水泥混凝土振动粘度系数分布规律试验研究

赵立锦+陈新轩+梁鹏

摘 要：采用气泡振动自动上浮的测试机理，模拟滑模摊铺机现场施工设计试验，在单根振捣棒作用下，测量混凝土振动粘度系数，研究料斗内距离振捣棒轴心不同位置处混凝土振动粘度系数的分布规律，以及混凝土中气泡上浮速度与振动粘度系数的关系。结果表明：距离振捣棒轴心越远混凝土振动粘度系数越大，混凝土中气泡上浮速度越慢。

关键词：振动粘度系数；单根振捣棒；气泡振动；水泥混凝土

中图分类号：U414 文献标志码：B

文章编号：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

一直以来，测试混凝土性能时，坍落度作为混凝土流动性的度量单位，是一个静态工作性指标，对于流变学性能中诸如易密性、粘聚性和稳定性等指标无法测定，必须辅以其他方法进行测量。因此，鉴于坍落度对新拌混凝土流变学特性控制的不足，1996年交通运输部公路科学研究院傅智研究员提出了新拌混凝土振动粘度系数测试理论及试验方法，并在2014年将其列入《公路水泥混凝土路面施工技术细则》[1-2]。

本文以维特根SP250摊铺机的振捣棒作为参考，设计模拟摊铺机料斗内混凝土的振动液化试验，测量距离振捣棒轴心不同位置处的振动粘度系数、混凝土中气泡上浮速度，研究振动粘度系数在料斗内的分布规律，以及气泡上浮速度与振动粘度系数之间的关系，从而对滑模施工中振捣棒在料斗内安放位置的确定和摊铺机摊铺速度的选择建立有力依据[3-4]。

1 液化机理分析

当用振动棒对新拌的混凝土进行振动时，振捣棒所产生的能量波源源不断地传递给混凝土。振动波的起振速度为45 m·s-1，终止速度为250 m·s-1。在新拌混凝土中，水泥水化反应所产生的胶体表面吸附有大量的弱结合水，当有外力干扰时，弱结合水转变为自由水，混凝土呈现塑性状态。此时，压力波同时对水分子、水泥和骨料固体产生作用力，且对水分子的作用力大于对水泥和骨料固体，因此水分子的移动距离大于水泥和骨料固体的移动距离。但新拌混凝土中相互接触的颗粒会阻碍水分子的移动而产生水压，在水压的作用下骨料被持续的挤压，骨料间距也由此不断增大，骨料间的内摩擦力不断减小。同时，颗粒间的接触点会由于振动的作用而分开，这样大大降低了骨料间的嵌挤力，由此减小内摩擦力。在骨料颗粒自身重力的作用下，骨料颗粒逐渐下落到最适宜的稳定位置，并排出大量的气泡，而大气泡由于浮力大比小气泡更容易排出，振动停止后，混凝土从溶胶体转变为凝胶体，因此混凝土结构比振动之前更为致密结实[5-8]。

2 试验原理、材料及设备

2.1 振动粘度系数测试机理

交通运输部公路科学研究院傅智研究员扩展了斯托克斯粘度定律的使用范围，将落球式改为气泡振动自动上浮式来测振动粘度系数，并成功运用于新拌混凝土振动状态下结构粘度系数的测量，证明理论和试验相吻合。混凝土振动状态结构粘度系数计算公式如下

2.2 试验材料

（1）水泥。本试验选用北京金隅普通硅酸盐42.5#水泥，金隅水泥的物理力学性能与技术指标如表1所示。

（2）砂。本试验所选用的河砂来自北京，具体的技术指标如表2所示。

（3）粗集料。本试验采用的粗集料产自北京，为10～22 mm和5～9.6 mm两种级配的碎石。按照水泥混凝土路面试验规范对碎石做相应的检测，具体技术指标如表3所示。

（4）水。混凝土拌和用水来自实验室，水的杂质含量符合国家标准《生活饮用水卫生标准》（GB5749—2006）的要求，可直接饮用。

（5）外加剂。本试验采用自制的复合型引气减水剂烷基磺酸盐，可以减少用水量，改善和易性与粘聚性，同时混凝土的强度还略有提升。

2.3 试验配合比及强度测试

本试验所采用配合比如表4所示。表4中的配合比引气剂掺量为水泥用量的0.2%，测得坍落度为10 mm，含气量为4.4%。另外，测得3 d的强度为18.97 MPa、7 d强度为28.9 MPa、28 d强度为34.4 MPa，满足C30防护栏配合比的要求。

2.4 试验设备及步骤

本试验主要试验仪器有：长、宽、高分别为50 cm、50 cm、40 cm的长方体铁模具2个，模具的4个侧板均可以打开；Wirtgen公司提供的电动直型振捣棒1根，直径为70 mm；直径为40 mm的乒乓球若干；电子称、称料桶、秒表等。

