混凝土振搗棒作用半徑的影響因素研究

陳 雷，劉兆磊，王學(xué)光

(1.交通運(yùn)輸部公路科學(xué)研究所，北京 100088；2.北京新橋技術(shù)發(fā)展有限公司，北京 100088)

0 引 言

近年來，采用信息化控制技術(shù)指導(dǎo)現(xiàn)場施工的方法得到了廣泛重視和應(yīng)用，如GIS、虛擬現(xiàn)實(shí)、動(dòng)態(tài)仿真、網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控等技術(shù)正不斷應(yīng)用到工程施工現(xiàn)場的技術(shù)實(shí)施和管理中，采用這些信息技術(shù)能顯著改造和提升傳統(tǒng)施工工藝與方法[1-3]。但這些技術(shù)在現(xiàn)場細(xì)觀定量化評價(jià)與控制層面仍缺乏有效手段。例如進(jìn)行現(xiàn)場混凝土施工過程中的質(zhì)量監(jiān)控時(shí)，需要精細(xì)掌握主要?jiǎng)討B(tài)工藝指標(biāo)諸如澆筑拌合物性能、振搗狀態(tài)等信息，才能實(shí)現(xiàn)有效管控。

目前混凝土振搗施工主要采用插入式振搗棒、附著式振搗器等進(jìn)行，以人工操作為主，憑經(jīng)驗(yàn)控制。故振搗質(zhì)量受操作工人的技術(shù)經(jīng)驗(yàn)和質(zhì)量觀念影響較大，因振搗不當(dāng)造成的蜂窩麻面、空洞等缺陷時(shí)有發(fā)生，尚無科學(xué)有效的控制技術(shù)。

通過建立受振混凝土密實(shí)性與振搗棒參數(shù)的相關(guān)關(guān)系，進(jìn)而建立混凝土振搗密實(shí)評價(jià)模型以指導(dǎo)施工振搗，是提升混凝土振搗質(zhì)量控制水平的研究方向之一。對振搗棒在混凝土中振動(dòng)時(shí)的有效作用區(qū)域進(jìn)行準(zhǔn)確表征對混凝土密實(shí)性評價(jià)精度至關(guān)重要?；诖耍疚难芯苛苏駬v棒振動(dòng)時(shí)間、振搗頻率和混凝土流變性等對振搗棒作用半徑的影響，為混凝土振搗密實(shí)性評價(jià)模型的建立奠定基礎(chǔ)。

1 原材料與試驗(yàn)方案

1.1 原材料

水泥為普通硅酸鹽42.5#水泥，性能參數(shù)見表1。砂子為天然河砂，表觀密度為2.61 g·cm-3，細(xì)度模數(shù)為2.8。石子為5～12.5 mm粒徑碎石，表觀密度為2.79 g·cm-3，外加劑選用聚羧酸型減水劑和羥丙基纖維素類增稠劑。

1.2 試驗(yàn)方案

1.2.1 振搗作用半徑的表征

采用法國混凝土協(xié)會(huì)建議的方法測定振搗作用半徑，具體步驟為振搗棒插入新拌物后，在棒體兩側(cè)新拌物表面上，以固定間隔(約1 cm)均勻半插入一排鐵釘。試驗(yàn)采用的鐵釘長度為15 mm，直徑為1 mm，如圖1所示。啟動(dòng)振搗棒，直至表面鐵釘沉降情況穩(wěn)定不變后停止振動(dòng)，并錄制整個(gè)振動(dòng)過程中鐵釘?shù)某两狄曨l，分析作用半徑隨時(shí)間變化規(guī)律。振動(dòng)半徑由振動(dòng)結(jié)束后棒體兩端未下沉至液面以下的最近2個(gè)鐵釘間距的一半來表征，如圖2所示。

表1 水泥物理化學(xué)性能

圖1 試驗(yàn)鐵釘及布置示意圖

圖2 振動(dòng)前后鋼釘沉降情況

1.2.2 振搗棒參數(shù)

振搗棒采用手持式，棒徑分別為25 mm和35 mm，后接手持式變頻器，通過變頻器調(diào)節(jié)振頻f、振幅A。其中振頻f的測量是將加速度傳感器粘貼在棒體，振動(dòng)后通過動(dòng)態(tài)采集儀采集加速度信號，并經(jīng)頻譜分析得到。由于棒體為曲面，加速度傳感器平面底層無法僅貼在棒體面上，故無法準(zhǔn)確通過加速度信號獲取振幅。本研究使用膠帶將記號筆纏繞固定在懸空振搗棒上，并在棒體底端合適位置放置紙張，保證記號筆正好碰觸紙面。棒體振動(dòng)軌跡通過緊貼棒體的記號筆涂畫在紙面上，后經(jīng)拍照并通過Image軟件做圖像分析，計(jì)算得到振幅，如圖3所示。

圖3 振動(dòng)棒振動(dòng)參數(shù)采集

1.2.3 混凝土模具

根據(jù)一般10～20 cm坍落度的混凝土振搗作業(yè)經(jīng)驗(yàn)，振搗棒作用范圍的直徑為棒徑的10倍[4]。因此為保障試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性，模具水平截面最小邊長應(yīng)超過10倍棒徑。本文選用尺寸為Φ50 cm×30 cm的柱形木模，混凝土澆注過程中在模板內(nèi)壁及底部粘貼發(fā)泡橡膠，減小振動(dòng)能量反射效應(yīng)，保證更好表征現(xiàn)場實(shí)際情況。模具及振搗裝置的安放如圖4所示。

