振動攪拌對水泥混凝土性能影響的試驗研究

宋淑琴 ，劉芝敏 ，張愛勤 ，李俊寶 ，艾圣蕊 ，王勝利

（1.濟南金曰公路工程有限公司檢測中心，山東 濟南 250101 ； 2. 山東交通學(xué)院 交通土建學(xué)院，山東 濟南 250357）

引言

隨著我國經(jīng)濟產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型及城鎮(zhèn)化建設(shè)的進一步推進，我國已成為混凝土使用量最大的國家，因此提高混凝土性能研究有重要的現(xiàn)實意義與經(jīng)濟效益。為提高混凝土使用質(zhì)量，現(xiàn)如今研究方向主要集中于原材料與外加劑上，但在商砼站實際工程應(yīng)用中穩(wěn)定優(yōu)質(zhì)的原材料質(zhì)量與來源難以控制，外加劑的使用則增加生產(chǎn)成本。因此，有學(xué)者提出通過改變混凝土拌和方式來改善其工作性、力學(xué)強度與耐久性等，其中振動攪拌就是近年來新興的一種拌和方式[1-4]。與普通強制攪拌相比，振動攪拌具有強化振動能力，可使混凝土原材料在拌和過程中處于顫振狀態(tài)，從而降低各組成材料顆粒間黏著力與內(nèi)摩擦力，并減少水泥顆粒“團聚”現(xiàn)象加快水化反應(yīng)，改善混凝土的綜合性能。

1 試驗方案

1.1 試驗原材料

試驗研究原材料主要包括水泥、碎石、河砂及高效減水劑。其中，水泥采用P·O 42.5普通硅酸鹽水泥，粗集料采用石灰?guī)r碎石，顆粒粒徑為5～31.5 mm，連續(xù)級配；細集料采用河砂，細度模數(shù)為2.8的中砂；減水劑為聚羧酸高效減水劑，減水率為25%。

1.2 試驗方法

試驗混凝土設(shè)計強度為C30與C50，設(shè)計坍落度為160 mm，C30、C50混凝土配合比見表1。拌和方式選用振動攪拌與普通強制攪拌，攪拌時間均為60 s；養(yǎng)護條件為標準養(yǎng)護。分別測定不同攪拌方式、不同設(shè)計強度的新拌混凝土工作性與含氣量，養(yǎng)護齡期為7 d、28 d、56 d、90 d時混凝土力學(xué)性能及其離散系數(shù)，并分析攪拌方式對混凝土性能的影響規(guī)律。

表1 水泥混凝土配合比

2 試驗結(jié)果對比分析

2.1 工作性

采用坍落度筒法對新拌混凝土進行和易性測定，對比兩種拌和方式條件下對坍落度的影響規(guī)律，試驗結(jié)果見圖1。

圖1 不同攪拌方式條件下混凝土的坍落度

分析圖1可知，采用振動攪拌時，C30與C50混凝土的坍落度均較采用普通強制攪拌時有所提高，其中，C30與C50混凝土坍落度分別提高2.8%、4.7%，且保水性、黏聚性良好。可見，振動攪拌有利于混凝土的坍落度提高，這主要由于混凝土原材料攪拌過程中，在振動力作用下一直處于顫振狀態(tài)，破壞了水泥顆粒團聚現(xiàn)象，促進了水泥的水化反應(yīng)，進而使更多的水泥漿包裹于骨料表面，降低混合物之間的摩擦力；此外，未參與水化反應(yīng)的水泥顆粒分散在混合料之間亦可起到“滾珠”效果[5]。

2.2 含氣量

含氣量對混凝土的耐久性影響較大，實際工程通常采用添加引氣劑的方式，將微小氣泡引入混凝土內(nèi)部來提高混凝土耐久性，數(shù)值大小以體積百分數(shù)表示。采用混凝土含氣量測定儀對不同攪拌方式條件下混凝土含氣量進行測定，結(jié)果見圖2。