试验方法及步骤：将铁模具内表面进行润湿，并均匀摆放8个乒乓球，使乒乓球球心连成1条直线，此直线与振捣棒轴心的距离为44.5 cm；利用强制性搅拌锅搅拌120 s后，将混凝土倒出，用铁锹铲取少量混凝土将乒乓球覆盖住，在覆盖的过程中，用手轻轻地稳住乒乓球防止发生位移；当所有的乒乓球均被覆盖之后，向模具内装混凝土。在此过程中，振捣棒竖直摆放，装完后混凝土的初始高度为33 cm；开启振捣棒和秒表计时器，振捣棒振动过程中，尽量保持振捣棒的位置固定不动；当第1个乒乓球浮出混凝土表面时，秒表计时器停止计时；打开距离8个乒乓球最近的侧模板，小心翼翼地去除混凝土，使得乒乓球显露出一半即可，找到8个乒乓球的位置，如图1所示；记录每个乒乓球距离底板的高度，统计原始数据。由于混凝土试验有很大的随机性，因此每组试验做3次，取其平均值，对大于平均值10%的数据删除，对剩余2个数据取平均值。

3 试验数据分析与结论

试验总共进行3组，第1组乒乓球中心连线到振捣棒轴心距离为44.5 cm，第2组乒乓球中心连线到振捣棒轴心距离为29.5 cm，第3组乒乓球中心连线到振捣棒轴心距离为14.5 cm。3组试验中乒乓球布置间距不变。

根据公式（2），计算每个乒乓球所处位置的振动粘度系数，同时计算出每个乒乓球到振捣棒的距离。计算距离时，以振捣棒轴心和乒乓球球心为基准，根据上升高度和时间计算平均上浮速度，得到的试验数据如表5所示。

考虑到混凝土试验具有很大的随机性和不可控性，试验数据出现部分偏差较大的点属于正常现象。

以振捣棒轴心接触模具底板的点为坐标圆心建立三维坐标系，其中X、Y方向代表乒乓球的具体坐标位置，Z方向代表乒乓球所处位置的混凝土振动粘度系数，利用origin 9.0进行绘图处理，剔除试验数据中的异常点，可直观看到整个模具内不同位置混凝土的振动粘度系数结果，如图2所示。

图2表示模具内不同位置的振动粘度系数，显然距离振捣棒不同位置的混凝土振动粘度系数是不同的。振动粘度系数沿着X坐标正方向不断增大，同样沿着Y轴正方向也不断增大，这充分反映了振动波是环形传播的。在相同振动时间的前提下，距离振捣棒越近，振动液化速度越快，混凝土的粘度系数越小；反之，则混凝土的振动粘度系数越大，但并非呈线性增长。根据表5中的数据，选取气泡上浮速度和振动粘度系数2个参数，研究两者的关系，绘制曲线如图3所示。在图3中发现气泡上浮速度是随着振动粘度系数的增加而急剧减小，当振动粘度系数超过900 Ns·m-2时，气泡上浮速度不超过0.5 cm·s-1，且随着振动粘度系数的继续增大，气泡上浮速度变化不明显。防护栏滑模所用的混凝土振动粘度系数最佳值在700～900 Ns·m-2，表5中最大振动粘度系数是990.74 Ns·m-2，对应的乒乓球平均上浮速度为0.21 cm·s-1。当振动粘度系数为707 Ns·m-2时，乒乓球平均上浮速度为0.29 cm·s-1。

图3 气泡上浮速度与振动粘度系数的关系

设防护栏侧置料斗混凝土料位高度为H，则在单根振捣棒作用下，气泡从混凝土底部到冒出混凝土表面的平均速度为v，所用的时间（假设连续供料，料位高度不变）为

t=Hv（3）

单根振捣棒作用时，式（3）计算出来的时间其实也是混凝土振动液化所需要的时间。同时，根据表5可知振捣棒的最佳布置位置。在施工中可根据振动液化时间合理选择摊铺速度。

4 结 语

振动粘度系数能够很好地反映滑模施工中混凝土的动态工作性能，通过对试验结果的分析，发现距离振捣棒轴心位置越远，混凝土的振动粘度系数越大，其增长速度随着距离的增大而加速提高。根据《公路水泥混凝土路面施工技术细则》对混凝土振动状态下混凝土结构粘度系数的要求，在公路中央防护栏等附属构造物的滑模施工中，欲达到理想的振动液化效果，建议料斗内的振捣棒与料斗内壁之间的距离不超过55 cm。确定混凝土中气泡上浮速度与振动粘度系数的关系，可结合施工时具体的混凝土料位高度，给出合理的摊铺作业速度，避免出机后构造物出现麻面和溜肩等现象，可提高施工质量。

参考文献：

[1] 傅 智.水泥混凝土路面滑模施工技术[M].北京：人民交通出版社，2001.

[2] 黄天胜，陈 飙.水泥混凝土路面滑模施工平整度的影响因素及控制方法[J].筑路机械与施工机械化，2001，18（4）：21-23.

[3] 袁野真.水泥混凝土路面滑模施工平整度控制技术研究[D].天津：河北工业大学，2012.

[4] 蔡 猛.水泥混凝土滑模摊铺平整度控制技术研究[D].西安：长安大学，2013.

[5] 袁野真，田 波，刘 英，等.引气混凝土的滑模施工性能研究[J].混凝土，2013（5）：147-150.

[6] 冯忠绪，周庆强.水泥混凝土的振动搅拌技术[J].筑路机械与施工机械化，1992，9（6）：10-12.

[7] 何挺继，胡永彪.水泥混凝土路面施工与施工机械[M].北京：人民交通出版社，1999.

[8] JTJ/T 037.1—2000，公路水泥混凝土路面滑模施工技术规程[S].

[责任编辑：高 甜]