振搗頻率對機制砂和天然河砂混凝土耐久性能影響研究

秦明強，胡 駿，汪華文

(1.中交武漢港灣工程設計研究院有限公司，武漢 430000;2.海工結構新材料及維護加固技術湖北省重點實驗室，武漢 430000;3.長大橋梁建設施工技術交通行業重點實驗室，武漢 430040)

隨著我國工程建設的發展，混凝土精細化施工水平快速提高，與混凝土精細化施工相關的攪拌、運輸、澆筑、振搗、養護以及成品保護等環節受到廣泛關注，其中振搗對混凝土密實至關重要。

混凝土振搗方法包括插入式振搗棒振搗、振動臺式振搗、表面振搗和附著式振搗。振搗器的頻率在50～300 Hz，可分為低頻、中頻和高頻，一般工程中常使用的為50 Hz低頻振搗棒。為提高振搗效率，往往通過選用較高頻率的振搗器。研究表明，振搗方式和頻率對混凝土工作性能、力學性能和外觀質量存在較大影響，并繼而影響混凝土其他性能。胡駿等[1]研究了不同振搗頻率對振搗工效、氣泡分布、勻質性的影響；劉艷霞等[2]研究了高頻振搗對混凝土的含氣量和抗凍性的影響；官來貴等[3]研究了干硬性混凝土變頻變幅振搗工藝。付昌會等[4]研究了振幅、振動頻率對混凝土含氣量的影響。

綜上，目前關于振搗對混凝土性能的研究較少，集中在針對振搗對混凝土的工作性能、力學性能和外觀質量方面，關于振搗對混凝土耐久性影響研究不系統；同時，隨著機制砂混凝土的廣泛應用，機制砂與天然河砂工作性能的特點存在一定的差異，在振搗工藝方面也需特殊考慮。基于此，研究了不同振搗頻率對機制砂和天然河砂混凝土抗氯離子滲透性、抗碳化性能和抗凍性能的影響規律。

1 試驗方案

1.1 原材料

試驗采用華新PO42.5水泥、陽邏Ⅱ級粉煤灰、5～25 mm碎石、天然河砂和機制砂、聚羧酸減水劑。天然河砂和機制砂性能指標見表1，聚羧酸減水劑性能指標見表2。

表1 天然河砂和機制砂性能指標

表2 聚羧酸減水劑性能指標

1.2 方法

1.2.1 混凝土振搗設備

振搗采用自主研發的變頻振搗系統進行試驗，該系統由變頻控制系統和振搗系統組成，可調節振搗頻率范圍為50～300 Hz。試驗時，振搗成型的試件，直至混凝土表面出漿，不再出現氣泡。試件脫模養護至規定齡期進行相關性能的測試。

1.2.2 性能測試方法

混凝土抗氯離子滲透性、抗碳化性能和抗凍性能分別按《普通混凝土長期性能和耐久性試驗方法》(GB/T50082—2009)規定的相應的方法測試；其中，抗氯離子滲透性采用電通量方法，測試齡期為56 d，抗凍性能測試28 d齡期混凝土300次快速凍融循環后相對動彈性模量。

1.3 試驗配合比

試驗選用C40混凝土配合比，膠凝材料總量420 kg/m3，粉煤灰摻量30%，水膠比0.37，通過調整聚羧酸減水劑摻量從0.9%～1.6%、0.6%～1.1%調節機制砂和天然河砂混凝土的坍落度，配制坍落度為80 mm、180 mm和220 mm 3種不同工作性能的混凝土，并進行相關試驗，配合比見表3。

表3 試驗混凝土配合比

2 結果及分析

2.1 含氣量及抗壓強度影響

為達到振搗密實的效果，不同坍落度的混凝土在相同振搗頻率下需要振搗時間不一致，同種坍落度混凝土在不同的振搗頻率下振搗時間也不相同。在不同振搗頻率下，選擇合適的振搗時間，振搗密實完成后，測試混凝土的含氣量，留置試件養護后測試抗壓強度、抗氯離子滲透性等性能。相關試驗結果見圖1。

