水泥混凝土振動粘度系數(shù)分布規(guī)律試驗研究

趙立錦+陳新軒+梁鵬

摘 要：采用氣泡振動自動上浮的測試機理，模擬滑模攤鋪機現(xiàn)場施工設計試驗，在單根振搗棒作用下，測量混凝土振動粘度系數(shù)，研究料斗內(nèi)距離振搗棒軸心不同位置處混凝土振動粘度系數(shù)的分布規(guī)律，以及混凝土中氣泡上浮速度與振動粘度系數(shù)的關系。結(jié)果表明：距離振搗棒軸心越遠混凝土振動粘度系數(shù)越大，混凝土中氣泡上浮速度越慢。

關鍵詞：振動粘度系數(shù)；單根振搗棒；氣泡振動；水泥混凝土

中圖分類號：U414 文獻標志碼：B

文章編號：1000-033X（2016）05-0039-04

Abstract： The construction process of slipform paver was simulated by adopting the testing mechanism of bubble vibration and automatic floating. Under the action of a single vibrating rod， the vibration viscosity coefficient of cement concrete was measured. The varying of vibration viscosity coefficient of cement concrete within the hopper following the position change around the axis of the vibrating rod was studied， as well as the relationship between the floating speed of bubbles in the concrete and the vibration viscosity coefficient. The results show that the vibration viscosity coefficient becomes bigger when the concrete is farther away from the axis of the vibrating rod， and the bubble is floating more slowly as well.

Key words： vibration viscosity coefficient； single vibrating rod； bubble-vibrated automatic floating； cement concrete

0 引 言

一直以來，測試混凝土性能時，坍落度作為混凝土流動性的度量單位，是一個靜態(tài)工作性指標，對于流變學性能中諸如易密性、粘聚性和穩(wěn)定性等指標無法測定，必須輔以其他方法進行測量。因此，鑒于坍落度對新拌混凝土流變學特性控制的不足，1996年交通運輸部公路科學研究院傅智研究員提出了新拌混凝土振動粘度系數(shù)測試理論及試驗方法，并在2014年將其列入《公路水泥混凝土路面施工技術細則》[1-2]。

本文以維特根SP250攤鋪機的振搗棒作為參考，設計模擬攤鋪機料斗內(nèi)混凝土的振動液化試驗，測量距離振搗棒軸心不同位置處的振動粘度系數(shù)、混凝土中氣泡上浮速度，研究振動粘度系數(shù)在料斗內(nèi)的分布規(guī)律，以及氣泡上浮速度與振動粘度系數(shù)之間的關系，從而對滑模施工中振搗棒在料斗內(nèi)安放位置的確定和攤鋪機攤鋪速度的選擇建立有力依據(jù)[3-4]。

1 液化機理分析

當用振動棒對新拌的混凝土進行振動時，振搗棒所產(chǎn)生的能量波源源不斷地傳遞給混凝土。振動波的起振速度為45 m·s-1，終止速度為250 m·s-1。在新拌混凝土中，水泥水化反應所產(chǎn)生的膠體表面吸附有大量的弱結(jié)合水，當有外力干擾時，弱結(jié)合水轉(zhuǎn)變?yōu)樽杂伤炷脸尸F(xiàn)塑性狀態(tài)。此時，壓力波同時對水分子、水泥和骨料固體產(chǎn)生作用力，且對水分子的作用力大于對水泥和骨料固體，因此水分子的移動距離大于水泥和骨料固體的移動距離。但新拌混凝土中相互接觸的顆粒會阻礙水分子的移動而產(chǎn)生水壓，在水壓的作用下骨料被持續(xù)的擠壓，骨料間距也由此不斷增大，骨料間的內(nèi)摩擦力不斷減小。同時，顆粒間的接觸點會由于振動的作用而分開，這樣大大降低了骨料間的嵌擠力，由此減小內(nèi)摩擦力。在骨料顆粒自身重力的作用下，骨料顆粒逐漸下落到最適宜的穩(wěn)定位置，并排出大量的氣泡，而大氣泡由于浮力大比小氣泡更容易排出，振動停止后，混凝土從溶膠體轉(zhuǎn)變?yōu)槟z體，因此混凝土結(jié)構(gòu)比振動之前更為致密結(jié)實[5-8]。

