溫家馨，黃法禮，王 振，易忠來，謝永江，李化建，程 歡

(中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司,鐵道建筑研究所，北京 100081)

0 引 言

振搗作為混凝土施工過程中的重要環(huán)節(jié)，是保證混凝土澆筑施工質(zhì)量、提升結(jié)構(gòu)性能的關(guān)鍵步驟[1]。雖然自密實(shí)混凝土以材料智能動(dòng)力實(shí)現(xiàn)了混凝土結(jié)構(gòu)的自充填和自密實(shí)功能，但對溫度和施工的高敏感性及其高成本制約了其進(jìn)一步推廣使用[2]，振搗以其施工成本低、適用范圍廣、可操作性高等優(yōu)點(diǎn)，在混凝土施工中仍占有不可替代的地位。

混凝土行業(yè)正由粗放式擴(kuò)張向規(guī)范化、智能化發(fā)展邁進(jìn)，振搗施工是其中關(guān)鍵一環(huán)。美國ACI309委員會(huì)制定的標(biāo)準(zhǔn)[3]系統(tǒng)介紹了不同振搗器的工作機(jī)理，對不同工況條件下的振搗施工等內(nèi)容做了規(guī)定。與之相比，我國沒有形成獨(dú)立的標(biāo)準(zhǔn)，缺乏不同工況下對振搗施工的具體建議與規(guī)定，與國外標(biāo)準(zhǔn)仍然有很大差距。標(biāo)準(zhǔn)《混凝土工程結(jié)構(gòu)施工規(guī)范》(GB 50666—2011)[4]對振搗施工進(jìn)行了規(guī)定，鐵路、公路、水利等行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)也對振搗施工進(jìn)行了規(guī)范[5-8]，但這些標(biāo)準(zhǔn)所做規(guī)定大同小異，未根據(jù)行業(yè)特點(diǎn)做出具體要求，對振搗施工的指導(dǎo)效果有限，制約了振搗技術(shù)的規(guī)范化發(fā)展。除此之外，目前研究還普遍存在“重材料輕施工”的現(xiàn)象。傳統(tǒng)振搗施工效果主要依賴于人工經(jīng)驗(yàn)判斷，且存在勞動(dòng)強(qiáng)度大、自動(dòng)化程度低等問題，振搗技術(shù)亟需提升。

本文通過闡述混凝土振搗密實(shí)機(jī)理及其影響因素，總結(jié)了混凝土密實(shí)效果評(píng)價(jià)方法和振搗智能施工的研究現(xiàn)狀，以期對振搗工藝的改進(jìn)與振搗施工智能化發(fā)展提供參考。

1 混凝土振搗密實(shí)機(jī)理與影響因素

1.1 混凝土振搗密實(shí)機(jī)理

通常認(rèn)為，新拌混凝土屬于Bingham流體[9]，當(dāng)剪應(yīng)力超過混凝土靜態(tài)屈服應(yīng)力時(shí)，混凝土發(fā)生流動(dòng)，并伴隨著骨料的下沉和內(nèi)部包裹氣泡的上浮。Banfill等[10]參考Bingham模型提出了振搗作用下剪切力的理論計(jì)算公式，如式(1)所示：

τw=τ0+μγw

(1)

式中：τw為振搗器提供的剪切力，Pa；τ0為混凝土屈服應(yīng)力，Pa；μ為混凝土塑性黏度，mPa·s；γw為振動(dòng)剪應(yīng)變速率，1/s。

圖1 振搗過程中混凝土的變化[10]Fig.1 Change of concrete during vibration[10]

剪切力τw由振搗器產(chǎn)生的激振力提供，反映了振搗器為混凝土中顆粒受迫振動(dòng)所提供的動(dòng)力大小。激振力僅取決于振搗器的結(jié)構(gòu)，振搗器振子質(zhì)量和偏心距越大，產(chǎn)生振幅越大，激振力與剪切力也越大[11]。由式(1)可知，振搗有效范圍內(nèi)剪切力超過屈服應(yīng)力，混凝土流動(dòng)性增強(qiáng)，骨料下沉，裹含的氣泡上浮或被振碎排開，使?jié){體填充更充分，達(dá)到密實(shí)混凝土的目的。在有效范圍外，由于能量衰減，剪切力小于屈服應(yīng)力，骨料僅在重力作用下不會(huì)沉降，氣泡僅在浮力作用下也不會(huì)上浮，拌合物依舊表現(xiàn)出固體性質(zhì)，混凝土無法密實(shí)，如圖1所示。

