混凝土振搗密實性研究進(jìn)展

田正宏，馬元山，李佳杰

（河海大學(xué) 水利水電學(xué)院，江蘇 南京 210098）

1 概述

混凝土施工幾乎應(yīng)用于所有工程［1］，其構(gòu)件或結(jié)構(gòu)質(zhì)量與拌和物振搗工藝密不可分.遺憾的是，因現(xiàn)場工藝受“人機料法環(huán)”等隨機因素的影響，混凝土施工質(zhì)量問題依然常見.其中，振搗作為關(guān)鍵工序，勞動強度大、機械設(shè)備簡單且精細(xì)管理要求難.如何準(zhǔn)確控制振搗工藝是混凝土能否達(dá)到“外光內(nèi)實”的主要成因.從宏觀角度看，澆搗階段混凝土被稱為拌和物，屬非均勻相變混合型過程性材料，其受強迫振動，內(nèi)部動力學(xué)特性復(fù)雜，鮮見振搗密實理論方法與技術(shù)應(yīng)用，相關(guān)研究進(jìn)展緩慢.國內(nèi)外施工標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范對振搗工藝要求也僅限于定性表述，并無明晰性指標(biāo)規(guī)定.實踐中拌和物振搗工藝及密實效果更多依靠現(xiàn)場經(jīng)驗判斷，缺乏科學(xué)理論方法指導(dǎo)及量化分析手段.振搗采用人工操作，存在不少質(zhì)量缺陷，且一旦缺陷形成后處理代價不菲.這類問題難以破解的關(guān)鍵在于：大流變混合介質(zhì)動力致密機制與精細(xì)過程力學(xué)理論的缺乏，導(dǎo)致振搗參數(shù)化表征困難，因而密實效果不易精準(zhǔn)管控，這也是數(shù)字化或自動化振搗一直未能有效得以應(yīng)用推廣的痛點所在.

鑒于此，本文試圖梳理拌和物振搗研究的技術(shù)現(xiàn)狀，分析當(dāng)前振搗密實理論、影響因素及成型質(zhì)量評價等方面已取得的進(jìn)展，提出亟待深入研究的關(guān)鍵問題，希望能起到拋磚引玉的作用，并籍此對未來振搗工藝數(shù)字化與混凝土智能施工提供參考.

2 振搗密實理論

2.1 振動流變

混凝土拌和物是多相多尺度的混合流變體.目前研究普遍采用3 種宏觀力學(xué)模型［2］，分別為Bingham 模 型［3-4］、改 進(jìn) Bingham 模 型［5-6］及Herschel-Bulkley 模型［7-8］.其中，Bingham 模型公式簡單實用，是最常用的模型.

宏觀上拌和物振搗過程無論從理論闡述、數(shù)值分析或試驗研究，均證明了激振作用可使拌和物屈服應(yīng)力大幅減小甚至降為零［9-11］，促進(jìn)其氣泡排逸、粗骨料顆粒穩(wěn)定下沉且形成緊密的骨架結(jié)構(gòu).其中，Tattersall 等［12］是最早研究混凝土受迫振動下流變參數(shù)變化的學(xué)者，他們認(rèn)為振動使拌和物屈服應(yīng)力降低甚至可忽略不計，振動下拌和物接近于牛頓流體且塑性黏度隨振動減少［13-14］.Petrou 等［15-16］則采取骨料示蹤方法，用99#Tc 同位素標(biāo)記鐵球和鋁球，通過閃爍照相機獲取小球在振搗狀態(tài)下的運動軌跡，發(fā)現(xiàn)小球隨振動施加持續(xù)沉降，結(jié)束振動則停止，也證明了振動能大幅度減小拌和物的屈服應(yīng)力，并引發(fā)其流動.Banfill等［17-18］也證實了上述規(guī)律，并定義受振拌和物內(nèi)部剪切應(yīng)力τw大于拌和物屈服應(yīng)力τ0的區(qū)域為振搗有效范圍（見圖1），在有效范圍外τw＜τ0，此時粗骨料無法克服介質(zhì)屈服應(yīng)力而沉降，氣泡也難以在漿體黏滯力的作用下上浮排逸，故該區(qū)域拌和物不能達(dá)到密實狀態(tài).Hu 等［19］利用Btrheom 流變儀測試拌和物的振動流動特性，發(fā)現(xiàn)振動作用下拌和物仍符合Bingham 模型，只是振動使其屈服應(yīng)力降低了約50%，而塑性黏度幾乎不受影響，這與Tattersall 等［12］的研究結(jié)論并不一致.Krstulovi? 等［20］推導(dǎo)出改進(jìn)Bingham 振動流變模型，但因涉及非連續(xù)體變形大的問題，求解非常困難，且試驗與模型計算對比表明該模型并不十分可靠.Li等［21］利用RSNS振動流變儀分析了拌和物在不同振動時間t下剪切速率γ與剪切應(yīng)力τ的關(guān)系，結(jié)果見圖2.由圖2 可見：振動大幅度減小了拌和物的屈服應(yīng)力（γ=0 時的剪切應(yīng)力）；對于給定剪切應(yīng)力，振動時間越久，對應(yīng)的剪切速率越大，表明振動作用及振動時間是削弱拌和物自身剪切應(yīng)力的主因.基于Eyring 速率過程黏度理論［22-23］，低剪切應(yīng)變率下拌和物表現(xiàn)為Bingham 流體，當(dāng)振動時間足夠長時則表現(xiàn)為牛頓液體；高剪切應(yīng)變率下剪切應(yīng)變率-應(yīng)力則符合對數(shù)函數(shù)模型.

