摘 要: 針對(duì)鋼纖維聚合物混凝土的特點(diǎn)和普通攪拌法的局限性,提出將振動(dòng)攪拌技術(shù)用于鋼纖維聚合物混凝土生產(chǎn);并研究了在振動(dòng)機(jī)理作用下鋼纖維聚合物混凝土的結(jié)構(gòu)流變特性,得出鋼纖維聚合物混凝土的流變特性普通混凝土的流變特性是一致的,但可以提高其微觀勻質(zhì)性和強(qiáng)度,而且能改善其綜合性能和攪拌質(zhì)量。
關(guān)鍵詞: 鋼纖維混凝土;振動(dòng)攪拌;結(jié)構(gòu)流變特性
中圖分類(lèi)號(hào): TD352+ . 3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào): 1001 - 0874 (2008) 01 - 0027 - 03
1 引言
鋼纖維聚合物混凝土( SFPC)是一種在聚合物混凝土中加入適量鋼纖維配制而成的高強(qiáng)變混凝土,其亂向分布的鋼纖維可以阻礙混凝土內(nèi)部微裂紋的擴(kuò)展和阻滯宏觀裂紋的發(fā)生和擴(kuò)展,因而SFPC具有優(yōu)良的抗拉、抗剪、抗彎、抗裂、阻裂、耐沖擊、抗疲勞、高韌性等性能,目前它已被廣泛地應(yīng)用于道路橋梁工程、建筑工程、水利工程、港口工程、鐵路工程和軍事工程等領(lǐng)域,而且還作為新型機(jī)床的結(jié)構(gòu)材料用于制造機(jī)床的基礎(chǔ)件,例如:床身、立柱、底座、橫梁、搖臂、工作臺(tái)、箱體、刀架等[ 1 ] 。
從九十年代末期遼寧工程技術(shù)大學(xué)系統(tǒng)地開(kāi)展了鋼纖維聚合物混凝土的相關(guān)研究。研究結(jié)果表明:鋼纖維聚合物混凝土機(jī)床基礎(chǔ)件的靜態(tài)性能優(yōu)于聚合物混凝的靜態(tài)性能,其動(dòng)態(tài)性能也優(yōu)于鑄鐵機(jī)床基礎(chǔ)件的動(dòng)態(tài)性能,用鋼纖維聚合物混凝土制造機(jī)床基礎(chǔ)件還可節(jié)省金屬材料、縮短生產(chǎn)周期短、成本低且利于環(huán)保[ 2 ] 。
為了實(shí)現(xiàn)鋼纖維聚合物混凝土的產(chǎn)業(yè)化,使其能廣泛地應(yīng)用于機(jī)床行業(yè),則必須研究其攪拌過(guò)程。由于普通攪拌存在著水泥顆粒團(tuán)聚現(xiàn)象和攪拌低效區(qū)等局限性,且目前我國(guó)還沒(méi)有一種攪拌機(jī)能完全勝任SFPC的制備[ 3 ] ,所以將振動(dòng)與攪拌相結(jié)合來(lái)制備SFPC是一種嘗試。
2 新拌混凝土的流變特性
混凝土混和料可以看作一種由水和集料分散粒子組成的復(fù)雜分散體系,具有彈性、粘性、塑性等諸多特性。一般認(rèn)為,新拌混凝土基本上是一種賓漢姆體(B ingham) ,其流變特性可表示為[ 4 ] :
式中:τ—混凝土的實(shí)際剪切力;
τ0—屈服剪應(yīng)力;
η—混凝土的塑性粘度;
—混凝土的剪切變形速率。
屈服剪應(yīng)力τ0 和塑性粘度η是決定混凝土混合料流變特性的基本參數(shù)。其中,τ0 由混合料各顆粒之間的附著力和摩擦力引起, 是阻止塑性變形的最大應(yīng)力;η是內(nèi)部結(jié)構(gòu)阻礙流動(dòng)的一種性能,隨剪應(yīng)力或變形速率而變化。
圖1表示了塑性粘度η與剪應(yīng)力τ以及變形速率dv / dt與剪應(yīng)力τ的關(guān)系曲線[ 5 ] ?？梢钥闯? 當(dāng)dv / dt小于某值時(shí),τ小于某定值τ1 ,η具有確定的最大值η0。此時(shí)的混凝土混合料表現(xiàn)為固態(tài)特性,雖然也會(huì)發(fā)生緩慢的流動(dòng),但實(shí)際上幾乎察覺(jué)不到。
