一种新型混凝土施工振捣参数快速测定装置及方法与流程

1.本发明涉及一种新型混凝土施工振捣参数快速测定装置及方法，属于混凝土施工技 术领域。


背景技术：

2.混凝土是近现代最大宗生产、最广泛使用的建筑材料，我国商品混凝土的年产量超 过了30亿立方米。水泥混凝土是一种典型的触变性材料，通常在施工过程中需要振捣 使其在钢筋、模具边角等障碍物附近流动从而在结构物中填筑的更充分。振捣的另一个 功能是在不影响混凝土力学和耐久性的前提下去除材料内部的夹带空气。混凝土施工过 程的振捣不应该使其发生离析或泌水，过振或漏振会导致混凝土结构物表面出现缝隙或 者孔洞，降低了结构物的服役性能和使用寿命，带来巨大的安全隐患和经济损失。因此， 确定混凝土施工过程中的振捣参数，优化混凝土施工过程的浇筑和振捣工艺，对于工程 建造具有重大的意义。
3.通常混凝土施工过程所采用的振捣棒为具有偏心质量的转轴，在高速旋转时产生的 离心力通过轴承传递给振动棒壳体，从而产生沿垂直于轴方向传播的压缩波(p)和剪 切波(s)，通过振捣产生能量的传递实现混凝土拌合物流体化，有效地克服流动产生的 应力，以便更好的在结构物内填充浇筑密实。显然，振捣棒传递的能量对混凝土拌合物 浇筑有很大的影响。通常这种能量传输会随着与振动头距离的增加而减少，同时结构物 内布置的钢筋也会加速振捣棒传递出的能量衰减。但目前，混凝土拌合物流态化所需的 振动能量还无法实现定量表征。故而，提出在振捣棒周围建立一个有效振捣半径(即最 大工作半径)，保证有足够的能量传递到浇筑的混凝土内部，提高浇筑质量。
4.新拌混凝土是一种复杂的且内部不断变化的、有不同尺寸的固-液两相混合体。新 拌混凝土的流变特性(屈服应力、粘度和触变性)受到许多因素的显著影响，包括含水 率、骨料类型及几何形状、化学外加剂的类型和用量、施工时间等。这意味着针对不同 的混凝土拌合物，应当采用与其相适应的振捣参数才能够充分保证施工质量。目前关于 新拌混凝土浇筑过程中振捣参数的研究较少，施工过程中确定混凝土振捣参数的方法主 要是基于长期施工经验。对于施工方而言，增加振捣频率、时间，减小振捣间隔和浇筑 深度，以便于浇筑工作性差的混凝土拌合物并不罕见。但这会导致部分负作用发生，如 成型结构中的振捣棒痕迹或表面外观质量差等工程问题。
5.综上，现有混凝土中使用了多种辅助胶凝材料和外加剂，其性能复杂多变，但在施 工过程中混凝土拌合物振捣参数主要依据于长期工程经验，容易发生过振、漏振，进而 导致混凝土拌合物出现离析、泌水及成形结构物出现缝隙或孔洞的现象等一系列施工质 量问题。


技术实现要素：

6.针对现有技术的不足，本发明提供一种新型混凝土施工振捣参数快速测定装置及
图4至图6，通过侧向压力采集传感器和能量采集传感器可得知达到最佳振捣效果的最 短时间和过振的时间、可得知能量随振捣棒距离的变化从而得到最大工作半径、可得知 侧向压力随着深度的变化。
19.数据处理中心实际为集传感器信息采集、数据处理及图表输出为一体的电脑软件， 能够同时接收到能量采集传感器的波速均方根以及侧向压力采集传感器的一个与压力 成正比的电压信号，并根据软件内设置的传感器的相关物理及位置参数，如重力加速度、 压力与电压的比值、传感器距离振捣棒的空间距离等，通过预设的数据处理方式，以图 表形式直观地输出不同因素之间的相互关系，辅助确定最佳振捣参数，数据处理中心对 于数据和图表的处理及输出原理可参考现有技术即可，此处不再赘述。
20.优选的，每组侧向压力采集传感器位于与其相临近的能量采集传感器的同一侧，且 水平间距为3-5cm。
21.优选的，所述密闭容器尺寸为φ1m
×
1m，密闭容器和挡板的材质相同，为不锈钢、 铁制或铝制品；
22.优选的，所述振捣棒的工作长度为40cm，直径为3-7cm，频率为8000vpm～12500vpm (振动次数/分钟)，振捣棒在工作时的频率恒定，本发明的振捣棒为频率可调但工作频 率恒定的振捣棒，无论负载如何，都被控制在选定的频率下工作，避免了振动器在负载 下频率降低，从而混淆了混凝土拌合物之间的比较，导致确定的振捣参数不准确。此外， 该振捣棒能够报告随时间推移所消耗的电压和实际频率，从而为混凝土浇筑过程的能量 消耗计算提供依(实际消耗的能量为功率与振捣时间的乘积)。
