振動攪拌對混凝土強度的影響

劉朝陽 趙利軍 李雅潔 王 波 李 晨

（長安大學道路施工技術與裝備教育部重點實驗室，西安 710064）

混凝土是經攪拌機攪拌后形成的產物，攪拌過程中攪拌葉片對混合料的強制作用使物料間發生擴散、剪切及對流作用，逐漸達到均勻狀態，水泥顆粒、水及骨料之間具有很好的分布效果[1]。物料各組份相表面間的粘結力使混凝土完全拌勻變得特別困難[2]。振動攪拌作為一種新的攪拌方式，是在普通強制攪拌的基礎上加以強化振動作用，有效地避免水泥團聚現象，促進水化反應，在保證物料宏觀均勻性的同時，將振動能量傳遞至物料之間，增強其微觀的均勻性，從而極大提升混凝土的綜合性能[3]。本文對振動攪拌作用下混凝土水化反應及密度的變化規律進行試驗研究，進一步分析研究振動攪拌對混凝土強度的提升作用，為工程實踐提供指導。

1 試驗方案

1.1 試驗樣機

本次試驗采用的試驗樣機是課題組設計的雙臥軸間歇式振動攪拌機，其整機結構如圖1所示。樣機主要由機架、攪拌驅動與傳動裝置、振動驅動與傳動裝置、振動攪拌裝置及錐形料倉組成，可以在同時使用攪拌和振動作用，即振動攪拌模式工作；也可只啟動攪拌電機進行普通強制攪拌。出料系統由卸料門及轉動手柄等組成，采用手動方式卸料，攪拌后的混合料由卸料門卸出。

圖1 振動攪拌機整體結構

1.2 試驗材料

本次試驗設計了2種配比，如表1所示。采用強度等級為32.5級的陜西秦嶺牌復合硅酸鹽水泥，基本性能指標如下：細度（45μm方孔篩篩余）為15%，安定性為合格，3d的抗壓強度為17.4MPa，抗折強度為3.7MPa。

粗集料產自陜西涇陽縣石灰巖碎石，規格為5～10mm、10～20mm兩檔，其技術指標如下：骨料規格為13.2～19，表觀密度為2721.7kg/m3壓碎指標為8.74%，吸水率為0.62%。拌和用水和養護用水均采用西安市生活飲用自來水。

表1 混凝土配比

1.3 試驗方法

本次試驗采用一次投料法，具體的投料順序設定為粗骨料—水泥—細骨料，最后加水攪拌。根據《混凝土結構工程施工規范》（GB50666—2011）的規定，并結合試驗設備具體情況和課題組經驗進行試拌，選定攪拌時間為先干拌35s，然后加水繼續拌和55s[4]。

本次試驗采用YAW—1000型電腦控制恒應力壓力試驗機來測試混凝土不同齡期的抗壓強度，并測出試塊長寬高以及質量，得出：密度=質量/長/寬/高。利用計算機自動采集技術和傳感器技術對傳統的水化溫升測試方法進行改造，如圖2所示，對混凝土內部溫度和環境溫度進行實時監測和記錄，以比較普通攪拌和振動攪拌兩種方式下水化溫升的差異。

圖2 水化溫升測試裝置

2 試驗結果分析

2.1 振動攪拌對混凝土密度的影響

如圖3所示，為振動攪拌對新拌混凝土表觀密度的影響規律，可以發現，振動攪拌作用下混凝土表觀密度均高于普通強制攪拌的，與普通攪拌相比，振動攪拌可提高混凝土表觀密度1%。測出硬化后混凝土試塊的長寬高以及質量，得出：密度=質量/長/寬/高。圖4為不同攪拌方式對混凝土試塊28d密度的影響。對比可知，與普通攪拌相比，振動作用下混凝土28d密度可提高2%，兩種配比混凝土28d密度均增大。

圖3 振動攪拌對新拌混凝土表觀密度的影響

圖4 振動攪拌對混凝土試塊密度的影響

由上可知，振動攪拌可以提高混凝土表觀密度及硬化后混凝土試塊的密度，這就意味著與普通攪拌相比，新拌混凝土在成型時可以更加密實的填充試模，硬化后的混凝土試塊細致密實，內部孔隙得到細化且均勻分布，減少了有害大孔，孔結構得到進一步改善，因而強度得到提高。這主要是因為振動攪拌可以加速混合物各組分狀態的轉變，使結團的水泥顆粒團充分破碎，水化反應更加充分，混凝土內部生成更多對漿體強度起主要作用的水化產物C—S—H凝膠，使內部的大孔被填充，孔徑減小，小的閉合孔隙數量增多且均勻分布，形成細致密實的整體[5]；此外，振動作用還減少小了混合物內摩擦力，從而降低新拌混凝土塑性粘度，表現在宏觀性能上即為工作性能大幅度提升，混凝土試塊成型更為密實，與不振動相比，試塊密度變大，強度提高[6-8]。