圖1 拌和物振搗作用影響范圍Fig.1 Range of influence of mixing material vibration［18］

拌和物作為屈服應(yīng)力流體，研究其流動特性時，一般忽略其非均勻性，且認(rèn)為流體只受初始應(yīng)力作用而發(fā)生流動［24-25］.這與持續(xù)激振作用下拌和物內(nèi)部組分相位動態(tài)變化，進(jìn)而達(dá)到密實狀態(tài)有著本質(zhì)區(qū)別.由于缺乏激振力參數(shù)與拌和物流變動力學(xué)耦合等參數(shù)化模型的分析依據(jù)，難以解釋激振效應(yīng)所產(chǎn)生的動剪切力對屈服應(yīng)力及塑性黏度等動參數(shù)的影響機理機制和組分相位的時變程度.拌和物流變理論可參數(shù)化表征其流動特性并預(yù)測影響范圍；但實際拌和物振搗時，內(nèi)部鋼筋、模板與預(yù)埋件等阻礙衰減效應(yīng)相當(dāng)復(fù)雜，且難以準(zhǔn)確量化，振動流變特性一直以來無法采用參數(shù)化模式表征.此外，已有混凝土流變儀種類繁多、規(guī)格尺寸及測試方法不一，所測參數(shù)缺少本征含義.這類流變儀現(xiàn)僅能用于實驗室，而不適用于現(xiàn)場振搗拌和物的檢測和評價.因此，實際應(yīng)用中振動流變參數(shù)依舊難獲取，現(xiàn)場拌和物振搗密實狀態(tài)也難以基于理論方法得出準(zhǔn)確有效的評判.

拌和物受振密實本構(gòu)關(guān)系應(yīng)充分考慮其相位非均勻時變特性來進(jìn)行構(gòu)建，并以此來評判其密實狀態(tài).部分學(xué)者［26-27］將混凝土拌和物視為一種顆粒堆積材料，并發(fā)現(xiàn)其流變響應(yīng)與Hanotin 等［28］振動顆粒的本構(gòu)模型非常吻合.該模型可從顆粒體系角度解釋拌和物受振過程屈服應(yīng)力的消散機制，即振動導(dǎo)致拌和物顆粒骨架力鏈破壞，屈服應(yīng)力消除，進(jìn)而使其內(nèi)部組分流動.筆者認(rèn)為，拌和物的相變特征及外部激振方式不同，其密實判定不應(yīng)采取單一閾值界定，而應(yīng)采用欠振與過振間合理區(qū)間閾值來評判.要定義該閾值，首先需構(gòu)建基于振源動力、拌和物響應(yīng)、周邊約束及內(nèi)部阻隔效應(yīng)的多變量耦合模型，其次需根據(jù)模型受振顆粒體系的時空演變特性，結(jié)合宏細(xì)觀組分耦合效果作為定義閾值的判據(jù)，并考慮過程振動能量的吸收與耗散.

2.2 振動能量耗散

拌和物澆筑入模時裹挾大量氣泡，因骨料內(nèi)拱［29］以及漿體黏滯，有害氣泡（直徑D＞50 nm）無法自動排出.振動能量使顆粒與漿體產(chǎn)生受迫振動，并以振動波的形式向周圍骨料和漿體傳遞.美國混凝土協(xié)會（ACI）研究報告中給出的混凝土振動能量E［30］為：

式中：C為拌和物阻尼；m為受振混凝土的質(zhì)量；A為振源最大振幅；f為頻率.

