新拌混凝土流动行为及泵送吸料性能提升研究

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泵送吸料性能是衡量泵送系统工作效率的重要标准。泵车在工作时,通常存在活塞吸空、吸料不足及料斗底部积料等现象,严重影响了泵送施工的连续性、高效性,进而对后续混凝土硬化及混凝土结构的耐久性产生较大的影响。因此,为了提高吸料性能及降低能耗,有必要对泵送吸料工艺参数及泵送系统的结构优化进行研究。当前主要采用实验测试方法研究混凝土泵送的吸料性能,虽能获取关于吸料性能的一些结果,但其吸料过程中的骨料运动、气泡移动及汇合、以及混凝土的流场变化等过程难以直接观测,且吸料实验成本高,需要耗费一定的人力和物力。本文将采用计算流体动力学(Computational Fluid Dynamics,简称CFD)来模拟泵送吸料过程,通过构建混凝土的数值模型,研究吸料工艺参数及泵送系统中叶片和料斗的结构参数对吸料率的影响,并开展实验室测试和台架验证。主要研究内容如下:(1)根据国家标准规定的C30混凝土配合比拌制了新拌混凝土,对其进行了坍落度、L箱、流变仪等相关流变学实验,并开展了直管泵送压力损失测试实验,为后续数值模型的校核以及验证提供实验数据。(2)基于CFD法建立了混凝土的数值模型,并且结合混凝土流变学实验及直管泵送压力损失测试实验验证了模型的正确性。利用VOF(Volume of Fluid)法捕捉混凝土在自由流动以及边界和压力约束条件下的自由液面变化,进行了坍落度、L箱等常规流变学测试过程的数值模拟,校准了新拌混凝土在自由表面和管流下的数值模型及流动特性相关参数。(3)对混凝土泵送系统工作过程中的料斗内部物料运动及流场变化情况进行数值仿真,利用正交实验找出了影响混凝土流动以及泵送吸料性能的主要因素,得到了泵送吸料过程中工艺参数的优化组合。(4)基于泵送吸料过程的结果分析,提出采用实心叶片和增大料斗宽度、加大料斗后墙板倾角等措施来提高吸料率,并制作了空心叶片、实心叶片以及改进结构后的料斗,分别开展了实验室测试和台架测试。通过数值仿真对比得到泵送系统结构改进和工艺参数优化的吸料率,结果显示吸料性能提升了4.2%;通过实验室测试和台架测试,实验结果表明其吸料率提高了6%。可以看出,吸料性能提升的实验测试结果和数值仿真结果相近,证明了本文所用方法的正确性,也证明了本文提出的改进措施是合理可行的。
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