2.2 振動攪拌對混凝土水化反應的影響

水泥水化反應是影響混凝土強度的關鍵性因素。如圖5所示，在M1和M2兩個不同配比下，隨著時間的推移，普通攪拌和振動攪拌方式下，混凝土內部溫度都有所升高，這主要是因為水泥和水接觸后，水泥中的各種礦物成分迅速溶解于水并與水發生劇烈的化學反應，水化反應過程中會放出大量的水化熱[9]，但是兩種攪拌方式下溫升的范圍和到達最高溫度所經歷的時間是不一樣的。對比發現，兩種配比混凝土均呈現相同的規律，即振動攪拌作用下混凝土內部最高溫差都大于普通攪拌，但到達最高溫差所需時間明顯低于普通攪拌。這是因為振動攪拌具有的振動能量可以使先前未能被普通攪拌破壞的水泥團處于顫振狀態，使原本處于聚集狀態的絮凝結構破壞，水泥顆粒變成均勻分布狀態，大大增加了水化反應的表面積。此外，水泥粒子表面的水化薄膜包裹層也被破壞，從而加快水泥的水化反應，使水泥在很短的時間內便與水更充分的化學反應，生成更多的水化產物，對水泥水化漿體強度起主要作用的水化硅酸鈣C—S—H所占的體積增大，粘接力增強，提高了混凝土的強度。因此，振動攪拌可以顯著提前水泥水化的速率和強度，從而提高混凝土的早期強度。

圖5 振動攪拌對混凝土水化溫升的影響

2.3 振動攪拌對強度的影響

強度是評價混凝土性能的重要參考，混凝土耐水性、抗凍性、剛性等性能均與與混凝土強度密切相關。盡管混凝土在建筑結構實際應用過程中，受力狀況復雜，但各種力學強度都與抗壓強度相關，結構設計主要是通過混凝土抗壓強度進行計算[10]。本試驗主要研究分析振動攪拌對水泥混凝土抗壓強度的影響。

圖6 不同攪拌方式下混凝土的抗壓強度

如圖6所示，為不同攪拌方式下兩種配比混凝土抗壓強度隨齡期的變化規律。對比發現，所有混凝土試件強度均呈現相同的增長趨勢，早期強度增長速度較快，后期逐漸趨于平緩。同一配比混凝土在相同養護時間下，振動攪拌混凝土的抗壓強度均明顯高于不振動，可以看出在振動作用下，M1配比混凝土3d、7d、28d抗壓強度分別比不振動的提高了25.0%、36.4%、12.6%，M2配比混凝土抗壓強度分別提高13.0%、30.0%、20.4%。還可以發現，齡期在7d之前，兩種攪拌方式下混凝土的強度隨養護時間的增長差異逐漸增大，7d之后，二者強度差異逐漸減小。

圖7為振動攪拌對兩種配比混凝土抗壓強度變異系數的影響規律。對比發現，與普通攪拌相比，振動條件下各齡期混凝土平均抗壓強度的變異系數均明顯降低。

綜上可知，振動攪拌可明顯提高混凝土早期強度，減小強度變異系數。主要原因有：一是振動攪拌可以增大混凝土表觀密度及硬化后混凝土試塊的密度，從前面的分析可知，振動攪拌作用下混凝土成型可以更加密實，硬化后的混凝土試塊內部孔隙得到細化且均勻分布，減少了有害大孔，孔結構得到改善，因而使強度提高；二是因為振動攪拌可以破壞水泥團聚體，從而加快水泥充分發生水化反應，與不振動相比，振動攪拌作用下混凝土內部最高溫差變大，到達最高溫差所需時間縮短，水泥水化的速率加快且反應更加充分，從而提高混凝土的強度[11]。此外，振動攪拌一方面可使骨料顆粒發生振動，使骨料表面水膜破裂、灰塵掉落，獲得潔凈的骨料；另一方面，骨料表面被水與水泥顆粒包裹，水化反應更加充分及時，從而改善界面結合處的粘結強度，進而提高混凝土強度[12]。

圖7 不同攪拌方式下混凝土強度的變異系數

3 結論

與普通強制相比，振動攪拌可以顯著提高混凝土強度，尤其是早期強度，且兩種攪拌方式混凝土強度差異隨養護時間增長逐漸減小。另外，振動攪拌可以增大混凝土的密度，混凝土試塊更為細致密實，內部孔結構得到改善，從而可以提高混凝土強度。最后，在振動攪拌作用下混凝土內部最高溫差大于普通攪拌，但到達最高溫差所需時間明顯低于普通攪拌，表明振動攪拌可以顯著加快并促進水泥的水化反應。