23.优选的，所述密闭容器内壁设置有柔性内衬，如橡胶等，柔性内衬可以用胶或者铆 扣固定在密闭容器内壁，能够吸收能量且对混凝土工作性能不产生显著影响，从而避免 振捣能量在有限空间内的回弹对测试结果产生影响。
24.优选的，所述空仓b内可以放置有钢筋笼。钢筋笼可为单面钢筋笼、双面钢筋笼或 者依据结构物实际配筋情况自制的钢筋笼，钢筋笼截面应为正方形或者圆形，且边长或 者直径不大于10cm，钢筋笼高度介于70-90cm，用于确定给定混凝土在配筋结构物内的 振捣参数。
25.一种上述的新型混凝土施工振捣参数快速测定装置的使用方法，包括以下步骤：
26.(1)准备工作：
27.检查线路连接，接通电源打开新型混凝土施工振捣参数快速测定装置，并检查能量 采集传感器、侧向压力采集传感器及数据处理中心运行工作状态；
28.(2)准备工作完成后，将拌合好的混凝土缓慢加入空仓b内，混凝土上界面距离 密闭容器顶面10-15cm；
29.(3)将振捣棒沿密闭容器的中心位置快速插入混凝土内部，插入深度应使振捣棒 的工作长度与侧向压力采集传感器布置的竖向位置相对应；
30.(4)使能量采集传感器、侧向压力采集传感器和数据处理中心处于正常工作状态， 同时，开启振捣棒使其在固定工作频率下工作；
31.(5)数据处理中心实时给出能量采集传感器采集的能量随时间的变化规律，能量 随距振捣棒中心距离的变化规律，分别得到能量-时间关系图和能量-距离关系图，并实 时给出侧向压力采集传感器采集的侧向压力与深度的变化规律，得到深度-侧向压力关 系
图；
32.当能量采集传感器采集到的能量表现出随着时间先增加后基本保持不变然后继续 显著增加的规律后，振捣棒停止工作；
33.之后保存传感器采集原始数据以及数据处理中心分析的数据；
34.(6)取出振捣棒，清洗新型混凝土施工振捣参数快速测定装置；
35.(7)根据得到的能量-时间关系图，确定给定混凝土的最小振捣时间t1和最大振捣 时间t2，t1为能量表现出随着时间增加然后开始保持不变的时间节点，t2为能量表现出 从保持不变到开始增加的时间节点；
36.(8)根据深度-侧向压力关系图，计算该曲线斜率得到不同位置处的混凝土实测密 度；
37.(9)确定给定工况下振捣棒的最大工作半径：
38.当同时满足深度-侧向压力曲线拟合优度＞0.9、混凝土实测密度与混凝土理论密度 差值的绝对值≤100kg/m3、且距离振捣棒中心的距离最大，则该距离即为最大工作半径；
39.如图6所示，f＝ρgh，其中，f为理论侧向压力值，ρ为理论密度，可根据混凝土的 配合比计算得到，g为重力加速度，h为侧向压力采集传感器的深度，根据公式得到理 论侧向压力值f与深度的关系，如图6的最优直线；
40.图6中的四个点为不同深度的四个侧向压力采集传感器分别采集到的侧向压力值， 将四个点曲线拟合，得到如图6的拟合曲线，该拟合曲线的斜率即为实测密度；
41.拟合优度的计算过程为：先用各侧向压力采集传感器测得的数据减去测得数据的均 值计算其差值的平方和，记作总平方和；用侧向压力采集传感器测得的数据减去理论侧 向压力值f计算其差值的平方和，记作残差平方和，然后用1减去残差平方和与总平方 和的比值，结果越接近1，说明拟合优度越好。
42.距离振捣棒中心的距离为制作容器时就给定了，即传感器到振捣棒的距离分别是 10cm、20cm、30cm、40cm和50cm。
43.(10)重复上述步骤(2)～(9)，取两次试验结果的平均作为振捣参数值，即t1、 t2、最大工作半径的值；
44.(11)按照确定的振捣参数值优化混凝土浇筑和振捣工艺，其中混凝土浇筑厚度不 超过振捣棒工作长度的1.25倍，振捣时间介于t1到t2之间且仅大于t1，振捣棒的工作间 隔不超过其最大工作半径的1.45倍。
