田正宏，馬元山，李佳杰

（河海大學(xué) 水利水電學(xué)院，江蘇 南京 210098）

1 概述

混凝土施工幾乎應(yīng)用于所有工程［1］，其構(gòu)件或結(jié)構(gòu)質(zhì)量與拌和物振搗工藝密不可分.遺憾的是，因現(xiàn)場(chǎng)工藝受“人機(jī)料法環(huán)”等隨機(jī)因素的影響，混凝土施工質(zhì)量問題依然常見.其中，振搗作為關(guān)鍵工序，勞動(dòng)強(qiáng)度大、機(jī)械設(shè)備簡(jiǎn)單且精細(xì)管理要求難.如何準(zhǔn)確控制振搗工藝是混凝土能否達(dá)到“外光內(nèi)實(shí)”的主要成因.從宏觀角度看，澆搗階段混凝土被稱為拌和物，屬非均勻相變混合型過程性材料，其受強(qiáng)迫振動(dòng)，內(nèi)部動(dòng)力學(xué)特性復(fù)雜，鮮見振搗密實(shí)理論方法與技術(shù)應(yīng)用，相關(guān)研究進(jìn)展緩慢.國(guó)內(nèi)外施工標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范對(duì)振搗工藝要求也僅限于定性表述，并無明晰性指標(biāo)規(guī)定.實(shí)踐中拌和物振搗工藝及密實(shí)效果更多依靠現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)判斷，缺乏科學(xué)理論方法指導(dǎo)及量化分析手段.振搗采用人工操作，存在不少質(zhì)量缺陷，且一旦缺陷形成后處理代價(jià)不菲.這類問題難以破解的關(guān)鍵在于：大流變混合介質(zhì)動(dòng)力致密機(jī)制與精細(xì)過程力學(xué)理論的缺乏，導(dǎo)致振搗參數(shù)化表征困難，因而密實(shí)效果不易精準(zhǔn)管控，這也是數(shù)字化或自動(dòng)化振搗一直未能有效得以應(yīng)用推廣的痛點(diǎn)所在.

鑒于此，本文試圖梳理拌和物振搗研究的技術(shù)現(xiàn)狀，分析當(dāng)前振搗密實(shí)理論、影響因素及成型質(zhì)量評(píng)價(jià)等方面已取得的進(jìn)展，提出亟待深入研究的關(guān)鍵問題，希望能起到拋磚引玉的作用，并籍此對(duì)未來振搗工藝數(shù)字化與混凝土智能施工提供參考.

2 振搗密實(shí)理論

2.1 振動(dòng)流變

混凝土拌和物是多相多尺度的混合流變體.目前研究普遍采用3 種宏觀力學(xué)模型［2］，分別為Bingham 模 型［3-4］、改 進(jìn) Bingham 模 型［5-6］及Herschel-Bulkley 模型［7-8］.其中，Bingham 模型公式簡(jiǎn)單實(shí)用，是最常用的模型.

宏觀上拌和物振搗過程無論從理論闡述、數(shù)值分析或試驗(yàn)研究，均證明了激振作用可使拌和物屈服應(yīng)力大幅減小甚至降為零［9-11］，促進(jìn)其氣泡排逸、粗骨料顆粒穩(wěn)定下沉且形成緊密的骨架結(jié)構(gòu).其中，Tattersall 等［12］是最早研究混凝土受迫振動(dòng)下流變參數(shù)變化的學(xué)者，他們認(rèn)為振動(dòng)使拌和物屈服應(yīng)力降低甚至可忽略不計(jì)，振動(dòng)下拌和物接近于牛頓流體且塑性黏度隨振動(dòng)減少［13-14］.Petrou 等［15-16］則采取骨料示蹤方法，用99#Tc 同位素標(biāo)記鐵球和鋁球，通過閃爍照相機(jī)獲取小球在振搗狀態(tài)下的運(yùn)動(dòng)軌跡，發(fā)現(xiàn)小球隨振動(dòng)施加持續(xù)沉降，結(jié)束振動(dòng)則停止，也證明了振動(dòng)能大幅度減小拌和物的屈服應(yīng)力，并引發(fā)其流動(dòng).Banfill等［17-18］也證實(shí)了上述規(guī)律，并定義受振拌和物內(nèi)部剪切應(yīng)力τw大于拌和物屈服應(yīng)力τ0的區(qū)域?yàn)檎駬v有效范圍（見圖1），在有效范圍外τw＜τ0，此時(shí)粗骨料無法克服介質(zhì)屈服應(yīng)力而沉降，氣泡也難以在漿體黏滯力的作用下上浮排逸，故該區(qū)域拌和物不能達(dá)到密實(shí)狀態(tài).Hu 等［19］利用Btrheom 流變儀測(cè)試拌和物的振動(dòng)流動(dòng)特性，發(fā)現(xiàn)振動(dòng)作用下拌和物仍符合Bingham 模型，只是振動(dòng)使其屈服應(yīng)力降低了約50%，而塑性黏度幾乎不受影響，這與Tattersall 等［12］的研究結(jié)論并不一致.Krstulovi? 等［20］推導(dǎo)出改進(jìn)Bingham 振動(dòng)流變模型，但因涉及非連續(xù)體變形大的問題，求解非常困難，且試驗(yàn)與模型計(jì)算對(duì)比表明該模型并不十分可靠.Li等［21］利用RSNS振動(dòng)流變儀分析了拌和物在不同振動(dòng)時(shí)間t下剪切速率γ與剪切應(yīng)力τ的關(guān)系，結(jié)果見圖2.由圖2 可見：振動(dòng)大幅度減小了拌和物的屈服應(yīng)力（γ=0 時(shí)的剪切應(yīng)力）；對(duì)于給定剪切應(yīng)力，振動(dòng)時(shí)間越久，對(duì)應(yīng)的剪切速率越大，表明振動(dòng)作用及振動(dòng)時(shí)間是削弱拌和物自身剪切應(yīng)力的主因.基于Eyring 速率過程黏度理論［22-23］，低剪切應(yīng)變率下拌和物表現(xiàn)為Bingham 流體，當(dāng)振動(dòng)時(shí)間足夠長(zhǎng)時(shí)則表現(xiàn)為牛頓液體；高剪切應(yīng)變率下剪切應(yīng)變率-應(yīng)力則符合對(duì)數(shù)函數(shù)模型.

