806 工程科学学报，第42卷，第7期 流变学的深度研究带来极大挑战.膏体流变特性 2.2膏体的剪切稀化与剪切增稠 对多种外部因素扰动敏感度高，因此，膏体流变测 不同的膏体料浆在不同剪切环境中往往表 试对仪器及测试标准提出了很高的要求.此外，基 现出不同程度的剪切稀化和剪切增稠行为.文 于上述原因，在研究宏观流变行为及微细观结构 献[25,34-36发现，膏体在剪切作用下表现出剪 演化时，单一孤立的测试与研究难以获得有说服 切稀化现象，同时剪切稀化的时变特性与剪切速 力的结果 率存在明显的相关性.文献[24,37刀进一步研究发 现，同一膏体可表现出剪切稀化或剪切增稠行为， 2膏体流变特性 与所受的剪切作用相关.剪切速率较低时，膏体表 大量实验发现，不同材料配制的膏体均表现出 现出剪切稀化行为：随着剪切速率继续增加，音体 典型的非牛顿流体特性，但在黏性、塑性、弹性、触 表观黏度趋于稳定，基本符合宾汉体特性：当剪切 变性、剪切稀化及剪切增稠等特征上各有差异 速率超过某一阈值，膏体表现出剪切增稠行为 2.1膏体的黏弹塑性 文献[37刀]认为膏体的不同流变行为与其细观结 膏体的黏弹塑性特征可通过理想的应力测试 构的演变规律有关.当膏体发生剪切稀化时，颗粒间 曲线进行阐述，如图1所示.在控制剪切速率 连接松散、无序：随着剪切速率增加，颗粒间的随机碰 (CSR)模式下，剪切应力缓慢增加.膏体在初始阶 撞逐渐在流动过程中变得有序，屈服应力与黏度逐渐 段未发生流动，表现出弹性性质，应力应变呈线性 降低并趋于稳定；当剪切速率超过某一阈值时，强剪 关系，满足胡克定律(AB段)：剪切应力增加到某 切促使膏体内部颗粒碰撞、粘连、聚集频度增加，作 一值时，应力应变呈非线性变化，表现出黏弹性特 用力增强，表现出剪切增稠现象，如图2所示 征(BC段)：剪切应力持续增加至超过某一特定值 2.3膏体的触变性 时(C点，通常将C点作为屈服点，认为膏体于此 触变性是流体在剪切、振荡等机械力作用下 点发生固-流转变行为)，膏体发生流动，主要表现 发生的一种可逆流变行为.膏体的触变性表现为： 出黏性性质(CD段) 在给定的温度等外界条件下，当受到剪切作用时， 屈服应力及黏度随时间减小；当剪切作用撤去后， 屈服应力及黏度随时间逐渐增大.通常认为触变 行为反映了膏体细观结构的破坏与重建过程，即 Paste 2 ed/ssans 一定的剪切作用导致结构破坏速率大于重建速 Paste 3 率，剪切应力及黏度降低，当剪切作用撤去，结构 Paste 4 的重建速率大于破坏速率，剪切应力及黏度逐渐 恢复B8-0由于恢复需要一定的时间，故存在滞后 性，在试验中表现为应力滞后环，即触变环 Time/s 一些分析认为3，，触变环面积可以作为判断 图1典型的膏体剪切应力-时间曲线) 材料触变性强弱的依据.但膏体试验研究表明，触 Fig.1 A typical shear stress-time curve of paste 变环分析法存在明显的局限性，触变环仅能表征 剪切速率对触变性的影响，而不能有效反映时间 在整个剪切过程中，通常认为在初始阶段膏 因子的作用.如图3所示，剪切速率的峰值不同， 体中的大量颗粒形成了具有一定刚度的网状结 触变环的形态尤其是下行曲线差异显著，若采用 构，具备一定抵抗变形的能力：随着应力增加，网 下行曲线对流变参数进行回归，触变后的塑性黏 状结构中部分节点达到其弹性极限，开始发生断 度往往大于触变前塑性黏度，这与实际情况不符 裂，膏体内部体系处于黏弹性过渡；直至网状结构 因此，触变环仅能作为材料触变性的定性判别依 完全失效，此时应力达到最大值：随后，膏体发生 据，而无法定量描述触变性的大小，亦不能据此获 不可恢复且稳定的塑性流动，表现出黏塑性特征， 得真实触变参数 故在稳态流动时表现为黏塑性体 膏体的触变行为反映了内部结构对剪切作用 膏体充填料浆屈服前表现出黏弹性固体的特 及剪切时间的响应，因此膏体触变性的准确评价 性，屈服后表现为黏塑性体的特性，膏体充填料浆 也需同时考虑以上两个因素.文献24提出了一 在全生命周期内表现出复杂的黏塑性体特征 种膏体触变性的表征方法，因发现剪切速率恒定流变学的深度研究带来极大挑战. 膏体流变特性 对多种外部因素扰动敏感度高，因此，膏体流变测 试对仪器及测试标准提出了很高的要求. 