2 試驗原理、材料及設備

2.1 振動粘度系數(shù)測試機理

交通運輸部公路科學研究院傅智研究員擴展了斯托克斯粘度定律的使用范圍，將落球式改為氣泡振動自動上浮式來測振動粘度系數(shù)，并成功運用于新拌混凝土振動狀態(tài)下結(jié)構(gòu)粘度系數(shù)的測量，證明理論和試驗相吻合?；炷琳駝訝顟B(tài)結(jié)構(gòu)粘度系數(shù)計算公式如下

2.2 試驗材料

（1）水泥。本試驗選用北京金隅普通硅酸鹽42.5#水泥，金隅水泥的物理力學性能與技術指標如表1所示。

（2）砂。本試驗所選用的河砂來自北京，具體的技術指標如表2所示。

（3）粗集料。本試驗采用的粗集料產(chǎn)自北京，為10～22 mm和5～9.6 mm兩種級配的碎石。按照水泥混凝土路面試驗規(guī)范對碎石做相應的檢測，具體技術指標如表3所示。

（4）水?；炷涟韬陀盟畞碜詫嶒炇遥碾s質(zhì)含量符合國家標準《生活飲用水衛(wèi)生標準》（GB5749—2006）的要求，可直接飲用。

（5）外加劑。本試驗采用自制的復合型引氣減水劑烷基磺酸鹽，可以減少用水量，改善和易性與粘聚性，同時混凝土的強度還略有提升。

2.3 試驗配合比及強度測試

本試驗所采用配合比如表4所示。表4中的配合比引氣劑摻量為水泥用量的0.2%，測得坍落度為10 mm，含氣量為4.4%。另外，測得3 d的強度為18.97 MPa、7 d強度為28.9 MPa、28 d強度為34.4 MPa，滿足C30防護欄配合比的要求。

2.4 試驗設備及步驟

本試驗主要試驗儀器有：長、寬、高分別為50 cm、50 cm、40 cm的長方體鐵模具2個，模具的4個側(cè)板均可以打開；Wirtgen公司提供的電動直型振搗棒1根，直徑為70 mm；直徑為40 mm的乒乓球若干；電子稱、稱料桶、秒表等。

試驗方法及步驟：將鐵模具內(nèi)表面進行潤濕，并均勻擺放8個乒乓球，使乒乓球球心連成1條直線，此直線與振搗棒軸心的距離為44.5 cm；利用強制性攪拌鍋攪拌120 s后，將混凝土倒出，用鐵鍬鏟取少量混凝土將乒乓球覆蓋住，在覆蓋的過程中，用手輕輕地穩(wěn)住乒乓球防止發(fā)生位移；當所有的乒乓球均被覆蓋之后，向模具內(nèi)裝混凝土。在此過程中，振搗棒豎直擺放，裝完后混凝土的初始高度為33 cm；開啟振搗棒和秒表計時器，振搗棒振動過程中，盡量保持振搗棒的位置固定不動；當?shù)?個乒乓球浮出混凝土表面時，秒表計時器停止計時；打開距離8個乒乓球最近的側(cè)模板，小心翼翼地去除混凝土，使得乒乓球顯露出一半即可，找到8個乒乓球的位置，如圖1所示；記錄每個乒乓球距離底板的高度，統(tǒng)計原始數(shù)據(jù)。由于混凝土試驗有很大的隨機性，因此每組試驗做3次，取其平均值，對大于平均值10%的數(shù)據(jù)刪除，對剩余2個數(shù)據(jù)取平均值。

3 試驗數(shù)據(jù)分析與結(jié)論

試驗總共進行3組，第1組乒乓球中心連線到振搗棒軸心距離為44.5 cm，第2組乒乓球中心連線到振搗棒軸心距離為29.5 cm，第3組乒乓球中心連線到振搗棒軸心距離為14.5 cm。3組試驗中乒乓球布置間距不變。