圖1 拌和物振搗作用影響范圍Fig.1 Range of influence of mixing material vibration［18］

拌和物作為屈服應(yīng)力流體，研究其流動(dòng)特性時(shí)，一般忽略其非均勻性，且認(rèn)為流體只受初始應(yīng)力作用而發(fā)生流動(dòng)［24-25］.這與持續(xù)激振作用下拌和物內(nèi)部組分相位動(dòng)態(tài)變化，進(jìn)而達(dá)到密實(shí)狀態(tài)有著本質(zhì)區(qū)別.由于缺乏激振力參數(shù)與拌和物流變動(dòng)力學(xué)耦合等參數(shù)化模型的分析依據(jù)，難以解釋激振效應(yīng)所產(chǎn)生的動(dòng)剪切力對(duì)屈服應(yīng)力及塑性黏度等動(dòng)參數(shù)的影響機(jī)理機(jī)制和組分相位的時(shí)變程度.拌和物流變理論可參數(shù)化表征其流動(dòng)特性并預(yù)測(cè)影響范圍；但實(shí)際拌和物振搗時(shí)，內(nèi)部鋼筋、模板與預(yù)埋件等阻礙衰減效應(yīng)相當(dāng)復(fù)雜，且難以準(zhǔn)確量化，振動(dòng)流變特性一直以來無法采用參數(shù)化模式表征.此外，已有混凝土流變儀種類繁多、規(guī)格尺寸及測(cè)試方法不一，所測(cè)參數(shù)缺少本征含義.這類流變儀現(xiàn)僅能用于實(shí)驗(yàn)室，而不適用于現(xiàn)場(chǎng)振搗拌和物的檢測(cè)和評(píng)價(jià).因此，實(shí)際應(yīng)用中振動(dòng)流變參數(shù)依舊難獲取，現(xiàn)場(chǎng)拌和物振搗密實(shí)狀態(tài)也難以基于理論方法得出準(zhǔn)確有效的評(píng)判.

拌和物受振密實(shí)本構(gòu)關(guān)系應(yīng)充分考慮其相位非均勻時(shí)變特性來進(jìn)行構(gòu)建，并以此來評(píng)判其密實(shí)狀態(tài).部分學(xué)者［26-27］將混凝土拌和物視為一種顆粒堆積材料，并發(fā)現(xiàn)其流變響應(yīng)與Hanotin 等［28］振動(dòng)顆粒的本構(gòu)模型非常吻合.該模型可從顆粒體系角度解釋拌和物受振過程屈服應(yīng)力的消散機(jī)制，即振動(dòng)導(dǎo)致拌和物顆粒骨架力鏈破壞，屈服應(yīng)力消除，進(jìn)而使其內(nèi)部組分流動(dòng).筆者認(rèn)為，拌和物的相變特征及外部激振方式不同，其密實(shí)判定不應(yīng)采取單一閾值界定，而應(yīng)采用欠振與過振間合理區(qū)間閾值來評(píng)判.要定義該閾值，首先需構(gòu)建基于振源動(dòng)力、拌和物響應(yīng)、周邊約束及內(nèi)部阻隔效應(yīng)的多變量耦合模型，其次需根據(jù)模型受振顆粒體系的時(shí)空演變特性，結(jié)合宏細(xì)觀組分耦合效果作為定義閾值的判據(jù)，并考慮過程振動(dòng)能量的吸收與耗散.

2.2 振動(dòng)能量耗散

拌和物澆筑入模時(shí)裹挾大量氣泡，因骨料內(nèi)拱［29］以及漿體黏滯，有害氣泡（直徑D＞50 nm）無法自動(dòng)排出.振動(dòng)能量使顆粒與漿體產(chǎn)生受迫振動(dòng)，并以振動(dòng)波的形式向周圍骨料和漿體傳遞.美國(guó)混凝土協(xié)會(huì)（ACI）研究報(bào)告中給出的混凝土振動(dòng)能量E［30］為：

式中：C為拌和物阻尼；m為受振混凝土的質(zhì)量；A為振源最大振幅；f為頻率.