隨著dv / dt的增加,τ值增加,η則大大降低。這時(shí)混凝土混合料的凝聚結(jié)構(gòu)開(kāi)始破壞, 表現(xiàn)出較好的流動(dòng)性;當(dāng)dv / dt增大到某一值時(shí),τ達(dá)到τ0 值,η下降到最小值ηm 。此時(shí)混凝土的凝聚結(jié)構(gòu)完全遭到破壞,流動(dòng)性達(dá)到最佳。這之后η不再隨著dv / dt或τ的變化而變化。
上述流變方程只能描述攪拌好的新拌混凝土,不能描述攪拌過(guò)程,但可以用來(lái)指導(dǎo)混凝土攪拌參數(shù)的選擇。由混凝土的流變特性可知,在一定范圍內(nèi),塑性粘度是隨著物料速度梯度的增大而減小的。因此,攪拌過(guò)程中必須保證混合料得到較強(qiáng)烈的運(yùn)動(dòng),并盡可能使混合料各組分顆粒間有較大的相對(duì)運(yùn)動(dòng),以便促使混合料各組分顆粒充分混合、滲透,使混凝土混合料能夠同時(shí)達(dá)到宏觀和微觀上的勻質(zhì)。
3 振動(dòng)攪拌機(jī)理
振動(dòng)攪拌能有效地改善混凝土的微觀勻質(zhì)性提高混凝土的強(qiáng)度,而且混凝土拌和物的流動(dòng)性也有所改善[ 4 ] 。振動(dòng)攪拌的機(jī)理是使被攪拌的混凝土混合料產(chǎn)生振動(dòng),混合料內(nèi)部的各個(gè)顆粒在振動(dòng)波的影響下,將圍繞某種不穩(wěn)定平衡的中間位置作連續(xù)不斷的強(qiáng)迫振動(dòng),并且使相鄰粒子振動(dòng)而發(fā)生位移,物料顆粒間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)頻率增加,從而使顆粒之間的摩擦力和粘著力急劇減小,物料作用于攪拌葉片上的平均切線運(yùn)動(dòng)阻力顯著降低,如圖2 所示。物料的循環(huán)流動(dòng)得到加強(qiáng),這就為低效區(qū)的消除創(chuàng)造了較為有利的條件;在攪拌的同時(shí)施加振動(dòng)作用,還可以破壞水泥凝聚團(tuán),使水泥顆粒均勻分布,提高水泥的利用率。而且,振動(dòng)攪拌使各組分的運(yùn)動(dòng)速度加快,物料顆粒間相互碰撞的次數(shù)增多,不僅促進(jìn)對(duì)流運(yùn)動(dòng),還可以凈化集料表面,增加水泥和集料間的粘結(jié)力。
4 振動(dòng)作用下SFPC的結(jié)構(gòu)流變特性研究
研究振動(dòng)作用下SFPC的結(jié)構(gòu)流變特性的目的是為了確定振動(dòng)攪拌設(shè)備的工作機(jī)構(gòu)的幾何、運(yùn)動(dòng)參數(shù),以保證攪拌筒內(nèi)混合料結(jié)構(gòu)的完全破壞,改善混凝土的微觀勻質(zhì)性,提高混凝土的強(qiáng)度,改善混凝土拌和物的流動(dòng)性。
國(guó)外的一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)反映了在不同振動(dòng)參數(shù)條件下,混凝土流變特性的變化情況。實(shí)驗(yàn)中振動(dòng)參數(shù)除了振幅A、振動(dòng)圓頻率ω外,引入振動(dòng)強(qiáng)度D和振動(dòng)能量分布J 作為振動(dòng)攪拌的兩個(gè)性能參數(shù), 并定義D =Aω2 / g, J = FA /V,式中g(shù)為自由落體加速度,F為激振力的作用面積, V 為拌筒的容積,該實(shí)驗(yàn)裝置如圖3所示。激振器以不同的振幅和振動(dòng)圓頻率ω產(chǎn)生振動(dòng),使拌筒內(nèi)混合料也隨之發(fā)生振動(dòng),旋轉(zhuǎn)工作機(jī)構(gòu)設(shè)在拌筒的中間,通過(guò)力傳感器、應(yīng)變儀和光電示波器測(cè)定混合料作用在旋轉(zhuǎn)工作機(jī)構(gòu)上的平均切線阻力τ的大小。在不同的A 和ω下,τ值是變化的,它反映著不同振動(dòng)參數(shù)條件下混凝土結(jié)構(gòu)流變特性的變化。其實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1[ 4 ] 。