從能量角度來說，振搗器產(chǎn)生的能量以一定振幅和頻率的振動(dòng)波形式傳播。能量越大，振搗器向混凝土提供的激振力越大，混凝土流動(dòng)效果越好。振搗器向混凝土傳遞的能量可以依據(jù)公式(2)計(jì)算：

E=CmA2f3t

(2)

式中：E為能量，kJ；C為拌合物的阻尼,無量綱；m為振搗范圍內(nèi)的混凝土質(zhì)量，kg；A為振源最大振幅，m；f為頻率，Hz；t為振搗時(shí)間，s。

根據(jù)能量傳遞將振搗過程進(jìn)一步劃分，第一階段為粗骨料沉降以及水泥漿對空隙的填充過程，此時(shí)能量大部分用于耗散混凝土的內(nèi)摩擦和產(chǎn)生熱量，且這個(gè)過程會(huì)持續(xù)一段時(shí)間。美國標(biāo)準(zhǔn)ACI309-05“Guide for Consolidation of Concrete”[3]指出，新拌混凝土在靜止?fàn)顟B(tài)下的內(nèi)摩擦力約為0.02 MPa，振搗過程中約為0.001 MPa，內(nèi)摩擦力的減小使混凝土具有流體的性質(zhì)。第二階段混凝土已經(jīng)液化流動(dòng)，拌合物阻尼與剛度急劇減小，僅需要較少的能量使保持混凝土的液化狀態(tài)，此時(shí)氣泡可以上浮至混凝土表面逸出，是振搗密實(shí)的關(guān)鍵階段。

振搗器產(chǎn)生的能量在混凝土中迅速衰減，距振源距離越大衰減越明顯，因此振搗有一定的有效范圍。振幅能直觀反映振動(dòng)情況及能量衰減，若將混凝土看作是連續(xù)彈性介質(zhì)，振動(dòng)波在其中的傳遞可以根據(jù)公式(3)計(jì)算：

(3)

式中：Ax為距振源距離為x處的振幅，m；x為距振源距離，m。

造成振動(dòng)波衰減的主要原因有：(1)幾何衰減，理想狀態(tài)下振動(dòng)波在被激發(fā)后呈球狀擴(kuò)散，球面積與傳播半徑的平方成正比，單位面積上的能量密度迅速減小，這是無法避免的；(2)透過衰減和粘滯性衰減，可以由式(3)中拌合物的阻尼C來評(píng)價(jià)。一般來說混凝土越干硬，拌合物阻尼系數(shù)越大，混凝土內(nèi)的空氣和鋼筋等也會(huì)增大拌合物整體的阻尼。

1.2 振搗密實(shí)影響因素

1.2.1 振搗時(shí)間

振搗時(shí)間是混凝土振搗密實(shí)的最直接的控制參數(shù)，對混凝土含氣量的影響最明顯。在沒有進(jìn)行振搗的情況下，干硬混凝土的含氣量甚至可能達(dá)到20%，嚴(yán)重影響混凝土結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度與耐久性。由公式(2)可知，振搗時(shí)間越長，振搗器傳遞的能量越多，有效振搗范圍內(nèi)的混凝土維持流動(dòng)狀態(tài)的時(shí)間越長，逸出的氣泡越多?；炷羶?nèi)氣泡的逸出大部分發(fā)生在振搗的前30 s，隨著振搗時(shí)間的延長，含氣量變化趨于平穩(wěn)[12]。振搗時(shí)間過長會(huì)導(dǎo)致含氣量損失過大，從而降低混凝土抗凍性。振搗對混凝土內(nèi)部氣泡參數(shù)亦有影響，適當(dāng)?shù)恼駬v能夠使氣泡間距系數(shù)、比表面積增大，氣泡平均直徑減小，大量尺寸較小的氣泡保留在硬化混凝土中，從而改善混凝土的抗凍融性能[13-14]。

振搗時(shí)間不當(dāng)還會(huì)導(dǎo)致混凝土產(chǎn)生其他施工質(zhì)量缺陷，如過振引起的離析、泌水等問題，以及欠振、漏振產(chǎn)生的麻面、蜂窩、孔洞、漏筋、縫隙夾層等缺陷。

1.2.2 振搗頻率

振搗頻率是另一個(gè)影響振搗密實(shí)效果的重要控制參數(shù)，由振搗器中振子轉(zhuǎn)速?zèng)Q定。最初振搗器頻率最高僅約16 Hz，隨著振搗器設(shè)備技術(shù)的發(fā)展，振搗器的最大振動(dòng)頻率得到提升。目前依據(jù)工作頻率區(qū)間，將振搗器劃分為低頻(≤50 Hz)、中頻(50～167 Hz)和高頻(≥167 Hz)。目前我國混凝土施工中主要使用的是中低頻振搗器。

