长安大学-水泥摊铺机与介质相互作用理论.docx

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水泥混凝土摊铺机与混合料

的相互作用理论

课程名称：

工作装置与介质相互作用理论

学号：

11111111111

姓名：

xxxxxxx

任课老师：

xxxxxxx

完成日期：

20111111

摘要：

水泥混凝土路面因具有成本低、强度高、稳定性好、耐久性好等特点，逐渐得到重视。

大型水泥混凝土施工机械随之迅速发展，滑模摊铺机因具有较高的自动化程度和生产效率已成为目前最先进的水泥混凝土路面机械化施工机械。

本文主要介绍了水泥混凝土滑模摊铺机成型机理、找平原理，通过分析摊铺机机架的滤波作用，明确了机架本身对基层不平整的削减作用。

其次对振动液化机理以及振动加速度在混凝土中的衰减进行研究。

同时，强调引气剂对混凝土振动液化的影响，得出引气剂有效增强混凝土振动液化效果的结论。

关键词：

水泥混凝土，滑模摊铺机，平整度，振动液化，引气剂

一、国内外研究概况与发展趋势

英国人AspdinJ发明波特兰水泥，标志着水泥混凝土工业的开始。

至今，水泥混凝土已经成为工程上用量最大的建筑材料。

[1]全世界第一条水泥混凝土路面是1865年在英国修筑的，迄今为止已有135年的历史。

在美国整个国家高速公路网中，水泥混凝土路面占49%。

1928年在浙江奉化溪口镇修筑了我国第一条水泥混凝土路面，采用日本进口水泥，至今已有72年历史。

各个国家之所以大量采用水泥混凝土道路，是因为水泥混凝土道路与沥青道路相比具有以下优势：

（1）强度高；

（2）耐久性好；（3）稳定性好；（4）平整度衰变慢[2]。

由于水泥混凝土摊铺机能够保证水泥混凝土路面施工质量和施工进度，应用越来越多。

国内外对滑模摊铺施工的研究与总结基本围绕滑模摊铺机与混凝土工作特性以及摊铺机各项结构参数设置对路面平整度的影响进行的，尤其是对混凝土振动液化进行了大量研究。

滑模施工需要混凝土具有良好的和易性。

和易性是指混凝土拌合物从拌合到最后能均匀、密实成型的难易程度的性质。

它包含流动性、可捣实性和稳定性三方面性能。

流动性是指混凝土拌合物在自重及施工振捣的作用下，克服内部阻力能够流满模型、包围钢筋的能力。

可捣实性是指在施工振捣时，混凝土拌合物能够保持自身稳定、黏聚性、均匀而不分离、不泌水的性质[3]。

二、水泥混凝土摊铺机的种类

水泥混凝土摊铺机分为两种基本结构形式，一种是轨道式摊铺机；另一种是履带式摊铺机。

前者采用固定轨道和固定模板进行摊铺作业，也叫做定模式摊铺机；后者采用随机滑动的模板进行摊铺作业，又叫做滑模式摊铺机。

1、轨道式水泥混凝土摊铺机

轨道式水泥混凝土摊铺机是沿用传统水泥混凝土一般摊铺程序形成的机械，有三种基本型式。

⑴是将布料机、振实装置、抹平装置等多种作业机构集于一体，摊铺作业可以一次完成。

⑵是把布料、振实、抹平等作业机构分别置于两台或两台以上独立单机上，分别完成施工作业，几台单机一起在铺设的两根轨道上行驶，也称为摊铺列车。

⑶是机架采用框形桁架结构，可以实现大宽度摊铺（最大宽度可达到42.7m）。

由于轨道式水泥混凝土摊铺机施工需要大量的钢轨和模板，劳动强度大，施工速度和施工质量都相对较低故现在在高等级路面修筑时已基本弃用。

2、滑模式水泥混凝土摊铺机

滑模式水泥混凝土摊铺机集混凝土的布料、计量、振捣、滑模挤压成型、和平搓、抹平于一体，能自动、高质量、一次性地将混凝土料成型在路基上。

由于其具有自动化水平高、生产效率高、摊铺质量高等突出特点，发达国家以及我国在高等级公路、城市道路、机场跑道和停机坪、市政广场以及水渠渠面等铺层施工中均广泛采用。

三、滑模式水泥混凝土摊铺机的成型机理

铺筑混凝土路面的成型机理是：

滑模摊铺施工所用混凝土坍落度为2～5cm，为低坍落度混凝土。

施工时螺旋布料器把水泥混凝土沿全宽方向摊开，可调高度的液压刮平板将混凝土刮到预铺高度，经液压驱动的变频式插入振捣棒振实，使混凝土达到理想密实效果，继而捣实板上、下捣固，在进一步夯实的同时把表面粗骨料压到水泥混凝土中，形成一层很厚的灰浆层，再由抹平板和侧向滑动模板相互挤压振实的混凝土形成路面。

