CN101063652B - 质流仪 - Google Patents

Abstract

本发明是有关于一种质流仪，用以量测一水泥系材料的流变性，该质流仪包括：一外桶，用以储置该水泥系材料；一转杆，其一端是伸入于该外桶内；一转速控制器，用以调整该转杆的转速；以及至少一可调式叶片组，其可更换地套接于该转杆，该可调式叶片组具有至少两叶片。本发明借由外桶与可调式叶片组，可调式叶片组为可更换地套接于一转杆，可调式叶片组的半径(r₁)与外桶的半径(r₀)的比值(r₁/r₀)是介于0.1～0.6，当转杆的最低转速为0.001rad/s以上，可定速量测其扭矩，如此可大幅减少可调式叶片组的叶片对水泥系材料的扰动，并消除颗粒与叶片间的滑移现象，并同时能以最小的剪应力定义为降伏剪应力。本发明应用于量测水泥系材料的降伏剪应力与粘度，可获得优异的效果。

Description

质流仪

技术领域

本发明涉及一种质流仪(rheometer)，特别是涉及一种适用于量测水泥系材料(例如混凝土、砂浆、水泥浆)的流变性质的质流仪。

背景技术

为了量测各种液体的流变性质，质流仪有着不同的型态与结构，其中一种现有习知的质流仪是能量测如混凝土等水泥系材料的流变性，可获得混凝土的粘度(η)与降伏剪应力(τ_y)，例如请参阅图1所示，是现有习知的两点试验法的质流仪的示意图。该质流仪100，包括有一外桶110，以储置混凝土，利用一马达130传动一转杆120，转杆120上连接有复数个叶片121。最早提出该质流仪100的理论的学者为GH Tattersall，其质流仪理论模式为混凝土流变性模拟成宾汉流体，即混凝土产生变形之前，便已经产生一种类似静摩擦的剪应力，该剪应力(τ)必须达到降伏剪应力，才有剪应变率

的变化，其关系呈一线性如公式(1)所示，而质流仪将量测的扭矩(T)与转速(N)如公式(2)，经由图2所示的转换可为剪应力-剪应变率的关系。

$\mathrm{\τ}={\mathrm{\τ}}_y+\mathrm{\η}\stackrel{\·}{\mathrm{\γ}}---\left(1\right)$

T＝g+hN    (2)

因此，藉由质流试验可将混凝土材料的变形行为可转换为剪应力与剪应变率关系，并可获τy与η。其中K、G为流变参数，g为截距，h为斜率。

${\mathrm{\τ}}_y=\frac{K}{G}g---\left(3\right)$

$\mathrm{\η}=\frac{1}{G}\×h---\left(4\right)$

然而该质流仪100的叶片121为不可更换调整，且由质流理论推导可知，叶片半径(r1)与外桶半径(r0)的比值(r1/r0)大于0.97时为最佳的间距(误差最小)，然而，此种间距仅适用于不含颗粒物的液体。但是应用于混凝土的量测时，受到混凝土内粗粒料粒径的影响(r1/r0)比值若设定于理论值0.97，会有叶片121卡住的问题。故目前的质流仪其叶片121的半径与外桶110的半径的比值(r1/r0)多介于0.6～0.85之间，但会存在有试验上的误差与失败。

由此可见，上述现有的质流仪在结构与使用上，显然仍存在有不便与缺陷，而亟待加以进一步改进。为了解决上述存在的问题，相关厂商莫不费尽心思来谋求解决之道，但长久以来一直未见适用的设计被发展完成，而一般产品又没有适切的结构能够解决上述问题，此显然是相关业者急欲解决的问题。因此如何能创设一种新型结构的质流仪，便成为当前业界极需改进的目标。

有鉴于上述现有的质流仪存在的缺陷，本发明人基于从事此类产品设计制造多年丰富的实务经验及专业知识，并配合学理的运用，积极加以研究创新，以期创设一种新型结构的质流仪，能够改进一般现有的质流仪，使其更具有实用性。经过不断研究、设计，并经过反复试作样品及改进后，终于创设出确具实用价值的本发明。