由式(2)可知，振搗頻率與振搗器向混凝土傳遞的能量正相關(guān)。隨著振搗頻率的增加，振搗器向混凝土傳遞的能量逐漸增大。對于同一混凝土，采用的振動(dòng)器振搗頻率越大，混凝土振搗密實(shí)所需要的時(shí)間越少，例如對坍落度為150 mm的混凝土進(jìn)行振搗，25 Hz的頻率需要大概60 s，80 Hz需要大概30 s，而達(dá)到200 Hz后僅需要10～15 s。超過100 Hz的振搗可以將氣泡振碎，改善混凝土的氣泡參數(shù)[15]。高頻振搗能振實(shí)砂漿并起到潤滑作用，超高頻振搗還能促進(jìn)水泥水化[16]。

然而，振搗頻率并非越高越好，頻率過高會(huì)導(dǎo)致引氣混凝土含氣量快速降低，影響結(jié)構(gòu)的抗凍性能。施加過大頻率的振搗還會(huì)導(dǎo)致混凝土出現(xiàn)離析、泌水等問題。Tymkowicz等[17]對比了不同頻率的對硬化混凝土的影響，發(fā)現(xiàn)過高頻率振搗導(dǎo)致的離析是混凝土結(jié)構(gòu)損壞的主要原因之一。振搗頻率過高還會(huì)使混凝土內(nèi)出現(xiàn)骨料跳躍搗擊和內(nèi)部渦流，且頻率越高振動(dòng)衰減越明顯，振動(dòng)穿透距離會(huì)隨之減小。Forssblad[18]研究了振搗頻率對有效半徑的影響，發(fā)現(xiàn)頻率約200 Hz時(shí)有效半徑最大，繼續(xù)提高頻率反而導(dǎo)致振搗效率下降。高頻振搗還會(huì)導(dǎo)致振搗器出現(xiàn)產(chǎn)熱高、機(jī)械故障率升高等問題[19]，造成施工功耗上升，因此有必要設(shè)置頻率上限。

1.2.3 混凝土拌合物性能

屈服應(yīng)力(τ0)和塑性黏度(μ)可以描述拌合物在振搗狀態(tài)下的流變性能[20]。屈服應(yīng)力是混凝土維持固態(tài)的最小應(yīng)力，新拌混凝土的屈服應(yīng)力主要源自三方面：①不規(guī)則形狀且粗糙的骨料間的摩擦和顆粒間接觸角；②水泥等細(xì)微顆粒間的黏聚吸引力造成的絮凝現(xiàn)象；③水泥顆粒和水反應(yīng)后周圍生成水化硅酸鈣凝膠。Petrou等[21]記錄并模擬了振搗作用下的骨料沉降運(yùn)動(dòng)，發(fā)現(xiàn)僅在振搗時(shí)骨料會(huì)發(fā)生沉降，未施加振搗時(shí)骨料保持位置不變，驗(yàn)證了屈服應(yīng)力是拌合物中影響顆粒運(yùn)動(dòng)的主要因素。振搗有效范圍內(nèi)剪切力大于屈服應(yīng)力，此時(shí)混凝土具有流體性質(zhì)，拌合物的屈服應(yīng)力越高，即混凝土越干硬，越不容易振搗密實(shí)，有效振搗半徑越小。同時(shí)，隨著振搗時(shí)間的增加，混凝土中的顆粒開始運(yùn)動(dòng)，顆粒間摩擦力逐漸減小，絮凝水泥顆粒逐漸分離，屈服應(yīng)力也隨之減小。

圖2 不同流動(dòng)性拌合物剪應(yīng)變率與 剪切應(yīng)力的關(guān)系[22]Fig.2 Relationship between shear strain rate and shear stress of mixtures with different fluidity[22]

塑性黏度反映了混凝土克服屈服應(yīng)力液化后的流動(dòng)性，研究[22]表明,在相同的振動(dòng)條件下，流動(dòng)性高的拌合物剪應(yīng)變率大，屈服應(yīng)力較小，如圖2所示。高塑性黏度的混凝土傳遞的能量更多，研究[23]表明振搗有效半徑隨拌合物塑性黏度增大而增大。Juradin[24]研究得出，振搗加速度是拌合物流變參數(shù)變化的原因，Hu等[25]表示，振搗能使拌合物的屈服應(yīng)力降低約50%，但對低黏度混凝土的塑性黏度影響不大。