顆粒物質(zhì)作為能量耗散體系，其接收外部輸入能量是通過內(nèi)部顆粒結(jié)構(gòu)的相位調(diào)整、互相摩擦而耗散掉的，因而拌和物的受振過程可視為顆粒體系振動(dòng)能量的耗散過程.能量耗散中拌和物阻尼［31］包括：摩擦阻尼、黏滯阻尼及空氣阻尼.拌和物受振后，內(nèi)部骨料發(fā)生顆粒剛體翻轉(zhuǎn)與移位，骨料間及骨料與漿體間摩擦做功，構(gòu)成摩擦耗能系統(tǒng)并由機(jī)械能轉(zhuǎn)換為熱能，以摩擦阻尼形式耗散.受振后漿體的初始凝聚結(jié)構(gòu)被破壞并表現(xiàn)為黏度降低［32-33］、骨料下沉以及漿體流動(dòng)充填骨料孔隙.因漿體運(yùn)動(dòng)及與顆粒間相對(duì)剪切均產(chǎn)生能耗，此時(shí)能量主要以黏滯阻尼形式耗散.此外，因?yàn)檎駝?dòng)源與拌和物間能量傳遞交換延滯，且拌和物中并未排盡裹挾氣泡，所以能量波不能充分通過拌和物［30］，導(dǎo)致產(chǎn)生內(nèi)部空氣阻尼，并耗散部分能量.綜上，振動(dòng)所產(chǎn)生的能量由上述各類阻尼所耗散，并以類似指數(shù)函數(shù)形式快速衰減［21，30］，且距振動(dòng)源距離越遠(yuǎn)能量衰減越明顯，說明能量擴(kuò)散存在有效范圍.

振動(dòng)能量傳遞及阻尼耗散作用解釋了拌和物吸收振動(dòng)能，從而達(dá)到密實(shí)狀態(tài)的過程機(jī)理.將拌和物看作顆粒體系，其能量耗散過程中存在耗散峰.到達(dá)耗散峰之前，顆粒摩擦主要產(chǎn)生能量耗散；耗散峰后，摩擦則表現(xiàn)為體系彈性增加［34］.混凝土拌和物這類顆粒體系在振動(dòng)作用下內(nèi)部顆粒會(huì)逐漸密實(shí)，耗散峰即可表征其內(nèi)部的密實(shí)狀態(tài)，且耗散峰后體系彈性增加也可認(rèn)為是繼續(xù)振動(dòng)作用下拌和物離析或分層狀態(tài)的特征.筆者利用電能儀測(cè)試了拌和物振搗過程電能的消耗總量，并通過振搗棒頭加速度計(jì)算了拌和物實(shí)際吸收的能量，提出振搗棒至拌和物的振動(dòng)能量擴(kuò)散模型［35］.由于拌和物在高頻振動(dòng)下流-固耦合分析相當(dāng)復(fù)雜困難，因此分析時(shí)將拌和物的阻尼系數(shù)取為定值，其余振動(dòng)能量皆以干摩擦阻尼與邊界阻尼形式耗散，由此可得到振搗棒棒體振動(dòng)能量耗散規(guī)律，但依然不能準(zhǔn)確計(jì)算出拌和物各組分的能量耗散值.

截至目前，研究人員對(duì)拌和物受振過程的動(dòng)力阻尼演變規(guī)律還未清楚，難以量化描述各組分吸能及動(dòng)力空間的傳遞規(guī)律.這也直接導(dǎo)致了拌和物受迫振動(dòng)響應(yīng)模型構(gòu)建困難.筆者認(rèn)為，需要設(shè)法建立拌和物內(nèi)部組分（如骨料）振動(dòng)的實(shí)時(shí)響應(yīng)參量，以取得拌和物受振的激勵(lì)——響應(yīng)模態(tài)，明確激振作用下各組分阻尼的變化規(guī)律與耗散機(jī)制.顯然，更深入的研究必須要解決一些先決條件：假設(shè)受振狀態(tài)下顆粒的物理屬性明顯、化學(xué)作用微弱可忽略［21，36-37］；研究粗骨料在受振過程中沉降、翻轉(zhuǎn)、偏移等運(yùn)動(dòng)特征，可采用數(shù)值模擬（如離散元方法［38-39］）解析拌和物振動(dòng)過程的耗能情況.但要進(jìn)一步明晰基于能量傳遞耗散機(jī)制，迫使細(xì)觀顆粒的架構(gòu)密實(shí)行為，利用特殊傳感器［40-43］模擬特征粗骨料，采集其受迫振動(dòng)下不同位置顆粒的姿態(tài)變化與遷移量，結(jié)合模態(tài)仿真技術(shù)，弄清楚不同形式振動(dòng)源下拌和物的動(dòng)力響應(yīng)特征，以揭示骨料顆粒能量傳遞的規(guī)律，構(gòu)建拌和物能量耗散的表征方法.研究如何建立這類理論-試驗(yàn)?zāi)Ｐ?，?duì)形成拌和物振搗密實(shí)細(xì)觀理論架構(gòu)具有指導(dǎo)意義，也能為量化評(píng)價(jià)振搗密實(shí)規(guī)律提供可信依據(jù).