发明内容

本发明的主要目的在于，克服现有的质流仪存在的缺陷，而提供一种新型结构的质流仪，所要解决的技术问题是使其利用至少一可调式叶片组，其是可更换地套接于一转杆，且该可调式叶片组具有至少两叶片，而可以适用于量测一水泥系材料的流变性，从而更加适于实用。

本发明的另一目的在于，提供一种新型结构的质流仪，所要解决的技术问题是使其可用以量测例如混凝土等水泥系材料的降伏剪应力与粘度。较佳地，使其可以大幅减少混凝土受扰动的情况下量测τy，而使质流仪成为一种具有便利性、精确性的流变性试验仪，从而更加适于实用。

本发明的目的及解决其技术问题是采用以下技术方案来实现的。依据本发明提出的一种质流仪，用以量测一水泥系材料的流变性，其特征在于该质流仪包括：一外桶，用以储置该水泥系材料；一转杆，其一端是伸入于该外桶内；一转速控制器，用以调整该转杆的转速；以及至少一可调式叶片组，其是可更换地套接于该转杆，该可调式叶片组具有至少两叶片。

本发明的目的及解决其技术问题还可采用以下技术措施进一步实现。

前述的质流仪，其中所述的可调式叶片组的半径(r1)与该外桶的半径(r0)的比值(r1/r0)是介于0.1～0.6的范围。

前述的质流仪，其中所述的可调式叶片组的该些叶片是为垂直叶片。

前述的质流仪，其中所述的可调式叶片组的该些叶片是为倾斜叶片，其具有相对依顺时针或依逆时针旋转的水平向夹角。

前述的质流仪，其中所述的可调式叶片组是共设有复数组，而分成多层设置于该转杆。

前述的质流仪，其中所述的转速控制器是控制该转杆的转速在0.001rad/s以上，以定速量测其扭矩，计算该水泥系材料的降伏剪应力。

前述的质流仪，其中所述的水泥系材料是选自于混凝土、砂浆与水泥浆的其中之一。

前述的质流仪，其是藉由量测混凝土的η与τy确定对应的坍度。

前述的质流仪，其是藉由量测混凝土的η与τy确定是否属于自充填混凝土。

前述的质流仪，其是藉由量测水泥系材料的η与τy可建立与现行各种类型的工作性测试法(如坍度、坍流度)对应的关系，并取代该工作性测试法。

本发明与现有技术相比具有明显的优点和有益效果。由以上可知，为了达到上述目的，依本发明的一种可量测混凝土等水泥系材料的降伏剪应力与粘度的质流仪(如图3所示)。当一可调式叶片组的叶片在混凝土内受力后，扭矩经由转杆传递至扭矩计系统，藉由计算机(电脑)内安装资料撷取器可读取扭矩与转速，转速可藉由程式设定或手动设定等控制，可以定速、线性加速、二次方加速及分阶段变速等。

其在转杆上套接有至少一可调式叶片组，可针对不同组成配比的水泥系材料作适当调整，该可调式叶片组的组合可分为：1.垂直式叶片组(可包括2片以上，例如：3片式或6片式等)；2.叶片组有1层以上，每层有2个以上的叶片，叶片可倾斜任意角度。各层水平向(X-Y平面)夹角可相对的依顺时针或逆时针旋转不同的夹角。

依本发明的一种可量测混凝土材料的降伏剪应力与粘度的质流仪，其量测方法如下：

粘度的计算方式如下面的公式(5)所示：

$\mathrm{\η}=\frac{\stackrel{\·}{T}}{G}(\mathrm{Kgf}-m)=\stackrel{\·}{T}\×G^{,}=\frac{\mathrm{dT}}{\mathrm{dN}}\×G^{,}---\left(5\right)$