阻尼是體現(xiàn)拌合物對于振動(dòng)耗能作用的參數(shù)，阻尼越大，拌合物共振頻率帶更寬，有利于漿體內(nèi)部顆粒產(chǎn)生振動(dòng)，但阻尼值過高會(huì)加劇振幅衰減，同時(shí)造成混凝土內(nèi)部發(fā)熱量增大，對振搗產(chǎn)生不利影響。因?yàn)樽枘岬拇嬖?，振搗棒在空氣中的振幅比插入混凝土后時(shí)降低5%～30%，振搗頻率降低約20%。Alexander[26]綜合考慮了混凝土的剛度、質(zhì)量和阻尼，將機(jī)械阻抗看作是混凝土振動(dòng)衰減的內(nèi)因?；炷涟韬衔锏臋C(jī)械阻抗可由公式(4)計(jì)算：

(4)

式中：Z為拌合物機(jī)械阻抗,無量綱；ω為振動(dòng)角速度，rad/s；k為剛度系數(shù)。

Alexander[26]同時(shí)指出，在不同振動(dòng)作用下，振動(dòng)波在混凝土內(nèi)傳導(dǎo)會(huì)出現(xiàn)如圖3所示的三種特性。在低頻低激振力情況下，混凝土具有高阻尼和高剛度的特點(diǎn)，符合曲線1；激振力和頻率增加，阻抗會(huì)快速下降，直到材料從固態(tài)變?yōu)橐簯B(tài)，此時(shí)材料阻尼與剛度均下降，符合曲線2；當(dāng)激振力足夠大時(shí)，阻抗沿會(huì)曲線3所示的質(zhì)量線上下移動(dòng)，此時(shí)混凝土的狀態(tài)為沒有阻尼和剛度的純質(zhì)量系統(tǒng)。

圖3 不同振動(dòng)作用下混凝土機(jī)械阻抗特性[26]Fig.3 Mechanical impedance characteristics of concrete under different vibration[26]

新拌混凝土是固-液-氣三相組成的不透明非均質(zhì)離散單元，為簡化計(jì)算過程，通常將振搗器產(chǎn)生的振動(dòng)看作簡諧波，將拌合物看作質(zhì)量、彈性和阻尼在整個(gè)系統(tǒng)中均勻分布的連續(xù)介質(zhì)。振搗密實(shí)效果影響因素多，振動(dòng)在傳遞過程中的變化復(fù)雜，目前振搗機(jī)理研究并不充分。為更精確地分析混凝土振搗機(jī)理及密實(shí)情況，有學(xué)者通過計(jì)算機(jī)模擬的方法，對振搗過程中孔隙填充、顆粒運(yùn)動(dòng)方式等方面進(jìn)行研究。Windows-Yule[27]通過模擬多方向振動(dòng)驅(qū)動(dòng)的高度流態(tài)化系統(tǒng)，對顆粒的運(yùn)動(dòng)規(guī)律和拌合物中的對流及離析過程進(jìn)行了分析，實(shí)驗(yàn)證明系統(tǒng)的對流流速可以通過驅(qū)動(dòng)改變強(qiáng)度來改變，系統(tǒng)的離析與驅(qū)動(dòng)力和顆粒數(shù)量相關(guān)。Aktas等[28]則通過人工智能神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(ANNs)和回歸模型(RM)對新拌混凝土在振搗狀態(tài)下的性能進(jìn)行預(yù)測，實(shí)驗(yàn)表明兩種模型均具有良好的預(yù)測精度，ANNs可作為預(yù)制構(gòu)件中新拌混凝土振搗狀態(tài)預(yù)測的新方法。

2 混凝土振搗密實(shí)效果評(píng)價(jià)

提高混凝土密實(shí)性是混凝土振搗施工的主要目的，但振搗密實(shí)效果的評(píng)價(jià)參數(shù)與方法還未得到統(tǒng)一。振搗施工過程中認(rèn)為施工混凝土表面無明顯塌陷、氣泡不再上浮、表面泛漿且平坦時(shí)即達(dá)到振搗密實(shí)[4]。但振搗過程中氣泡不會(huì)立刻出現(xiàn)，也不會(huì)在停止振搗后馬上消失，上浮到表面的浮漿還會(huì)影響觀察結(jié)果。此外還有通過振搗器頻率、聲音變化等的方法對密實(shí)效果進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)判斷，但類似的經(jīng)驗(yàn)判斷不能量化評(píng)價(jià)振搗質(zhì)量。振搗密實(shí)效果還可以通過硬化后的力學(xué)性能[29-30]、孔結(jié)構(gòu)[13,31]、電阻值[32-33]等進(jìn)行評(píng)價(jià)，也有通過無損檢測的方法評(píng)價(jià)混凝土密實(shí)度[34]。此類“事后反饋”的密實(shí)度評(píng)價(jià)方法難以在用于控制施工質(zhì)量，若出現(xiàn)不密實(shí)情況只能進(jìn)行事后補(bǔ)救。因此需要提出新拌混凝土振搗密實(shí)效果評(píng)價(jià)方法和指標(biāo)。

