摘 要: 針對鋼纖維聚合物混凝土的特點和普通攪拌法的局限性,提出將振動攪拌技術用于鋼纖維聚合物混凝土生產;并研究了在振動機理作用下鋼纖維聚合物混凝土的結構流變特性,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性和強度,而且能改善其綜合性能和攪拌質量。
關鍵詞: 鋼纖維混凝土;振動攪拌;結構流變特性
中圖分類號: TD352+ . 3 文獻標識碼:A 文章編號: 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變混凝土,其亂向分布的鋼纖維可以阻礙混凝土內部微裂紋的擴展和阻滯宏觀裂紋的發生和擴展,因而SFPC具有優良的抗拉、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域,而且還作為新型機床的結構材料用于制造機床的基礎件,例如:床身、立柱、底座、橫梁、搖臂、工作臺、箱體、刀架等[ 1 ] 。
從九十年代末期遼寧工程技術大學系統地開展了鋼纖維聚合物混凝土的相關研究。研究結果表明:鋼纖維聚合物混凝土機床基礎件的靜態性能優于聚合物混凝的靜態性能,其動態性能也優于鑄鐵機床基礎件的動態性能,用鋼纖維聚合物混凝土制造機床基礎件還可節省金屬材料、縮短生產周期短、成本低且利于環保[ 2 ] 。
為了實現鋼纖維聚合物混凝土的產業化,使其能廣泛地應用于機床行業,則必須研究其攪拌過程。由于普通攪拌存在著水泥顆粒團聚現象和攪拌低效區等局限性,且目前我國還沒有一種攪拌機能完全勝任SFPC的制備[ 3 ] ,所以將振動與攪拌相結合來制備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雜分散體系,具有彈性、粘性、塑性等諸多特性。一般認為,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—混凝土的實際剪切力;
τ0—屈服剪應力;
η—混凝土的塑性粘度;
—混凝土的剪切變形速率。
屈服剪應力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。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力;η是內部結構阻礙流動的一種性能,隨剪應力或變形速率而變化。
圖1表示了塑性粘度η與剪應力τ以及變形速率dv / dt與剪應力τ的關系曲線[ 5 ] 。可以看出, 當dv / dt小于某值時,τ小于某定值τ1 ,η具有確定的最大值η0。此時的混凝土混合料表現為固態特性,雖然也會發生緩慢的流動,但實際上幾乎察覺不到。
隨著dv / dt的增加,τ值增加,η則大大降低。這時混凝土混合料的凝聚結構開始破壞, 表現出較好的流動性;當dv / dt增大到某一值時,τ達到τ0 值,η下降到最小值ηm 。此時混凝土的凝聚結構完全遭到破壞,流動性達到最佳。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,不能描述攪拌過程,但可以用來指導混凝土攪拌參數的選擇。由混凝土的流變特性可知,在一定范圍內,塑性粘度是隨著物料速度梯度的增大而減小的。因此,攪拌過程中必須保證混合料得到較強烈的運動,并盡可能使混合料各組分顆粒間有較大的相對運動,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達到宏觀和微觀上的勻質。
3 振動攪拌機理
振動攪拌能有效地改善混凝土的微觀勻質性提高混凝土的強度,而且混凝土拌和物的流動性也有所改善[ 4 ] 。振動攪拌的機理是使被攪拌的混凝土混合料產生振動,混合料內部的各個顆粒在振動波的影響下,將圍繞某種不穩定平衡的中間位置作連續不斷的強迫振動,并且使相鄰粒子振動而發生位移,物料顆粒間的相對運動頻率增加,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動阻力顯著降低,如圖2 所示。物料的循環流動得到加強,這就為低效區的消除創造了較為有利的條件;在攪拌的同時施加振動作用,還可以破壞水泥凝聚團,使水泥顆粒均勻分布,提高水泥的利用率。而且,振動攪拌使各組分的運動速度加快,物料顆粒間相互碰撞的次數增多,不僅促進對流運動,還可以凈化集料表面,增加水泥和集料間的粘結力。