以上的黏度(η)单位为Pa.s(pascal second)，常见粘度单位为P(poise)，1Pa.s可换算成10P。

对于黏度的求法，仪器转速由0rpm线性加速到预设转速，并通过方程式回归，此方程式的斜率乘以叶片常数(G’)即为粘度值。

降伏剪应力(τy)：

本发明利用最低转速0.001rad/s以上量测扭矩，在相同转速下，以最大扭矩值可转换为混凝土的最大剪应力(τmax)。例如以图4为例，其剪应力-时间的关系当破坏持续到全部破坏后，可获得最大剪应力，最后，剪应力衰减至某一平衡值。

τy的量测方式是以叶片在不同缓慢的转速下，定速量测扭矩的最大值，再乘以个别的叶片常数(β)而得τmax，并以同一样品在不同转速下的最小的τmax定义为τy，以图5为例，最小的τmax可以定义为混凝土的降伏剪应力(τy)。

本发明的质流仪的τy计算方法为下面的公式(6)所述：

$T=2\mathrm{\π}{R}^{2}H{\mathrm{\τ}}_y+4\mathrm{\π}{\∫}_0^R\mathrm{\τ}{r}^2\mathrm{dr}=2\mathrm{\π}{R}^3{\mathrm{\τ}}_y(H/R+2/3)---\left(6\right)$

为简化计算，假设叶片上下两面的剪应力均为τy，所以上面的公式(6)可修正为下面的公式(7)：

τ_y＝T/[2πR³(αH/R+2/3)]＝T×β    (7)

α为有效垂直面积比例，β为扭矩转换为τy的参数。

其中：T：扭矩(kg-m)；R：叶片半径；H：叶片高；

τ：叶片上下平面的剪应力(pa，N/m2)

经由上述可知，本发明是有关于一种质流仪，应用于量测水泥系材料的降伏剪应力与粘度，可获得优异效果。其主要包括有一外桶与至少一可调式叶片组，该可调式叶片组是可更换地套接于一转杆，该可调式叶片组的半径(r1)与该外桶的半径(r0)的比值(r1/r0)是介于0.1～0.6。当该转杆的最低转速为0.001rad/s以上，可定速量测其扭矩。如此可以大幅减少该可调式叶片组的叶片对水泥系材料的扰动，并消除颗粒与叶片间的滑移现象，并同时能以最小的剪应力定义为降伏剪应力。

借由上述技术方案，本发明质流仪至少具有下列优点：

1、本发明的质流仪，利用至少一可调式叶片组，其可更换地套接于一转杆，且该可调式叶片组具有至少两叶片，而可以适用于量测一水泥系材料的流变性，非常适于实用，并具有产业的广泛利用价值。

2、本发明的质流仪，可用以量测例如混凝土等水泥系材料的降伏剪应力与粘度。为了测得混凝土的粘度与降伏剪应力，并与混凝土的坍度、坍流度、钢筋间隙通过性试验(箱形试验)及V漏斗流下时间等测试方法进行比较、消除间距过小而造成粗粒料易于卡住，以及降低叶片快速旋转扰动混凝土而影响降伏剪应力量测的精准度，因此本发明规划整个外桶的内径(r₀)相对可调式叶片组的内径(r₁)较大，使r₁/r₀的比值介于0.1～0.6，相对比习知产品的比值较小。较佳地，该转杆的转速设定在0.001rad/s以上量测其扭矩，而可以大幅减少混凝土受扰动的情况下量测τ_y，使质流仪成为一种具有便利性、精确性的流变性试验仪，从而更加适于实用。

综上所述，本发明新颖的质流仪，利用至少一可调式叶片组，可以适用于量测一水泥系材料的流变性；另外，其还可用以量测例如混凝土等水泥系材料的降伏剪应力与粘度，并可以大幅减少混凝土受扰动的情况下量测τ_y，而具有便利性、精确性的优点。本发明具有上述诸多优点及实用价值，其不论在产品结构或功能上皆有较大改进，在技术上有显著的进步，并产生了好用及实用的效果，且较现有的质流仪具有增进的多项功效，从而更加适于实用，并具有产业的广泛利用价值，诚为一新颖、进步、实用的新设计。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举较佳实施例，并配合附图，详细说明如下。