2.1 可視化評(píng)價(jià)

通過內(nèi)部可視化的方法可以清楚地觀察振動(dòng)時(shí)混凝土內(nèi)部骨料及氣泡運(yùn)動(dòng)規(guī)律，從而評(píng)價(jià)混凝土振搗密實(shí)度，是評(píng)價(jià)密實(shí)效果的較為直觀的手段。但由于混凝土組成復(fù)雜且不透明，采用直觀可視化的評(píng)價(jià)方法判斷混凝土振搗密實(shí)效果較為困難。Petrou等[35]介紹并論證了利用核醫(yī)學(xué)技術(shù)觀測的方法，根據(jù)實(shí)時(shí)圖像研究振動(dòng)過程中混凝土拌合物的流變性質(zhì)及骨料沉降的規(guī)律。此方法對設(shè)備要求高，操作復(fù)雜，且不能測量骨料粒徑大于38 mm的混凝土，難以在實(shí)際工程中推廣。Li等[36]利用硅油和不規(guī)則形狀顆粒代替混凝土中的砂漿和骨料，在激光輔助層析成像(LAT)的基礎(chǔ)上進(jìn)行了內(nèi)部可視化實(shí)驗(yàn)，研究了顆粒材料的平均顆粒接觸角(θ)隨振動(dòng)時(shí)間(t)的變化。類似的方法還有利用卡波姆凝膠等透明物質(zhì)代替拌合物，研究拌合物的流變性能并觀察顆粒和氣泡的運(yùn)動(dòng)情況[37]。此方法的觀測結(jié)果更為直觀準(zhǔn)確，但僅能在實(shí)驗(yàn)室中對特定流變性能拌合物的密實(shí)效果進(jìn)行評(píng)價(jià)，適用范圍小。

2.2 振搗參數(shù)評(píng)價(jià)

利用振搗器產(chǎn)生的振動(dòng)波在混凝土中的傳播及衰減作為評(píng)價(jià)指標(biāo)是密實(shí)效果評(píng)價(jià)的一個(gè)研究方向，研究較多的參數(shù)為振動(dòng)加速度和阻尼。

振動(dòng)波加速度：根據(jù)牛頓第二定律，振動(dòng)波的加速度越大，提供動(dòng)力越大，傳遞能量越多。加速度與拌合物振動(dòng)效應(yīng)之間的相關(guān)性如圖4所示，加速度約大于0.5 g時(shí)振動(dòng)產(chǎn)生壓力開始增大，混凝土開始被振實(shí)，隨加速度增加密實(shí)效果呈線性上升而與頻率振幅等無關(guān)，當(dāng)加速度達(dá)到4 g時(shí)，振動(dòng)壓力保持不變，密實(shí)效果不會(huì)繼續(xù)提升。邊策等[31]通過在拌合物中不同位置埋入加速度傳感器，發(fā)現(xiàn)振動(dòng)開始時(shí)新拌混凝土吸收大量振動(dòng)能量并沉陷液化；加速度值迅速增大至峰值，隨后混凝土液化速率減慢，內(nèi)部氣泡開始上升排出加速度下降并趨于穩(wěn)定。同時(shí)隨著距振搗棒距離增加，加速度穩(wěn)定歷時(shí)增加，表明混凝土液化階段歷時(shí)與振動(dòng)強(qiáng)度呈負(fù)相關(guān)。

圖4 振搗加速度對不同水膠比混凝土密實(shí)程度的影響[38]Fig.4 Influence of acceleration on compactness of concrete with different water binder ratios[38]

圖5 振搗加速度對不同水膠比混凝土 密實(shí)程度的影響[38]Fig.5 Influence of acceleration on compactness of concrete with different water binder ratios[38]

Banfill等[10]通過埋入加速度傳感器檢測不同位置振動(dòng)速度的變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)振搗器的振動(dòng)速度從振搗棒表面速度迅速衰減，實(shí)驗(yàn)裝置如圖5所示。實(shí)驗(yàn)得出在混凝土液化范圍內(nèi)，振搗器產(chǎn)生的剪切波決定了混凝土的流變性能，是振動(dòng)波的主要傳播形式。在有效范圍之外混凝土仍為固體，壓力波是主要的傳播方式。同時(shí)得出混凝土的液化和流動(dòng)造成了振搗器附近能量的快速衰減。