可知,當(dāng)振動(dòng)強(qiáng)度D =Aω2 / g逐漸增大時(shí),作用在旋轉(zhuǎn)工作機(jī)構(gòu)上平均切線運(yùn)動(dòng)阻力τ逐漸減小。當(dāng)振動(dòng)強(qiáng)度大于15、振動(dòng)能量分布J = FA /V > 0. 03時(shí),作用在旋轉(zhuǎn)工作機(jī)構(gòu)上平均切線運(yùn)動(dòng)阻力可下降到靜態(tài)值的5%以下, 混凝土各組份之間的聯(lián)結(jié)完全被破壞。
雖然該實(shí)驗(yàn)研究沒(méi)有特別指出像SFPC這類(lèi)纖維增強(qiáng)塑性混凝土在振動(dòng)作用下的結(jié)構(gòu)流變特性的變化,但是根據(jù)SFPC的組成和物理性質(zhì),它在振動(dòng)作用下的結(jié)構(gòu)流變特性變化的趨勢(shì)是與普通混凝土的變化趨勢(shì)是一致的,這可以在干硬性混凝土的振動(dòng)密實(shí)成型工藝中得到證實(shí)[ 5 ] 。根據(jù)干硬性混凝土的振動(dòng)密實(shí)成型工藝中,振動(dòng)加速度a ( a =Aω2 ) 、振動(dòng)圓頻率ω、振幅A 與干硬性混凝土的工作度Vb的關(guān)系: a增加, 結(jié)構(gòu)粘度μ下降, 工作度Vb 減少,從而使混凝土密實(shí)度增加,強(qiáng)度提高。
振動(dòng)作用下,攪拌和密實(shí)成型都要受混凝土混合料的流變特性的影響。不同的是攪拌時(shí),葉片的攪拌、剪切、推移作用明顯,要求的振動(dòng)強(qiáng)度較大,振幅較大;密實(shí)成型時(shí),重力、物料的慣性作用突出,要求的振動(dòng)強(qiáng)度較小,振幅相對(duì)較小。當(dāng)然,振動(dòng)作用對(duì)SFPC的結(jié)構(gòu)流變特性的影響也不例外。由于鋼纖維對(duì)SFPC的阻裂和增強(qiáng)作用, SFPC的屈服應(yīng)力和塑性粘度值均高于普通混凝土,所以要把SFPC攪拌均勻比攪拌均勻普通混凝土困難的多。但是,通過(guò)選取合理的振動(dòng)參數(shù)來(lái)振動(dòng)攪拌SFPC,能有效地改善SFPC的微觀勻質(zhì)性,提高SFPC的強(qiáng)度,而且混凝土拌和物的流動(dòng)性也有所改善,并提高SFPC的質(zhì)量。
4 結(jié)語(yǔ)
振動(dòng)攪拌可以破壞水泥凝聚團(tuán),能有效地改善混凝土的微觀勻質(zhì)性提高混凝土的強(qiáng)度和攪拌質(zhì)量;在振動(dòng)作用下, SFPC的流變特性與普通混凝土的流變特性是一致的,所以把振動(dòng)攪拌技術(shù)應(yīng)用于SFPC的生產(chǎn)中,也是可以提高SFPC的微觀勻質(zhì)性和改善其主要性能的;但是由于SFPC自身的特點(diǎn),應(yīng)采取怎么樣的振動(dòng)攪拌方案和生產(chǎn)工藝還有待作進(jìn)一步研究。
參考文獻(xiàn):
[ 1 ] 于學(xué)成. 混凝土做機(jī)床基礎(chǔ)件的研究[D ]. 上海: 同濟(jì)大學(xué),1989
[ 2 ] 徐平. 鋼纖維聚合物混凝土機(jī)床基礎(chǔ)件靜動(dòng)態(tài)力學(xué)性能及損傷機(jī)理研究[D ]. 阜新:遼寧工程技術(shù)大學(xué), 2005
[ 3 ] 趙悟. 振動(dòng)拌和RCC及SFRC的試驗(yàn)研究[D ]. 西安:西安公路交通大學(xué), 2000
[ 4 ] 馮忠緒. 混凝土攪拌理論與設(shè)備[M ]. 北京:人民交通出版社,2001
[ 5 ] 雍本. 特種混凝土設(shè)計(jì)與施工[M ]. 中國(guó)建筑工業(yè)出版社,1993