45.振捣棒的工作范围是以最大工作半径为半径的圆，若每次振捣棒的工作间隔为两个 半径(此时振捣棒的工作范围为两个半径相同且相切的圆)，则漏振的混凝土较多，所 以本发明中设定振捣棒的工作间隔为最大工作半径的1.45倍。
46.值得注意的是，此处的工作间隔是指工作距离间隔，振捣器的工作范围(或工作半 径)是以r为半径的圆，如图7所示，如果每次振捣器的工作距离间隔为2r，则漏振 的地方较多(阴影部分较多)，所以本发明的工作间隔为最大工作半径的1.45倍，这样 避免了过振和漏振。
47.优选的，在步骤(2)之后，如有需要，将提前预制好的钢筋笼放置在空仓b内， 并保证钢筋笼中心与密闭容器中心重合，并固定钢筋笼防止倾斜，具体的，可在容器壁 上打孔，
采用铆钉固定，容器壁上侧和下侧分别在其一周等距离打四个孔。
48.本发明未详尽之处，均可采用现有技术。
49.本发明的有益效果为：
50.1)本发明的一种新型混凝土振捣参数快速测定装置及方法，该装置操作简单，通 过简单的现场试验能够快速确定混凝土施工过程的振捣参数；
51.2)本发明采用能量采集传感器经过数据处理确定了混凝土的振捣时间范围，避免 了漏振或过振，同时采用侧向压力采集传感器经过数据处理确定了给定工况下振捣棒的 最大工作半径并且实现了振捣质量的评价(结合图6，振捣质量的评价取决于振捣后的 混凝土密度是否均匀，若混凝土振捣后均匀，则曲线拟合优度较高，振捣质量越好)；
52.3)本发明采用了频率可调但工作频率恒定的振捣棒，并且配有或按照实际工作自 制钢筋笼，能够快速测定不同类型混凝土拌合物采用不同工作频率的振捣棒在复杂的结 构物内部施工时最科学合理的振捣参数；
53.4)本发明给定混凝土拌合物振捣参数的快速测定，可以避免依靠长期经验振捣带 来的工程质量问题，有效提高结构物的安全性和服役寿命；
54.5)通过快速测定的振捣参数优化混凝土的浇筑和振捣工艺，可以减少混凝土施工 中振捣能量浪费，降低振捣引起的城市噪音，加快工程施工速度，更加安全经济环保。
附图说明
55.图1为本发明的新型混凝土施工振捣参数快速测定装置示意图；
56.图2为本发明的装置的俯视图；
57.图3为挡板的横面展开图；
58.图4为能量-时间关系图；
59.图5为能量-距离关系图；
60.图6为深度-侧向压力关系图；
61.图7为振捣器的工作距离间隔为2r示意图；
62.图8为振捣器的工作距离间隔为1.45r示意图。
63.图中：1、密闭容器，2、挡板，3、侧向压力采集传感器，4、能量采集传感器，5、 空仓a，6、振捣棒，7空仓b。
具体实施方式：
64.为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体 实施例进行详细描述，但不仅限于此，本发明未详尽说明的，均按本领域常规技术。
65.实施例1：
66.一种新型混凝土施工振捣参数快速测定装置，如图1-3所示，包括无盖的密闭容器 1、振捣棒6和数据采集分析系统；
67.密闭容器1内设置有一挡板2，挡板2与密闭容器1焊接，挡板1将密闭容器的内 部空间分为两个部分，即空仓a5和空仓b 7，空仓b 7填充有混凝土，振捣棒6位于 密闭容器中部且位于空仓b 7内，用于振捣混凝土；
68.数据采集分析系统包括相互连接的数据处理中心和采集传感器，采集传感器主体
放 置于空仓a5中且其感应端与混凝土相接触，采集传感器主体设置在外壁，但需要穿透 挡板2，能够与容器内部的混凝土直接接触，主体放置于空仓a5中可以避免传感器磨 损并提高测试精度和使用安全性，采集传感器用于采集距离振捣棒不同距离处的能量和 混凝土对挡板的侧向压力。
69.实施例2：
70.一种新型混凝土施工振捣参数快速测定装置，如实施例1所述，不同的是，挡板2 由一矩形挡板和一螺线形挡板组成，矩形挡板和螺线形挡板的一侧相连接，挡板2高度 与密闭容器1的高度相同，挡板2竖直固定于密闭容器内；
71.背向螺线形挡板的一侧形成空仓a，面向螺线形挡板的一侧形成空仓b，空仓b 7 的体积大于空仓a 5。
