混凝土工程质量和高频气动振动器的应用

混凝土的质量是一个包含材料，环境，施工以及标准的许多因素的系统工程，单从施工的角度来说振捣就是一个极为重要的因素，对混凝土的性能有巨大的影响，目前我们国家在振捣的水平上相当于国外40年以前的水平，还处于极为落后的状态，1）首先混凝土制品的检验标准中的项目和范围，频次以及对混凝土本体的内部标准缺乏，检验手段落后。2）缺乏直观的频率测量仪器和标准以便于在施工来把握数据，3）不理解振捣的具体参数和混凝土特性的匹配的要求据来形成振捣方案。4）缺乏合格的混凝土振动器，表现为普遍使用低频振捣器，振动棒，费时费力。5）模板制造普遍和振捣系统脱节，没有将模板需要在动态下将混凝土捣实的特性体现出来，同时连附着式的使用也不甚清楚。这是我陪国外混凝土专家在国内考察两年看到的普遍现象
目前国内混凝土质量低下的一个最根本的一点是混凝土产品本身设定的标准低，，另外由于国内仍缺乏施工经验，致使落后的工艺仍有存在的余地。而检验标准不严缺乏相应的检验手段因而使产品质量低下，例如隧道管片标准，保护层的厚度比国外的要求低的多，同时还有应用振捣棒制造的公司，增加不稳定因素，国外的尺寸用红外测量，后期用射线来检验内部质量缺陷。最大地减低了质量的危险性，我们曾看过国内一重要工程的管片，被认为是典范的管片，被国外的专家发现一小孔，接着用手一捅，里面是个更大的洞，这样的产品只有外观无法保证使用寿命。建议有关部门引起重视提高相应的质量标准，采取强制性标准并要求购买一定的检验工具，例如频率仪，仅一千多人民币就可解决，至少可使模板和振动器有一个直观的可控参数，加强施工过程的控制。国外混凝土工程及产品已普遍使用射线检验，目前国内倾向于注重外观而忽视内在的质量，恰恰是忽视了最重要的部分。以轨道板为例，国外需要在双面打硬度，来确认是否有离析现象，国内就没有此检验项目。标准的低从根本上导致质量低下。
让我们看一看美国佛罗里达的BRUCE在混凝土振捣这篇文章里的论述，“在60年代的时候使用低频捣实1/2英寸塌落度的混凝土以4000转/分钟的频率要90秒，5000转的45秒，6000转的25秒，今天的典型频率为15，000转的只需5-15秒就可以了，目前内振大多数为空载12，000-17，000转……”从以上的论述可以了解到目前国外普遍使用高频振捣器。后面我们还会论述到为什么需要高频振捣，因为只有在这种条件下混凝土才能充分地暂时液化，通过振动来达到合适的密实度，即使在需要一定含气量的在一立方码（0.9144米）引气混凝土中含有50亿到150亿的微小气泡占总体积的4%-5%,气泡的的含量对抗冻融起着重要的作通过高频振捣作用引气剂才更好使气泡的体积变小并使之均匀分布，提高混凝土的耐久性。
而我国混凝土制品仍压倒多数地是低频振动，振捣棒普遍是3000转/分的软轴式，此种频率在混凝土中还要衰减20%以上。因而国内费时费力，而且国内目前的振捣器都大多质量低下，损坏频率极高，尤其是高频振动器的部件和工艺和国外仍有巨大差距。振动力矩不够经常导致内部的问题这导致混凝土的质量，尤其是内在质量有很大隐患，在国外使用模板的工程上普遍使用频率测定仪，价格极为微薄，但至关重要根据数据，可以测出是来自振动器，模板，还是混凝土的问题，并可以据此制定出合理的工艺参数，保证工程管理的可控性，量化性，目前混凝土工程众多，道路，桥梁，基础设施，堤坝，港口等等是极其巨大的。建设工程规模宏大，质量的问题会缩短工程的寿命，所需的维修费用和重建费用将更为巨大。因此，提高混凝土质量，降低巨额的维修和重建费用已是工程技术人员必须要认真面对的课题。