4 振動作用下SFPC的結構流變特性研究
研究振動作用下SFPC的結構流變特性的目的是為了確定振動攪拌設備的工作機構的幾何、運動參數,以保證攪拌筒內混合料結構的完全破壞,改善混凝土的微觀勻質性,提高混凝土的強度,改善混凝土拌和物的流動性。
國外的一項實驗反映了在不同振動參數條件下,混凝土流變特性的變化情況。實驗中振動參數除了振幅A、振動圓頻率ω外,引入振動強度D和振動能量分布J 作為振動攪拌的兩個性能參數, 并定義D =Aω2 / g, J = FA /V,式中g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,該實驗裝置如圖3所示。激振器以不同的振幅和振動圓頻率ω產生振動,使拌筒內混合料也隨之發生振動,旋轉工作機構設在拌筒的中間,通過力傳感器、應變儀和光電示波器測定混合料作用在旋轉工作機構上的平均切線阻力τ的大小。在不同的A 和ω下,τ值是變化的,它反映著不同振動參數條件下混凝土結構流變特性的變化。其實驗結果見表1[ 4 ] 。
可知,當振動強度D =Aω2 / g逐漸增大時,作用在旋轉工作機構上平均切線運動阻力τ逐漸減小。當振動強度大于15、振動能量分布J = FA /V > 0. 03時,作用在旋轉工作機構上平均切線運動阻力可下降到靜態值的5%以下, 混凝土各組份之間的聯結完全被破壞。
雖然該實驗研究沒有特別指出像SFPC這類纖維增強塑性混凝土在振動作用下的結構流變特性的變化,但是根據SFPC的組成和物理性質,它在振動作用下的結構流變特性變化的趨勢是與普通混凝土的變化趨勢是一致的,這可以在干硬性混凝土的振動密實成型工藝中得到證實[ 5 ] 。根據干硬性混凝土的振動密實成型工藝中,振動加速度a ( a =Aω2 ) 、振動圓頻率ω、振幅A 與干硬性混凝土的工作度Vb的關系: a增加, 結構粘度μ下降, 工作度Vb 減少,從而使混凝土密實度增加,強度提高。
振動作用下,攪拌和密實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,葉片的攪拌、剪切、推移作用明顯,要求的振動強度較大,振幅較大;密實成型時,重力、物料的慣性作用突出,要求的振動強度較小,振幅相對較小。當然,振動作用對SFPC的結構流變特性的影響也不例外。由于鋼纖維對SFPC的阻裂和增強作用, SFPC的屈服應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,通過選取合理的振動參數來振動攪拌SFPC,能有效地改善SFPC的微觀勻質性,提高SFPC的強度,而且混凝土拌和物的流動性也有所改善,并提高SFPC的質量。
4 結語
振動攪拌可以破壞水泥凝聚團,能有效地改善混凝土的微觀勻質性提高混凝土的強度和攪拌質量;在振動作用下, SFPC的流變特性與普通混凝土的流變特性是一致的,所以把振動攪拌技術應用于SFPC的生產中,也是可以提高SFPC的微觀勻質性和改善其主要性能的;但是由于SFPC自身的特點,應采取怎么樣的振動攪拌方案和生產工藝還有待作進一步研究。
參考文獻:
[ 1 ] 于學成. 混凝土做機床基礎件的研究[D ]. 上海: 同濟大學,1989
[ 2 ] 徐平. 鋼纖維聚合物混凝土機床基礎件靜動態力學性能及損傷機理研究[D ]. 阜新:遼寧工程技術大學, 2005
[ 3 ] 趙悟. 振動拌和RCC及SFRC的試驗研究[D ]. 西安:西安公路交通大學, 2000
[ 4 ] 馮忠緒. 混凝土攪拌理論與設備[M ]. 北京:人民交通出版社,2001
[ 5 ] 雍本. 特種混凝土設計與施工[M ]. 中國建筑工業出版社,1993
