混凝土的流變特征與混凝土輸送泵的主要技術參數
2006-09-19 00:00
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關鍵詞： 混凝土； 流變特征； 混凝土輸送泵； 技術參數
在橋梁、水利電力設施、高層建筑等大型混凝土工程施工中，混凝土的運輸和澆注是一項關鍵性的工作。混凝土泵能一次連續完成水平運輸和垂直運輸，對于狹窄和有障礙物的施工現場，通過合理地布管，亦能將混凝土送達施工地點。本文旨在通過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性能參數的確定原則，設法使混凝土泵有效地發揮作用，以滿足大型混凝土工程施工所需的效率高、能耗省、費用低的要求。
1 流變學原理及泵送混凝土流變方程
根據流變學原理，任何一種實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、超過屈服點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為剪應力；η為粘性系數； r 為被研究流變體所處的半徑；τ0 為屈服剪切應力；T 為松弛周期； t 為時間。 對于新拌水泥混凝土，其粘度、屈服剪應力都不等于0 ，而松弛周期T 為無窮大。這種新拌混凝土的流變模型可認為是一般賓哈姆體，其流變方程可表示為：
τ=ηd V / d r +τ0
由上式可以看出， 屈服剪應力與粘度系數是決定拌和物流變特性的主要參數。
拌和物的屈服剪應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力。在外力作用下產生的剪應力τ<τ0 時，拌和物不產生流動，只有τ>τ0 時才產生流動。
粘度系數η是液體內部結構阻止流動的一種性能， 它是流體中平行流動的各層流之間產生的與流動方向相反的粘滯阻力。
2 泵送混凝土的流動特征分析
根據泵送混凝土的流變方程， 認為泵送混凝土是賓哈姆液體在推力作用下沿管道的流動。這種流動可假設為兩種流動狀態組合而成，即“層流”和“紊流”。
層流是流動過程中流線與流線之間沒有流體質點交換的流動， 它主要表現為流體質點的摩擦和變形（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度。
代入前面流變方程可得：
 對上式積分并根據邊界條件， r = R （輸送管道的半徑） 時， V = 0 。因而求得流速為：
 紊流是流動過程中流線與流線之間存在流體質點交換的流動。質點在流動過程中相互混雜和碰撞， 結果使流動較快的流層的質點進入到流動較慢的流層中， 給流層較慢的流層以向前的推力；而流動較慢的流層的質點進入到流動較快的流層中， 則給流動較快的流層以阻力。由于流體質點相互交換的結果，就引起一種附加應力。因此紊流狀態的流體剪應力由兩部分組成， 一部分是由粘滯阻力引起的；另一部分是由質點交換引起的：
 式中：τ1 為層流剪應力；τ2 為紊流剪應力。
由上式可以看出， 當紊流達到充分紊亂（即l 、d V / d r 較大） 時，τ2 比τ1 大得多。求得紊流的流速隨半徑變化的規律為：
 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力。
3 混凝土輸送泵主要技術參數的選擇
混凝土輸送泵的主要技術參數首先要滿足施工要求， 如混凝土的性質、泵送生產率、泵送距離等。而這些要求可以通過選擇合適的工作壓力、管道直徑和泵送速度來實現。
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。
由于混凝土通過直管和通過彎管的阻力不同，所以應分別按下式計算：
 式中： p1 i為通過單位長度的第i 段直管所需的泵送壓力； x 1 i為第i 段直管的長度； p2 j為通過單位長度的第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率、混凝土的流動特性、骨料的最大粒徑、輸送距離等因素，其關系如下：
Q = KVπD2 / 4
式中： Q 為生產率； K 為與混凝土的流動特性、骨料的最大粒徑、輸送距離有關的系數；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，泵送時壓力損失小。但它笨重、昂貴；且當混凝土料產生泌水時，在管中產生離析的可能性大。在目前的生產條件下，一般采用直徑為180 、150 、125 、100 和80 mm 五種。
4 結論
由第2 款的分析可知層流與紊流的區別很大。層流的阻力和消耗的功率較紊流的小得多。但根據層流和紊流的流動特征可知，在一定條件下層流會轉變為紊流。因此，在選擇和使用混凝土泵時，應設法使混凝土的流動保持層流狀態，以防止泵送過程中發生流動狀態變化而導致堵管。
怎樣保持泵送混凝土的層流呢? 由流體力學得知，根據“雷諾數”可判別流體的流態，因為它能反映出擾動力與流體粘性的對比關系。使流體運動狀態改變的雷諾數，稱為“臨界雷諾數”（ 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時，除了需要考慮滿足施工要求外，還應該滿足維持層流的“雷諾數”要求。亦即應使泵送壓力、泵送速度、管道直徑及混凝土粘度系數滿足下式：
Re = PV D / η< 2 000 |
| 原作者： 陳于軍 |
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