陈 雷，刘兆磊，王学光

(1.交通运输部公路科学研究所，北京 100088；2.北京新桥技术发展有限公司，北京 100088)

0 引 言

近年来，采用信息化控制技术指导现场施工的方法得到了广泛重视和应用，如GIS、虚拟现实、动态仿真、网络视频监控等技术正不断应用到工程施工现场的技术实施和管理中，采用这些信息技术能显著改造和提升传统施工工艺与方法[1-3]。但这些技术在现场细观定量化评价与控制层面仍缺乏有效手段。例如进行现场混凝土施工过程中的质量监控时，需要精细掌握主要动态工艺指标诸如浇筑拌合物性能、振捣状态等信息，才能实现有效管控。

目前混凝土振捣施工主要采用插入式振捣棒、附着式振捣器等进行，以人工操作为主，凭经验控制。故振捣质量受操作工人的技术经验和质量观念影响较大，因振捣不当造成的蜂窝麻面、空洞等缺陷时有发生，尚无科学有效的控制技术。

通过建立受振混凝土密实性与振捣棒参数的相关关系，进而建立混凝土振捣密实评价模型以指导施工振捣，是提升混凝土振捣质量控制水平的研究方向之一。对振捣棒在混凝土中振动时的有效作用区域进行准确表征对混凝土密实性评价精度至关重要。基于此，本文研究了振捣棒振动时间、振捣频率和混凝土流变性等对振捣棒作用半径的影响，为混凝土振捣密实性评价模型的建立奠定基础。

1 原材料与试验方案

1.1 原材料

水泥为普通硅酸盐42.5#水泥，性能参数见表1。砂子为天然河砂，表观密度为2.61 g·cm-3，细度模数为2.8。石子为5～12.5 mm粒径碎石，表观密度为2.79 g·cm-3，外加剂选用聚羧酸型减水剂和羟丙基纤维素类增稠剂。

1.2 试验方案

1.2.1 振捣作用半径的表征

采用法国混凝土协会建议的方法测定振捣作用半径，具体步骤为振捣棒插入新拌物后，在棒体两侧新拌物表面上，以固定间隔(约1 cm)均匀半插入一排铁钉。试验采用的铁钉长度为15 mm，直径为1 mm，如图1所示。启动振捣棒，直至表面铁钉沉降情况稳定不变后停止振动，并录制整个振动过程中铁钉的沉降视频，分析作用半径随时间变化规律。振动半径由振动结束后棒体两端未下沉至液面以下的最近2个铁钉间距的一半来表征，如图2所示。

表1 水泥物理化学性能

图1 试验铁钉及布置示意图

图2 振动前后钢钉沉降情况

1.2.2 振捣棒参数

振捣棒采用手持式，棒径分别为25 mm和35 mm，后接手持式变频器，通过变频器调节振频f、振幅A。其中振频f的测量是将加速度传感器粘贴在棒体，振动后通过动态采集仪采集加速度信号，并经频谱分析得到。由于棒体为曲面，加速度传感器平面底层无法仅贴在棒体面上，故无法准确通过加速度信号获取振幅。本研究使用胶带将记号笔缠绕固定在悬空振捣棒上，并在棒体底端合适位置放置纸张，保证记号笔正好碰触纸面。棒体振动轨迹通过紧贴棒体的记号笔涂画在纸面上，后经拍照并通过Image软件做图像分析，计算得到振幅，如图3所示。

图3 振动棒振动参数采集

1.2.3 混凝土模具

根据一般10～20 cm坍落度的混凝土振捣作业经验，振捣棒作用范围的直径为棒径的10倍[4]。因此为保障试验结果的准确性，模具水平截面最小边长应超过10倍棒径。本文选用尺寸为Φ50 cm×30 cm的柱形木模，混凝土浇注过程中在模板内壁及底部粘贴发泡橡胶，减小振动能量反射效应，保证更好表征现场实际情况。模具及振捣装置的安放如图4所示。