3 振搗工藝密實(shí)因素

上述理論體系已從不同角度揭示了拌和物受振過程內(nèi)部組分的相位變化機(jī)理及相關(guān)理論研究的發(fā)展方向.然而，實(shí)踐中拌和物振搗（振搗工藝）密實(shí)性因素尚處于初步宏觀探究階段.學(xué)術(shù)界及工程界一致認(rèn)為振搗密實(shí)與否，關(guān)鍵在于拌和物內(nèi)部特性及外部激振條件，但表征拌和物內(nèi)部特性的工作性定義較籠統(tǒng)概化，且內(nèi)外部激振條件、激振動(dòng)力和振搗工藝描述等還遠(yuǎn)未達(dá)到模型參數(shù)化分析與應(yīng)用的要求.

3.1 振動(dòng)設(shè)備

常用振動(dòng)設(shè)備有外部和內(nèi)部振搗器（插入式振搗棒）.外部振動(dòng)器有振動(dòng)臺(tái)座、模板附壁振動(dòng)器和表面平板振動(dòng)器等.施工中不同設(shè)備不同工況，不可不加區(qū)別地混用［44-48］.振搗棒按內(nèi)部起振方式分為偏心式和行星式兩種［49-50］，振搗棒插入混凝土徑向傳遞激振力，是最通用的振搗設(shè)備［51］.內(nèi)置電機(jī)振搗棒效能更高［52］，且振源參數(shù)信號(hào)穩(wěn)定可靠易獲取.

振搗棒起振后，產(chǎn)生激振力傳遞給拌和物.有學(xué)者研究了設(shè)備振幅和頻率對(duì)拌和物受振過程狀態(tài)的影響：Kolek［53］提出拌和物振搗密實(shí)要求振幅應(yīng)大于0.4 mm；Forssblad［54］分析了受振拌和物的表面特征，結(jié)果表明振動(dòng)頻率為200 Hz 時(shí)振動(dòng)影響半徑最大；Hover［55］也認(rèn)為振搗器頻率不能過低，但頻率過高會(huì)導(dǎo)致大量微小氣泡排逸，影響混凝土的抗凍融能力.事實(shí)上，振搗棒因構(gòu)造、結(jié)構(gòu)、材料、裝配及使用方式不同，激勵(lì)源產(chǎn)生的動(dòng)力參數(shù)差距明顯［56-57］.筆者專門對(duì)振動(dòng)能量/激振力等基本參數(shù)、部件匹配及動(dòng)力性能指標(biāo)等進(jìn)行了試驗(yàn)分析，得到不同振搗棒的實(shí)際動(dòng)力性能參數(shù)（見表1），發(fā)現(xiàn)振搗棒的振動(dòng)主頻及棒頭相同位置的動(dòng)力加速度均相差較大，且與標(biāo)定參數(shù)相差甚遠(yuǎn).Alexander［58］、Kolek［53］、何璐［59］和袁野真［60］試驗(yàn)表明，振動(dòng)加速度是拌和物內(nèi)摩擦減小的主要原因［61］，振動(dòng)設(shè)備的動(dòng)力加速度及拌和物內(nèi)部累計(jì)能量是其密實(shí)狀態(tài)表征的決定性因素［62］.因此，振搗棒設(shè)備輸出動(dòng)力參數(shù)的正確與否，是準(zhǔn)確分析振搗效能的基礎(chǔ)，但目前缺少這方面的細(xì)化研究.

表1 不同振搗棒的實(shí)際動(dòng)力性能參數(shù)Table 1 Actual dynamic performance parameters of different vibrating rods

為此，筆者建議分析振動(dòng)效應(yīng)時(shí)，應(yīng)區(qū)分不同振動(dòng)設(shè)備的原理和技術(shù)參數(shù)特征.針對(duì)設(shè)備的初始/負(fù)載振動(dòng)參數(shù)響應(yīng)模態(tài)準(zhǔn)確性獲取等問題，建立正確的動(dòng)力效能參數(shù)化輸入模型，是準(zhǔn)確分析振搗效能的前提條件.基于此，方可闡明拌和物激振源的動(dòng)力特性.

3.2 工藝參數(shù)

振搗的工藝質(zhì)量目前還是以定性、概化經(jīng)驗(yàn)評(píng)判居多.相關(guān)振搗施工規(guī)范規(guī)定［63-65］對(duì)振搗工藝密實(shí)判據(jù)以及國(guó)外相應(yīng)振搗密實(shí)性評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)均較模糊［30］，設(shè)備與工藝參數(shù)指標(biāo)也缺乏嚴(yán)格統(tǒng)一性.對(duì)目前規(guī)范中各類設(shè)備振動(dòng)工藝參數(shù)的控制要求進(jìn)行歸納，結(jié)果見表2.由表2 可見，施振設(shè)備參數(shù)雖涉及動(dòng)力參數(shù)控制指標(biāo)，但振搗工藝質(zhì)量控制只能依靠經(jīng)驗(yàn)判斷，而對(duì)所提動(dòng)力參數(shù)指標(biāo)并沒有理論意義.基于此，從理論模型探討技術(shù)參數(shù)的可控角度，研究如何客觀量化表征實(shí)際工況下的振搗工藝參數(shù)是當(dāng)務(wù)之急.

