弧形结构混凝土表观质量的试验研究

张晓龙 陈爽 吴昊南 卢禹成

弧形结构的混凝土表观质量问题很多。通过改变CMC的质量浓度来控制溶液的粘度和屈服应力，以达到模拟混凝土的目的，观察溶液中气泡的运行轨迹、形状、运行速度，进而得出气泡在混凝土中的运行规律及积聚位置。结果表明：液体粘度越大，气泡受到的粘滞阻力越大，生成的氣泡就越大、气泡脱离时间越长，其气泡上浮终速度越小，气泡的运动轨迹就越接近于直线。同时，气泡之间存在相互作用，会发生碰撞和聚并，且积聚在弧形模板顶端难以排出。

弧形结构； 气泡； 运行轨迹

TU528.1 A

［定稿日期］2021-11-19

［基金项目］四川省科技厅项目（项目编号：2020ZYD011、2021YJ0545）；元蔓高速公路项目（项目编号：ZX［2020］YMGS03）

［作者简介］张晓龙（1989—），男，硕士，工程师，从事项目建设管理工作；陈爽（1993——），男，硕士，工程师，从事项目建设管理工作；吴昊南（1997—），女，在读硕士，研究方向为土木工程。

［通信作者］卢禹成（1988—），男，硕士，工程师，研究方向为混凝土材料及其耐久性。

随着科技的发展，弧形结构日益增多，混凝土技术愈加成熟，但其表观质量仍存在许多问题［1］。混凝土中水和外加剂占了很大组分，故在浇筑过程中会产生气泡，混凝土中的气泡会经历一个由小到大的生长过程，当气泡生长到一定的体积，其受到的向上力大于液体以及孔口给它向下的阻力之后，气泡就会脱离孔口在浮力的作用下作上升运动［2-4］。

本研究利用CMC溶液模拟混凝土，改变溶液粘度和屈服应力，记录气泡运行轨迹，从而得出在不同粘度液体中气泡运行规律，进而找到消除弧形结构中气泡积聚的方法，提高混凝土的质量。

1 试验方法

为了模拟混凝土的粘度和屈服应力，本研究通过改变CMC的质量浓度来控制溶液的粘度和屈服应力。观察气泡的运行轨迹、形状、运行速度，进而得出气泡在混凝土中的运行规律及积聚位置。实验所用CMC为羧甲基纤维素钠，购于河南峰昌化工网店，如图1所示。对CMC进行XRF分析，其化学成分和含量如表1所示。实验所用CMC溶液的质量浓度分别为0、2%、4%和6%，对试验所用流体进行流变测试，得出粘度和屈服应力，流体性质见表2。

将制备好的CMC溶液依次倒入定制好的模具中，模具内模半径为350 mm，外模半径为450 mm，宽度为300 mm，如图2所示。气泡生成装置为氧气泵，将软管置于模板底部，保证气泡在模板底部产生，空气分别从内径不同的管口喷嘴喷入，用以模拟产生当量半径不同的空气气泡。增氧设备功率为 3.5 W，实物如图3所示。

2 气泡运行轨迹分析

2.1 清水中气泡运行轨迹

2.1.1 大气泡

在清水试验中，利用管口较大的软管排出空气，产生较大气泡，如图4所示。由图4（a）可知，清水中气泡先沿直线做上升运动，当气泡接触到模板壁后，不再做直线运动，而是紧沿着管壁向模板上方做运动。由于模板为弧形模板，所以

气泡的运动轨迹为弧线上升。当气泡上升到模板顶端时，气泡不易排出，积聚在模板顶端，见图4（b）。

2.1.2 小气泡

在清水中，利用管口较小的软管排出空气，产生较小气泡，气泡运行轨迹如图5所示。从图5可以看出，在清水中小气泡运行轨迹和大气泡相同，都是先做直线运动，当碰到管壁后沿壁面上升，最后聚集在模板顶端。与大气泡不同的是，小气泡运动速度较快，且较为规律。

对比图4和图5可知，气泡的大小直接决定了气泡在液体中所受力的大小，而气泡所受到的力又直接影响到气泡在液体中的运动。软管管口直径较小时，生成的气泡小，其变形不是很大，气泡在上升过程中，运动轨迹较为规律，且摆动幅度较小；软管直径增大，生成的气泡变大，气泡变形剧烈，运动轨迹也越发杂乱无章。

2.2 CMC溶液中气泡运行轨迹

2.2.1 大气泡

分别配制质量浓度为2%、4%、6%的CMC溶液，利用管口较大的软管排出空气，产生较大气泡，记录气泡运行轨迹。

2.2.1.1 2%CMC溶液

图6为2%CMC溶液中大气泡运行轨迹。观察图6（a）可知，在2%的CMC溶液中，气泡运行规律与清水中基本一致。观察气泡沿着模板运动阶段，如图6（b），气泡发生变形，不再是球形，而变成椭球形或球帽形。在多气泡运行中，先行气泡和跟随气泡在初始阶段都会加速上升，但跟随气泡的上升速度增加更快，2个气泡间的距离逐渐减小，靠近速度随2个气泡间距离的减小而增加，最后跟随气泡追上先行气泡，2个气泡发生碰撞或聚并，形成一个大气泡。

2.2.1.2 4%CMC溶液

配制质量浓度为4%的CMC溶液，采用相同的软管排出气体，产生较大气泡，气泡运行轨迹如图7所示。观察图7（a）可知，气泡变大，且前期直线上升阶段更为规律，几乎不发生横向振荡，但上升速度有所减小。图7（b）为4%CMC溶液中大气泡沿模板运行轨迹，观察可得，当气泡尺寸相同时，在先行气泡尾流的作用下，跟随气泡沿上升方向拉长，且拉长程度随距离先行气泡尾部的距离减小而增大，且在模板顶端发生聚并，形成大气泡并快速破裂。