阻尼：通過測量阻尼、阻抗值的方法也可以表征振動(dòng)在混凝土中的衰減規(guī)律，并依此評(píng)估混凝土的振搗范圍及密實(shí)效果。Alexander等[39]通過綜合考慮混凝土的阻尼、剛度與質(zhì)量，檢測不同階段的機(jī)械阻抗特點(diǎn)評(píng)價(jià)混凝土的密實(shí)效果，裝置及實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。實(shí)驗(yàn)表明，隨著振搗的進(jìn)行，拌合物的機(jī)械阻抗逐漸減小，減小速率由快變慢，這一現(xiàn)象與含氣量的變化一致。郭文武等[40]將振動(dòng)系統(tǒng)看作彈簧-阻尼-質(zhì)量模型，采取測定放置在混凝土拌合物表面的小型振動(dòng)平板的機(jī)械阻抗的辦法測量混凝土阻尼。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)約在40 Hz的振搗頻率下，混凝土的阻尼比最低，但并未說明阻尼比與密實(shí)效果的具體關(guān)系，還有待進(jìn)一步研究。

圖6 混凝土阻抗檢測裝置及實(shí)驗(yàn)結(jié)果[39]Fig.6 Concrete impedance testing device and experimental results[39]

2.3 混凝土受振液化程度評(píng)價(jià)

圖7 通過紅外成像確定振搗有效范圍的實(shí)驗(yàn)[42]Fig.7 Experiment of determining the effective range of vibration by infrared imaging[42]

混凝土受振液化是其內(nèi)部氣泡運(yùn)動(dòng)的前提，通過對其液化情況進(jìn)行分析，可間接對混凝土振搗密實(shí)效果進(jìn)行評(píng)價(jià)。有研究[41]在混凝土拌合物中埋入鋁制浮標(biāo)，通過記錄振搗液化后浮標(biāo)上浮時(shí)間、上浮距離，或通過記錄將重球或桿在振搗液化后的貫入距離等參數(shù)評(píng)價(jià)混凝土的液化程度。Bruce[42]利用振搗導(dǎo)致混凝土溫度的升高這一現(xiàn)象，使用紅外熱成像來確定振搗能量傳播及振搗有效范圍，如圖7所示。

除此之外還有其他密實(shí)效果評(píng)價(jià)方法。田正宏等[43]提出了使用透水模板布滲透性測試裝置，通過計(jì)量不同壓力下實(shí)驗(yàn)的排水和孔隙水壓力傳感器，研究了新拌混凝土振搗密實(shí)過程中內(nèi)部孔隙水壓力隨時(shí)間的動(dòng)態(tài)變化特征。結(jié)果表明，振搗過程中，拌合物內(nèi)部孔隙水壓力隨振動(dòng)加載時(shí)間的增加先增大后減小，末端再反向增大。先增大是由于啟動(dòng)壓力梯度的存在；減小是因?yàn)樵谕杆吔缦聺B透性較大，內(nèi)外壓力差衰減較快；末端反向增大是因?yàn)檫吔缤杆越档停a(chǎn)物逐步增加，混凝土致密性增大，導(dǎo)致微觀漿體結(jié)構(gòu)孔隙滲透阻力逐漸增強(qiáng)。

由于拌合物內(nèi)部組成復(fù)雜，干擾因素多，準(zhǔn)確直觀的密實(shí)度評(píng)價(jià)的統(tǒng)一方法與指標(biāo)尚未確定，相關(guān)研究可行性和適用性也有待驗(yàn)證，這制約了振搗技術(shù)的提升和振搗智能化的發(fā)展。操作方便、適用于現(xiàn)場、智能化程度高的混凝土拌合物實(shí)時(shí)密實(shí)效果評(píng)價(jià)方法仍需要更多的探索。

3 混凝土智能振搗技術(shù)發(fā)展

目前振搗施工的主要方法為機(jī)械振搗，振搗器分為內(nèi)部振搗器和外部振搗器，外部振搗器又分為附著式振搗器、表面振搗器、振動(dòng)臺(tái)，如圖8所示。內(nèi)部振搗器施工時(shí)需將振搗棒插入混凝土中，通過振搗棒內(nèi)振子產(chǎn)生的高頻振動(dòng)振實(shí)混凝土。外部振搗器通常在特定結(jié)構(gòu)或工況中單獨(dú)或與內(nèi)部振搗器配合使用，附著式振搗器工作時(shí)安裝在模板上，表面振搗器主要應(yīng)用于構(gòu)件頂部平面，振動(dòng)臺(tái)可以用于預(yù)制構(gòu)件和實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，但在現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)中無法使用。