表2 設(shè)備振動(dòng)工藝參數(shù)控制要求Table 2 Vibration process parameter control results of various equipments

3.3 拌和物及邊界性質(zhì)

振動(dòng)設(shè)備與工藝參數(shù)屬外部條件，而拌和物的內(nèi)部流動(dòng)性、黏聚性等相變性質(zhì)往往是影響拌和物對(duì)于激振力施加效應(yīng)的主要方面之一.拌和物的內(nèi)部特性宏觀上用工作性來表征，良好工作性的拌和物易于在振搗作用下均勻密實(shí)填充，且不致發(fā)生分層和離析現(xiàn)象［74］.Otani［75］研究發(fā)現(xiàn)高流動(dòng)性拌和物所需最優(yōu)振動(dòng)時(shí)間低于塑性混凝土.Safawi等［33］利用粗骨料分布的均勻程度來表征離析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)拌和物黏度與離析呈負(fù)相關(guān).Navarrete 等［76］將拌和物視為粗骨料和砂漿的兩相混合物，通過振動(dòng)離析度檢測(cè)發(fā)現(xiàn)粗骨料的最大粒徑及密度對(duì)拌和物的不均勻性影響最大，砂漿黏度次之.傅智［77］研究發(fā)現(xiàn)拌和物的坍落度與受振時(shí)振動(dòng)黏度系數(shù)成反比關(guān)系，振動(dòng)黏度系數(shù)越大，氣泡上浮歷時(shí)越長(zhǎng)，需延長(zhǎng)振動(dòng)時(shí)間保證排氣密實(shí).Mori 等［78］基于黏塑性有限元理論，提出了拌和物受振流動(dòng)模擬分析法，認(rèn)為拌和物的流動(dòng)性受振動(dòng)加速度影響；Banfill等［79］通過埋入加速度傳感器測(cè)試不同位置的振動(dòng)速率，發(fā)現(xiàn)振搗器的振動(dòng)速率從振搗棒棒徑方向迅速衰減，基于此發(fā)現(xiàn)拌和物的液化和流動(dòng)造成了振搗器附近能量的快速衰減.工作性作為固有物理屬性，可反映拌和物對(duì)激振作用的敏感度，是影響振動(dòng)密實(shí)難易程度材料屬性的決定性因素.但目前研究依然停留在定性試驗(yàn)與宏觀分析階段，并未深入考慮激振條件下拌和物工作性流變及相變對(duì)密實(shí)過程的影響機(jī)理，難以量化揭示拌和物受振工作性的變化規(guī)律.

此外，實(shí)踐中混凝土振搗應(yīng)考慮拌和物含有的鋼筋網(wǎng)、預(yù)埋件等內(nèi)部障礙物.Forssblad［80］和張艷聰?shù)龋?1-82］發(fā)現(xiàn)鋼筋在拌和物振動(dòng)過程中對(duì)激振動(dòng)能的傳播有明顯阻隔作用，振搗時(shí)需增大振動(dòng)頻率并延長(zhǎng)振搗時(shí)間［83］.此外，Liu 等［84］還專門研究了模板類型對(duì)最佳振動(dòng)時(shí)間的影響.盡管考慮已有鋼筋混凝土及不同模板內(nèi)拌和物振動(dòng)或振搗效應(yīng)的各類簡(jiǎn)化分析方法［78-80，82］，但更精確的數(shù)值仿真方法依然缺乏基礎(chǔ)應(yīng)用條件.難點(diǎn)在于宏細(xì)觀層面的本構(gòu)模型及邊界參數(shù)的選擇、率定以及仿真結(jié)果可靠性的物模驗(yàn)證等缺失.

因此，筆者認(rèn)為要客觀闡釋清楚拌和物振搗時(shí)流變性演變機(jī)制，弄清內(nèi)部鋼筋、預(yù)埋件條件下能量傳遞耗散的影響規(guī)律，宜采用拌和物均質(zhì)化和內(nèi)部障礙物離散化的分析方法，設(shè)法給出模板對(duì)振動(dòng)能量吸收、反射等的影響程度，同時(shí)必須考慮拌和物振動(dòng)流變演變，建立能量傳遞模型.這對(duì)揭示拌和物振動(dòng)過程的力學(xué)本構(gòu)關(guān)系具有意義，同樣對(duì)指導(dǎo)實(shí)踐也有重要價(jià)值.