圖2 不同攪拌方式對混凝土坍落度的影響

由圖2看出，振動攪拌可明顯提高混凝土的含氣量，其中，C30與C50混凝土的含氣量分別較采用普通強制攪拌時提高30%、34%。這主要是由于在振動力的作用下混凝土中較大的氣泡破裂，且剩余微小氣泡也在混凝土中均勻分散；同時，振動力可破壞混凝土各組分表面的水膜，使上部氣體更容易進入混凝土內(nèi)部； 不僅改善了混凝土的工作性，還在一定程度上提高了混凝土的泵送能力[6-7]。

2.3 抗壓與抗折強度

試驗分別采用振動攪拌與普通強制攪拌成型抗壓與抗折強度試件，在標準養(yǎng)護條件下養(yǎng)護至7 d、28 d、56 d、90 d齡期，測定其抗壓強度并對比分析振動攪拌對混凝土抗壓與抗折強度的影響規(guī)律。試驗結(jié)果見圖 3。

圖3 不同拌和條件混凝土抗壓與抗折強度變化規(guī)律

分析圖3可得，采取振動攪拌的C30、C50混凝土抗壓與抗折強度均高于普通強制攪拌混凝土。其中，在養(yǎng)護齡期小于28 d時，混凝土抗壓與抗折強度增長速率較快，齡期大于28 d后，增長速率則趨于平緩。見圖3（a）、圖3（b），在養(yǎng)護齡期為28 d、90 d時，采用振動攪拌的成型的C30、C50混凝土抗壓強度分別較普通強制攪拌成型混凝土增長7.1%、3.1%和3.8%、1.4% ；由圖3（c）、圖3（d）看出，在養(yǎng)護齡期為28 d、90 d時，采用振動攪拌的成型的C30、C50混凝土抗壓強度分別較普通強制攪拌成型混凝土增長10.9%、6.4%和14.7%、7.5% 。這是由于在振動力的作用下水泥顆粒一直處于震顫狀態(tài)，破壞了水泥的團聚現(xiàn)象，有利于水泥的水化反應(yīng)，使骨料被水泥漿充分包裹，并且在振動力作用下分布更加均勻，明顯地改善了混凝土的力學(xué)性能[8-10]。

2.4 抗壓彈性模量

抗壓彈性模量是評價混凝土抗變形能力的重要力學(xué)參數(shù)。試驗對標準養(yǎng)護條件，齡期分別為7 d、28 d、56 d、90 d的混凝土抗壓彈性模量進行測定，探究攪拌方式對抗壓彈性模量的影響。

對比兩種攪拌條件下的混凝土抗壓彈性模量可知，采用振動攪拌的混凝土抗壓彈性模量整體高于普通強制攪拌混凝土且均隨齡期的增長呈先快后慢的增長趨勢。見圖4（a），在養(yǎng)護齡期為7 d、28 d、56 d、90 d時，C30振動攪拌混凝土抗壓彈性模量分別較普通強制攪拌混凝土增長2.1%、5.6%、5.5%、5.7%，因此在養(yǎng)護齡期不小于28 d時，兩種拌和方式下混凝土的抗壓彈性模量差別趨于穩(wěn)定約為5.6%；同理，分析圖4（b）得出，在養(yǎng)護齡期大于28 d時，C50振動攪拌混凝土抗壓彈性模量較普通強制攪拌混凝土高4.1%。這是由于拌和過程中混凝土各組成材料在振動力作用下，減少了水泥顆粒的“團聚”現(xiàn)象且能夠更加均勻分布于混合料中。同時，振動攪拌加速混合料之間的相互作用，不但使水泥水化作用加快且使其水化更加充分[11-13]。此外，振動左右凈化了集料表面，提高其與水泥的粘附力，因而提高了水泥混凝土的抗變形能力。