附图说明

图1是现有习知的两点试验法质流仪的示意图。

图2是宾汉模式转换图。

图3是依据本发明的一种质流仪的量测系统示意图。

图4是以该质流仪量测最大扭矩(以HPC为例)的图表。

图5是以该质流仪不同转速下量测最大剪应力(以HPC为例)的图表。

图6是依据本发明的一种质流仪的截面示意图。

图7A～7C是依据本发明，多种可调式叶片组的俯视图。

图8是以本发明的质流仪量测水泥浆与砂浆的流变曲线图。

图9是以本发明的质流仪量测混凝土的质流曲线图。

图10是SCC、HPC、OPC的切线粘度曲线图。

图11是以本发明的质流仪量测水泥浆与水泥砂浆的τ_y图。

图12是对新拌SCC的τ_y量测图。

图13是对新拌HPC的τ_y量测图。

图14是对新拌OPC的τ_y量测。

图15是以本发明的质流仪搭配其中一种可调式叶片组(vane-A)对水泥系材料的η与τ_y比较图。

图16是现有习知漏斗的内部尺寸及漏斗试验装置的外观立体图。

图17是现有习知的混凝土坍流度试验仪的示意图。

图18A与图18B是现有习知的充填装置的截面示意图。

图19是普通混凝土(OPC)、高流动性混凝土(HFC)、自充填混凝土(SCC)的η与τ_y关系图。

图20是普通混凝土坍度与η以及τ_y关系图。

100：质流仪         110：外桶

120：转杆           121：叶片

130：马达           200：质流仪

210：外桶           211：外桶支撑杆

220：转杆           221：传动马达

230：转速控制器     240：可调式叶片组

241：叶片           250：基座

251：升降杆         260：扭力显示器

270：资料撷取器     280：可调式叶片组

281：叶片           290：可调式叶片组

291：叶片

具体实施方式

为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明提出的质流仪其具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如后。

请参阅图3与图6所示，依据本发明的一具体实施例，一种可量测一水泥系材料的降伏剪应力与粘度等流变性的质流仪200，其主要包括一外桶210、一转杆220、一转速控制器230、以及一可调式叶片组240；其中：

该外桶210，是用以储置一水泥系材料，例如混凝土、砂浆或水泥浆。

该转杆220，其一端是穿设于一基座250，并可以由一传动马达221驱动，该转杆220的另一端是伸入于该外桶210内。

该转速控制器230，是用以调整该转杆220的转速，使该转杆220为慢速固定旋转。

该可调式叶片组240，是可更换地套接于该转杆220，该可调式叶片组240是具有至少两叶片241(如图7A所示)。请参阅图7A所示，在本实施例中，该些叶片241是为垂直叶片。

此外，该质流仪200可以另包括有一扭力显示器260与一资料撷取器270。该外桶210是连接有一外桶支撑杆211，且该基座250具有一升降杆251，其是与该外桶支撑杆211相连接，以使该外桶210可升降移动。

较佳地，本发明为了消除间距过小而造成粗粒料易于卡住以及降低叶片快速旋转扰动混凝土的影响，该可调式叶片组240的半径(r₁)与该外桶210的半径(r₀)的比值(r₁/r₀)是为介于0.1～0.6的范围。在一具体结构中，设计整个外桶210直径相对较大，容量108公升，r₁/r₀为0.36。当该可调式叶片组240在混凝土内受力后，扭矩经由该转杆220传递至该扭力显示器260，藉由计算机(电脑)内安装资料撷取器270可以读取扭矩与转速，可量测的扭矩范围0.0001～10Kgf-m，最大撷取速率为每秒60次，转速可藉由程式设定或手动设定等控制，可以定速、线性加速、二次方加速及分阶段变速等。该具体实施例中利用不同的3组可调式叶片，其组成如下面所述，而各可调式叶片组的质流参数如下面的表1所示：