4 拌和物密實(shí)性評(píng)價(jià)

構(gòu)建振搗密實(shí)理論體系與闡明密實(shí)性影響因素，皆可為拌和物密實(shí)性評(píng)價(jià)提供依據(jù).現(xiàn)有拌和物密實(shí)性測(cè)試方法，均采用間接指標(biāo)判定，如表觀質(zhì)量、硬化性能等宏觀影像法描述居多（見表3）.

表3 拌和物密實(shí)性評(píng)價(jià)指標(biāo)Table 3 Compactness evaluation index of mixture

4.1 拌和物均勻性

拌和物振動(dòng)可獲得均勻、密實(shí)的狀態(tài)［74］.Fritsch［85］繪制了振動(dòng)作用下拌和物表面沉降量與振動(dòng)時(shí)間關(guān)系曲線，認(rèn)為拌和物表面不再沉降時(shí)即振動(dòng)密實(shí).但是該方法僅適用干硬性混凝土，當(dāng)拌和物流動(dòng)性較大時(shí)，即使表面不再沉降，仍存在氣泡未能有效排出而不密實(shí)的情況.Alexander 等［86］實(shí)時(shí)采集拌和物阻抗并繪制其與振動(dòng)時(shí)間的關(guān)系曲線，據(jù)此確定氣泡排出的臨界時(shí)間即為最優(yōu)振動(dòng)時(shí)間.張守祺等［87］建立了利用電阻率量化控制拌和物澆筑密實(shí)度和澆筑均勻度的方法，且二者決定于材料流動(dòng)性和振搗時(shí)間.由于拌和物的不透明性，筆者早前利用卡波姆凝膠模擬水泥凈漿的流變特征［88］，希望可視化觀察骨料的沉降和離析現(xiàn)象.Benaicha 等［89］提出了一種基于超聲波速度的方法來評(píng)價(jià)拌和物粗骨料的分布情況.Vanhove 等［90］采用一種伽馬射線衰減技術(shù)測(cè)試了硬化混凝土中的骨料分布.這些受振拌和物均勻性指標(biāo)分析法主要以粗骨料沿重力分布為主，其過程參數(shù)指標(biāo)可對(duì)拌和物的受振狀態(tài)作出宏觀判斷，但就拌和物的密實(shí)狀態(tài)評(píng)判而言，仍需要深入研究.

4.2 影像分析法評(píng)價(jià)

通過對(duì)拌和物振搗過程進(jìn)行影像拍攝，分析不同階段的圖像特征，從而可以評(píng)價(jià)混凝土的振搗密實(shí)效果.其中，表觀質(zhì)量是通過觀察統(tǒng)計(jì)混凝土外露面上氣泡的面積及分布來評(píng)價(jià)密實(shí)性的.Han 等［91-95］對(duì)圖像進(jìn)行分析，通過分析圖像上層漿體厚度或骨料與漿體面積的分布差異對(duì)均勻性進(jìn)行評(píng)價(jià).Wang等［96］通過拍攝振搗過程中混凝土表面圖像并以欠振、適中、密實(shí)標(biāo)簽分類，并建立數(shù)據(jù)集，提出了基于ResNet-50 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型用于實(shí)時(shí)監(jiān)控混凝土的振搗質(zhì)量.該類方法使用雖略顯復(fù)雜，但能應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際施工，進(jìn)一步完善后可作為有效手段之一.

另一種圖像分析法是對(duì)硬化后混凝土的剖面進(jìn)行掃描或拍攝采集數(shù)字圖像，提取均勻性、分布情況等特征參數(shù)評(píng)價(jià)混凝土的密實(shí)性.Kwasny 等［97］發(fā)現(xiàn)延長(zhǎng)振搗時(shí)間或提高振動(dòng)頻率將有效減小成型面的氣孔數(shù)量；Liu 等［84］利用Matlab 及OTSU 圖像閾值分割等技術(shù)提出混凝土表面氣孔圖像的識(shí)別方法，并基于該方法研究模板影響最優(yōu)振動(dòng)時(shí)間的問題；Han等［91］通過圖像分析法獲取粗骨料的特征和分布信息，粗骨料特征包括粒徑、圓度以及骨料取向等.然而混凝土硬化圖像分析法無法用于工程現(xiàn)場(chǎng)，只能作為輔助手段在實(shí)驗(yàn)室驗(yàn)證評(píng)價(jià)結(jié)果的準(zhǔn)確性.需要提出的是，這種方法實(shí)質(zhì)上不能直接表征拌和物的密實(shí)性，因?yàn)榛炷劣不髢?nèi)部結(jié)構(gòu)須考慮水化反應(yīng)、組分相變和內(nèi)部充填演化，且結(jié)束振搗時(shí)拌和物內(nèi)部粗細(xì)骨料及漿體賦存與硬化后混凝土內(nèi)部的細(xì)觀形態(tài)存在差別.