顆粒物質(zhì)作為能量耗散體系，其接收外部輸入能量是通過內(nèi)部顆粒結(jié)構(gòu)的相位調(diào)整、互相摩擦而耗散掉的，因而拌和物的受振過程可視為顆粒體系振動能量的耗散過程.能量耗散中拌和物阻尼［31］包括：摩擦阻尼、黏滯阻尼及空氣阻尼.拌和物受振后，內(nèi)部骨料發(fā)生顆粒剛體翻轉(zhuǎn)與移位，骨料間及骨料與漿體間摩擦做功，構(gòu)成摩擦耗能系統(tǒng)并由機械能轉(zhuǎn)換為熱能，以摩擦阻尼形式耗散.受振后漿體的初始凝聚結(jié)構(gòu)被破壞并表現(xiàn)為黏度降低［32-33］、骨料下沉以及漿體流動充填骨料孔隙.因漿體運動及與顆粒間相對剪切均產(chǎn)生能耗，此時能量主要以黏滯阻尼形式耗散.此外，因為振動源與拌和物間能量傳遞交換延滯，且拌和物中并未排盡裹挾氣泡，所以能量波不能充分通過拌和物［30］，導(dǎo)致產(chǎn)生內(nèi)部空氣阻尼，并耗散部分能量.綜上，振動所產(chǎn)生的能量由上述各類阻尼所耗散，并以類似指數(shù)函數(shù)形式快速衰減［21，30］，且距振動源距離越遠(yuǎn)能量衰減越明顯，說明能量擴散存在有效范圍.

振動能量傳遞及阻尼耗散作用解釋了拌和物吸收振動能，從而達(dá)到密實狀態(tài)的過程機理.將拌和物看作顆粒體系，其能量耗散過程中存在耗散峰.到達(dá)耗散峰之前，顆粒摩擦主要產(chǎn)生能量耗散；耗散峰后，摩擦則表現(xiàn)為體系彈性增加［34］.混凝土拌和物這類顆粒體系在振動作用下內(nèi)部顆粒會逐漸密實，耗散峰即可表征其內(nèi)部的密實狀態(tài)，且耗散峰后體系彈性增加也可認(rèn)為是繼續(xù)振動作用下拌和物離析或分層狀態(tài)的特征.筆者利用電能儀測試了拌和物振搗過程電能的消耗總量，并通過振搗棒頭加速度計算了拌和物實際吸收的能量，提出振搗棒至拌和物的振動能量擴散模型［35］.由于拌和物在高頻振動下流-固耦合分析相當(dāng)復(fù)雜困難，因此分析時將拌和物的阻尼系數(shù)取為定值，其余振動能量皆以干摩擦阻尼與邊界阻尼形式耗散，由此可得到振搗棒棒體振動能量耗散規(guī)律，但依然不能準(zhǔn)確計算出拌和物各組分的能量耗散值.

截至目前，研究人員對拌和物受振過程的動力阻尼演變規(guī)律還未清楚，難以量化描述各組分吸能及動力空間的傳遞規(guī)律.這也直接導(dǎo)致了拌和物受迫振動響應(yīng)模型構(gòu)建困難.筆者認(rèn)為，需要設(shè)法建立拌和物內(nèi)部組分（如骨料）振動的實時響應(yīng)參量，以取得拌和物受振的激勵——響應(yīng)模態(tài)，明確激振作用下各組分阻尼的變化規(guī)律與耗散機制.顯然，更深入的研究必須要解決一些先決條件：假設(shè)受振狀態(tài)下顆粒的物理屬性明顯、化學(xué)作用微弱可忽略［21，36-37］；研究粗骨料在受振過程中沉降、翻轉(zhuǎn)、偏移等運動特征，可采用數(shù)值模擬（如離散元方法［38-39］）解析拌和物振動過程的耗能情況.但要進(jìn)一步明晰基于能量傳遞耗散機制，迫使細(xì)觀顆粒的架構(gòu)密實行為，利用特殊傳感器［40-43］模擬特征粗骨料，采集其受迫振動下不同位置顆粒的姿態(tài)變化與遷移量，結(jié)合模態(tài)仿真技術(shù)，弄清楚不同形式振動源下拌和物的動力響應(yīng)特征，以揭示骨料顆粒能量傳遞的規(guī)律，構(gòu)建拌和物能量耗散的表征方法.研究如何建立這類理論-試驗?zāi)Ｐ停瑢π纬砂韬臀镎駬v密實細(xì)觀理論架構(gòu)具有指導(dǎo)意義，也能為量化評價振搗密實規(guī)律提供可信依據(jù).