72.实施例3：
73.一种新型混凝土施工振捣参数快速测定装置，如实施例2所述，不同的是，采集传 感器包括能量采集传感器4和侧向压力采集传感器3，能量采集传感器4布置在螺线形 挡板的高度中间位置，并且在同一水平面内布置多个，多个能量采集传感器距离振捣棒 6中心的距离依次增加，且增加量δ相同；
74.每个能量采集传感器的一侧均设置有一组侧向压力采集传感器，每组侧向压力采集 传感器包括多个侧向压力采集传感器，并且沿螺线形挡板高度方向均匀分布。
75.实施例4：
76.一种新型混凝土施工振捣参数快速测定装置，如实施例3所述，不同的是，能量采 集传感器4的数量为5个，5个能量采集传感器距离振捣棒中心的距离依次为10cm、20cm、30cm、40cm和50cm(即δ为10cm)，能量采集传感器4距离振捣棒的最近距离为10cm， 最远的距离为50cm，能量采集传感器4通过测试振动加速度换算得到能量，传输到传 感器的能量记录为波速的均方根(即振捣器频率和速度的乘积与重力加速度的比值)， 定义为在所选频率(0-400hz)上1s特定周期内的能量。
77.本发明优选采用量程范围-0.1～0～60mpa、精度等级0.25级的侧向压力传感器，每 组侧向压力采集传感器包括4个侧向压力采集传感器，4个侧向压力采集传感器均匀分 布于振捣棒的工作长度内，侧向压力采集传感器3采集的力为密闭容器内的混凝土对容 器壁也就是对螺线形挡板的侧向压力，用于研究混凝土振捣过程对于螺线形挡板的压力 变化规律。
78.本发明的数据处理中心能够实时处理能量采集传感器和侧向压力采集传感器采集 的数据，并动态分析各位置处的能量-时间关系、能量-距离关系、深度-侧向压力关系等， 各关系如图4、图5、图6所示，通过进一步处理，给出混凝土的振捣参数，具体的， 数据处理中心接收到的信息可联系图4至图6，通过侧向压力采集传感器和能量采集传 感器可得知达到最佳振捣效果的最短时间和过振的时间(图4)、可得知能量随振捣棒距 离的变化从而得到最大工作半径(图5)、可得知侧向压力随着深度的变化。
[0079][0080]
数据处理中心实际为集传感器信息采集、数据处理及图表输出为一体的电脑软件， 能够同时接收到能量采集传感器的波速均方根以及侧向压力采集传感器的一个与压力 成正比的电压信号，并根据软件内设置的传感器的相关物理及位置参数，如重力加速
度、 压力与电压的比值、传感器距离振捣棒的空间距离等，通过预设的数据处理方式，以图 表形式直观地输出不同因素之间的相互关系，辅助确定最佳振捣参数，数据处理中心对 于数据和图表的处理及输出原理可参考现有技术即可，此处不再赘述。
[0081]
本实施例每组侧向压力采集传感器位于与其相临近的能量采集传感器的同一侧，且 水平间距为4cm。
[0082]
实施例5：
[0083]
一种新型混凝土施工振捣参数快速测定装置，如实施例4所述，不同的是，密闭容 器1尺寸为φ1m
×
1m，密闭容器1和挡板2的材质相同，均为不锈钢；
[0084]
振捣棒的工作长度为40cm，直径为3-7cm，频率为8000vpm～12500vpm，振捣棒在 工作时的频率恒定，本发明的振捣棒为频率可调但工作频率恒定的振捣棒，无论负载如 何，都被控制在选定的频率下工作，避免了振动器在负载下频率降低，从而混淆了混凝 土拌合物之间的比较，导致确定的振捣参数不准确。此外，该振捣棒能够报告随时间推 移所消耗的电压和实际频率，从而为混凝土浇筑过程的能量消耗计算提供依(实际消耗 的能量为功率与振捣时间的乘积)。
[0085]
密闭容器1内壁设置有橡胶材质的柔性内衬，并通过胶固定于密闭容器内壁，能够 吸收能量且对混凝土工作性能不产生显著影响，从而避免振捣能量在有限空间内的回弹 对测试结果产生影响。
[0086]
实施例6：
[0087]
一种新型混凝土施工振捣参数快速测定装置，如实施例5所述，不同的是，空仓b 内铆钉固定有单面钢筋笼，钢筋笼截面应为圆形，且直径不大于10cm，钢筋笼高度介 于80cm，用于确定给定混凝土在配筋结构物内的振捣参数。