4.3 成型質(zhì)量評(píng)價(jià)

混凝土成型后的硬化質(zhì)量往往是間接評(píng)價(jià)振搗密實(shí)性的常用指標(biāo)，其包括硬化密度、強(qiáng)度、孔隙率、滲透性及耐久性等.何璐［59］、袁野真［60］采用硬化密度、抗壓強(qiáng)度、耐磨性分析評(píng)價(jià)低坍落度道路混凝土振動(dòng)后的密實(shí)性能；Chan 等［98］發(fā)現(xiàn)振動(dòng)提高了常態(tài)混凝土中鋼筋與混凝土間的黏結(jié)強(qiáng)度，但在自密實(shí)混凝土中的作用卻相反.程云虹等［99］采用氯離子電通量測(cè)定了振動(dòng)與非振動(dòng)條件下混凝土的滲透性，結(jié)果表明振動(dòng)能提高混凝土的抗?jié)B性能.劉艷霞等［100］研究了振動(dòng)對(duì)混凝土抗凍性的影響，發(fā)現(xiàn)振動(dòng)時(shí)間過長(zhǎng)將導(dǎo)致混凝土抗凍性下降.Taylor［101］和Ersoy［102］使用核子密度計(jì)測(cè)量了混凝土的硬化密度，以推定振搗時(shí)振搗棒的有效作用半徑.李文貴等［103］采用納米壓痕技術(shù)（DSI）和掃描電鏡（SEM）研究了再生混凝土界面過渡區(qū)的納觀力學(xué)性能和微觀結(jié)構(gòu)特征，從納微觀角度提出了一種評(píng)價(jià)混凝土界面過渡區(qū)結(jié)合質(zhì)量的方法.目前，上述研究只能定性闡述硬化后混凝土質(zhì)量與振搗工藝的關(guān)系，可作為間接手段驗(yàn)證不同振搗工藝對(duì)混凝土密實(shí)性的影響.

5 振搗過程信息化

新一代信息技術(shù)正飛速發(fā)展［104］，混凝土振搗工藝也面臨數(shù)字智能化精細(xì)控制的迫切需求.眾所周知，傳統(tǒng)振搗工藝質(zhì)量驗(yàn)收的評(píng)價(jià)方法缺乏整體客觀表征性，全面真實(shí)地掌握振搗質(zhì)量效果存在明顯的技術(shù)短板.通過新興技術(shù)手段準(zhǔn)確快速地掌握振搗全過程作業(yè)參數(shù)，建立模型動(dòng)態(tài)分析評(píng)判振搗施工質(zhì)量，進(jìn)而反饋指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)提高質(zhì)量，是目前振搗過程信息化發(fā)展的重點(diǎn)及未來方向.就實(shí)際應(yīng)用而言，技術(shù)難點(diǎn)主要在于振搗信息可視化及密實(shí)性饋控技術(shù)，其振搗施工過程信息化體系見圖3.

圖3 振搗施工過程信息化體系Fig.3 Vibration construction process information system

振搗信息可視化是將振搗信息圖形化展示，以便實(shí)時(shí)監(jiān)控、保障振搗工藝質(zhì)量.基于拌和物振搗工藝?yán)碚?，近年來相關(guān)應(yīng)用技術(shù)發(fā)展較快.一方面，跟蹤振搗工藝過程信息，如：Burlingame［105］利用振搗過程混凝土溫度升高的現(xiàn)象，采用紅外熱成像確定振搗能量傳播及振搗的有效范圍；中國(guó)水電顧問集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院研發(fā)監(jiān)控儀器［106］，通過安裝定位、測(cè)距等傳感設(shè)備，實(shí)現(xiàn)了振搗軌跡的實(shí)時(shí)監(jiān)控.另一方面，實(shí)時(shí)采集振搗過程相關(guān)的可視化參數(shù)，進(jìn)而判定工藝的合規(guī)性，如：Wang 等［96］建立了ResNet-50 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型用于實(shí)時(shí)監(jiān)控混凝土的振搗質(zhì)量，應(yīng)用于大壩混凝土澆筑現(xiàn)場(chǎng)并取得初步成效.但該技術(shù)需在光照充足大倉(cāng)面應(yīng)用，擴(kuò)展適用場(chǎng)景并提高準(zhǔn)確性是下一步需解決的問題；Gong 等［107］基于超寬帶（UWB）技術(shù)實(shí)時(shí)定位振搗棒的位置，通過遠(yuǎn)程監(jiān)控程序?qū)崿F(xiàn)對(duì)混凝土人工振搗質(zhì)量的可視化監(jiān)測(cè).但該技術(shù)方法仍存在缺陷，如：振搗狀態(tài)無法獲知；振動(dòng)能量衰減人為給定；傳感器采用有線方式導(dǎo)致現(xiàn)場(chǎng)布線繁雜；應(yīng)用場(chǎng)景受限等.