圖8 不同種類振搗器[11]Fig.8 Different types of vibrators[11]

振搗施工弊端較多，人工手持式振搗是目前最常用的振搗方式，但存在有效振搗范圍較小、施工效率較低、勞動(dòng)密度強(qiáng)度大、噪聲污染明顯等問題。此外，振搗器的適用范圍不明確、密實(shí)效果評(píng)價(jià)困難等均制約了振搗技術(shù)的提升。在工程智能化進(jìn)程逐步加快的今天，振搗智能化升級(jí)是解決上述問題的有效方法，有非常廣闊的發(fā)展前景與發(fā)展?jié)摿44]。目前智能振搗技術(shù)的研究主要集中于以下幾個(gè)方面：

(1)振搗密實(shí)效果智能評(píng)價(jià)

密實(shí)效果的智能評(píng)價(jià)是智能振搗技術(shù)的一個(gè)研究方向，結(jié)合傳感器等技術(shù)，實(shí)時(shí)監(jiān)測振搗密實(shí)相關(guān)參數(shù)變化，從而實(shí)現(xiàn)對密實(shí)效果的實(shí)時(shí)評(píng)價(jià)。

劉劍勇[45]在振搗棒內(nèi)增設(shè)彈性式膜片壓力感觸點(diǎn)，測量振搗棒周圍混凝土壓力的變化。隨著混凝土密實(shí)，振搗棒周圍混凝土的壓力增大，當(dāng)85%的傳感器測得壓力值處于設(shè)計(jì)控制范圍(普通混凝土0.021～0.023 MPa，抗?jié)B混凝土0.018～0.020 MPa，高強(qiáng)混凝土0.015～0.017 MPa)時(shí)，判斷混凝土達(dá)到密實(shí)。周泉等[46]通過測量摻鋼纖維的混凝土梁在振搗過程中的磁吸強(qiáng)度變化，評(píng)價(jià)鋼纖維在混凝土梁中的分布情況，從而實(shí)現(xiàn)混凝土均質(zhì)性的實(shí)時(shí)監(jiān)測。

(2)振搗施工精細(xì)化調(diào)控

將振搗設(shè)備與計(jì)算機(jī)技術(shù)、數(shù)字化檢測等結(jié)合，對振搗過程中振搗時(shí)間、插入狀態(tài)等參數(shù)進(jìn)行監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)振搗施工狀態(tài)全程精細(xì)化調(diào)控。

郭小青等[47]發(fā)現(xiàn)振搗棒插入拌合物時(shí)和空載時(shí)的聲波信號(hào)存在很大區(qū)別，通過數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)，以噪聲能量分布特征為參數(shù)判斷振搗器是否處于有效振搗狀態(tài)。翁翎[48]通過在振搗棒內(nèi)部增設(shè)感應(yīng)線圈，利用振搗棒空間位置變化時(shí)的電信號(hào)差，對振搗棒的插入空間位置和振搗時(shí)間等參數(shù)進(jìn)行監(jiān)控。還有研究[49-50]利用計(jì)算機(jī)建模技術(shù)將施工區(qū)域網(wǎng)格化劃分，根據(jù)傳感器記錄振搗時(shí)長及振搗棒的平面位置，判斷振搗施工的有效覆蓋范圍，并對漏振、欠振區(qū)域進(jìn)行預(yù)警，實(shí)現(xiàn)對振搗施工的精細(xì)調(diào)控。

(3)振搗施工無人化

通過設(shè)計(jì)適用于不同工況、節(jié)省施工人力的振搗器，有效解決目前振搗施工人員需求量大、施工效率低下的問題，是智能振搗施工的一個(gè)發(fā)展方向。

梁志鵬等[51]將傳感器與數(shù)控系統(tǒng)結(jié)合，通過液壓裝置控制振搗棒插入與拔出，實(shí)現(xiàn)了在混凝土壩澆筑倉橫縫面的無人振搗施工。何江斌等[52]通過將振搗棒頭定位在底節(jié)導(dǎo)管外壁，實(shí)現(xiàn)水下灌注混凝土的同時(shí)振搗施工，提升了施工效率。類似地，馮福慶等[53]發(fā)明了一種用于高鐵現(xiàn)澆無砟軌道智能振搗車，何學(xué)友[54]發(fā)明了一種混凝土路面振搗裝置及其施工辦法，這些方法在特定結(jié)構(gòu)中減少了對施工人員的需求，提高了施工效率。