圖4 不同拌和條件混凝土抗壓彈性模量變化規(guī)律

2.5 抗壓強度離差系數(shù)

試驗研究對分別采用振動攪拌與普通強制攪拌，養(yǎng)護齡期為7 d、28 d、56 d、90 d的混凝土抗壓強度離差系數(shù)進行計算，以此來評價混凝土生產(chǎn)質(zhì)量的均勻性，并分析其影響變化規(guī)律。試驗結(jié)果見圖5。

圖5 不同拌和條件混凝土抗壓強度離差系數(shù)變化規(guī)律

由圖5可知，采用振動攪拌成型混凝土的離差系數(shù)低于普通強制攪拌的混凝土，且當(dāng)養(yǎng)護齡期大于7 d時，采用振動攪拌成型的混凝土抗壓強度離差系數(shù)趨于一致。其中，在養(yǎng)護齡期28 d時，采用振動攪拌成型的C30與C50混凝土抗壓強度離差系數(shù)比采用普通強制攪拌成型的混凝土分別降低28.6%、33.3%。因為在振動攪拌時，混合料在筒體內(nèi)在受到振動力作用，振動力產(chǎn)生的振動波可使混合料顆粒間的黏著力和摩擦力短時間內(nèi)急劇減小，有效加快了混合物的擴散運動和循環(huán)流動，從而顯著改善混凝土拌合物的整體勻質(zhì)性[14-15]。

2.6 微觀結(jié)構(gòu)分析

采用掃描電子顯微鏡（SEM）測試手段分析混凝土微觀結(jié)構(gòu)與其拌和方式的關(guān)系，探討其改性機理。將養(yǎng)護齡期為90 d強度等級分別C30、C50混凝土進行SEM觀察，見圖6。

圖6 不同拌和方式混凝土SEM照片

從圖6的SEM照片可看出，采用普通強制攪拌的混凝土中存在較明顯的裂縫，見圖6（a）、圖6（c），微裂縫的存在對混凝土力學(xué)有一定的影響，甚至?xí)炷恋哪途眯阅墚a(chǎn)生一定影響影響；而采用振動攪拌的混凝土水泥石結(jié)構(gòu)密實，無明顯的裂縫與微裂紋的存在，由水泥水化產(chǎn)生的C-S-H凝膠更加細致相聚交織成一個致密的整體[16]，即宏觀表現(xiàn)為強度的提高。這主要是由于在振動力的作用下，水泥團聚現(xiàn)象減少水泥水化徹底，水泥漿分布更加均勻，同時，骨料表面也得到凈化。因此，使得骨料與水泥石界面粘結(jié)性能得到提高，減少裂縫的出現(xiàn)，從而在宏觀表現(xiàn)為力學(xué)性能得到進一步提高。

3 結(jié)語

（1）采用振動攪拌代替普通強制攪拌方式，可提高混凝土拌和物的流動性且保水性、黏聚性良好，顯著改善了混凝土的工作性。（2）與普通強制攪拌相比，振動攪拌可使混凝土拌合物含氣量得到顯著提高，從而有利于混凝土耐久性的改善。（3）與普通強制攪拌方式相比，采用振動攪拌制備的混凝土早期與后期抗壓、抗折強度均有不同幅度提高且抗壓強度離散程度顯著降低。因此振動攪拌對改善混凝土拌合物勻質(zhì)性與提高硬化后強度有顯著作用，對于保證工程質(zhì)量具有現(xiàn)實意義。（4）采用振動攪拌代替普通強制攪拌方式，混凝土抗壓彈性模量有明顯提高，說明振動攪拌對改善混凝土抗變形能力有顯著效果。（5）SEM顯示，與普通強制攪拌方式相比，采用振動攪拌制備的混凝土結(jié)構(gòu)更為密實，界面黏結(jié)性能更加優(yōu)越，從而混凝土內(nèi)部微裂縫、缺陷數(shù)量得到明顯減少。