3 振搗工藝密實因素

上述理論體系已從不同角度揭示了拌和物受振過程內(nèi)部組分的相位變化機理及相關(guān)理論研究的發(fā)展方向.然而，實踐中拌和物振搗（振搗工藝）密實性因素尚處于初步宏觀探究階段.學(xué)術(shù)界及工程界一致認(rèn)為振搗密實與否，關(guān)鍵在于拌和物內(nèi)部特性及外部激振條件，但表征拌和物內(nèi)部特性的工作性定義較籠統(tǒng)概化，且內(nèi)外部激振條件、激振動力和振搗工藝描述等還遠(yuǎn)未達(dá)到模型參數(shù)化分析與應(yīng)用的要求.

3.1 振動設(shè)備

常用振動設(shè)備有外部和內(nèi)部振搗器（插入式振搗棒）.外部振動器有振動臺座、模板附壁振動器和表面平板振動器等.施工中不同設(shè)備不同工況，不可不加區(qū)別地混用［44-48］.振搗棒按內(nèi)部起振方式分為偏心式和行星式兩種［49-50］，振搗棒插入混凝土徑向傳遞激振力，是最通用的振搗設(shè)備［51］.內(nèi)置電機振搗棒效能更高［52］，且振源參數(shù)信號穩(wěn)定可靠易獲取.

振搗棒起振后，產(chǎn)生激振力傳遞給拌和物.有學(xué)者研究了設(shè)備振幅和頻率對拌和物受振過程狀態(tài)的影響：Kolek［53］提出拌和物振搗密實要求振幅應(yīng)大于0.4 mm；Forssblad［54］分析了受振拌和物的表面特征，結(jié)果表明振動頻率為200 Hz 時振動影響半徑最大；Hover［55］也認(rèn)為振搗器頻率不能過低，但頻率過高會導(dǎo)致大量微小氣泡排逸，影響混凝土的抗凍融能力.事實上，振搗棒因構(gòu)造、結(jié)構(gòu)、材料、裝配及使用方式不同，激勵源產(chǎn)生的動力參數(shù)差距明顯［56-57］.筆者專門對振動能量/激振力等基本參數(shù)、部件匹配及動力性能指標(biāo)等進(jìn)行了試驗分析，得到不同振搗棒的實際動力性能參數(shù)（見表1），發(fā)現(xiàn)振搗棒的振動主頻及棒頭相同位置的動力加速度均相差較大，且與標(biāo)定參數(shù)相差甚遠(yuǎn).Alexander［58］、Kolek［53］、何璐［59］和袁野真［60］試驗表明，振動加速度是拌和物內(nèi)摩擦減小的主要原因［61］，振動設(shè)備的動力加速度及拌和物內(nèi)部累計能量是其密實狀態(tài)表征的決定性因素［62］.因此，振搗棒設(shè)備輸出動力參數(shù)的正確與否，是準(zhǔn)確分析振搗效能的基礎(chǔ)，但目前缺少這方面的細(xì)化研究.

表1 不同振搗棒的實際動力性能參數(shù)Table 1 Actual dynamic performance parameters of different vibrating rods

為此，筆者建議分析振動效應(yīng)時，應(yīng)區(qū)分不同振動設(shè)備的原理和技術(shù)參數(shù)特征.針對設(shè)備的初始/負(fù)載振動參數(shù)響應(yīng)模態(tài)準(zhǔn)確性獲取等問題，建立正確的動力效能參數(shù)化輸入模型，是準(zhǔn)確分析振搗效能的前提條件.基于此，方可闡明拌和物激振源的動力特性.