根據(jù)公式（2），計算每個乒乓球所處位置的振動粘度系數(shù)，同時計算出每個乒乓球到振搗棒的距離。計算距離時，以振搗棒軸心和乒乓球球心為基準，根據(jù)上升高度和時間計算平均上浮速度，得到的試驗數(shù)據(jù)如表5所示。

考慮到混凝土試驗具有很大的隨機性和不可控性，試驗數(shù)據(jù)出現(xiàn)部分偏差較大的點屬于正常現(xiàn)象。

以振搗棒軸心接觸模具底板的點為坐標圓心建立三維坐標系，其中X、Y方向代表乒乓球的具體坐標位置，Z方向代表乒乓球所處位置的混凝土振動粘度系數(shù)，利用origin 9.0進行繪圖處理，剔除試驗數(shù)據(jù)中的異常點，可直觀看到整個模具內(nèi)不同位置混凝土的振動粘度系數(shù)結(jié)果，如圖2所示。

圖2表示模具內(nèi)不同位置的振動粘度系數(shù)，顯然距離振搗棒不同位置的混凝土振動粘度系數(shù)是不同的。振動粘度系數(shù)沿著X坐標正方向不斷增大，同樣沿著Y軸正方向也不斷增大，這充分反映了振動波是環(huán)形傳播的。在相同振動時間的前提下，距離振搗棒越近，振動液化速度越快，混凝土的粘度系數(shù)越??；反之，則混凝土的振動粘度系數(shù)越大，但并非呈線性增長。根據(jù)表5中的數(shù)據(jù)，選取氣泡上浮速度和振動粘度系數(shù)2個參數(shù)，研究兩者的關系，繪制曲線如圖3所示。在圖3中發(fā)現(xiàn)氣泡上浮速度是隨著振動粘度系數(shù)的增加而急劇減小，當振動粘度系數(shù)超過900 Ns·m-2時，氣泡上浮速度不超過0.5 cm·s-1，且隨著振動粘度系數(shù)的繼續(xù)增大，氣泡上浮速度變化不明顯。防護欄滑模所用的混凝土振動粘度系數(shù)最佳值在700～900 Ns·m-2，表5中最大振動粘度系數(shù)是990.74 Ns·m-2，對應的乒乓球平均上浮速度為0.21 cm·s-1。當振動粘度系數(shù)為707 Ns·m-2時，乒乓球平均上浮速度為0.29 cm·s-1。

圖3 氣泡上浮速度與振動粘度系數(shù)的關系

設防護欄側(cè)置料斗混凝土料位高度為H，則在單根振搗棒作用下，氣泡從混凝土底部到冒出混凝土表面的平均速度為v，所用的時間（假設連續(xù)供料，料位高度不變）為

t=Hv（3）

單根振搗棒作用時，式（3）計算出來的時間其實也是混凝土振動液化所需要的時間。同時，根據(jù)表5可知振搗棒的最佳布置位置。在施工中可根據(jù)振動液化時間合理選擇攤鋪速度。

4 結(jié) 語

振動粘度系數(shù)能夠很好地反映滑模施工中混凝土的動態(tài)工作性能，通過對試驗結(jié)果的分析，發(fā)現(xiàn)距離振搗棒軸心位置越遠，混凝土的振動粘度系數(shù)越大，其增長速度隨著距離的增大而加速提高。根據(jù)《公路水泥混凝土路面施工技術細則》對混凝土振動狀態(tài)下混凝土結(jié)構(gòu)粘度系數(shù)的要求，在公路中央防護欄等附屬構(gòu)造物的滑模施工中，欲達到理想的振動液化效果，建議料斗內(nèi)的振搗棒與料斗內(nèi)壁之間的距離不超過55 cm。確定混凝土中氣泡上浮速度與振動粘度系數(shù)的關系，可結(jié)合施工時具體的混凝土料位高度，給出合理的攤鋪作業(yè)速度，避免出機后構(gòu)造物出現(xiàn)麻面和溜肩等現(xiàn)象，可提高施工質(zhì)量。

參考文獻：

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[責任編輯：高 甜]