張曉龍 陳爽 吳昊南 盧禹成

弧形結(jié)構(gòu)的混凝土表觀質(zhì)量問題很多。通過改變CMC的質(zhì)量濃度來控制溶液的粘度和屈服應(yīng)力，以達(dá)到模擬混凝土的目的，觀察溶液中氣泡的運行軌跡、形狀、運行速度，進(jìn)而得出氣泡在混凝土中的運行規(guī)律及積聚位置。結(jié)果表明：液體粘度越大，氣泡受到的粘滯阻力越大，生成的氣泡就越大、氣泡脫離時間越長，其氣泡上浮終速度越小，氣泡的運動軌跡就越接近于直線。同時，氣泡之間存在相互作用，會發(fā)生碰撞和聚并，且積聚在弧形模板頂端難以排出。

弧形結(jié)構(gòu)； 氣泡； 運行軌跡

TU528.1 A

［定稿日期］2021-11-19

［基金項目］四川省科技廳項目（項目編號：2020ZYD011、2021YJ0545）；元蔓高速公路項目（項目編號：ZX［2020］YMGS03）

［作者簡介］張曉龍（1989—），男，碩士，工程師，從事項目建設(shè)管理工作；陳爽（1993——），男，碩士，工程師，從事項目建設(shè)管理工作；吳昊南（1997—），女，在讀碩士，研究方向為土木工程。

［通信作者］盧禹成（1988—），男，碩士，工程師，研究方向為混凝土材料及其耐久性。

隨著科技的發(fā)展，弧形結(jié)構(gòu)日益增多，混凝土技術(shù)愈加成熟，但其表觀質(zhì)量仍存在許多問題［1］?；炷林兴屯饧觿┱剂撕艽蠼M分，故在澆筑過程中會產(chǎn)生氣泡，混凝土中的氣泡會經(jīng)歷一個由小到大的生長過程，當(dāng)氣泡生長到一定的體積，其受到的向上力大于液體以及孔口給它向下的阻力之后，氣泡就會脫離孔口在浮力的作用下作上升運動［2-4］。

本研究利用CMC溶液模擬混凝土，改變?nèi)芤赫扯群颓?yīng)力，記錄氣泡運行軌跡，從而得出在不同粘度液體中氣泡運行規(guī)律，進(jìn)而找到消除弧形結(jié)構(gòu)中氣泡積聚的方法，提高混凝土的質(zhì)量。

1 試驗方法

為了模擬混凝土的粘度和屈服應(yīng)力，本研究通過改變CMC的質(zhì)量濃度來控制溶液的粘度和屈服應(yīng)力。觀察氣泡的運行軌跡、形狀、運行速度，進(jìn)而得出氣泡在混凝土中的運行規(guī)律及積聚位置。實驗所用CMC為羧甲基纖維素鈉，購于河南峰昌化工網(wǎng)店，如圖1所示。對CMC進(jìn)行XRF分析，其化學(xué)成分和含量如表1所示。實驗所用CMC溶液的質(zhì)量濃度分別為0、2%、4%和6%，對試驗所用流體進(jìn)行流變測試，得出粘度和屈服應(yīng)力，流體性質(zhì)見表2。

將制備好的CMC溶液依次倒入定制好的模具中，模具內(nèi)模半徑為350 mm，外模半徑為450 mm，寬度為300 mm，如圖2所示。氣泡生成裝置為氧氣泵，將軟管置于模板底部，保證氣泡在模板底部產(chǎn)生，空氣分別從內(nèi)徑不同的管口噴嘴噴入，用以模擬產(chǎn)生當(dāng)量半徑不同的空氣氣泡。增氧設(shè)備功率為 3.5 W，實物如圖3所示。

2 氣泡運行軌跡分析

2.1 清水中氣泡運行軌跡

2.1.1 大氣泡

在清水試驗中，利用管口較大的軟管排出空氣，產(chǎn)生較大氣泡，如圖4所示。由圖4（a）可知，清水中氣泡先沿直線做上升運動，當(dāng)氣泡接觸到模板壁后，不再做直線運動，而是緊沿著管壁向模板上方做運動。由于模板為弧形模板，所以

