張曉龍 陳爽 吳昊南 盧禹成

弧形結構的混凝土表觀質量問題很多。通過改變CMC的質量濃度來控制溶液的粘度和屈服應力，以達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，進而得出氣泡在混凝土中的運行規(guī)律及積聚位置。結果表明：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。

弧形結構； 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，從事項目建設管理工作；陳爽（1993——），男，碩士，工程師，從事項目建設管理工作；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，弧形結構日益增多，混凝土技術愈加成熟，但其表觀質量仍存在許多問題［1］?；炷林兴屯饧觿┱剂撕艽蠼M分，故在澆筑過程中會產生氣泡，混凝土中的氣泡會經歷一個由小到大的生長過程，當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，改變溶液粘度和屈服應力，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，進而找到消除弧形結構中氣泡積聚的方法，提高混凝土的質量。

1 試驗方法

為了模擬混凝土的粘度和屈服應力，本研究通過改變CMC的質量濃度來控制溶液的粘度和屈服應力。觀察氣泡的運行軌跡、形狀、運行速度，進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店，如圖1所示。對CMC進行XRF分析，其化學成分和含量如表1所示。實驗所用CMC溶液的質量濃度分別為0、2%、4%和6%，對試驗所用流體進行流變測試，得出粘度和屈服應力，流體性質見表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生，空氣分別從內徑不同的管口噴嘴噴入，用以模擬產生當量半徑不同的空氣氣泡。增氧設備功率為 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

配制質量濃度為4%的CMC溶液，采用相同的軟管排出氣體，產生較大氣泡，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，得到質量濃度為6%的溶液，其粘度和屈服應力增加幅度較大，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，生成的氣泡數量增多且體積變小。圖9是質量濃度分別為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，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，當上升力大于約束力時，氣泡開始上升。當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，當下一個氣泡生成時上一個氣泡已經上升了一段距離，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，液相的物理性質對氣泡的生成及上升運動有直接的影響。當液體的粘度變大時，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，水平速度減小導致氣泡在水平方向上擺動的幅值就會減小，當液相的粘度很大，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，粘度大的液體內生成的氣泡大、用時長，粘度小的液體內生成的氣泡小、用時短。

3 結論

液體的粘度和屈服應力對氣泡的運動有較大的影響。基于不同粘度液體下氣泡運行軌跡研究，結果表明：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準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，但當液體粘度和屈服應力過大時，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

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［2］ 張忠. 圓弧形混凝土預制構件表面氣泡的分析與研究［J］. 科學技術創(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. 高速攝影技術對水中氣泡運動規(guī)律的研究［J］. 光子學報，2000（10）：952-955.