混凝土的流變特征與混凝土輸送泵的主要技術(shù)參數(shù)

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?;炷帘媚芤淮芜B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l 、d V / d r 較大時(shí),τ2τ1 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),除了需要考慮滿足施工要求外,還應(yīng)該滿足維持層流的“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)滿足下式:
    Re = PV D / η< 2 000
 
原作者: 陳于軍 

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