[0088]
实施例7：
[0089]
一种新型混凝土施工振捣参数快速测定装置的使用方法，包括以下步骤：
[0090]
(1)准备工作：
[0091]
检查线路连接，接通电源打开新型混凝土施工振捣参数快速测定装置，并检查能量 采集传感器、侧向压力采集传感器及数据处理中心运行工作状态；
[0092]
(2)准备工作完成后，将拌合好的混凝土缓慢加入空仓b 7内，混凝土上界面距 离密闭容器顶面10cm；
[0093]
(3)将振捣棒6沿密闭容器的中心位置快速插入混凝土内部，插入深度应使振捣 棒的工作长度与侧向压力采集传感器布置的竖向位置相对应；
[0094]
(4)使能量采集传感器4、侧向压力采集传感器3和数据处理中心处于正常工作状 态，同时，开启振捣棒使其在固定工作频率下工作；
[0095]
(5)数据处理中心实时给出能量采集传感器采集的能量随时间的变化规律，能量 随距振捣棒中心距离的变化规律，分别得到能量-时间关系图(如图4所示)和能量-距 离关系图(如图5所示)，并实时给出侧向压力采集传感器采集的侧向压力与深度的变 化规律，得到深度-侧向压力关系图(如图6所示)；
[0096]
当能量采集传感器采集到的能量表现出随着时间先增加后基本保持不变然后继续 显著增加的规律后，振捣棒停止工作；
[0097]
之后保存传感器采集原始数据以及数据处理中心分析的数据；
[0098]
(6)取出振捣棒，清洗新型混凝土施工振捣参数快速测定装置；
[0099]
(7)根据得到的能量-时间关系图，确定给定混凝土的最小振捣时间t1和最大振捣 时间t2，t1为能量表现出随着时间增加然后开始保持不变的时间节点，t2为能量表现出 从保持不变到开始增加的时间节点；
[0100]
(8)根据深度-侧向压力关系图，计算该曲线斜率得到不同位置处的混凝土实测密 度；
[0101]
(9)确定给定工况下振捣棒的最大工作半径：
[0102]
当同时满足深度-侧向压力曲线拟合优度＞0.9、混凝土实测密度与混凝土理论密度 差值的绝对值≤100kg/m3、且距离振捣棒中心的距离最大，则该距离即为最大工作半径；
[0103]
拟合优度的计算过程为：先用各待拟合数据减去数据均值计算总平方和，用各待拟 合数据减去拟合数据计算残差平方和，然后用1减去残差平方和与总平方和的比值，结 果越接近1，说明拟合优度越好；
[0104]
距离振捣棒中心的距离为制作容器时就给定了，即传感器到振捣棒的距离分别是 10cm、20cm、30cm、40cm和50cm。
[0105]
本实施例的图5为能量-距离关系图，可以看到距振捣棒一定距离后采集到的能量 为0，即此距离不在振捣棒的工作范围内，最大半径小于此距离即可。
[0106]
(10)重复上述步骤(2)～(9)，取两次试验结果的平均作为振捣参数值，即t1、 t2、最大工作半径的值；
[0107]
(11)按照确定的振捣参数值优化混凝土浇筑和振捣工艺，其中混凝土浇筑厚度不 超过振捣棒工作长度的1.25倍，振捣时间介于t1到t2之间且仅大于t1，振捣棒的工作间 隔不超过其最大工作半径的1.45倍。
[0108]
振捣棒的工作范围是以最大工作半径为半径的圆，若每次振捣棒的工作间隔为两个 半径(此时振捣棒的工作范围为两个半径相同且相切的圆)，则漏振的混凝土较多，所 以本发明中设定振捣棒的工作间隔为最大工作半径的1.45倍，这样避免了过振和漏振。
[0109]
经过试验验证，本发明通过分析能量采集传感器和侧向压力采集传感器采集的数据， 结合图像确定混凝土的最佳振捣参数，减少了由于过振、漏振导致混凝土拌合物出现离 析、泌水及成形结构物出现缝隙或孔洞等现象的发生，提高了工作效率，具有较高的可 行性。
[0110]
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来 说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰 也应视为本发明的保护范围。