(4)結(jié)合GPS定位技術(shù)的振搗施工實(shí)時(shí)監(jiān)控

GPS空間定位技術(shù)在各行業(yè)中應(yīng)用成熟，與振搗技術(shù)相結(jié)合是振搗施工智能化的一個(gè)方向。大壩振搗施工的工作面平整，施工點(diǎn)較為集中，且振搗機(jī)等集成機(jī)械設(shè)備已經(jīng)替代傳統(tǒng)人工手持式振搗器，故相較于其他混凝土結(jié)構(gòu)智能化設(shè)備的使用更普遍，智能振搗技術(shù)也更成熟。

鐘桂良等[55]采用傾角傳感器、攝像頭、GNSS-RTK與UWB 融合定位等設(shè)備和技術(shù)，同時(shí)開發(fā)了智能管控平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了在混凝土壩施工過程中對振搗機(jī)位置、大臂傾角、振搗頭傾角、振搗深度、振搗時(shí)間等參數(shù)的監(jiān)控，避免了人工監(jiān)管方式的弊端，其示意圖如圖9所示。類似技術(shù)在其他大壩混凝土結(jié)構(gòu)中也得到了實(shí)際應(yīng)用[56-57]。

在其他混凝土結(jié)構(gòu)中，主流的施工方式還是人工手持振搗，智能化施工技術(shù)的使用還未成熟。Tian等[58]開發(fā)了基于高速數(shù)據(jù)處理GPRS技術(shù)、全球定位導(dǎo)航和特制電極裝置的可穿戴式振搗裝備及動(dòng)態(tài)可視化監(jiān)測系統(tǒng)，示意圖如圖10所示。通過工人穿戴的特殊磁性手套快速識(shí)別手部位置變化所引起的電位變化，由此記錄振搗時(shí)間；將三維建模與空間定位技術(shù)相結(jié)合，記錄振搗施工空間位置變化，實(shí)時(shí)獲取振搗施工軌跡，實(shí)現(xiàn)振搗施工質(zhì)量監(jiān)測與量化評(píng)價(jià)。該裝置已經(jīng)取得實(shí)際應(yīng)用，設(shè)備復(fù)雜程度有待研究降低。

圖9 振搗機(jī)多參數(shù)集成監(jiān)控設(shè)備示意圖[55]Fig.9 Schematic diagram of multi parameter integrated monitoring equipment for vibrator[55]

圖10 振搗施工可視化監(jiān)測系統(tǒng)[58]Fig.10 Visual monitoring system for vibration[58]

智能振搗技術(shù)近年來開始得到重視，先進(jìn)信息化技術(shù)逐漸應(yīng)用于混凝土施工建設(shè)領(lǐng)域。上述智能振搗方法在精細(xì)化控制、無人化施工等技術(shù)方面有所提升，但依然存在設(shè)備系統(tǒng)復(fù)雜、適用范圍有限等問題。振搗技術(shù)的發(fā)展應(yīng)綜合以上各方面的研究成果，針對不同工況與結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，促進(jìn)振搗設(shè)備及技術(shù)創(chuàng)新，最終實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)化、無人化、智能化的振搗施工。

4 結(jié)語與展望

混凝土振搗是一個(gè)多影響因素的耦合過程，相關(guān)振搗參數(shù)對振搗質(zhì)量的影響大。目前振搗密實(shí)機(jī)理及密實(shí)效果評(píng)價(jià)方法的研究尚不充分。計(jì)算機(jī)模擬、數(shù)字化檢測等等先進(jìn)智能技術(shù)已經(jīng)開始在混凝土振搗施工中應(yīng)用。為使振搗技術(shù)得到進(jìn)一步的發(fā)展，應(yīng)加強(qiáng)以下三個(gè)方面的研究：

(1)深化振搗機(jī)理的研究，與計(jì)算機(jī)、傳感器等先進(jìn)技術(shù)相結(jié)合，找到能夠快速準(zhǔn)確客觀表征混凝土振搗密實(shí)效果的方法和指標(biāo)。

(2)推進(jìn)振搗技術(shù)與裝備創(chuàng)新，總結(jié)現(xiàn)有技術(shù)成果，提高施工效率與質(zhì)量，逐步實(shí)現(xiàn)振搗精準(zhǔn)化、無人化、智能化施工。

(3)完善現(xiàn)有振搗施工標(biāo)準(zhǔn)，補(bǔ)充不同工況下振搗施工的相關(guān)要求，實(shí)現(xiàn)振搗標(biāo)準(zhǔn)化施工。