混凝土的流變特征與混凝土輸送泵的主要技術(shù)參數(shù)
2006-09-19 00:00
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關(guān)鍵詞： 混凝土； 流變特征； 混凝土輸送泵； 技術(shù)參數(shù)
在橋梁、水利電力設(shè)施、高層建筑等大型混凝土工程施工中，混凝土的運(yùn)輸和澆注是一項(xiàng)關(guān)鍵性的工作。混凝土泵能一次連續(xù)完成水平運(yùn)輸和垂直運(yùn)輸，對(duì)于狹窄和有障礙物的施工現(xiàn)場(chǎng)，通過(guò)合理地布管，亦能將混凝土送達(dá)施工地點(diǎn)。本文旨在通過(guò)研究混凝土在輸送管道中的流變特性，探討混凝土輸送泵主要技術(shù)性能參數(shù)的確定原則，設(shè)法使混凝土泵有效地發(fā)揮作用，以滿(mǎn)足大型混凝土工程施工所需的效率高、能耗省、費(fèi)用低的要求。
1 流變學(xué)原理及泵送混凝土流變方程
根據(jù)流變學(xué)原理，任何一種實(shí)際材料都可由三種具有理想流變特性的材料〔具有完全彈性的理想材料即胡克（Hooke） 固體模型、超過(guò)屈服點(diǎn)后只有塑性變形的理想材料即圣維南（St . venant） 固體模型、具有粘性的理想材料即牛頓（Newton） 液體模型〕組成，流變方程為：
 式中：τ為剪應(yīng)力；η為粘性系數(shù)； r 為被研究流變體所處的半徑；τ0 為屈服剪切應(yīng)力；T 為松弛周期； t 為時(shí)間。 對(duì)于新拌水泥混凝土，其粘度、屈服剪應(yīng)力都不等于0 ，而松弛周期T 為無(wú)窮大。這種新拌混凝土的流變模型可認(rèn)為是一般賓哈姆體，其流變方程可表示為：
τ=ηd V / d r +τ0
由上式可以看出， 屈服剪應(yīng)力與粘度系數(shù)是決定拌和物流變特性的主要參數(shù)。
拌和物的屈服剪應(yīng)力是由組成材料之間的附著力和摩擦力引起的。它是阻止塑性變形的最大應(yīng)力。在外力作用下產(chǎn)生的剪應(yīng)力τ<τ0 時(shí)，拌和物不產(chǎn)生流動(dòng)，只有τ>τ0 時(shí)才產(chǎn)生流動(dòng)。
粘度系數(shù)η是液體內(nèi)部結(jié)構(gòu)阻止流動(dòng)的一種性能， 它是流體中平行流動(dòng)的各層流之間產(chǎn)生的與流動(dòng)方向相反的粘滯阻力。
2 泵送混凝土的流動(dòng)特征分析
根據(jù)泵送混凝土的流變方程， 認(rèn)為泵送混凝土是賓哈姆液體在推力作用下沿管道的流動(dòng)。這種流動(dòng)可假設(shè)為兩種流動(dòng)狀態(tài)組合而成，即“層流”和“紊流”。
層流是流動(dòng)過(guò)程中流線與流線之間沒(méi)有流體質(zhì)點(diǎn)交換的流動(dòng)， 它主要表現(xiàn)為流體質(zhì)點(diǎn)的摩擦和變形（如圖1 所示） 。由圖可知：
式中，ΔP 為層流賓哈姆液體所承受的壓差；r 為層流賓哈姆液體的半徑； l 為層流賓哈姆液體的長(zhǎng)度。
代入前面流變方程可得：
 對(duì)上式積分并根據(jù)邊界條件， r = R （輸送管道的半徑） 時(shí)， V = 0 。因而求得流速為：
 紊流是流動(dòng)過(guò)程中流線與流線之間存在流體質(zhì)點(diǎn)交換的流動(dòng)。質(zhì)點(diǎn)在流動(dòng)過(guò)程中相互混雜和碰撞， 結(jié)果使流動(dòng)較快的流層的質(zhì)點(diǎn)進(jìn)入到流動(dòng)較慢的流層中， 給流層較慢的流層以向前的推力；而流動(dòng)較慢的流層的質(zhì)點(diǎn)進(jìn)入到流動(dòng)較快的流層中， 則給流動(dòng)較快的流層以阻力。由于流體質(zhì)點(diǎn)相互交換的結(jié)果，就引起一種附加應(yīng)力。因此紊流狀態(tài)的流體剪應(yīng)力由兩部分組成， 一部分是由粘滯阻力引起的；另一部分是由質(zhì)點(diǎn)交換引起的：
