摘 要: 针对钢纤维聚合物混凝土的特点和普通搅拌法的局限性,提出将振动搅拌技术用于钢纤维聚合物混凝土生产;并研究了在振动机理作用下钢纤维聚合物混凝土的结构流变特性,得出钢纤维聚合物混凝土的流变特性普通混凝土的流变特性是一致的,但可以提高其微观匀质性和强度,而且能改善其综合性能和搅拌质量。
关键词: 钢纤维混凝土;振动搅拌;结构流变特性
中图分类号: TD352+ . 3 文献标识码:A 文章编号: 1001 - 0874 (2008) 01 - 0027 - 03
1 引言
钢纤维聚合物混凝土( SFPC)是一种在聚合物混凝土中加入适量钢纤维配制而成的高强变混凝土,其乱向分布的钢纤维可以阻碍混凝土内部微裂纹的扩展和阻滞宏观裂纹的发生和扩展,因而SFPC具有优良的抗拉、抗剪、抗弯、抗裂、阻裂、耐冲击、抗疲劳、高韧性等性能,目前它已被广泛地应用于道路桥梁工程、建筑工程、水利工程、港口工程、铁路工程和军事工程等领域,而且还作为新型机床的结构材料用于制造机床的基础件,例如:床身、立柱、底座、横梁、摇臂、工作台、箱体、刀架等[ 1 ] 。
从九十年代末期辽宁工程技术大学系统地开展了钢纤维聚合物混凝土的相关研究。研究结果表明:钢纤维聚合物混凝土机床基础件的静态性能优于聚合物混凝的静态性能,其动态性能也优于铸铁机床基础件的动态性能,用钢纤维聚合物混凝土制造机床基础件还可节省金属材料、缩短生产周期短、成本低且利于环保[ 2 ] 。
为了实现钢纤维聚合物混凝土的产业化,使其能广泛地应用于机床行业,则必须研究其搅拌过程。由于普通搅拌存在着水泥颗粒团聚现象和搅拌低效区等局限性,且目前我国还没有一种搅拌机能完全胜任SFPC的制备[ 3 ] ,所以将振动与搅拌相结合来制备SFPC是一种尝试。
2 新拌混凝土的流变特性
混凝土混和料可以看作一种由水和集料分散粒子组成的复杂分散体系,具有弹性、粘性、塑性等诸多特性。一般认为,新拌混凝土基本上是一种宾汉姆体(B ingham) ,其流变特性可表示为[ 4 ] :
式中:τ—混凝土的实际剪切力;
τ0—屈服剪应力;
η—混凝土的塑性粘度;
—混凝土的剪切变形速率。
屈服剪应力τ0 和塑性粘度η是决定混凝土混合料流变特性的基本参数。其中,τ0 由混合料各颗粒之间的附着力和摩擦力引起, 是阻止塑性变形的最大应力;η是内部结构阻碍流动的一种性能,随剪应力或变形速率而变化。
图1表示了塑性粘度η与剪应力τ以及变形速率dv / dt与剪应力τ的关系曲线[ 5 ] 。可以看出, 当dv / dt小于某值时,τ小于某定值τ1 ,η具有确定的最大值η0。此时的混凝土混合料表现为固态特性,虽然也会发生缓慢的流动,但实际上几乎察觉不到。
随着dv / dt的增加,τ值增加,η则大大降低。这时混凝土混合料的凝聚结构开始破坏, 表现出较好的流动性;当dv / dt增大到某一值时,τ达到τ0 值,η下降到最小值ηm 。此时混凝土的凝聚结构完全遭到破坏,流动性达到最佳。这之后η不再随着dv / dt或τ的变化而变化。
上述流变方程只能描述搅拌好的新拌混凝土,不能描述搅拌过程,但可以用来指导混凝土搅拌参数的选择。由混凝土的流变特性可知,在一定范围内,塑性粘度是随着物料速度梯度的增大而减小的。因此,搅拌过程中必须保证混合料得到较强烈的运动,并尽可能使混合料各组分颗粒间有较大的相对运动,以便促使混合料各组分颗粒充分混合、渗透,使混凝土混合料能够同时达到宏观和微观上的匀质。
3 振动搅拌机理
振动搅拌能有效地改善混凝土的微观匀质性提高混凝土的强度,而且混凝土拌和物的流动性也有所改善[ 4 ] 。振动搅拌的机理是使被搅拌的混凝土混合料产生振动,混合料内部的各个颗粒在振动波的影响下,将围绕某种不稳定平衡的中间位置作连续不断的强迫振动,并且使相邻粒子振动而发生位移,物料颗粒间的相对运动频率增加,从而使颗粒之间的摩擦力和粘着力急剧减小,物料作用于搅拌叶片上的平均切线运动阻力显著降低,如图2 所示。物料的循环流动得到加强,这就为低效区的消除创造了较为有利的条件;在搅拌的同时施加振动作用,还可以破坏水泥凝聚团,使水泥颗粒均匀分布,提高水泥的利用率。而且,振动搅拌使各组分的运动速度加快,物料颗粒间相互碰撞的次数增多,不仅促进对流运动,还可以净化集料表面,增加水泥和集料间的粘结力。