四、滑模摊铺机的各个机构对路面平整度的影响

1．自动调平系统对路面平整度的影响

滑模摊铺机的自动调平系统主要依靠在其四个行走机构支柱上分别安装的水平传感器。

传感器上铰接有触杆，触杆的一端始终压紧在基准线上，其压力可以通过调整触杆上的平衡配重加以改变。

图1调平液压回路

当摊铺机作业时，如果路面基层低凹，摊铺机的行走机构将下降，此时压紧在基准线上的触点就相应地提高，触杆的偏转将触发水平传感器凸轮做顺时针转动，滑阀关闭C2，打开C1，液压油从C1流出，经液压锁流到升降油缸的大腔，活塞杆伸出，使机架升高，机架升高又使触杆带动传感器凸轮逆时针转动，滑阀逐渐关闭C1，直到机架又恢复到原来的高度。

若此时路面高凸，则传感器将做相反的动作以调平机架。

若路面基层一直很平，触杆将会一直保持不动，滑阀关闭升降油缸的油道，升降油缸不动，机架保持原来的高度。

调平系统灵敏度越高，对基层波动反应时间越短，摊铺出来的路面平整度越好[4]。

2．滑模摊铺机机架滤波作用对路面平整度的影响

滑模摊铺机机架为刚性机架，通过铰接在履带上的油缸支柱支撑。

滑模摊铺机在摊铺过程中，由于基层低凹，如果其中一条支柱趋于下落时，机架平面可以依靠其余三个支柱上的传感器调平机架，机架依然处于设定高度[5]。

也就是说处于不平位置的履带不会下落，传感器也不会被触动，相当于机架将低凹处基层的不平整进行滤波。

滑模摊铺机机架本身的滤波作用消除了自动调平系统中因液压油滞后响应产生的影响，而且其响应速度比自动调平系统更快，这对水泥混凝土路面平整度的控制具有十分重要的意义。

不考虑支柱油缸的弹性和阻尼以及支柱在受力不均匀时产生的挠度不同。

当滑模摊铺机履带通过基层凸起处（如图2所示），使前履带抬高H时，整个工作装置随同机架绕后履带支点为中心向上抬起。

机架中心O的抬升高度为：

h≈H41-HB2L2≈H4

（1）

式中：

L—机架纵向长度；

B—机架平面到铰点的距离。

机架抬升角度为：

β=tan-1H2L≈H2L

（2）

图2滑模摊铺机抬升示意图

由式

（1）知，机架中心的最大抬升高度仅为地面凸起量的1/4。

即四履带滑模摊铺机在遇到基层凸起时，会对基层凸起进行销减之后再感应到机架上，减小基层凸起对摊铺路面的影响。

由此可知，摊铺机机架对基层凹凸（基层不平度）具有滤波功能，且其滤波效果取决于地面波形的波长，波长越短，滑模摊铺机机架滤波效果越好，反之亦然。

3．滑模摊铺机螺旋布料器对水泥混凝土的影响

水泥混凝土倾倒在摊铺机前，由布料器或挖掘机进行初步布料，需使摊铺机前的待铺混凝土分布尽可能均匀。

螺旋布料器或布料犁对摊铺机前的混合料进行均匀二次布料，使摊铺机前推料阻力均匀。

螺旋布料器的安装高度由所需摊铺路面厚度决定，一般情况下螺旋叶片底部边缘应高出成型路面50～100mm，以减少螺旋分料阻力，并保证有足够的预振实量。

如果高度太大，反而增加后面计量门推料阻力。

螺旋布料器可在机前二次搅拌，使混合料更均匀，不易造成离析，布料效率也较高，但磨损较快，摊铺阻力大。

螺旋布料器主要影响摊铺机布料的均匀性和离析。

布料不均匀特别是摊铺机前缺料，将导致进入摊铺机的料位过低，无法充满整个成型腔。

此现象出现在路面中部造成麻面，出现在路面边缘则造成塌边，路面将失去良好的几何线性结构。

布料造成摊铺机两侧混合料离析，同样可引起塌边现象。

4．滑模摊铺机计量闸门对水泥混凝土的影响

计量闸门又称为虚方控制板，控制着进入摊铺机振动仓内混凝土的高度，将混凝土刮平至所需预摊铺厚度。

计量闸门过高，造成振动仓内料位过高，混凝土振动液化后分散在混凝土路面内的气泡排放不及时，经挤压底板后，路面会形成气孔，影响路面平整度；同时当挤压板通过时，混凝土中未排出的大气泡被压缩，当挤压板通过后，气泡压力释放，就会将表面砂浆顶起，形成一个一个的气泡鼓包，影响路面平整度。

