混凝土的流变特征与混凝土输送泵的主要技术参数
2006-09-19 00:00
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关键词： 混凝土； 流变特征； 混凝土输送泵； 技术参数
在桥梁、水利电力设施、高层建筑等大型混凝土工程施工中，混凝土的运输和浇注是一项关键性的工作。混凝土泵能一次连续完成水平运输和垂直运输，对于狭窄和有障碍物的施工现场，通过合理地布管，亦能将混凝土送达施工地点。本文旨在通过研究混凝土在输送管道中的流变特性，探讨混凝土输送泵主要技术性能参数的确定原则，设法使混凝土泵有效地发挥作用，以满足大型混凝土工程施工所需的效率高、能耗省、费用低的要求。
1 流变学原理及泵送混凝土流变方程
根据流变学原理，任何一种实际材料都可由三种具有理想流变特性的材料〔具有完全弹性的理想材料即胡克（Hooke） 固体模型、超过屈服点后只有塑性变形的理想材料即圣维南（St . venant） 固体模型、具有粘性的理想材料即牛顿（Newton） 液体模型〕组成，流变方程为：
 式中：τ为剪应力；η为粘性系数； r 为被研究流变体所处的半径；τ0 为屈服剪切应力；T 为松弛周期； t 为时间。 对于新拌水泥混凝土，其粘度、屈服剪应力都不等于0 ，而松弛周期T 为无穷大。这种新拌混凝土的流变模型可认为是一般宾哈姆体，其流变方程可表示为：
τ=ηd V / d r +τ0
由上式可以看出， 屈服剪应力与粘度系数是决定拌和物流变特性的主要参数。
拌和物的屈服剪应力是由组成材料之间的附着力和摩擦力引起的。它是阻止塑性变形的最大应力。在外力作用下产生的剪应力τ<τ0 时，拌和物不产生流动，只有τ>τ0 时才产生流动。
粘度系数η是液体内部结构阻止流动的一种性能， 它是流体中平行流动的各层流之间产生的与流动方向相反的粘滞阻力。
2 泵送混凝土的流动特征分析
根据泵送混凝土的流变方程， 认为泵送混凝土是宾哈姆液体在推力作用下沿管道的流动。这种流动可假设为两种流动状态组合而成，即“层流”和“紊流”。
层流是流动过程中流线与流线之间没有流体质点交换的流动， 它主要表现为流体质点的摩擦和变形（如图1 所示） 。由图可知：
式中，ΔP 为层流宾哈姆液体所承受的压差；r 为层流宾哈姆液体的半径； l 为层流宾哈姆液体的长度。
代入前面流变方程可得：
 对上式积分并根据边界条件， r = R （输送管道的半径） 时， V = 0 。因而求得流速为：
 紊流是流动过程中流线与流线之间存在流体质点交换的流动。质点在流动过程中相互混杂和碰撞， 结果使流动较快的流层的质点进入到流动较慢的流层中， 给流层较慢的流层以向前的推力；而流动较慢的流层的质点进入到流动较快的流层中， 则给流动较快的流层以阻力。由于流体质点相互交换的结果，就引起一种附加应力。因此紊流状态的流体剪应力由两部分组成， 一部分是由粘滞阻力引起的；另一部分是由质点交换引起的：
 式中：τ1 为层流剪应力；τ2 为紊流剪应力。
由上式可以看出， 当紊流达到充分紊乱（即l 、d V / d r 较大） 时，τ2 比τ1 大得多。求得紊流的流速随半径变化的规律为：
 式中： V max为管道中心处的流速；ρ为流体密度； R 、τR 分别为管壁处半径和剪切应力。
3 混凝土输送泵主要技术参数的选择
混凝土输送泵的主要技术参数首先要满足施工要求， 如混凝土的性质、泵送生产率、泵送距离等。而这些要求可以通过选择合适的工作压力、管道直径和泵送速度来实现。
1） 混凝土泵送压力的选择
泵送混凝土所需的泵送压力取决于泵送距离、混凝土与管壁的粘着阻力、摩擦阻力及垂直泵送的混凝土的自重。
由于混凝土通过直管和通过弯管的阻力不同，所以应分别按下式计算：
 式中： p1 i为通过单位长度的第i 段直管所需的泵送压力； x 1 i为第i 段直管的长度； p2 j为通过单位长度的第j 段弯管所需的泵送压力； x 2 j为第j 段弯管的长度。
2） 泵送混凝土流速和输送管道直径选择
泵送混凝土流速和输送管道直径取决于混凝土泵的生产率、混凝土的流动特性、骨料的最大粒径、输送距离等因素，其关系如下：
Q = KVπD2 / 4
式中： Q 为生产率； K 为与混凝土的流动特性、骨料的最大粒径、输送距离有关的系数；V 为泵送速度； D 为输送管道的直径。
大直径的输送管，可用于较大粒径的骨料，泵送时压力损失小。但它笨重、昂贵；且当混凝土料产生泌水时，在管中产生离析的可能性大。在目前的生产条件下，一般采用直径为180 、150 、125 、100 和80 mm 五种。
4 结论
由第2 款的分析可知层流与紊流的区别很大。层流的阻力和消耗的功率较紊流的小得多。但根据层流和紊流的流动特征可知，在一定条件下层流会转变为紊流。因此，在选择和使用混凝土泵时，应设法使混凝土的流动保持层流状态，以防止泵送过程中发生流动状态变化而导致堵管。
怎样保持泵送混凝土的层流呢? 由流体力学得知，根据“雷诺数”可判别流体的流态，因为它能反映出扰动力与流体粘性的对比关系。使流体运动状态改变的雷诺数，称为“临界雷诺数”（ Re） ， Re < 2 000 者为层流，Re > 2 000 者为紊流。
因此在选择混凝土泵的主要参数时，除了需要考虑满足施工要求外，还应该满足维持层流的“雷诺数”要求。亦即应使泵送压力、泵送速度、管道直径及混凝土粘度系数满足下式：
Re = PV D / η< 2 000 |
| 原作者： 陈于军 |
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