氣泡的運動軌跡為弧線上升。當(dāng)氣泡上升到模板頂端時，氣泡不易排出，積聚在模板頂端，見圖4（b）。

2.1.2 小氣泡

在清水中，利用管口較小的軟管排出空氣，產(chǎn)生較小氣泡，氣泡運行軌跡如圖5所示。從圖5可以看出，在清水中小氣泡運行軌跡和大氣泡相同，都是先做直線運動，當(dāng)碰到管壁后沿壁面上升，最后聚集在模板頂端。與大氣泡不同的是，小氣泡運動速度較快，且較為規(guī)律。

對比圖4和圖5可知，氣泡的大小直接決定了氣泡在液體中所受力的大小，而氣泡所受到的力又直接影響到氣泡在液體中的運動。軟管管口直徑較小時，生成的氣泡小，其變形不是很大，氣泡在上升過程中，運動軌跡較為規(guī)律，且擺動幅度較小；軟管直徑增大，生成的氣泡變大，氣泡變形劇烈，運動軌跡也越發(fā)雜亂無章。

2.2 CMC溶液中氣泡運行軌跡

2.2.1 大氣泡

分別配制質(zhì)量濃度為2%、4%、6%的CMC溶液，利用管口較大的軟管排出空氣，產(chǎn)生較大氣泡，記錄氣泡運行軌跡。

2.2.1.1 2%CMC溶液

圖6為2%CMC溶液中大氣泡運行軌跡。觀察圖6（a）可知，在2%的CMC溶液中，氣泡運行規(guī)律與清水中基本一致。觀察氣泡沿著模板運動階段，如圖6（b），氣泡發(fā)生變形，不再是球形，而變成橢球形或球帽形。在多氣泡運行中，先行氣泡和跟隨氣泡在初始階段都會加速上升，但跟隨氣泡的上升速度增加更快，2個氣泡間的距離逐漸減小，靠近速度隨2個氣泡間距離的減小而增加，最后跟隨氣泡追上先行氣泡，2個氣泡發(fā)生碰撞或聚并，形成一個大氣泡。

2.2.1.2 4%CMC溶液

配制質(zhì)量濃度為4%的CMC溶液，采用相同的軟管排出氣體，產(chǎn)生較大氣泡，氣泡運行軌跡如圖7所示。觀察圖7（a）可知，氣泡變大，且前期直線上升階段更為規(guī)律，幾乎不發(fā)生橫向振蕩，但上升速度有所減小。圖7（b）為4%CMC溶液中大氣泡沿模板運行軌跡，觀察可得，當(dāng)氣泡尺寸相同時，在先行氣泡尾流的作用下，跟隨氣泡沿上升方向拉長，且拉長程度隨距離先行氣泡尾部的距離減小而增大，且在模板頂端發(fā)生聚并，形成大氣泡并快速破裂。

2.2.1.3 6%CMC溶液

增加CMC用量，得到質(zhì)量濃度為6%的溶液，其粘度和屈服應(yīng)力增加幅度較大，氣泡運行軌跡見圖8。由圖8可知，氣泡脫離管口速度明顯減慢，且氣泡直徑增大。故液相的粘度對生成氣泡的大小有影響，溶液粘度越大，生成氣泡尺寸越大，對氣泡脫離孔口的抑制作用也越強。此外，氣泡變形較大，成為橢球形，氣泡動行軌跡未發(fā)生明顯的搖擺振蕩現(xiàn)象，具有明顯的規(guī)律性。同時可看出在模板中出現(xiàn)一條明顯的通道，氣泡均沿此通道運行，這是因為先行氣泡運動形成的剪切力導(dǎo)致氣泡尾流形成一個低粘度通道，在此通道中跟隨氣泡所受的曳力減小。

2.2.2 小氣泡

改變管口直徑，氣泡脫離時的體積大小隨著氣孔內(nèi)徑的改變而改變。在氣量相同的情況下，管口直徑減小，生成的氣泡數(shù)量增多且體積變小。圖9是質(zhì)量濃度分別為2%、4%、6%的CMC溶液中氣泡運行軌跡。對比大氣泡與小氣泡運行軌跡可知，氣泡相對較小時，脫離管口時間較快，氣泡不會發(fā)生較大變形，且運行軌跡更為規(guī)律。但在運行過程中小氣泡不易發(fā)生聚并，相互之間大多發(fā)生碰撞。

對比圖9（b）和圖9（c）可知，相同管口直徑下，6%CMC溶液中氣泡比4%CMC溶液中氣泡大得多，先行氣泡和跟隨氣泡之間距離較4%CMC溶液更大。氣泡在溶液中的運行速度減小，變形增大，均被拉長。