在振捣的施工过程中应当选取合理的内外振配合，才能达到最好的效果，目前来国内混凝土振捣很多不熟练的人员来操作，如果加大运用附着式振捣器通过模板振捣的方式可以大大提高自动化方式减少人工的使用量。从而减少费用同时提高产品的质量。以目前箱梁生产为例，在浇筑腹板的时候主要以插振捣棒为主，人工使用量为12-18个人，这是根据我们到现场的实地观察过的，而且手工操作的结果就是把质量控制变成了受操作者技术，责任心，体力状况等因素影响的工作，难以保证质量，费工费时；同样国外的同样的箱梁，腹板连底板，两上翼板都是通过附着式振动器控制下料及内部振捣，当然需和振捣棒配合在端头拉预应力筋的地方还要加振捣棒操作。国内如果应用22个索泰振动器就可达到腹板依靠外振的自动化效果，目前北京轻轨正在施工，支撑轨道的墩柱也是在用人工振捣棒自上而下地进行振捣，在这些类似的混凝土制品上由于内部钢筋网密集实际上有许多操作的困难而且易造成质量的问题而降低混凝土的使用寿命。国外桥墩都采用自动化的外振，国内造成类似问题的原因有几点，有些是为了最大降低模板的价格，简化设计，但这忽视了几个基本的问题，混凝土模板是动态的，是要满足振捣要求的，目前的隧道衬砌台车的设计使隧道振捣几乎成为不可能，振捣棒也只是象征性的振捣这相当于欧洲40年前的工艺，目前以类似国内工艺建造的阿尔卑斯山隧道都重修了或正在重修，因为如此的隧道最多为40年的使用寿命。我初步估计要做出此类合格的模板，要增加30%以上的成本，不应该的首次投资的节省会导致综合成本，工时和人力成本的巨额支出，但如桥墩和U梁之类的模板不增加多少支出而需要改变设计思路就会点铁成金。这种模板需改变设计，增加费用，而在某些场合例如墩柱上其实不需要增加模板的费用，无论厚度和刚度都达得到，只要按附着式振捣排布筋的位置就可以了。还可以采取中间的方案，箱梁至少可以采取腹板外振的方式，就可以带来相当大的改善达到，提高质量
国内目前振捣器的效果还是和国外有相当大的差距，大家可以参观一下我国引进的德国轨枕生产线，上面的意大利振捣器只是1200型也就是1.2吨的振捣力，而旁边使用国内的振捣器就是需要双倍的数目，也就是说直接价格即使不考虑其他因素即使国外比国内贵两倍也不多，何况其他的因素，如噪音，耐用度都相距甚远。只有好的振动器才能提供足够的，稳定的振捣力，才能保证混凝土的特性有关，在具备好的振动器的情况下，也要知道并遵守如何操作振动器对于外部振动器来说和模板的配合以及安装的位置都十分重要。这就是为什么索泰振捣注重指导使用的原因，同时也是国内目前唯一的由国外资深的技术人员提供全面解决方案的公司。
索泰振动器为国外许多公司配套各种振动器，无论是气动，电动都是十分成熟的产品。我们最先在国内引进使用了气动振动器，并把成熟的经验结合国内实际进行了应用，我们在国内已经积累了一定的经验，并继续为国内提供产品的整体解决方案，目前国内的管片模具，T型梁，U型梁上都采用了索泰公司的振动器，开创了中国混凝土气动振动的历史。
索泰气动振动器的振动原理