此外，基 于上述原因，在研究宏观流变行为及微细观结构 演化时，单一孤立的测试与研究难以获得有说服 力的结果. 2    膏体流变特性 大量实验发现，不同材料配制的膏体均表现出 典型的非牛顿流体特性，但在黏性、塑性、弹性、触 变性、剪切稀化及剪切增稠等特征上各有差异. 2.1    膏体的黏弹塑性 膏体的黏弹塑性特征可通过理想的应力测试 曲线进行阐述 ，如图 1 所示. 在控制剪切速率 （CSR）模式下，剪切应力缓慢增加，膏体在初始阶 段未发生流动，表现出弹性性质，应力应变呈线性 关系，满足胡克定律（AB 段）；剪切应力增加到某 一值时，应力应变呈非线性变化，表现出黏弹性特 征（BC 段）；剪切应力持续增加至超过某一特定值 时（C 点，通常将 C 点作为屈服点，认为膏体于此 点发生固−流转变行为），膏体发生流动，主要表现 出黏性性质（CD 段）. 在整个剪切过程中，通常认为在初始阶段膏 体中的大量颗粒形成了具有一定刚度的网状结 构，具备一定抵抗变形的能力；随着应力增加，网 状结构中部分节点达到其弹性极限，开始发生断 裂，膏体内部体系处于黏弹性过渡；直至网状结构 完全失效，此时应力达到最大值；随后，膏体发生 不可恢复且稳定的塑性流动，表现出黏塑性特征， 故在稳态流动时表现为黏塑性体. 膏体充填料浆屈服前表现出黏弹性固体的特 性，屈服后表现为黏塑性体的特性，膏体充填料浆 在全生命周期内表现出复杂的黏塑性体特征. 2.2    膏体的剪切稀化与剪切增稠 不同的膏体料浆在不同剪切环境中往往表 现出不同程度的剪切稀化和剪切增稠行为. 文 献 [25, 34−36] 发现，膏体在剪切作用下表现出剪 切稀化现象，同时剪切稀化的时变特性与剪切速 率存在明显的相关性. 文献 [24, 37] 进一步研究发 现，同一膏体可表现出剪切稀化或剪切增稠行为， 与所受的剪切作用相关. 剪切速率较低时，膏体表 现出剪切稀化行为；随着剪切速率继续增加，膏体 表观黏度趋于稳定，基本符合宾汉体特性；当剪切 速率超过某一阈值，膏体表现出剪切增稠行为. 文献 [37] 认为膏体的不同流变行为与其细观结 构的演变规律有关. 当膏体发生剪切稀化时，颗粒间 连接松散、无序；随着剪切速率增加，颗粒间的随机碰 撞逐渐在流动过程中变得有序，屈服应力与黏度逐渐 降低并趋于稳定；当剪切速率超过某一阈值时，强剪 切促使膏体内部颗粒碰撞、粘连、聚集频度增加，作 用力增强，表现出剪切增稠现象，如图 2 所示. 2.3    膏体的触变性 触变性是流体在剪切、振荡等机械力作用下 发生的一种可逆流变行为. 膏体的触变性表现为： 在给定的温度等外界条件下，当受到剪切作用时， 屈服应力及黏度随时间减小；当剪切作用撤去后， 屈服应力及黏度随时间逐渐增大. 通常认为触变 行为反映了膏体细观结构的破坏与重建过程，即 一定的剪切作用导致结构破坏速率大于重建速 率，剪切应力及黏度降低，当剪切作用撤去，结构 的重建速率大于破坏速率，剪切应力及黏度逐渐 恢复[38−40] . 由于恢复需要一定的时间，故存在滞后 性，在试验中表现为应力滞后环，即触变环. 一些分析认为[23, 41] ，触变环面积可以作为判断 材料触变性强弱的依据. 但膏体试验研究表明，触 变环分析法存在明显的局限性，触变环仅能表征 剪切速率对触变性的影响，而不能有效反映时间 因子的作用. 如图 3 所示，剪切速率的峰值不同， 触变环的形态尤其是下行曲线差异显著，若采用 下行曲线对流变参数进行回归，触变后的塑性黏 度往往大于触变前塑性黏度，这与实际情况不符. 因此，触变环仅能作为材料触变性的定性判别依 据，而无法定量描述触变性的大小，亦不能据此获 得真实触变参数. 膏体的触变行为反映了内部结构对剪切作用 及剪切时间的响应，因此膏体触变性的准确评价 也需同时考虑以上两个因素. 文献 [24] 提出了一 种膏体触变性的表征方法，因发现剪切速率恒定 Paste 4 Paste 3 Paste 2 τy C D B Shear stress/Pa Time/s A Paste 1 图 1    典型的膏体剪切应力−时间曲线[33] Fig.1    A typical shear stress−time curve of paste · 806 · 工程科学学报，第 42 卷，第 7 期