由圖1可知，隨著振搗頻率的提高，機制砂和天然河砂新拌混凝土的含氣量均出現不同程度的降低，主要由于振搗頻率的提高，一方面排氣的能力提高，另一方高振搗頻率會加速新拌混凝土內的大氣泡在振搗過程中分裂，形成微小氣泡。對比圖1(a)和圖1(b)可知，機制砂混凝土含氣量降低幅度略小于天然河砂，機制砂混凝土由于含粉量高、聚羧酸減水劑摻量大，粘度較天然河砂大，排氣更為困難。

圖2為不同振搗頻率下混凝土抗壓強度試驗結果。由圖2可知，隨著振搗頻率的增大，兩種混凝土抗壓強度均有不同程度的增大。原因可能為隨著振搗頻率的增大，混凝土含氣量降低，混凝土致密性增加，從而導致混凝土的抗壓強度提高。

2.2 抗氯離子滲透性能影響

圖3為不同振搗頻率下混凝土抗氯離子滲透性能。由圖3可看出，隨著振搗頻率的增大，混凝土電通量值總體呈現降低趨勢，抗滲性能提高；但電通量最低值出現時對應的振搗頻率不相同，對于機制砂混凝土，振搗頻率分別為250 Hz、200 Hz和150 Hz；對于天然河砂混凝土，振搗頻率分別為250 Hz、150 Hz和150 Hz。表現為小坍落度時，需要振搗頻率高；對于大坍落度，在一定頻率范圍內，振搗頻率對電通量值影響不大。

混凝土抗滲性能受混凝土內部空隙連通情況以及勻質性影響。高頻振搗會降低混凝土內部的含氣量、減小氣泡大小，但同時針對大流動度混凝土易造成混凝土上下分層，影響勻質性，因此不同坍落度的機制砂和天然河砂混凝土所需的振搗頻率有一定差異。

2.3 抗凍性能影響

圖4為不同振搗頻率下混凝土抗凍性能，采用快凍300次后，測試相對動彈性模量。由圖4可知，隨著振搗頻率的增大，300次快凍后的相對動彈性模量呈現增大趨勢，抗凍性能提高；在相同的坍落度條件下，采用相同的振搗頻率，機制砂混凝土相對動彈性模量值低于天然河砂混凝土。

在混凝土配合比相同的條件下，混凝土抗凍性能受混凝土內部含氣量、氣泡間距系數、氣孔比表面積、氣泡平均直徑等因素影響。高頻振搗雖然降低混凝土內部的含氣量、但同時也降低氣泡大小，改善引氣質量，一定程度提高混凝土的抗凍性能；機制砂混凝土含有石粉，在一定程度上可吸附減水劑，造成減水劑中引氣組分功效較低。因此，在相同減水劑摻量時，機制砂混凝土含氣量低于天然河砂混凝土，造成抗凍性能不及天然河砂混凝土。

2.4 抗碳化性能影響

不同振搗頻率下混凝土抗碳化性能見圖5。由試驗結果可知，對不同坍落度的機制砂和天然河砂混凝土，隨振搗頻率的加大，28 d碳化深度總體均呈降低趨勢，但總體均處于《混凝土質量控制標準》(GB50164—2011)中規定的T-Ⅳ級，具有較好的抗碳化性能。同時，不同坍落度及不同細集料類型的混凝土抗碳化性能最優的組別也出現在不同的振搗頻率，機制砂混凝土在80 mm、180 mm、220 mm坍落度時碳化深度最小值對應的分別為250 Hz、200 Hz和150 Hz，而天然河砂混凝土在80 mm、180 mm、220 mm坍落度時碳化深度最小值對應的分別為250 Hz、150 Hz和150 Hz。

3 結 論

a.振搗頻率越高，不同坍落度的機制砂和天然河砂混凝土含氣量均降低、抗壓強度均提高。

b.合適的振搗頻率，可提高不同坍落度的機制砂和天然河砂混凝土的抗氯離子滲透性能、抗凍性能和抗碳化性能；根據混凝土坍落度和細集料類型，選擇合適的振搗頻率可提高混凝土的耐久性能。