请参阅图7A所示，一种垂直6片式叶片组240，高度15公分，编号为vane-A。请再参阅图7B所示，可调式叶片组280是共有3层共15公分，每层有4个叶片281，单层高度5公分，倾斜30度。各层的旋转夹角分别是为：0°-22.5°-90°(顺时针)，编号为vane-B。请参阅图7C所示，可调式叶片组290共有3层共15公分，每层有4个叶片291，倾斜45度。各层旋转夹角分别为：0°-22.5°-67.5°(逆时针)，编号为vane-C。

表1质流仪的仪器常数

该具体实施例的混凝土配比如下：

水泥浆(paste)，水泥浆为w/c＝0.37，胶结料为卜特兰一型水泥，强塑剂是以羧酸为主成分，用量为粉体重量的0.5％，其含水量计入拌和水的一部分。

水泥砂浆(mortar)，水泥砂浆w/c＝0.37，水、水泥、细粒料组成的重量比例分别为0.37∶1.0∶3.0，强塑剂是以羧酸为主成分，用量为粉体重量的0.5％，其含水量计入拌和水的一部分。

本发明混凝土(concrete)种类分别为SCC(自充填混凝土)、HPC(高性能混凝土)、OPC(传统混凝土-卜特兰一型水泥)，其配比是如下面的表2所示。SCC各项工作性试验须符合下面表格所示的建议值，其试验项目是为诸如：箱形充填试验(R2，≥30cm)，其仪器如图18A与图18B所示、V漏斗试验(7～20sec)，其仪器如图16所示、坍流度(55～70cm)，其仪器如图17所示等。配比编号为1。HPC仅要求坍流度的范围在55～70cm之间。配比编号为2。OPC要求的坍度为15公分。配比编号为3。SCC与HFC的强塑剂为羧酸。OPC的减水剂为萘磺酸系(SNF)。

1.粉体系自充填混凝土的评价目标值：

2.增黏剂系自充填混凝土的评价目标值：

3.并用系自充填混凝土的评价目标值：

注(1)：V75漏斗系指卸出口断面尺寸为75mm×75mm的V形漏斗。

(2)：S100漏斗系铅直设置的钢制中空圆柱体形漏斗，直圆管的上缘平滑可调水平，内壁为光滑表面，其内径为98mm、高为800mm、容积为6.28L，上下两端开口，于底端卸料口处，设有可瞬间开启且具水密性的阀门。

该具体实施例的量测结果如下：

水泥系材料的质流行为

本范例添加强塑剂，可分散水泥团聚结构，因此水泥浆的τy与η将显着降低，其质流行为符合Herschel-Bulkey模式如图8所示。

水泥砂浆的质流模式符合宾汉塑性体如图8所示，利用τy与η这两个参数可描述其质流行为。

OPC的质流行为以Herschel-Bulkey模式来模拟其质流行为时，精确度相当差，甚至无法回归方程式，若以宾汉流体的模式可粗估回归分析(以20rpm以后的数值计算)，如图9所示，扭矩值呈现上下跳动，主要原因是为普通坍度(slump＝15cm)的混凝土较不具有流动性质，当可调式叶片组240旋转时，粗粒料与可调式叶片组240的叶片241间产生打滑与撞击所致，OPC的质流行为符合宾汉模式。

SCC、HPC的质流行为大部分以宾汉模式模拟，即表示质流仪200所量测的T-N关系如公式(1)(2)，然而，试验结果显示Herschel-Bulkey模式亦可以模拟SCC、HPC的质流行为，其流变曲线及回归公式如图9所示与下面的公式(7)。

T＝T₀+aN^b              (7)

其中：a、b为常数，T₀为截距。

表2.混凝土配比

水泥系材料的黏度(η)

水泥浆初始新拌时η范围介于5.5～6.6pa.s之间。而水泥砂浆、OPC的质流模式符合宾汉流体，以vane-A为例，水泥砂浆η为29pa.s，0PC为32pa.s。