图4 模具及振捣装置

1.2.4 混凝土配合比

试验用混凝土配合比如表2所示。

表2 混凝土配合比

2 试验结果分析与讨论

2.1 振动时间的影响

使用35 mm振捣棒分别振动C2、C4混凝土，并通过变频器调节振频，测量绘制振捣棒作用半径的历时变化曲线，如图5所示。图中作用半径随振动时间增长快速增大然后趋于稳定，这表明混凝土受振后固相颗粒间摩擦力并未立即消失，混凝土液化需要一定时间。

图5 振捣棒作用半径历时变化

不同振频、棒径条件下，作用半径达到稳定所需时间(即稳定历时)分别见图6和图7。由图可知，随着振捣棒振频增加，其作用半径稳定历时逐渐减小，而棒径较小的振捣棒作用半径达到稳定所需时间较长。此外，除较干硬的C5混凝土外，常态混凝土流变性对半径稳定历时影响较小，稳定历时都在4 s左右。这说明当振捣棒振频、棒径增时，受振混凝土内部剪切速率增加。而根据Forterre和Pouliquen等人[5]研究结果可知，固相颗粒所受剪切速率与颗粒间力链形成至断裂时间成反比关系，因此力链断裂时间缩短，颗粒间作用摩擦作用力减小或消失，混凝土振动液化现象较快发生，作用范围区域较快趋于稳定。

图6 振频对作用半径稳定历时影响

图7 棒径对作用半径稳定历时影响

图8 不同振频下振捣棒振捣作用半径

2.2 振动参数的影响

不同振频下振捣棒作用半径见图8。由图可知，作用半径随着振频提高而逐渐增大，并在200 Hz左右达到最大值。这可能是由于相比其他振频，200 Hz最接近于新拌混凝土中大部分骨料共振频率，因此混凝土受振稀化明显，振动作用范围最大。其中，使用Φ25 mm振捣棒振捣混凝土时，除R-C4混凝土外，其他配比混凝土作用半径始终小于5倍棒径。Φ35 mm振捣棒振捣R-C2、R-C5混凝土时，在40～190 Hz振频条件下，作用半径始终低于5棒径，而振捣R-C4、R-C6混凝土时，在190 Hz振频条件下作用半径分别约为6.5和6倍棒径。

不同棒径的振动棒作用半径如图9所示，在R-C2和R-C4混凝土中，较大棒径的振捣棒作用半径更大。这是因为在受振混凝土中，被排开混凝土的质量与振捣器棒头的面积成正相关，根据流体动力学原理，被排开混凝土质量与被激起振动混凝土质量有着直接关系，因而作用半径与插入式振捣器棒头直径也成正比关系。

图9 不同棒径对作用半径影响

2.3 混凝土流变性的影响

混凝土中振捣棒的作用半径随新拌物塑性粘度τ0/μ的变化规律见图10。由图可知，作用半径与塑性粘度基本呈反比关系，当τ0/μ增加时，颗粒对振动能量传播衰减的影响性增强，即随着τ0/μ增加时，混凝土骨料间距离减小，摩擦力增强，振捣能量耗散增多，因此作用半径减小；而τ0/μ减小时，浆体对振动能量传播作用影响占主要地位，由于浆体粘度越大，分子间热运动加剧，动量输运交换更多，宏观特征现象是作用半径增加。

图10 不同混凝土流变性对作用半径影响

3 结 语

本文围绕振捣棒在混凝土中振动时的有效作用区域的表征，模拟研究了棒径、振动时间、振捣频率和混凝土流变性等对振捣棒作用半径的影响，得到以下主要结论：

(1)棒径越大，振捣棒作用半径越大，达到稳定所需时间越短。

(2)随振动时间延长，作用半径快速增大然后趋于稳定。

(3)随着振频增加，作用半径逐渐增大，并在200 Hz左右达到最大值，达到稳定所需时间逐渐缩短。

(4)同振频条件下，作用半径与混凝土屈服应力与塑性粘度比值呈反相关关系。

通过本文研究，为混凝土振捣密实性评价模型的建立奠定基础，为混凝土振捣质量信息化、智能化控制提供了新的研究思路。