时久、且结果可重复性较低，混凝土的泵送性能实验研究已逐渐被数值模拟研究所取代。本文综述了自密实混凝土泵送规律的近期研究成果。归纳了SCC在泵送管道流动过程中流速、压力损失等的变化规律。讨论了自密实混凝土在泵送过程中的流变规律。综述了自密实混凝土的流变模型在国内外的研究进程，分析了相关自密实混凝土模型的验证与改良及对一些自密实混凝土的流变性测试方法进行了统分。除对自密实混凝土的流变模型进行分析外，还描述了自密实混凝土在泵送前后的流变性能的差异。阐述了自密实混凝土微观状态下的DEM模型对坍落度试验的帮助，对目前较为认可的自密实混凝土泵送规律评估模型作了评述。结果表明自密实混凝土在泵送过程在CFD的模拟下节省了大量的人力物力，CFD自密实混凝土的泵送模拟发展还要再进一步完善，目前的流变模型能够准确地预测混凝土的泵送，但要想得到一个最佳的参数还需要大量验证试验去减小误差，CFD自密实混凝土的模拟还需要去不断完善。关键词：CFD；自密实混凝土；流变模型中图分类号：U264.7文献标志码：A文章编号：10099492(2023)03005205Research Progress on CFD Self-compacting Concrete PumpingPerformance SimulationZhao Jun，Zeng Qingsheng（School of Mechanical Engineering,University of South China,Henyang,Hunan 421200,China）Abstract:Self-compacting concrete(SCC)is widely used in concrete pumping construction because of its better pumpability.Theexperimental study of pumping performance of concrete has been gradually replaced by numerical simulation research due to high cost,longtime-consuming,and low reproducibility of results.The recent research results of self-compacting concrete pumping law were reviewed.Thechanges of flow velocity and pressure loss of SCC in the flow process of pumping pipeline were reviewed.The rheological law of self-compacting concrete in the pumping process was discussed.The research process of rheological models of self-compacting concrete at homeand abroad was reviewed,and the verification and improvement of related self-compacting concrete models were analyzed.The rheological testmethods of some self-compacting concrete were divided.In addition to the analysis of the rheological model of self-compacting concrete,thedifference in rheological properties of self-compacting concrete before and after pumping was also described.The DEM model in the microstateof self-compacting concrete in the slump test was described.The currently recognized evaluation model of self-compacting concrete pumpinglaw was reviewed.The results show that self-compacting concrete in the pumping process in the CFD simulation saves a lot of manpower andmaterial resources,CFD self-compacting concrete pumping simulation development to be further improved,the current rheological model canaccurately predict the pumping of concrete,in order to obtain an optimal parameter also need to do a lot of verification tests to reduce the error,CFD self-compacting concrete simulation also needs to be continuously improved.Key words:CFD;self-compacting concrete;rheological models2023年03月第52卷第03期Mar.2023Vol.52No.03机电工程技术MECHANICAL&ELECTRICAL ENGINEERING TECHNOLOGYDOI:10.3969/j.issn.1009-9492.2023.00.03033赵军，曾庆生.CFD自密实混凝土泵送性能模拟研究进展 J.