计量闸门过低，造成振动仓内料位过低，振捣棒裸露在混凝土之外，长时间得不到冷却容易烧坏，挤压成型底板也不能对液化混凝土进行有效压实，没有很好的充满成型腔的能力，同时造成路面标高过低，人工难以修复，即使修复也严重影响路面平整度。

所以，滑模摊铺机本身计量闸门设置高度是否合理是非常重要的。

5．滑模摊铺机振捣器对水泥混凝土成型的影响

混凝土振动液化是保证滑模成型路面质量的关键工艺，对其产生影响的是振捣器的周期性振动。

振捣棒以“L”型插入混凝土中，通过振捣棒偏心块的旋转产生周期性振动波。

振动波将能量传递给混凝土，使混凝土振动，出现液化现象。

振捣棒的振动频率、摊铺速度应与摊铺机前混合料工作性相匹配，防止混凝土过振、欠振、漏振。

当料稀时，应当降低振捣频率，提高摊铺速度，防止过振形成表面厚砂浆层，缺少粗骨料骨架的嵌挤力，形成塌边和溜肩；当料过干时，应当加大振捣频率，减小摊铺速度，防止欠振造成的不密实、麻面，严重影响平整度。

如果振捣棒的间距过大，会造成振动死角，振捣棒之间有的地方激振力达不到，有效激振力没有一定的重叠，从而造成麻面现象，严重影响平整度。

如果振捣棒距离侧模板距离太远，将造成路面边部边角不齐。

振捣棒的下边缘应在路面高度以上，否则振捣棒在路面拖动形成的空隙由砂浆填充，将出现明显的砂浆带，影响路面平整度。

而且在振捣棒四周由于振动，造成骨料的砂浆剥离，使骨料之间缺少有效粘结，对路面耐久性造成影响。

6．滑模摊铺机挤压底板对水泥混凝土成型的影响

随着摊铺机向前运动，振动液化后的混凝土进入挤压底板。

通过挤压作用，使混凝土充满整个成型腔，进一步增强路面密实效果。

摊铺机的挤压底板仰角应根据摊铺路段的纵坡大小进行调整。

上坡摊铺仰角要小,下坡仰角要大。

保证混凝土受到足够的挤压力。

摊铺过程中应防止挤压底板前仰角过大,路面出现拉裂,影响路面平整度[6]。

挤压底板的粗糙程度对路面平整度也产生影响，虽然挤压底板采用耐磨钢板，但是随着摊铺过程的持续进行，混合料特别是裸露在路表的骨料会对底板产生磨损，所以开机前应检查挤压底板的平整性。

7．滑模摊铺机浮动盘对水泥混凝土成型的影响

路面的抹平修复是通过浮动盘里的搓平梁和超级抹平器共同完成的，可消除表面气泡及骨料拖动等局部缺陷，对路面进行细致修复，是铺筑路面平整度的最后保证。

由于搓平梁与超级抹平器直接与路面接触，所以他们表面是否平整直接影响路面平整度。

由于装卸、运输的原因，到达现场时可能已经扭曲变形，所以必须进行线性校准。

超级抹平器有利于消除表面上的小气泡及石子拖动带来的小缺陷，并能起到部分提浆作用。

该装置对于保障路面具有优良的纵向平整度有较大作用，特别是在施工设备条件较差的情况下，混凝土混合料的稠度有较大波动时，采用超级抹平器，对于施工表面的缺陷修复有良好作用。

自动抹平板的压力应根据混凝土的干稀和路面纵坡变化进行调整。

抹平器在路面压力应适宜,压力大将破坏成型路面表面，甚至将骨料刮出，将影响纵横向平整度,过轻则提浆整平作用小，不能很好的对路面进行修复。

五、水泥混凝土振动液化

在滑模摊铺机前进过程中，混凝土进入摊铺机振捣仓内，振捣棒提供周期性激振力，使相互接触的固体颗粒产生运动，呈现出流动性，混凝土在振捣仓内如同沸腾的浆体，我们称之为混凝土振动液化。

它是滑模摊铺施工的一道极为重要工序，混凝土能否振动液化、液化是否充分，关系到成型路面平整度的好坏乃至整个路面质量的高低。

振动液化效果良好，混凝土呈现流动性，在挤压底板的挤压作用下，可以很好的填充整个成型腔，解决路面凹凸不平、路边缺边掉角问题；反之，混凝土不能很好的填充整个成型腔，就会造成蜂窝、麻面、缺边现象。