3.2 工藝參數(shù)

振搗的工藝質(zhì)量目前還是以定性、概化經(jīng)驗評判居多.相關(guān)振搗施工規(guī)范規(guī)定［63-65］對振搗工藝密實判據(jù)以及國外相應(yīng)振搗密實性評價標(biāo)準(zhǔn)均較模糊［30］，設(shè)備與工藝參數(shù)指標(biāo)也缺乏嚴(yán)格統(tǒng)一性.對目前規(guī)范中各類設(shè)備振動工藝參數(shù)的控制要求進(jìn)行歸納，結(jié)果見表2.由表2 可見，施振設(shè)備參數(shù)雖涉及動力參數(shù)控制指標(biāo)，但振搗工藝質(zhì)量控制只能依靠經(jīng)驗判斷，而對所提動力參數(shù)指標(biāo)并沒有理論意義.基于此，從理論模型探討技術(shù)參數(shù)的可控角度，研究如何客觀量化表征實際工況下的振搗工藝參數(shù)是當(dāng)務(wù)之急.

表2 設(shè)備振動工藝參數(shù)控制要求Table 2 Vibration process parameter control results of various equipments

3.3 拌和物及邊界性質(zhì)

振動設(shè)備與工藝參數(shù)屬外部條件，而拌和物的內(nèi)部流動性、黏聚性等相變性質(zhì)往往是影響拌和物對于激振力施加效應(yīng)的主要方面之一.拌和物的內(nèi)部特性宏觀上用工作性來表征，良好工作性的拌和物易于在振搗作用下均勻密實填充，且不致發(fā)生分層和離析現(xiàn)象［74］.Otani［75］研究發(fā)現(xiàn)高流動性拌和物所需最優(yōu)振動時間低于塑性混凝土.Safawi等［33］利用粗骨料分布的均勻程度來表征離析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)拌和物黏度與離析呈負(fù)相關(guān).Navarrete 等［76］將拌和物視為粗骨料和砂漿的兩相混合物，通過振動離析度檢測發(fā)現(xiàn)粗骨料的最大粒徑及密度對拌和物的不均勻性影響最大，砂漿黏度次之.傅智［77］研究發(fā)現(xiàn)拌和物的坍落度與受振時振動黏度系數(shù)成反比關(guān)系，振動黏度系數(shù)越大，氣泡上浮歷時越長，需延長振動時間保證排氣密實.Mori 等［78］基于黏塑性有限元理論，提出了拌和物受振流動模擬分析法，認(rèn)為拌和物的流動性受振動加速度影響；Banfill等［79］通過埋入加速度傳感器測試不同位置的振動速率，發(fā)現(xiàn)振搗器的振動速率從振搗棒棒徑方向迅速衰減，基于此發(fā)現(xiàn)拌和物的液化和流動造成了振搗器附近能量的快速衰減.工作性作為固有物理屬性，可反映拌和物對激振作用的敏感度，是影響振動密實難易程度材料屬性的決定性因素.但目前研究依然停留在定性試驗與宏觀分析階段，并未深入考慮激振條件下拌和物工作性流變及相變對密實過程的影響機理，難以量化揭示拌和物受振工作性的變化規(guī)律.

此外，實踐中混凝土振搗應(yīng)考慮拌和物含有的鋼筋網(wǎng)、預(yù)埋件等內(nèi)部障礙物.Forssblad［80］和張艷聰?shù)龋?1-82］發(fā)現(xiàn)鋼筋在拌和物振動過程中對激振動能的傳播有明顯阻隔作用，振搗時需增大振動頻率并延長振搗時間［83］.此外，Liu 等［84］還專門研究了模板類型對最佳振動時間的影響.盡管考慮已有鋼筋混凝土及不同模板內(nèi)拌和物振動或振搗效應(yīng)的各類簡化分析方法［78-80，82］，但更精確的數(shù)值仿真方法依然缺乏基礎(chǔ)應(yīng)用條件.難點在于宏細(xì)觀層面的本構(gòu)模型及邊界參數(shù)的選擇、率定以及仿真結(jié)果可靠性的物模驗證等缺失.

因此，筆者認(rèn)為要客觀闡釋清楚拌和物振搗時流變性演變機制，弄清內(nèi)部鋼筋、預(yù)埋件條件下能量傳遞耗散的影響規(guī)律，宜采用拌和物均質(zhì)化和內(nèi)部障礙物離散化的分析方法，設(shè)法給出模板對振動能量吸收、反射等的影響程度，同時必須考慮拌和物振動流變演變，建立能量傳遞模型.這對揭示拌和物振動過程的力學(xué)本構(gòu)關(guān)系具有意義，同樣對指導(dǎo)實踐也有重要價值.