2.2.1.3 6%CMC溶液

增加CMC用量，得到质量浓度为6%的溶液，其粘度和屈服应力增加幅度较大，气泡运行轨迹见图8。由图8可知，气泡脱离管口速度明显减慢，且气泡直径增大。故液相的粘度对生成气泡的大小有影响，溶液粘度越大，生成气泡尺寸越大，对气泡脱离孔口的抑制作用也越强。此外，气泡变形较大，成为椭球形，气泡动行轨迹未发生明显的摇摆振荡现象，具有明显的规律性。同时可看出在模板中出现一条明显的通道，气泡均沿此通道运行，这是因为先行气泡运动形成的剪切力导致气泡尾流形成一个低粘度通道，在此通道中跟随气泡所受的曳力减小。

2.2.2 小气泡

改变管口直径，气泡脱离时的体积大小随着气孔内径的改变而改变。在气量相同的情况下，管口直径减小，生成的气泡数量增多且体积变小。图9是质量浓度分别为2%、4%、6%的CMC溶液中气泡运行轨迹。对比大气泡与小气泡运行轨迹可知，气泡相对较小时，脱离管口时间较快，气泡不会发生较大变形，且运行轨迹更为规律。但在运行过程中小气泡不易发生聚并，相互之间大多发生碰撞。

对比图9（b）和图9（c）可知，相同管口直径下，6%CMC溶液中气泡比4%CMC溶液中气泡大得多，先行气泡和跟随气泡之间距离较4%CMC溶液更大。气泡在溶液中的运行速度减小，变形增大，均被拉长。

随着溶液粘度增大，气泡在模板中运行速度逐渐减小。随着 CMC 溶液浓度的增大，跟随气泡与先行气泡的速度比也随着增大，这是因为高浓度的 CMC 溶液具有更强的剪切变稀效应，先行气泡的尾流区的流体粘度降低程度更大。随着两气泡间距离的增加，高浓度的CMC溶液中，跟随气泡与先行气泡的速度比降低的更快，这是由于高浓度的CMC溶液中运动气泡的尾流较短。

液体中气泡的形成过程可分为2个阶段：生长（膨胀）和脱离。首先在气泡的膨胀阶段，气泡体积不断增大，并且其最下方始终和气孔相接触。到了脱离阶段，气泡受浮力作用向上移动，其底部开始从气孔处往上移动，并通过一细颈与气孔相连接，整个过程最后所形成气泡的体积是这两个阶段体积之和。在气泡的脱离阶段中，气泡体积逐渐增大，其所受到的上升力也逐渐增大，当上升力大于约束力时，气泡开始上升。当气泡上升一定高度后，气泡下部与气孔分离，气泡脱离之后在上升力的作用下开始向上漂浮，当下一个气泡生成时上一个气泡已经上升了一段距离，两气泡间不会发生融合［5］。

气泡在液体中的生成及上升运动是典型的气液两相流，液相的物理性质对气泡的生成及上升运动有直接的影响。当液体的粘度变大时，液体对气泡的粘滞阻力就会增大，气泡上升过程中的速度就会减小，水平速度减小导致气泡在水平方向上摆动的幅值就会减小，当液相的粘度很大，此时气泡上升运动的轨迹线几乎不会发生摆动，而是一条直线。但当粘度增大到一定程度之后，气泡在无外力作用下不会运动。在气体流量相同的情况下，粘度大的液体内生成的气泡大、用时长，粘度小的液体内生成的气泡小、用时短。

3 结论

液体的粘度和屈服应力对气泡的运动有较大的影响。基于不同粘度液体下气泡运行轨迹研究，结果表明：液体粘度越大，气泡受到的粘滞阻力越大，生成的气泡就越大、气泡脱离时间越长，其气泡上浮终速度越小，水平方向的速度也会减小，气泡的运动轨迹就越接近于直线；随着气泡体积的增大，气泡上浮终速度没有发生很大的变化，但其水平方向的速度由标准的正弦振荡变化为无规律振荡；在弧形模板中气泡先沿直线上升，后沿弧形模板邊缘上升，但当液体粘度和屈服应力过大时，气泡几乎不会发生运动。因此在异形雨水暗渠中混凝土的粘度和屈服应力不宜过大，保证大部分气泡可以有序上升，不存留在模板内部。

对于多气泡运动，气泡之间存在相互作用，气泡之间会发生碰撞和聚并，同时会积聚在弧形模板顶端难以排出。因此在异形模板施工中，应在模板顶端开孔，在振捣时利用振捣棒充分振捣模板顶端，减少顶端气泡积聚。

参考文献

［1］ 宋衍新. 混凝土表观问题的原因与防治［J］. 中国西部科技，2010，9（3）：40-41.

［2］ 张忠. 圆弧形混凝土预制构件表面气泡的分析与研究［J］. 科学技术创新，2021，5：148-149.

［3］ 杨忠，史才军，梁俊辉，等. 硬化混凝土表面气泡的形成机理及解决办法［J］. 公路工程，2012，37（5）：59-63.

［4］ 徐少波，张林，单继雄. 混凝土表面产生气泡及色差的原因分析［J］. 建材世界，2018，39（6）：6-8.

［5］ 张建生，吕青，孙传东，等. 高速摄影技术对水中气泡运动规律的研究［J］. 光子学报，2000（10）：952-955.