气动振动器是在一个两侧封闭的气室里，设置一个主轴，轴上具有纵向设置的气孔，孔上放有多边形状的控气片，可随着压力的增减来开闭，外边再设置两个空心轴，通过气压形成的气垫使两个轴旋转运动产生偏心力，通过偏心力来产生高频振动。通过改变轴的体积来产生可达15000转/分的高频转动，产生可达6吨的振动力，理论和实际上都可以提高指标，但为了计算和制造使用方便，目前的标准型号如公司宣传型号。F= MΩ2e; M是转动轴的质量，Ω是角速度,e是偏心率，由由于没有轴承，可靠气压来调节激振力，从而可以达到很高转数，结构简单稳定，但靠国内的加工精度和材料很难达到
在噪声方面：可通过附属装置来削减噪声，将噪音控制在85Db,目前实际上国内的电动振动器噪音已经达到很大的数值。气动振动器即使不减噪也和国内电动振动器基本相当。
实际上气动振动器的结构并不复杂，但由于需要很高的制造精度和材料要求严格目前国内还没有完全掌握此技术的生产厂家。 气动振动器两个转动的圆柱体，产生均匀的的力，可以波的形式使物料均匀的方向性流动。索泰气动振动器的优点是1.频率无极可调，通过气压来调整转数及激振力 2.高频可达2、3 万转，是高性能混凝土振动的唯一选择。3.寿命可达十年，坚固耐用，4.实际使用中由于气动振动器的高穿透性可大大减少了振动器的使用数量。5.振幅是相同振捣力的电动振动器的三分之一，同时加速度很快越过模板自身共振.频率，因而比电动少损害模板6.提高了效率，可实现许多品种的自动化生产，节约人力。节省能源。7.大幅度降低了梁厂、板场、地铁管片等的总体投资成本。
振动器和混凝土振捣的相互关系
相同体积的混凝土振捣质量和效率是和作用在混凝土的振捣频率，振幅，激振力有直接关系，混凝土振捣过程，实际上是使浇灌后的混凝土，骨料之间失去空隙，达到密实状态，也是混凝土的一种液化过程，当振捣的振动频率与骨料固有的自振频率相接近时，就能大大的促进混凝土的液化，获得良好的振捣效果混凝土振幅与振动频率:对于一定的混凝土，振幅和振动频率的选择应互相协调,既要使颗粒的振动衰减小，又不致使颗粒在振动过程中出现静止状态。试验结果表明，当振动速度超过极限速度值时，颗粒的振幅还必须超过某一极限振幅值（一般约0.04mm）混凝土才能液化，故所选用的振幅不宜过小。但振幅过大也会降低振动效果，因这将使颗粒产生跳跃捣击，而不是作谐振运动，混凝土内部产生涡流致使混凝土呈现分层现象，且颗粒在跳跃过程中会吸入大量空气，降低混凝土的密实度。合适的振幅值与骨料颗粒的粒径和混凝土的流动性有关。随着骨料粒径的减小，振幅宜减小,但振动频率则应相应地增大，以保持必要的振动速度。 当强迫振动的频率与颗粒的固有频率相同时，则会产生共振现象，这时振动的衰减最小，振幅可达最大。因此，合适振动频率的选择与颗粒的粒径有关。由于混凝土中颗粒粒径大小不同，不可能分别对各种粒径都采用相应的振动频率，而只能在一定的粒组成范围选择一个适宜的平均振动频率值。
索泰振捣器结合最好的振幅和振动频率为优质混凝土的产品创造了基本的条件。可以在良好排气的前提下，少振动混凝土中大的集料从而减少离析的现象。
索泰振捣器经过实验后选取振幅和频率组合分为不同型号适应各种混凝土的振捣，而且无级不间歇调整频率，这是目前世界上最先进的振捣器，当然还需要和模板更好的配合，因而索泰公司可以提供模板设计并对现有的模板进行指导改动。
振动加速度:试验表明，振动加速度对结构粘度的降低有很大影响。对一般流动性混凝土，当加速度接近0.5g（g为重力加速度）时，混凝土开始密实，然后随着加速度的增加，密实效果呈直线提高。但当加速度超过4g后，密实效果则不再提高了。
