水泥混凝土与工作部件表面粘附力的理论分析

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1、套国地而机l蠢览季套摹十一届年套格文亲水泥混凝土与工作部件表面粘附力的理论分析+王云鹏佟金任露泉段秋实(吉林大学地面机械仿生技术教育部重点实验室，长春130025)摘要；在道路施工时，低流动性混凝土对摊铺机、拉毛机等作业机械粘附严重，影响了施工质量和行车安全，揭示水泥混凝土与钢铁材料的粘附机理，研究设计性能优良的减粘脱附仿生工作表面是解决这一工程实际问题的有效途径之一。水泥混凝土与工作部件表面间粘附界面既有固相接触又有液相接触，其粘附力可以描述为水膜粘滞力、水环引力、分子引力、静电引力、空气负压等的综台作用。这一粘附机制为针对水泥混凝土的道路施工机械工作表面的仿生改形设计奠定了理论

2、基础。关键词：水泥混凝土粘附力减粘脱附仿生1．引言水泥混凝土是道路与桥梁工程建设中应用最广泛、用量最大的建筑材料之一。随着高等级公路的发展，水泥混凝土与沥青混凝土一样，已经成为了高等级路面的主要建筑材料。在道路施工时，低流动性混凝土对摊铺机、拉毛机等作业机械粘附严重，影响了施工质量和行车安全。在滑模摊铺机的系列加工工序中，混凝土对螺旋分料器、挡料板、计量闸板、成型板、侧模板、抹光板、纹面装置都存在严重的粘附现象，影响其工作效率和作业质量；传统的水泥混凝土拉毛机的作业表面为规则的圆环型棱纹结构，作业时由于粘附导致作业后的路面粗糙度无法满足道路行车的安全性要求，必须随时清理粘附物，导致

3、其作业效率下降，甚至所加工出的道路表面无法满足安全行车的需要。其根本原因在于对粘塑性态的水泥混凝土粘附机理和粘附规律缺乏系统的研究，缺少从根本上解决问题的有效措施。近年来，吉林大学开展的减粘脱附仿生理论与技术研究开辟了一条解决地面机械减粘脱附问题的新途径“。3。众所周知，防粘脱附问题在土壤动物界早已得到圆满解决。土壤动物特别是生存在粘湿土壤中的动物．经过长期与土壤进行物质、能量及信息交换而进化出对粘湿土壤环境的适应系统，包括其体表几何形态、体表物质构成、体表电学性质、体表柔性、体表液等，使土壤动物具有多因素综合脱附的防粘机制。研究表明“11，某些土壤动物的体表普遍存在几何非光滑特征

4、．其特点是一定几何形状的结构单元随机地或规律地分布在体表某些部位，结构单元的形状有鳞片形、凸包形、凹坑形、棱纹形和刚毛形等，而沿土壤动物躯体纵向运动方向的体表轮廓呈波纹形结构。机理研究表明”11，存在于细观乃至微观尺度上的几何非光滑结构能增大土壤动物体表的固有憎水性，使其体表与接触界面水膜之间形成复合界面，在波状体表的波谷处形成空气截留，降低了体表与土壤水的真实接触面积，有利于减粘脱附。揭示水泥混凝土的粘附机理，对科学优化各种仿生非光滑表面，开发针对道路施工机械的高效节能仿生关键技术具有十分重要的理论意义。2．水泥混凝土的粘附机理水泥混凝土是以水泥为结合料将矿质材料胶结成为具有一定

5、力学性能的一种复合材料的总称。水泥混凝土、普通混凝土和中强度混凝土是道路与桥梁工程施工中最常用的混凝土，现代大型桥梁和高速公路也常选用高强度混凝土。水泥浆体由可塑性态逐渐失去塑性，进而硬化产生强度，这样一个物理化学变化过程，其物态变化可※本项目研究得到了霍英东青年教师基金项目(81066)和2000年教育部重点实验室访问学者项目的资助．180奎国地而机l纛荒季套摹十一届牟套静文亲以分为潜化期、凝结期和硬化期三个阶段来描述。当水泥混凝土处于潜化期和凝结期初期时，水泥混凝土与固体界面接触就会产生粘附现象。水泥混凝土粘刚是指水泥粘附于其他非水泥材料表面的性能或现象，它是一种特殊的界面现象

6、，不同于粘结与吸附，涉及到水泥表面与非水泥材料表面的相互作用。本文所探讨的水泥混凝土的粘附主要是其潜化期和凝结期初期对工作部件表面的粘附问题。在水泥混凝土路面的施工过程中，要经过一系列工序，如布料、刮平、捣实、成型、抹光、纹面、拉毛等。在这些加工工序中，工作部件表面不可避免的要与新拌混凝土产生摩擦与粘附的相互作用。从水泥混凝土的形成过程看，其与固体材料表面问粘附界面既有固相接触又有液相接触，与土壤的粘附特性十分相似，所不同的是，水泥混凝土与工作部件的粘附过程伴随着水泥浆体的化学变化过程。在对水泥混凝土的加工时，其对工作部件的粘附受接触界面的水膜粘滞力、水环引力、分子引力、静电引力等

7、影响。2．1水对界面粘附的作用水泥混凝土是通过水泥、集料与水等物质通过搅拌和化学反应而形成的。在水泥混凝土的道路施工过程中，其与工作部件接触界面不可避免地会形成局部的连续水膜(如图la所示)或者水环(如图lb所示)，从而产生水膜粘滞力和水环引力．导致水泥混凝土对工作部件表面产生粘附力。2．1．1水膜粘滞阻力研究表明“1，半径为R的两个平行圆盘之间的液体粘度为n，用时间t将它们从初始距离h-分离至h。时，需要的分离力f，为：介洋，咕一加㈩因此，将两个圆盘分开的时间越短，