4 振动作用下SFPC的结构流变特性研究
研究振动作用下SFPC的结构流变特性的目的是为了确定振动搅拌设备的工作机构的几何、运动参数,以保证搅拌筒内混合料结构的完全破坏,改善混凝土的微观匀质性,提高混凝土的强度,改善混凝土拌和物的流动性。
国外的一项实验反映了在不同振动参数条件下,混凝土流变特性的变化情况。实验中振动参数除了振幅A、振动圆频率ω外,引入振动强度D和振动能量分布J 作为振动搅拌的两个性能参数, 并定义D =Aω2 / g, J = FA /V,式中g为自由落体加速度,F为激振力的作用面积, V 为拌筒的容积,该实验装置如图3所示。激振器以不同的振幅和振动圆频率ω产生振动,使拌筒内混合料也随之发生振动,旋转工作机构设在拌筒的中间,通过力传感器、应变仪和光电示波器测定混合料作用在旋转工作机构上的平均切线阻力τ的大小。在不同的A 和ω下,τ值是变化的,它反映着不同振动参数条件下混凝土结构流变特性的变化。其实验结果见表1[ 4 ] 。
可知,当振动强度D =Aω2 / g逐渐增大时,作用在旋转工作机构上平均切线运动阻力τ逐渐减小。当振动强度大于15、振动能量分布J = FA /V > 0. 03时,作用在旋转工作机构上平均切线运动阻力可下降到静态值的5%以下, 混凝土各组份之间的联结完全被破坏。
虽然该实验研究没有特别指出像SFPC这类纤维增强塑性混凝土在振动作用下的结构流变特性的变化,但是根据SFPC的组成和物理性质,它在振动作用下的结构流变特性变化的趋势是与普通混凝土的变化趋势是一致的,这可以在干硬性混凝土的振动密实成型工艺中得到证实[ 5 ] 。根据干硬性混凝土的振动密实成型工艺中,振动加速度a ( a =Aω2 ) 、振动圆频率ω、振幅A 与干硬性混凝土的工作度Vb的关系: a增加, 结构粘度μ下降, 工作度Vb 减少,从而使混凝土密实度增加,强度提高。
振动作用下,搅拌和密实成型都要受混凝土混合料的流变特性的影响。不同的是搅拌时,叶片的搅拌、剪切、推移作用明显,要求的振动强度较大,振幅较大;密实成型时,重力、物料的惯性作用突出,要求的振动强度较小,振幅相对较小。当然,振动作用对SFPC的结构流变特性的影响也不例外。由于钢纤维对SFPC的阻裂和增强作用, SFPC的屈服应力和塑性粘度值均高于普通混凝土,所以要把SFPC搅拌均匀比搅拌均匀普通混凝土困难的多。但是,通过选取合理的振动参数来振动搅拌SFPC,能有效地改善SFPC的微观匀质性,提高SFPC的强度,而且混凝土拌和物的流动性也有所改善,并提高SFPC的质量。
4 结语
振动搅拌可以破坏水泥凝聚团,能有效地改善混凝土的微观匀质性提高混凝土的强度和搅拌质量;在振动作用下, SFPC的流变特性与普通混凝土的流变特性是一致的,所以把振动搅拌技术应用于SFPC的生产中,也是可以提高SFPC的微观匀质性和改善其主要性能的;但是由于SFPC自身的特点,应采取怎么样的振动搅拌方案和生产工艺还有待作进一步研究。
参考文献:
[ 1 ] 于学成. 混凝土做机床基础件的研究[D ]. 上海: 同济大学,1989
[ 2 ] 徐平. 钢纤维聚合物混凝土机床基础件静动态力学性能及损伤机理研究[D ]. 阜新:辽宁工程技术大学, 2005
[ 3 ] 赵悟. 振动拌和RCC及SFRC的试验研究[D ]. 西安:西安公路交通大学, 2000
[ 4 ] 冯忠绪. 混凝土搅拌理论与设备[M ]. 北京:人民交通出版社,2001
[ 5 ] 雍本. 特种混凝土设计与施工[M ]. 中国建筑工业出版社,1993