机电工程技术，2023，52（03）：52-56.0引言混凝土泵送的起源可以追溯到20世纪 30年代，于1927年在德国推出，于20世纪80年代在我国开始推广。如今，我国混凝土泵送技术已大范围运用在工程建筑中，在超高层建筑和大跨桥梁建设领域的使用尤为广泛。泵送混凝土不仅可以大幅度缩短建设时间，还可以泵送到许多人工难以浇筑的地方。经过40年的探索，我国积累了大量的混凝土泵送经验，如超高程泵送混凝土的配制与施工技术1-2（如图1所示）、混凝土泵送过程压力变化规律3-4、混凝土可泵性简易评价方法等5-6。现代混凝土的泵送性能主要依赖坍落度，压力泌水试验等经验性参数和大型的盘管试验，这些试验费时费力，严重制约现代施工技术的发展。因此需要提出合理的混凝土泵送规律评估模型和测试方法。对于混凝土的泵送规律研究并不多，主要针对泵送前的混凝土7。经过泵送后，混凝土的许多性质都会发 52生改变，其中混凝土的流变性变化最大，即屈服应力与塑性黏度的变化最为明显8。此外还有对泵送中的混凝土单位长度的泵压损失研究9。现代科学技术对混凝土的泵送研究主要基于CFD计算。本文主要总结了自密实混凝土（Self-compacting Concrete，SCC）的泵送规律研究进展，并展望了未来的自密实混凝土泵送的研究。1国内外研究现状自密实混凝土最早由日本学者提出。自密实混凝土的流动性能较为优异，在1988年试制成功后得到了广泛应用，其中应用较多的是高程泵送和远距离泵送10。混凝土的质量、原材料、高效减水剂、粉煤灰等的加入会使自密实混凝土的性能在泵送过程中发生变化。泵送技术不仅用于施工现场的混凝土运输，而且已经成为预制混凝土工厂自动化混凝土交付和浇筑的趋势。现代泵送技术的迅速发展使得泵送稠度较高的混凝土成为可能，但最适合泵送的仍然是容易流动，不太粘的混凝土。如今，新一代混凝土通常由粘合剂、骨料、添加剂、外加剂、水和空气6种成分组成。自密实混凝土具有比传统混凝土更高的黏度和黏性11。接下来主要介绍自密实混凝土的流变模型，CFD自密实混凝土的泵送仿真模型及泵送规律。2SCC流变性研究进展2.1SCC自密实混凝土流变模型自密实混凝土一般被视为宾汉姆流体。宾汉姆流体由Fyes12等提出，是美国学者E.C.Bingham 最早发现并给出表征该模型的两个重要参数：屈服应力和塑性黏度。宾汉姆模型由理想的圣维南体和理想牛顿流体组成。在Tat13的研究中，宾汉姆模型可以准确描述新拌混凝土的流变性能；Chong Hu14提出，当新拌混凝土的坍落度大于8 cm时且没有发生严重离析时，可将其视为宾汉姆材料。宾汉姆模型是由弹性元件，粘性元件，塑性元件组成。其表达式为：=0+p当 0=0当 0（1）式中：为剪切应力；0为屈服应力；p为塑性黏度；为剪切应变率。当 0时自密实混凝土为固态，当 0时自密实混凝土的内部结构被破坏，进入液态，按牛顿黏性规律流动。因此自密实混凝土的泵送过程中需要时刻施加一个外力使其保持流动状态。Feys等15-16发现，采用宾汉姆模型研究自密实混凝土的泵送时，由于剪切速率的增加会使自密实混凝土产生明显的黏度增稠，最终导致剪切应力和剪切速率不满足线性关系。于是提出了改进的宾汉姆模型。=0+p()vt+c()t2（2）式中：/t为速度梯度；c为第二调整系数，Pas2。F.de Larrard 等17研究混凝土模型时发现剪切应力和剪切速率呈非线性关系，提 出 了 标 准 的 Herschel-Bulkley 模型，流变特征曲线如图2所示。该模型使用了剪切应力、速度梯度、屈服应力3个流变参数描述了自密实混凝土的流变特性：=0+a()tb（3）式中：a为一致性因素；b为幂律指数。Feys 等认为自密实混凝土的幂律指数通常大于 1，表现为剪切增稠型，用H-B模型描述自密实混凝土的流变性更为准确。2.2混凝土流变性研究测试方法研究进展自密实混凝土的测试方法有很多，最初的传统测试方法是通过现场试验定性评估自密实混凝土的流变性，比如坍落度试验（图 3）、V 型漏斗试验、L 箱试验等。它们都是通过控制自密实混凝土材料本身的性质来探究自密实混凝土的流变性。其他的流变性研究测试方法还有使用流变仪（图4），黏度计等或者通过理论流变学方程来计算混凝土的塑性黏度和屈服应力值。这类方法统称为定量预测。定性评估和定量预测是自密实混凝土流变性测试方法的两大分类18。定性测试是通过相关的流变实验来进行，利用的仪器比较简便，不论是在实验室还是在施工现场都能进行，但只能测试出自密实混凝土的流变性能，不能建立流变性与泵送过程中的流速、泵压损失、物料比等参数的准确的函数关系。定量评估是通过专业的流变性评估仪器来评判混凝土的流变性，其预测结果较为准确，受外界影响较小，比较精确，还能通过控制混凝土的相关参数来记录流变性的变化，常用来探究自密实混凝土泵送的规律。图1混凝土高程泵送施工图2幂律流体流变特征曲线17赵军，曾庆生：CFD自密实混凝土泵送性能模拟研究进展 533CFD自密实混凝土泵送数值模拟研究进展数值模拟是利用计算机来做仿真试验，通过计算机控制不同参数模拟混凝土的泵送过程。通过数值模拟可以比较直观地发现自密实混凝土的泵送规律。1988年Tangawa 等19最先采用有限单元法来模拟混凝土泵送，利用宾汉姆流变模型的粘塑性模拟了均一连续介质状态的混凝土，非均一连续的自密实混凝土则使用宾汉姆模型的粘塑性悬浮单元法进行模拟。1999年，Puri和Uomoto20提出更严谨的试验方法：将混凝土视作液固共存的多相材料使用离散单元法开