隨著溶液粘度增大，氣泡在模板中運行速度逐漸減小。隨著 CMC 溶液濃度的增大，跟隨氣泡與先行氣泡的速度比也隨著增大，這是因為高濃度的 CMC 溶液具有更強的剪切變稀效應(yīng)，先行氣泡的尾流區(qū)的流體粘度降低程度更大。隨著兩氣泡間距離的增加，高濃度的CMC溶液中，跟隨氣泡與先行氣泡的速度比降低的更快，這是由于高濃度的CMC溶液中運動氣泡的尾流較短。

液體中氣泡的形成過程可分為2個階段：生長（膨脹）和脫離。首先在氣泡的膨脹階段，氣泡體積不斷增大，并且其最下方始終和氣孔相接觸。到了脫離階段，氣泡受浮力作用向上移動，其底部開始從氣孔處往上移動，并通過一細(xì)頸與氣孔相連接，整個過程最后所形成氣泡的體積是這兩個階段體積之和。在氣泡的脫離階段中，氣泡體積逐漸增大，其所受到的上升力也逐漸增大，當(dāng)上升力大于約束力時，氣泡開始上升。當(dāng)氣泡上升一定高度后，氣泡下部與氣孔分離，氣泡脫離之后在上升力的作用下開始向上漂浮，當(dāng)下一個氣泡生成時上一個氣泡已經(jīng)上升了一段距離，兩氣泡間不會發(fā)生融合［5］。

氣泡在液體中的生成及上升運動是典型的氣液兩相流，液相的物理性質(zhì)對氣泡的生成及上升運動有直接的影響。當(dāng)液體的粘度變大時，液體對氣泡的粘滯阻力就會增大，氣泡上升過程中的速度就會減小，水平速度減小導(dǎo)致氣泡在水平方向上擺動的幅值就會減小，當(dāng)液相的粘度很大，此時氣泡上升運動的軌跡線幾乎不會發(fā)生擺動，而是一條直線。但當(dāng)粘度增大到一定程度之后，氣泡在無外力作用下不會運動。在氣體流量相同的情況下，粘度大的液體內(nèi)生成的氣泡大、用時長，粘度小的液體內(nèi)生成的氣泡小、用時短。

3 結(jié)論

液體的粘度和屈服應(yīng)力對氣泡的運動有較大的影響?；诓煌扯纫后w下氣泡運行軌跡研究，結(jié)果表明：液體粘度越大，氣泡受到的粘滯阻力越大，生成的氣泡就越大、氣泡脫離時間越長，其氣泡上浮終速度越小，水平方向的速度也會減小，氣泡的運動軌跡就越接近于直線；隨著氣泡體積的增大，氣泡上浮終速度沒有發(fā)生很大的變化，但其水平方向的速度由標(biāo)準(zhǔn)的正弦振蕩變化為無規(guī)律振蕩；在弧形模板中氣泡先沿直線上升，后沿弧形模板邊緣上升，但當(dāng)液體粘度和屈服應(yīng)力過大時，氣泡幾乎不會發(fā)生運動。因此在異形雨水暗渠中混凝土的粘度和屈服應(yīng)力不宜過大，保證大部分氣泡可以有序上升，不存留在模板內(nèi)部。

對于多氣泡運動，氣泡之間存在相互作用，氣泡之間會發(fā)生碰撞和聚并，同時會積聚在弧形模板頂端難以排出。因此在異形模板施工中，應(yīng)在模板頂端開孔，在振搗時利用振搗棒充分振搗模板頂端，減少頂端氣泡積聚。

參考文獻(xiàn)

［1］ 宋衍新. 混凝土表觀問題的原因與防治［J］. 中國西部科技，2010，9（3）：40-41.

［2］ 張忠. 圓弧形混凝土預(yù)制構(gòu)件表面氣泡的分析與研究［J］. 科學(xué)技術(shù)創(chuàng)新，2021，5：148-149.

［3］ 楊忠，史才軍，梁俊輝，等. 硬化混凝土表面氣泡的形成機理及解決辦法［J］. 公路工程，2012，37（5）：59-63.

［4］ 徐少波，張林，單繼雄. 混凝土表面產(chǎn)生氣泡及色差的原因分析［J］. 建材世界，2018，39（6）：6-8.

［5］ 張建生，呂青，孫傳東，等. 高速攝影技術(shù)對水中氣泡運動規(guī)律的研究［J］. 光子學(xué)報，2000（10）：952-955.