应用故事 | 如何从流变预测混凝土搅拌罐车的闷罐行为

提到混凝土的运输搅拌罐车，大家会有什么样的印象呢？开得飞快，“不要命”！确实驾驶这类特种车辆的师傅都身怀绝技，飞速穿行于各种道路，导致经常被大众所诟病。开得再快也就节省个把小时，也不会带来多大的创收，那为什么罐车师傅们一定要开这么快呢？因为不能慢！罐车里装的是混合好的水泥混凝土浆料，一旦时间长了，凝固在罐中发生闷罐，可能这一整个月就白跑了。一旦发生闷罐，需要人工进入罐车内部使用电锤一点一点的凿开，动辄几个W，再加上人工时间成本，在如今的生活压力面前，哪位师傅又敢放慢车速来增加自己的风险呢？那作为技术人员，科研人员的我们只能在心里为师傅们默默祝福，做些科普让大众理解师傅们的不容易吗？不，我们可以做的是通过科学的力量，来预测闷罐凝固的时间，来延长水泥混凝土在运输过程中的凝固时间，给司机师傅明确的充足的时间，自然就不再需要一味地和时间赛跑了。

发生凝固闷罐其实就是能够流动的水泥混凝土浆料随着时间的延长，从能够流动的状态逐渐转变为固态的过程，那这种和流动行为相关的预测就可以通过流变仪来进行研究，研究时间、转速、温度等等各种运输过程中的影响因素对固结闷罐行为的影响。

图1 搅拌罐车

某再生水泥微粉及对其改性后的三种水泥微粉如图2所示，按照水灰比0.35配置，手动搅拌10min，得到细腻无肉眼可见颗粒的水泥浆料。使用25mm直径的桨式同轴圆筒进行测试，模拟水泥在罐车中旋转时黏度随时间的变化。

我们在路上看见的罐车，有的会时不时转一圈，有的会保持持续的低速旋转，其目的都是为了抑制水泥混凝土在运输过程中的结块硬化。那么我们就通过流变仪来看看这样的旋转搅拌对抑制水泥的结块固结有多大的作用。

首先我们来看看如果不对配置好的水泥混凝土进行搅拌，它的黏度随着时间是如何变化的。按照图3的静置模拟测试条件，利用我们Kinexus旋转流变仪的高级编程模式，设置编辑测试序列，如图3右所示。每10min对水泥进行一次超低速0.1s^-1的剪切，观察静置黏度随时间的变化情况。

图4是参比样以及三种改性水泥微粉的Z终测试结果，曲线颜色由冷色（黑）到暖色（棕）代表着循环次数的增加。随着循环次数的增加，也就是时间的延长，4种水泥的黏度（我们主要观察20s后平衡时的黏度值）都在不断的升高，且在两个小时内上升跨越了2个数量级的水平。如此迅速的黏度上升一定是会导致验证的固结闷罐现象的。

取每一次循环Z后平衡时的粘度值，做黏度Vs时间的变化曲线如图5所示，参比样的黏度随着时间的延长，增长速度越来越快，几乎呈指数形式在增长，按照这种趋势很快就会发生固结闷罐。1#2#3#样品分别是不同改性工艺得到的水泥样品，1#2#虽然整体黏度随着时间的延长增长的略慢一些，但仍然呈指数型增长，到了后期仍然会在某一瞬间迅速上升发生严重的固结闷罐结果。3#改性样品增长缓慢，到了后期也没有出现黏度的快速增长，对于运输来说可能是比较友好的。当然这里都是在完全没有搅拌的静置状态下的黏度变化，那如果引入了罐车的搅拌的旋转剪切又是什么样的情况呢？

前面都是描述的水泥混凝土静置时黏度变化的情况，但实际生活中，我们往往见到的罐车都是时不时旋转一圈，在运输过程中不断地给水泥混凝土物料一个搅拌的作用力，抑制它的固结硬化，一般这种定时旋转的方式大约每10分钟转一圈，那我们就可以通过序序列编程系统，模拟编写这样一条序列如图6所示，首先黄色框中先给样品进行一个预剪切去除加载过程中存在的应力历史，接着就是红色框中的循环测试，10分钟循环一次，做一次200s的加减速剪切速率扫描，随后静置400s，做9个循环。

图7是按照上述序列得到的测试结果，预剪切加上9个加减速剪切循环。红色曲线就是我们设定的剪切速率条件，蓝色曲线就是对应的黏度随时间变换的结果。随着时间的延长，每一次循环，整体的黏度曲线都是在不断的上升的，但整体的流动曲线线形一致，没有出现明显的固结现象，导致流动行为的差异。

图8是4个样品的测试结果对比，从整个测试的结果上来看，似乎差异非常小，流动曲线的线性完全一致，黏度也几乎一致，仅在Z后几个循环能够看出一些微弱的差异。

图8 4种水泥微粉定时旋转模拟测试结果

那我们不妨将每一个循环都拆开来看，图9是4种水泥样品每一次循环的测试结果，同样曲线的颜色由冷色到暖色代表着循环次数的增加。未改性的参比样流动曲线随着循环次数的增加，整体向上平移，黏度随着时间逐渐增大，纵向上展示出一个较宽的彩虹带形状。1#2#样品经过改性后，彩虹带的宽度变小，黏度上升速度降低。3#样品在经过9次循环后，整体黏度只是略微上升，流动曲线重叠，几乎看不出彩虹带的宽度，具有Z好的防固结效果。除此以外，由于加入了高速搅拌的剪切作用，进一步抑制了水泥混凝土的固结速率，这里整体黏度曲线的往高黏度平移，仅仅是在很小的黏度范围内移动。任何剪切速率下，从第一个循环到Z后一个循环黏度上升都不会超过一个数量级，反观前面图4的静置测试，黏度的上升甚至能跨越2-3个数量级，因此定时的搅拌对于水泥混凝土的固结具有很好的抑制作用。

为了更加直观的比较，我们将每一个循环200s^-1下的黏度对时间作图，不同改性工艺样品之间的差异同静置模拟测试相同，参比样品黏度随时间上升Z快，3#上升Z慢，甚至在这种搅拌的模式下，3#样品黏度几乎没有明显的上升趋势。除此以外，由于搅拌行为的加入，不管水泥是否改性，4种样品均没有出现静置时黏度指数级增长的行为，随着时间的延长，粘度的增长随着时间逐渐趋于平缓，因此只要在运输过程中定时给予水泥混凝土一定的搅拌作用，就能够大大延长运输时间，防止闷罐的发生。

图10  定时旋转模拟测试200s^-1下黏度随时间的变化

本文仅仅是简单模拟研究了搅拌对水泥混凝土固结闷罐的影响。静置不动，固结快，容易闷罐；加入搅拌，固结慢，不易闷罐。但是具体在罐车上用多大的转速能够在有效抑制闷罐的同时，又能尽可能的降低转速提高车辆的行驶安全呢？冬天和夏天温度的高低对闷罐发生的时间又是否有影响呢？那我们还需要大量的实验来研究剪切速率、温度、时间等等不同参数对水泥混凝土固结的影响，这就需要靠各位科研人员技术人员的共同努力，不断完善这样一系列的测试标准了。