4 拌和物密實性評價

構(gòu)建振搗密實理論體系與闡明密實性影響因素，皆可為拌和物密實性評價提供依據(jù).現(xiàn)有拌和物密實性測試方法，均采用間接指標(biāo)判定，如表觀質(zhì)量、硬化性能等宏觀影像法描述居多（見表3）.

表3 拌和物密實性評價指標(biāo)Table 3 Compactness evaluation index of mixture

4.1 拌和物均勻性

拌和物振動可獲得均勻、密實的狀態(tài)［74］.Fritsch［85］繪制了振動作用下拌和物表面沉降量與振動時間關(guān)系曲線，認(rèn)為拌和物表面不再沉降時即振動密實.但是該方法僅適用干硬性混凝土，當(dāng)拌和物流動性較大時，即使表面不再沉降，仍存在氣泡未能有效排出而不密實的情況.Alexander 等［86］實時采集拌和物阻抗并繪制其與振動時間的關(guān)系曲線，據(jù)此確定氣泡排出的臨界時間即為最優(yōu)振動時間.張守祺等［87］建立了利用電阻率量化控制拌和物澆筑密實度和澆筑均勻度的方法，且二者決定于材料流動性和振搗時間.由于拌和物的不透明性，筆者早前利用卡波姆凝膠模擬水泥凈漿的流變特征［88］，希望可視化觀察骨料的沉降和離析現(xiàn)象.Benaicha 等［89］提出了一種基于超聲波速度的方法來評價拌和物粗骨料的分布情況.Vanhove 等［90］采用一種伽馬射線衰減技術(shù)測試了硬化混凝土中的骨料分布.這些受振拌和物均勻性指標(biāo)分析法主要以粗骨料沿重力分布為主，其過程參數(shù)指標(biāo)可對拌和物的受振狀態(tài)作出宏觀判斷，但就拌和物的密實狀態(tài)評判而言，仍需要深入研究.

4.2 影像分析法評價

通過對拌和物振搗過程進(jìn)行影像拍攝，分析不同階段的圖像特征，從而可以評價混凝土的振搗密實效果.其中，表觀質(zhì)量是通過觀察統(tǒng)計混凝土外露面上氣泡的面積及分布來評價密實性的.Han 等［91-95］對圖像進(jìn)行分析，通過分析圖像上層漿體厚度或骨料與漿體面積的分布差異對均勻性進(jìn)行評價.Wang等［96］通過拍攝振搗過程中混凝土表面圖像并以欠振、適中、密實標(biāo)簽分類，并建立數(shù)據(jù)集，提出了基于ResNet-50 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型用于實時監(jiān)控混凝土的振搗質(zhì)量.該類方法使用雖略顯復(fù)雜，但能應(yīng)用于現(xiàn)場實際施工，進(jìn)一步完善后可作為有效手段之一.

另一種圖像分析法是對硬化后混凝土的剖面進(jìn)行掃描或拍攝采集數(shù)字圖像，提取均勻性、分布情況等特征參數(shù)評價混凝土的密實性.Kwasny 等［97］發(fā)現(xiàn)延長振搗時間或提高振動頻率將有效減小成型面的氣孔數(shù)量；Liu 等［84］利用Matlab 及OTSU 圖像閾值分割等技術(shù)提出混凝土表面氣孔圖像的識別方法，并基于該方法研究模板影響最優(yōu)振動時間的問題；Han等［91］通過圖像分析法獲取粗骨料的特征和分布信息，粗骨料特征包括粒徑、圓度以及骨料取向等.然而混凝土硬化圖像分析法無法用于工程現(xiàn)場，只能作為輔助手段在實驗室驗證評價結(jié)果的準(zhǔn)確性.需要提出的是，這種方法實質(zhì)上不能直接表征拌和物的密實性，因為混凝土硬化后內(nèi)部結(jié)構(gòu)須考慮水化反應(yīng)、組分相變和內(nèi)部充填演化，且結(jié)束振搗時拌和物內(nèi)部粗細(xì)骨料及漿體賦存與硬化后混凝土內(nèi)部的細(xì)觀形態(tài)存在差別.