振动延续时间:合适的振幅、振动频率、振动速度以及振动加速度值的选择，是以在一定的振动延续时间内保证混凝土能达到要求的密实度为条件来确定的。所以，振动延续时间是影响振动效果的一个重要参数。当振幅与振动频率已选定保持不变时，对于一定流动性的混凝土所需的振动延续时间有一临界值。低于这一临界值，混凝土不能充分捣实，高于临界值，混凝土的密实度也不会有显著的增长。而且当振动时间过长时，甚至还会导致混凝土产生离析现象，反而降低混凝土的质量。
振捣频率的选择
　　根据有关的试验研究，骨料自振频率n 与骨料粒径r的平方根成反比。即：n=
　　式中，K 为振波在骨料内的传播速度,一般可以认为是某常数；d 为骨料直径。
　　从式中可以看出，骨料颗粒直径较大时宜用频率较低的振捣棒。颗粒较小时，宜用频率较高的振捣棒。
　根据国外的资料1500 的低频可以振动大的骨料，中频3000-6000可以振动小粒径的砂石，而12000-20000的频率才用于振动砂浆和水泥，一方面使砂浆流动起到润滑作用，另外沙浆的本身也被聚集振实，最经济有效的办法是使用高频振动。同时索泰振捣器的振动深度可达50厘米，很多混凝土工程如，一般的隧道可以避免使用振捣棒，这也就是说如果有相应配合的衬砌台车，可以完全实现自动化，如桥的墩柱，由于混凝土垫块和钢筋的传导也可以不用振捣棒，可控的隧道混凝土砌筑，大大提高工作的效率和缩短建造时间。

下面以实例说明株桥选用了意大利进口的SOTAI牌SPV4000型附着式气动振动器。该振动器的技术参数:振动频率15 200 r/min、振幅2.96mm、离心力40 kN、耗气量1 800 L/min、质量14.5 kg;振动器的进气压力一般情况下在0.6~0.7MPa时振动器的工作效率为100%,当进气压力为0.5~0.6MPa时效率为80%左右,低于0.4MPa时不能发挥效率。因此,使用中进气压力一般控制在0.7MPa左右;应用中也可通过调节阀门的开闭大小调节振动器的振捣力。应用振动器时,振动力的大小和振动时间的长短直接影响梁体的外观质量。使用时需摸索最适合的振动工艺,必要时应随时进行调整,包括振动时间和振动力大小的调整，由于索泰气动只通过供气来调节频率和振捣力，极为方便。
南昌制梁场的T型梁长24米，仅使用每侧8个，共16个振动器就达到了良好的效果 。
通过分析和实践应用,在大跨度的预应力混凝土T型梁生产中使用气动振动器有以下显著优点:
(1)在潮湿的情况下,气动振动器是无电作业,安全可靠。　　
(2)该气动振动器寿命至少达10年以上,能连续工作30 000 h。可避免出现目前每个预制梁场购置振动器数量多(给管理带来困难)且维修频率高的现象,节省了振动器的购置成本和维修成本。节省了高频变频装置的购置费用和由此导致的损坏和维修成本。
(3)高频振捣频率可达15 000 r/min以上,迅速排气,可增强混凝土密实度。直接提高桥梁产品内在及外观质量;同时振动器在灌注时运行时间将减短二分之一以上也直接降低了运行成本。
(4)振捣频率高,振幅小,减少了对模具的损坏,增加了模具使用寿命。
(5)振动器使用压缩空气为动力,无污染,且自身结构简单,经久耐用,不会产生因修理造成的二次污染。
在预应力混凝土T梁预制中运用气动振动器,无论在经济投入、维修保养、环境保护方面,还是在使用性能方面,都有相当的优越性。尤其在铁路建设快速发展的今天,为了节能降耗、节省投资、提高效率,气动振动器在预应力混凝T梁和箱梁预制中尤其值得推广应用。