因此，混凝土振动液化是影响路面平整度的关键因素。

同时，混凝土振动液化是滑模摊铺机摊铺速度选取、振捣棒间距设置以及确定最大摊铺厚度的重要因素。

1．振动液化机理

新拌混凝土在振动前，水泥的水化反应还处于初期，生成的凝胶还不丰富，此时混合料主要是由粗细不均匀的固体颗粒堆积而成。

当混凝土受到振动时，振捣棒在混凝土中产生振动波。

振动波的速度在开始振动时大约为45m/s，随着混凝土液化程度逐渐增大，到振动结束时可增至240m/s。

在混凝土中，胶体表面吸附有弱结合水，当受到外力干扰时，弱结合水变成自由水，使混合料呈现塑性状态。

压力波对水分子的移动大于对水泥和骨料固体的移动，由于颗粒间的接触阻碍水的运动，所以形成水压。

产生的水压迫使骨料间距增大，导致内摩擦大大减小。

与此同时，在振动的作用下，颗粒间的接触点分开，使固体颗粒间原来很大的嵌挤力变小，也是导致内摩擦减小的原因。

此时，骨料颗粒由于重力作用下落并趋于最适宜的稳定位置，使混凝土更致密并释放一定量的空气。

由于大的气泡浮力比小气泡大，所以大气泡更容易排出。

当振动停止时，混凝土由溶胶体变为凝胶体，重新形成凝聚结构，其结构比振动前更密实[7-9]。

振动液化的过程实质是振动使混合料的内摩擦力降低，释放自由水，使混合料液化的过程。

2．振动波在混凝土中的传播规律

实验表明，振动波在混凝土中的传播规律类似于地震波在土壤中的传递规律。

地震波在波阵面（同时到达各相位相同的点组成的面）r单位环周上单位时间内传播到的能量E为

E=Cre-βγ（3）

式中：

C—积分常数；

β—能量损失系数。

单位时间内传递到该点的能量为

E=c2A2ω2（4）

式中：

c—混凝土粘阻系数；

A—振幅；

ω—振动频率。

由式（3）和（4）得出混凝土振动振幅的衰减规律，即：

A=1ω2Ccre-β2γ（5）

滑模摊铺机采用插入式振捣棒，产生的振动波是以棒轴线为中心线向四周传播的表面波。

随着与振捣棒距离增大，振动波的幅值逐渐减小[10]。

图3振动波振幅衰减示意图

研究表明，振捣棒对混凝土液化产生的影响因素主要是振动频率和振幅，而振动加速度是振捣棒不同频率、不同振幅的体现。

因此，可以采用加速度来描述振动波在混凝土中的传递规律。

a2a0=r1r2e-β2（r2-r1）（6）

式中：

a0—振捣器的空载加速度；

a2—r2处混凝土中的加速度。

由式4.4可知，衰减系数β为：

β=1r2-r1[2lna0-lna1+lnr1-lnr2]（7）

六、引气剂及其作用机理

引气剂是在混凝土拌和过程中引入空气形成大量微小封闭稳定气泡的外加剂。

作用原理是亲水集团在水泥溶液中，另一端在气泡内的空气中，它们排列成具有较大表面张力的韧性单分子层膜，自动构成了表面积最小的球形气泡。

这些球状气泡如滚珠一样使混凝土和易性得到较大程度的改善，由于气泡增加了浆体体积和对拌和料的润滑作用，以及增加了浆体的粘度和屈服应力，因此引气混凝土的工作特性、塑性和内聚性得到显著提高，明显比非引气混凝土的好[11-14]。

引气剂所引入的微细泡宛如微细集料，对级配不良，尤其是细颗粒缺少的细集料有补偿作用，可以使混凝土显得砂浆富余；这些微小气泡结和支撑着水泥颗粒，填塞了水泥颗粒间的空隙，从而阻断或减少水泥和集料颗粒周围的水流，减少混凝土的泌水、沉降和离析。

引气剂的应用改善了混凝土的和易性、工作性，极大地减少了混凝土的泌水、离析，从而使混凝土的界面特性得以提高[15-16]。

引气剂是滑模摊铺水泥混凝土路面工程中规定强制采用的，其它外加剂可根据需要选择或复合采用。

夏季热天施工应掺用缓凝型或保塑型（高效）减水剂和引气剂；冬季负温施工应采用引气剂或早强剂（防冻剂）。

适宜含气量的引气混凝土，提高抗折强度10%-15%，优质引气剂提高幅度更大些；降低了抗折弹性模量；减小了干缩和温缩变形；提高了抗冻性、抗盐冻性及抗渗性；缓解了碱骨料反应和化学侵蚀膨胀。

混凝土中加入引气剂，随着含气量的增加，坍落度线性增大。

很明显，引气剂改善了新拌混凝土的静态流动性、和易性和可塑性，具有较好的易密性，使混凝土经振捣棒振捣更容易液化，增强混凝土可摊铺性，对滑模摊铺的可滑性有很好的改善[17-22]。

七、参考文献

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