4.3 成型質(zhì)量評價

混凝土成型后的硬化質(zhì)量往往是間接評價振搗密實性的常用指標(biāo)，其包括硬化密度、強度、孔隙率、滲透性及耐久性等.何璐［59］、袁野真［60］采用硬化密度、抗壓強度、耐磨性分析評價低坍落度道路混凝土振動后的密實性能；Chan 等［98］發(fā)現(xiàn)振動提高了常態(tài)混凝土中鋼筋與混凝土間的黏結(jié)強度，但在自密實混凝土中的作用卻相反.程云虹等［99］采用氯離子電通量測定了振動與非振動條件下混凝土的滲透性，結(jié)果表明振動能提高混凝土的抗?jié)B性能.劉艷霞等［100］研究了振動對混凝土抗凍性的影響，發(fā)現(xiàn)振動時間過長將導(dǎo)致混凝土抗凍性下降.Taylor［101］和Ersoy［102］使用核子密度計測量了混凝土的硬化密度，以推定振搗時振搗棒的有效作用半徑.李文貴等［103］采用納米壓痕技術(shù)（DSI）和掃描電鏡（SEM）研究了再生混凝土界面過渡區(qū)的納觀力學(xué)性能和微觀結(jié)構(gòu)特征，從納微觀角度提出了一種評價混凝土界面過渡區(qū)結(jié)合質(zhì)量的方法.目前，上述研究只能定性闡述硬化后混凝土質(zhì)量與振搗工藝的關(guān)系，可作為間接手段驗證不同振搗工藝對混凝土密實性的影響.

5 振搗過程信息化

新一代信息技術(shù)正飛速發(fā)展［104］，混凝土振搗工藝也面臨數(shù)字智能化精細(xì)控制的迫切需求.眾所周知，傳統(tǒng)振搗工藝質(zhì)量驗收的評價方法缺乏整體客觀表征性，全面真實地掌握振搗質(zhì)量效果存在明顯的技術(shù)短板.通過新興技術(shù)手段準(zhǔn)確快速地掌握振搗全過程作業(yè)參數(shù)，建立模型動態(tài)分析評判振搗施工質(zhì)量，進(jìn)而反饋指導(dǎo)現(xiàn)場作業(yè)提高質(zhì)量，是目前振搗過程信息化發(fā)展的重點及未來方向.就實際應(yīng)用而言，技術(shù)難點主要在于振搗信息可視化及密實性饋控技術(shù)，其振搗施工過程信息化體系見圖3.

圖3 振搗施工過程信息化體系Fig.3 Vibration construction process information system

振搗信息可視化是將振搗信息圖形化展示，以便實時監(jiān)控、保障振搗工藝質(zhì)量.基于拌和物振搗工藝?yán)碚?，近年來相關(guān)應(yīng)用技術(shù)發(fā)展較快.一方面，跟蹤振搗工藝過程信息，如：Burlingame［105］利用振搗過程混凝土溫度升高的現(xiàn)象，采用紅外熱成像確定振搗能量傳播及振搗的有效范圍；中國水電顧問集團成都勘測設(shè)計研究院研發(fā)監(jiān)控儀器［106］，通過安裝定位、測距等傳感設(shè)備，實現(xiàn)了振搗軌跡的實時監(jiān)控.另一方面，實時采集振搗過程相關(guān)的可視化參數(shù)，進(jìn)而判定工藝的合規(guī)性，如：Wang 等［96］建立了ResNet-50 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型用于實時監(jiān)控混凝土的振搗質(zhì)量，應(yīng)用于大壩混凝土澆筑現(xiàn)場并取得初步成效.但該技術(shù)需在光照充足大倉面應(yīng)用，擴展適用場景并提高準(zhǔn)確性是下一步需解決的問題；Gong 等［107］基于超寬帶（UWB）技術(shù)實時定位振搗棒的位置，通過遠(yuǎn)程監(jiān)控程序?qū)崿F(xiàn)對混凝土人工振搗質(zhì)量的可視化監(jiān)測.但該技術(shù)方法仍存在缺陷，如：振搗狀態(tài)無法獲知；振動能量衰減人為給定；傳感器采用有線方式導(dǎo)致現(xiàn)場布線繁雜；應(yīng)用場景受限等.