圖4 模具及振搗裝置

1.2.4 混凝土配合比

試驗(yàn)用混凝土配合比如表2所示。

表2 混凝土配合比

2 試驗(yàn)結(jié)果分析與討論

2.1 振動(dòng)時(shí)間的影響

使用35 mm振搗棒分別振動(dòng)C2、C4混凝土，并通過變頻器調(diào)節(jié)振頻，測量繪制振搗棒作用半徑的歷時(shí)變化曲線，如圖5所示。圖中作用半徑隨振動(dòng)時(shí)間增長快速增大然后趨于穩(wěn)定，這表明混凝土受振后固相顆粒間摩擦力并未立即消失，混凝土液化需要一定時(shí)間。

圖5 振搗棒作用半徑歷時(shí)變化

不同振頻、棒徑條件下，作用半徑達(dá)到穩(wěn)定所需時(shí)間(即穩(wěn)定歷時(shí))分別見圖6和圖7。由圖可知，隨著振搗棒振頻增加，其作用半徑穩(wěn)定歷時(shí)逐漸減小，而棒徑較小的振搗棒作用半徑達(dá)到穩(wěn)定所需時(shí)間較長。此外，除較干硬的C5混凝土外，常態(tài)混凝土流變性對半徑穩(wěn)定歷時(shí)影響較小，穩(wěn)定歷時(shí)都在4 s左右。這說明當(dāng)振搗棒振頻、棒徑增時(shí)，受振混凝土內(nèi)部剪切速率增加。而根據(jù)Forterre和Pouliquen等人[5]研究結(jié)果可知，固相顆粒所受剪切速率與顆粒間力鏈形成至斷裂時(shí)間成反比關(guān)系，因此力鏈斷裂時(shí)間縮短，顆粒間作用摩擦作用力減小或消失，混凝土振動(dòng)液化現(xiàn)象較快發(fā)生，作用范圍區(qū)域較快趨于穩(wěn)定。

圖6 振頻對作用半徑穩(wěn)定歷時(shí)影響

圖7 棒徑對作用半徑穩(wěn)定歷時(shí)影響

圖8 不同振頻下振搗棒振搗作用半徑

2.2 振動(dòng)參數(shù)的影響

不同振頻下振搗棒作用半徑見圖8。由圖可知，作用半徑隨著振頻提高而逐漸增大，并在200 Hz左右達(dá)到最大值。這可能是由于相比其他振頻，200 Hz最接近于新拌混凝土中大部分骨料共振頻率，因此混凝土受振稀化明顯，振動(dòng)作用范圍最大。其中，使用Φ25 mm振搗棒振搗混凝土?xí)r，除R-C4混凝土外，其他配比混凝土作用半徑始終小于5倍棒徑。Φ35 mm振搗棒振搗R-C2、R-C5混凝土?xí)r，在40～190 Hz振頻條件下，作用半徑始終低于5棒徑，而振搗R-C4、R-C6混凝土?xí)r，在190 Hz振頻條件下作用半徑分別約為6.5和6倍棒徑。

不同棒徑的振動(dòng)棒作用半徑如圖9所示，在R-C2和R-C4混凝土中，較大棒徑的振搗棒作用半徑更大。這是因?yàn)樵谑苷窕炷林?，被排開混凝土的質(zhì)量與振搗器棒頭的面積成正相關(guān)，根據(jù)流體動(dòng)力學(xué)原理，被排開混凝土質(zhì)量與被激起振動(dòng)混凝土質(zhì)量有著直接關(guān)系，因而作用半徑與插入式振搗器棒頭直徑也成正比關(guān)系。

圖9 不同棒徑對作用半徑影響

2.3 混凝土流變性的影響

混凝土中振搗棒的作用半徑隨新拌物塑性粘度τ0/μ的變化規(guī)律見圖10。由圖可知，作用半徑與塑性粘度基本呈反比關(guān)系，當(dāng)τ0/μ增加時(shí)，顆粒對振動(dòng)能量傳播衰減的影響性增強(qiáng)，即隨著τ0/μ增加時(shí)，混凝土骨料間距離減小，摩擦力增強(qiáng)，振搗能量耗散增多，因此作用半徑減??；而τ0/μ減小時(shí)，漿體對振動(dòng)能量傳播作用影響占主要地位，由于漿體粘度越大，分子間熱運(yùn)動(dòng)加劇，動(dòng)量輸運(yùn)交換更多，宏觀特征現(xiàn)象是作用半徑增加。

圖10 不同混凝土流變性對作用半徑影響

3 結(jié) 語

本文圍繞振搗棒在混凝土中振動(dòng)時(shí)的有效作用區(qū)域的表征，模擬研究了棒徑、振動(dòng)時(shí)間、振搗頻率和混凝土流變性等對振搗棒作用半徑的影響，得到以下主要結(jié)論：

(1)棒徑越大，振搗棒作用半徑越大，達(dá)到穩(wěn)定所需時(shí)間越短。

(2)隨振動(dòng)時(shí)間延長，作用半徑快速增大然后趨于穩(wěn)定。

(3)隨著振頻增加，作用半徑逐漸增大，并在200 Hz左右達(dá)到最大值，達(dá)到穩(wěn)定所需時(shí)間逐漸縮短。

(4)同振頻條件下，作用半徑與混凝土屈服應(yīng)力與塑性粘度比值呈反相關(guān)關(guān)系。

通過本文研究，為混凝土振搗密實(shí)性評價(jià)模型的建立奠定基礎(chǔ)，為混凝土振搗質(zhì)量信息化、智能化控制提供了新的研究思路。