 式中：τ1 為層流剪應(yīng)力；τ2 為紊流剪應(yīng)力。
由上式可以看出， 當(dāng)紊流達(dá)到充分紊亂（即l 、d V / d r 較大） 時(shí)，τ2 比τ1 大得多。求得紊流的流速隨半徑變化的規(guī)律為：
 式中： V max為管道中心處的流速；ρ為流體密度； R 、τR 分別為管壁處半徑和剪切應(yīng)力。
3 混凝土輸送泵主要技術(shù)參數(shù)的選擇
混凝土輸送泵的主要技術(shù)參數(shù)首先要滿(mǎn)足施工要求， 如混凝土的性質(zhì)、泵送生產(chǎn)率、泵送距離等。而這些要求可以通過(guò)選擇合適的工作壓力、管道直徑和泵送速度來(lái)實(shí)現(xiàn)。
1） 混凝土泵送壓力的選擇
泵送混凝土所需的泵送壓力取決于泵送距離、混凝土與管壁的粘著阻力、摩擦阻力及垂直泵送的混凝土的自重。
由于混凝土通過(guò)直管和通過(guò)彎管的阻力不同，所以應(yīng)分別按下式計(jì)算：
 式中： p1 i為通過(guò)單位長(zhǎng)度的第i 段直管所需的泵送壓力； x 1 i為第i 段直管的長(zhǎng)度； p2 j為通過(guò)單位長(zhǎng)度的第j 段彎管所需的泵送壓力； x 2 j為第j 段彎管的長(zhǎng)度。
2） 泵送混凝土流速和輸送管道直徑選擇
泵送混凝土流速和輸送管道直徑取決于混凝土泵的生產(chǎn)率、混凝土的流動(dòng)特性、骨料的最大粒徑、輸送距離等因素，其關(guān)系如下：
Q = KVπD2 / 4
式中： Q 為生產(chǎn)率； K 為與混凝土的流動(dòng)特性、骨料的最大粒徑、輸送距離有關(guān)的系數(shù)；V 為泵送速度； D 為輸送管道的直徑。
大直徑的輸送管，可用于較大粒徑的骨料，泵送時(shí)壓力損失小。但它笨重、昂貴；且當(dāng)混凝土料產(chǎn)生泌水時(shí)，在管中產(chǎn)生離析的可能性大。在目前的生產(chǎn)條件下，一般采用直徑為180 、150 、125 、100 和80 mm 五種。
4 結(jié)論
由第2 款的分析可知層流與紊流的區(qū)別很大。層流的阻力和消耗的功率較紊流的小得多。但根據(jù)層流和紊流的流動(dòng)特征可知，在一定條件下層流會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)槲闪?。因此，在選擇和使用混凝土泵時(shí)，應(yīng)設(shè)法使混凝土的流動(dòng)保持層流狀態(tài)，以防止泵送過(guò)程中發(fā)生流動(dòng)狀態(tài)變化而導(dǎo)致堵管。
怎樣保持泵送混凝土的層流呢? 由流體力學(xué)得知，根據(jù)“雷諾數(shù)”可判別流體的流態(tài)，因?yàn)樗芊从吵鰯_動(dòng)力與流體粘性的對(duì)比關(guān)系。使流體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)改變的雷諾數(shù)，稱(chēng)為“臨界雷諾數(shù)”（ Re） ， Re < 2 000 者為層流，Re > 2 000 者為紊流。
因此在選擇混凝土泵的主要參數(shù)時(shí)，除了需要考慮滿(mǎn)足施工要求外，還應(yīng)該滿(mǎn)足維持層流的“雷諾數(shù)”要求。亦即應(yīng)使泵送壓力、泵送速度、管道直徑及混凝土粘度系數(shù)滿(mǎn)足下式：
Re = PV D / η< 2 000 |
| 原作者： 陳于軍 |
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