振搗質(zhì)量的實時反饋控制中，如何實時定量體現(xiàn)混凝土振搗工藝質(zhì)量是關(guān)鍵所在.郭小青等［108］根據(jù)振搗棒插入拌和物時和空載時聲波信號的區(qū)別，以噪聲能量分布為特征判斷振搗器是否處于有效振搗狀態(tài).翁翎［109］在振搗棒內(nèi)部增設(shè)感應(yīng)線圈，對振搗棒插入的空間位置和振搗時間等進(jìn)行監(jiān)控.中國電建集團成都勘測設(shè)計研究院［110］針對大壩施工振搗臺車開發(fā)出混凝土振搗監(jiān)控系統(tǒng)，實時監(jiān)控振搗機架的多個振搗棒位置、傾角、插入深度和振搗時間等參數(shù).鐘登華等［111］建立了振搗質(zhì)量智能監(jiān)控數(shù)學(xué)模型，實現(xiàn)了混凝土壩振搗工藝參數(shù)的準(zhǔn)確采集和全倉面振搗質(zhì)量的動態(tài)控制，突破了常規(guī)數(shù)字化監(jiān)控方式.筆者結(jié)合振搗棒工作原理和能量擴散理論構(gòu)建了棒體在拌和物中的能量分布模型［35］，運用Java 和WebGL 開發(fā)了可視化系統(tǒng)表征振搗過程的密實質(zhì)量；此外結(jié)合人體工學(xué)開發(fā)了基于GPS-RTK 穿戴式定位技術(shù)，通過智能感知振搗棒識別和采集插拔作業(yè)深度，形成了穿戴式智能振搗裝備及可視化系統(tǒng)（見圖4）.該技術(shù)已得到相關(guān)推廣應(yīng)用［112-113］，并形成了國內(nèi)首個智能化振搗技術(shù)規(guī)程［114］.

圖4 穿戴式智能振搗裝備及可視化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.4 Wearable intelligent vibrating equipment and visualization system structure

目前信息化研究大多集中于振搗過程監(jiān)控及過程可視化技術(shù)，但振搗質(zhì)量的實時評價還是依靠宏觀參數(shù)建立的模型系統(tǒng)，其普適性仍存疑.因此，需要挖掘更多信息化振搗成果數(shù)據(jù)，完善質(zhì)量反饋控制系統(tǒng)功能.這些工作涉及非接觸感知、傳輸通信、工藝信息融合等跨學(xué)科內(nèi)容，需要考慮如何構(gòu)建多維振搗過程效應(yīng)的精細(xì)化表征方法，開發(fā)振搗實時評價反饋控制實用技術(shù)，從而滿足現(xiàn)場高效工藝質(zhì)量管控.

6 結(jié)論與建議

（1）現(xiàn)有拌和物振搗理論能原理性闡釋骨料運動及漿體填充的密實過程，但模型參數(shù)表征單一，實踐中難以運用.評價混凝土密實性及影響因素是十分復(fù)雜的理論問題，建議開展分步研究：先開展物理模型試驗，獲取拌和物的實時動力過程特征，從激振動力參數(shù)、拌和物動力響應(yīng)參數(shù)中尋求相關(guān)量化指標(biāo)；再結(jié)合模態(tài)分析仿真，探究不同形式振動源下拌和物的動力響應(yīng)特征，揭示拌和物能量傳遞規(guī)律與構(gòu)建能量耗散表征方法，進(jìn)而提出科學(xué)精準(zhǔn)的拌和物動力密實理論模型.這對深化拌和物振搗密實細(xì)觀理論架構(gòu)具有重要價值，也為量化評價振搗密實提供可信依據(jù).

（2）現(xiàn)行振搗技術(shù)不能闡明激振參數(shù)與拌和物性態(tài)的最佳耦合匹配關(guān)系，振搗設(shè)備缺少動力響應(yīng)與能量傳遞的理論技術(shù)支持.未來應(yīng)發(fā)展各類型振動設(shè)備初始/負(fù)載振動參數(shù)響應(yīng)模態(tài)等技術(shù)，以此建立可靠的動力效能參數(shù)輸入模型，研發(fā)高效智能振搗裝備，明晰振搗工藝標(biāo)準(zhǔn)的動參數(shù)要求，為建立標(biāo)準(zhǔn)化振搗工藝技術(shù)奠定基礎(chǔ).

（3）工程應(yīng)用時混凝土拌和物密實評價存在突出短板，已有理論方法與應(yīng)用層面技術(shù)關(guān)聯(lián)性不強.雖然信息化技術(shù)在振搗工藝應(yīng)用已取得初步成效，但其所構(gòu)建的工藝分析模型準(zhǔn)確可靠性與適用性仍有待提高，應(yīng)用技術(shù)也需進(jìn)一步完善.今后融合工藝信息孿生，精細(xì)化振搗質(zhì)量評價實用模型，可更好地實現(xiàn)振搗工藝數(shù)字智能化，這將是發(fā)展方向.