[论文解读] Spherical Balls Settling Through a Quiescent Cement Paste Measured by X-ray Tomography: Influence of the Paste Thixotropy

Subhransu Dhar, Eduardo Machado-Charry+3 more|arXiv (Cornell University)|Jan 22, 2026

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一句话总结

论文通过X射线断层成像跟踪老化水泥浆中球形钢球的沉降，发现平均沉降速度随浆龄以对数方式下降，并且静态屈服应力能预测球的停滞；并开发了描述速度演化的触变模型。

ABSTRACT

The settling of spherical balls in quiescent cement pastes of increasing age is studied. Metallic spheres with radii of 2, 2.5 and 3mm are dropped into the paste and allowed to settle, while their position is tracked using X-ray tomography. The instantaneous velocity of the spheres, calculated from their movement, is observed to be quasi-constant during their fall, and an average is estimated. The results show that the average velocity of the balls decreases logarithmically with paste age until ball stoppage, for all three ball sizes. In parallel, the rheological properties of the cement paste are measured using a rheometer with a vane geometry. The evolution of the paste static yield stress over time is evaluated, and proves to be a reliable predictor for ball stoppage. Finally, thixotropic models of increasing complexity are evaluated. These models consider four forms of structural growth and breakdown parameters, and their ability to capture the ball settling velocity as a function of paste age is compared. This emphasizes the importance of considering paste breakdown in relation to shearing of the paste when the ball passes through it.

研究动机与目标

• 了解水泥浆老化（触变性）如何影响嵌入球的沉降。
• 利用X射CT在不同浆龄下量化球速与停滞。
• 表征浆体流变学（存储模量、复合粘度、屈服应力）随时间的变化，以解释沉降行为。
• 开发并比较耦合结构增长与破坏的触变模型，以预测球速。
• 识别一个实用的预测因子（静态屈服应力）用于老化浆体中的球停滞。

提出的方法

• 制备水胶比为0.50的水泥浆并加入减水剂/缓凝剂；测试前对浆体进行老化。
• 将半径为2、2.5、3 mm的球形钢球投放到充满浆体的垂直有机玻璃管中，并以25帧/秒的X射CT跟踪其位置。
• 从球的位置随时间的变化中计算瞬时和平均沉降速度。
• 采用转子式转矩几何测量流变性，得到G′、G″、复粘度η*以及通过振幅扫描和时间演化得到的静态屈服应力τs。
• 拟合触变模型，将结构增长（λg）与破坏（λb）的参数联立以通过 v = W[1+(λ)^{n}]^{-1} 预测速度，其中W由密度差和η0决定。
• 评估四种模型情形(I–IV)，它们在λg和λb的表达上不同，并与实验速度进行比较。

实验结果

研究问题

• RQ1 浆龄在静止时如何影响沉降中的球在水泥浆中的稳态速度？
• RQ2 具有结构增长与破坏的触变模型是否能捕捉观测到的速度衰减和最终停滞？
• RQ3 静态屈服应力是否是老化水泥浆中球停滞的可靠预测因子？
• RQ4 浆龄对流变性质（G′、η*、屈服应力）的演化及其与球动力学的关系？

主要发现

• 球的瞬时速度在下落过程中趋于准常数，平均速度随浆龄以对数方式下降直至停滞。
• 在高剪切条件下动态粘度大致达到1 Pa·s的稳态，静态屈服应力随时间大致线性增长（τs(t) ≈ 0.026 t + 3.55）。
• 四种触变模型情形中II和IV拟合数据更好，IV的决定系数约为0.91，强调球对浆体破坏所引起的破碎效应的重要性。
• 对于球停滞的预测屈服应力（理论τy）与在测试的半径范围内实测的静态屈服应力（τs）一致，表明τs比动态屈服应力更能预测停滞。
• 研究证实在球穿过过程中考虑浆体解结构化（液化）对老化水泥浆沉降速度的准确建模至关重要。