振搗質(zhì)量的實(shí)時(shí)反饋控制中，如何實(shí)時(shí)定量體現(xiàn)混凝土振搗工藝質(zhì)量是關(guān)鍵所在.郭小青等［108］根據(jù)振搗棒插入拌和物時(shí)和空載時(shí)聲波信號(hào)的區(qū)別，以噪聲能量分布為特征判斷振搗器是否處于有效振搗狀態(tài).翁翎［109］在振搗棒內(nèi)部增設(shè)感應(yīng)線圈，對(duì)振搗棒插入的空間位置和振搗時(shí)間等進(jìn)行監(jiān)控.中國(guó)電建集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院［110］針對(duì)大壩施工振搗臺(tái)車開發(fā)出混凝土振搗監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)時(shí)監(jiān)控振搗機(jī)架的多個(gè)振搗棒位置、傾角、插入深度和振搗時(shí)間等參數(shù).鐘登華等［111］建立了振搗質(zhì)量智能監(jiān)控?cái)?shù)學(xué)模型，實(shí)現(xiàn)了混凝土壩振搗工藝參數(shù)的準(zhǔn)確采集和全倉(cāng)面振搗質(zhì)量的動(dòng)態(tài)控制，突破了常規(guī)數(shù)字化監(jiān)控方式.筆者結(jié)合振搗棒工作原理和能量擴(kuò)散理論構(gòu)建了棒體在拌和物中的能量分布模型［35］，運(yùn)用Java 和WebGL 開發(fā)了可視化系統(tǒng)表征振搗過程的密實(shí)質(zhì)量；此外結(jié)合人體工學(xué)開發(fā)了基于GPS-RTK 穿戴式定位技術(shù)，通過智能感知振搗棒識(shí)別和采集插拔作業(yè)深度，形成了穿戴式智能振搗裝備及可視化系統(tǒng)（見圖4）.該技術(shù)已得到相關(guān)推廣應(yīng)用［112-113］，并形成了國(guó)內(nèi)首個(gè)智能化振搗技術(shù)規(guī)程［114］.

圖4 穿戴式智能振搗裝備及可視化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.4 Wearable intelligent vibrating equipment and visualization system structure

目前信息化研究大多集中于振搗過程監(jiān)控及過程可視化技術(shù)，但振搗質(zhì)量的實(shí)時(shí)評(píng)價(jià)還是依靠宏觀參數(shù)建立的模型系統(tǒng)，其普適性仍存疑.因此，需要挖掘更多信息化振搗成果數(shù)據(jù)，完善質(zhì)量反饋控制系統(tǒng)功能.這些工作涉及非接觸感知、傳輸通信、工藝信息融合等跨學(xué)科內(nèi)容，需要考慮如何構(gòu)建多維振搗過程效應(yīng)的精細(xì)化表征方法，開發(fā)振搗實(shí)時(shí)評(píng)價(jià)反饋控制實(shí)用技術(shù)，從而滿足現(xiàn)場(chǎng)高效工藝質(zhì)量管控.

6 結(jié)論與建議

（1）現(xiàn)有拌和物振搗理論能原理性闡釋骨料運(yùn)動(dòng)及漿體填充的密實(shí)過程，但模型參數(shù)表征單一，實(shí)踐中難以運(yùn)用.評(píng)價(jià)混凝土密實(shí)性及影響因素是十分復(fù)雜的理論問題，建議開展分步研究：先開展物理模型試驗(yàn)，獲取拌和物的實(shí)時(shí)動(dòng)力過程特征，從激振動(dòng)力參數(shù)、拌和物動(dòng)力響應(yīng)參數(shù)中尋求相關(guān)量化指標(biāo)；再結(jié)合模態(tài)分析仿真，探究不同形式振動(dòng)源下拌和物的動(dòng)力響應(yīng)特征，揭示拌和物能量傳遞規(guī)律與構(gòu)建能量耗散表征方法，進(jìn)而提出科學(xué)精準(zhǔn)的拌和物動(dòng)力密實(shí)理論模型.這對(duì)深化拌和物振搗密實(shí)細(xì)觀理論架構(gòu)具有重要價(jià)值，也為量化評(píng)價(jià)振搗密實(shí)提供可信依據(jù).

（2）現(xiàn)行振搗技術(shù)不能闡明激振參數(shù)與拌和物性態(tài)的最佳耦合匹配關(guān)系，振搗設(shè)備缺少動(dòng)力響應(yīng)與能量傳遞的理論技術(shù)支持.未來應(yīng)發(fā)展各類型振動(dòng)設(shè)備初始/負(fù)載振動(dòng)參數(shù)響應(yīng)模態(tài)等技術(shù)，以此建立可靠的動(dòng)力效能參數(shù)輸入模型，研發(fā)高效智能振搗裝備，明晰振搗工藝標(biāo)準(zhǔn)的動(dòng)參數(shù)要求，為建立標(biāo)準(zhǔn)化振搗工藝技術(shù)奠定基礎(chǔ).

（3）工程應(yīng)用時(shí)混凝土拌和物密實(shí)評(píng)價(jià)存在突出短板，已有理論方法與應(yīng)用層面技術(shù)關(guān)聯(lián)性不強(qiáng).雖然信息化技術(shù)在振搗工藝應(yīng)用已取得初步成效，但其所構(gòu)建的工藝分析模型準(zhǔn)確可靠性與適用性仍有待提高，應(yīng)用技術(shù)也需進(jìn)一步完善.今后融合工藝信息孿生，精細(xì)化振搗質(zhì)量評(píng)價(jià)實(shí)用模型，可更好地實(shí)現(xiàn)振搗工藝數(shù)字智能化，這將是發(fā)展方向.