比较Herschel-Bulkey模式与宾汉流体模式发现，以这两种模式来模拟SCC、HPC的行为都有不错的结果，其R²都有0.99以上，如图10所示，若使用宾汉流体模式来分析，SCC的η以vane-A为例其值为32pa.s，而Herschel-Bulkey模式若以40rpm来计算初始值为38.9pa.s，η随着转速不同而有所改变，转速越快，η就越低。SCC、HPC的η是一个乘幂的方程式型态如公式(8)，此两种模式模拟其质流行为都有不错的结果。

η＝q×N^s    (8)

式中：η＝黏度(Pa.s)；q、s为参数；N＝为转速(rpm)

水泥系材料的τ_y

由试验的结果可以发现，水泥浆和水泥砂浆τ_y都是出现在转速为0.01～0.1(rad/s)之间，如图11所示。而HPC、SCC的τ_y多半出现在转速为0.05～0.15(rad/s)之间，转速与最大剪应力的关系为凹槽状的曲线，如图12、图13所示。

OPC具有很大的τ_y如图14所示，因为τ_y过大造成工作性不佳，故施工上必须藉由额外的捣实以降低颗粒间的摩擦力使混凝土具有较佳的充填的能力。

水泥系材料的η与τ_y比较

由图15可知，SCC、HPC、OPC的η相近，而τ_y相差甚多，其中OPC大约为HPC的4倍，是SCC的23倍，因此，若混凝土具有良好的自充填性能，必须使混凝土于流动变形时，粒料间的摩擦力大幅减少，使τ_y较小才具有优良的钢筋间隙通过性，其工作性试验结果如下面的表3所示。

表3、混凝土工作性试验结果

表3中：f7、f28分别代表7天与28天抗压强度

工作性试验的表示方式，例如slump flow，66/59表示66cm为初始新拌时的坍流度，59cm为1小时后的坍流度。

SCC、HPC、OPC可藉由本发明的质流仪区分其η与τ_y的范围，如图19、图20所示。而亦可藉由质流仪，建立混凝土坍度与对应的η与τ_y，因此，在现场实际生产混凝土，可以使用本发明的质流仪并判定对应的工作性，而不需要使用图16、图17、图18等的工作性测试仪，如此具有可以增加工作效率与减少劳务等的效益。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (9)

1.一种质流仪，用以量测一水泥系材料的流变性，其特征在于该质流仪包括：

一外桶，用以储置该水泥系材料；

一转杆，其一端是伸入于该外桶内；

一转速控制器，用以调整该转杆的转速；以及

至少一可调式叶片组，其是可更换地套接于该转杆，该可调式叶片组具有至少两叶片，且该可调式叶片组的半径(r₁)与该外桶的半径(r₀)的比值(r₁/r₀)是介于0.1～0.6的范围。

2.根据权利要求1所述的质流仪，其特征在于其中所述的可调式叶片组的该些叶片是为垂直叶片。

3.根据权利要求1所述的质流仪，其特征在于其中所述的可调式叶片组的该些叶片是为倾斜叶片，该些叶片具有相对依顺时针或依逆时针旋转的水平向夹角。

4.根据权利要求1所述的质流仪，其特征在于其中所述的可调式叶片组是共设有复数组，而分成多层设置于该转杆。

5.根据权利要求1所述的质流仪，其特征在于其中所述的转速控制器是控制该转杆的转速在0.001rad/s以上，以定速量测其扭矩，计算该水泥系材料的降伏剪应力。

6.根据权利要求1所述的质流仪，其特征在于其中所述的水泥系材料是选自于混凝土、砂浆与水泥浆的其中之一。

7.根据权利要求1所述的质流仪，其特征在于其是藉由量测混凝土的粘度与降伏剪应力确定对应的坍度。

8.根据权利要求1所述的质流仪，其特征在于其是藉由量测混凝土的粘度与降伏剪应力确定是否属于自充填混凝土。

9.根据权利要求1所述的质流仪，其特征在于其是藉由量测水泥系材料的粘度与降伏剪应力建立与包括坍度、坍流度的工作性测试法对应的关系，并取代该工作性测试法。

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