以上是引自株桥经理龚道君先生的文章.实际上索泰振动器使用在轨道板、箱梁、U型梁、地铁管片上都可以取得最好的振动效果，另外从振动频率的上升曲线上我们可以获得对比，电动频率的上升和下降都是枣核形状的这表明其加速度慢，中间会有一段时间和模板的频率重合，固有频率每个物体都有其自身的固有谐振频率 ,按付立叶级数分解会有很多阶固有谐振频率，模板的固有频率应该在2000-6000之间，每次振捣器起动加速都会通过这个频率这是振动器对模板损害大，而气动振动是陡然上升的曲线，迅速越过模板频率，因而对模板损害减小到很低程度。
振动器的选择，外部振动器还是内部振捣棒，国外的一般使用情况.内部振捣是从模板的内部进行振捣，实际上用外部振动器可以实现自动控制，节约人力但必须考虑其他情况来综合决定方案，以轨道板的生产为例，国外一般的振动方案是2个气动外部振动器，而在四个角的部位为了保证百分百的合格率，而保证不破坏内部树脂涂层的钢筋塑料包头的振捣棒插入振捣四个角，而发挥两者的优势，也就是在拐角以及厚度超过振捣范围的时候，就采用内振来解决，作为使用内振捣棒的工人来说，欧洲需要多年的经验才能操作熟练，本身也说明这是一个需要高度技巧的工作，当然确实有些苛刻；美国也需要几个学习班来取得。索泰气动外振的范围可达50厘米以上。可以提高外振的使用范围，大大提高振捣，捣实的效率。但外部振捣器能发挥效用，很大程度上依赖于模板的设计，振捣梁要分布合理，在传导振捣力的方向上刚性良好，同时也需要振捣器分布合理，根据经验知道哪里出现问题，提前多加强振捣器，还要注意不能成共振来抵消了振捣力，否则还能造成烧毁振捣器，以及机械部分的损坏。
索泰公司也有性能优越的电动振动器，但我们综合各种情况，决定首先在中国推出气动振动器，因为国外的电动振动器成本更高，而气动有其更优越之处。
作为混凝土制品的最重要的环节之一振捣有着重要的作用，而这恰恰是国内在相当程度上薄弱的一个环节，没有合格的高频振捣器导致混凝土质量低下，修补率高，内部外部都容易出现问题，从而使混凝土的质量接受标准也低，更别提真正的百年混凝土的工程，这是标准和现实的互相影响，索泰振捣器的出现是国内能够逐步和国外混凝土的标准接近，现在索泰产品全部进口，未来还要结合国内本土化。
由于混凝土原材料的复杂多变，施工条件的波动，混凝土结构本身的复杂与不断发展，环境条件的多样性和复合作用等，造成混凝土耐久性研究的高度复杂性。 针对环境条件从配合比设计、材料选择、施工管理、检测预测等方面采取综合措施，才能从根本上提高混凝土工程的质量和耐久性。但要知道振捣是才是最基本的环节，以上所有混凝土的耐久性能都和振捣有相当大的关系，在完善配合的添加剂，考虑其他因素后就是模板和振捣器及其施工工艺的问题,它是高性能混凝土的必备条件，在国外用超声检测，用X射线检测混凝土，工程，美国混凝土制品协会标准对振捣器的频率和使用有要求，一定产品必使用多少频率的振捣器，而中国没有要求，提高混凝土的性能的重要一点就是降低水灰比，而索泰振动器可以在相对较低的水灰比的情况下较好振捣，从而提高了其耐久性。混凝土的碳化，氯离子的侵蚀等都和致密性有关，索泰公司集合世界本领域的专家顾问，为顾客提供完整的一体化解决方案，包括模板设计，是对质量最有力的保证,加上索泰振动器深厚的穿透力能生产出优质的混凝土产品。这对中国混凝土产品的生产必然有重大意义，低质量混凝土工程造成极大浪费，提高混凝土工程质量刻不容缓 ，索泰公司振捣技术的推广将对中国混凝土工程具有重大的意义。