振動攪拌對機制砂混凝土性能影響研究

趙悟，楊澤文，宋儒霖，陳陽

（長安大學 道路施工技術與裝備教育部重點實驗室，陜西 西安 710064）

0 引言

砂石是各國建筑、道路、橋梁等基礎設施建設用量最大、不可或缺、難以替代的原材料。當前，國家推進新城鎮和基礎設施建設，砂石骨料需求量日益增大，機制砂作為天然砂的替代產品，成品形狀更加規則，可以根據不同工藝要求加工成不同規格和大小的集料，更能滿足日常工程需求[1-2]，很快應用于建筑行業，目前針對機制砂混凝土的研究已經成為一個很重要的方向。

在國內建筑石材中，砂占據了很大的比重，隨著環保政策的實施，建筑行業的原材料如砂、石等天然集料的開采受到了很大的限制[3]。與天然砂相比，機制砂具有原料充足，生產率高、成本較低、經濟環保和產量大等優點，所以在混凝土拌合時人們多采用機制砂代替部分天然砂石的方式[4]，以此來降低天然砂用量，有些場合機制砂替代率達到了70%，所以機制砂混凝土在我國商品混凝土中所占的比重越來越大[5]。在混凝土的生產中，粗細骨料是關鍵性原料，是消耗自然資源眾多的建筑材料。以前人們對機制砂相關缺陷的研究已經有了很大的突破，但主要集中在材料方面，研究手段相對單一，成果不顯著，很難具有說服力。

本文結合以往研究成果，采用一種新的振動攪拌技術，對機制砂混凝土性能進行了試驗研究，可有效改善攪拌的均勻性和微觀結構，提高混凝土攪拌質量和效率[6-7]。以機制砂混凝土取代70%天然砂為目標，在優化攪拌參數的條件下，對機制砂混凝土在不同攪拌方式下的工作性能、抗壓強度等方面進行了對比試驗，為機制砂混凝土的進一步應用提供參考。

1 試驗

1.1 原材料

水泥：唐山冀東牌P·O42.5（低堿）水泥，主要化學成分見表1，物理力學性能見表2；粉煤灰：大唐陜西發電有限公司渭河熱電廠生產的F類Ⅰ級，細度10.17%、燒失量3.49%、含水率0.18%、需水量比為92%；粗骨料：將5～10 mm碎石和20～31.5 mm碎石按3∶7的質量比復配使用；細骨料：將機制砂與天然砂按照7∶3的質量比復配使用，機制砂為陜西柞水縣生產，機制砂與天然砂的物理性能見表3，級配曲線見圖1；減水劑：Q8011HPWR，標準型聚羧酸高性能減水劑，固含量8.7%，密度1.03 g/cm3，減水率26%，pH值=5.5。

表1 水泥的主要化學成分 %

表2 水泥的物理力學性能

表3 機制砂與天然砂的各項物理性能

圖1 機制砂與天然砂的級配曲線

1.2 試驗設備

本試驗采用設備為DT60ZBW型雙臥軸振動攪拌試驗機，容量60 L，如圖2所示。

圖2 雙臥軸振動攪拌試驗機

1.3 試驗方法

本試驗研究對象為C40機制砂普通混凝土，根據JGJ 55—2011《普通混凝土配合比設計規程》，再結合本課題組前期試驗，最終設計的C40混凝土配合比如表4所示。

表4 機制砂混凝土配合比 kg/m3

按照設計計算的配合比進行振動攪拌與普通強制式攪拌對比試驗，設計坍落度為（180±20）mm。通過課題組前期大量試驗驗證，分析結果得到較優的振動攪拌參數匹配[7]。為減少振動攪拌與普通強制攪拌的干擾因素，試驗設置普通強制攪拌與振動攪拌的攪拌線速度與攪拌時間一致，從而排除攪拌線速度與攪拌時間不同對結果的影響。根據攪拌參數的不同，確定攪拌線速度為1.5 m/s，攪拌時間為75 s；振動攪拌時設定的振動參數分別為振幅1.75 mm、振動頻率35 Hz[1]。本文對比試驗將振動攪拌作為實驗組，普通強制攪拌作為對照組。為了使試驗所得結果更加準確可靠，每種攪拌方式在相同條件下連續測試6組，以排除機器性能不穩定對試驗結果造成的誤差，除振動參數不同外其他條件均保持一致。

參照GB/T 50080—2016《普通混凝土拌合物性能試驗方法標準》、GB/T 50081—2019《混凝土物理力學性能試驗方法標準》、GB/T 50082—2009《普通混凝土耐久性能試驗方法標準》對混凝土的坍落度、排空時間、含氣量、抗壓強度和電通量進行測試。

2 試驗結果及分析

2.1 試驗結果

按照設定的試驗方案進行測試，結果如表5、表6所示。

表5 振動攪拌組試驗結果

表6 普通強制攪拌組試驗結果

2.2 試驗結果分析

2.2.1 振動攪拌對機制砂混凝土坍落度的影響

由表5、表6可以看出，振動攪拌下混凝土的坍落度和排空時間相較普通強制式攪拌效果好，振動攪拌作用下機制砂混凝土的坍落度比普通強制攪拌增大了9.8%，排空時間縮短了35.6%。說明相較普通強制攪拌，振動攪拌一定程度上可以提高機制砂混凝土的均質性，使得內部骨料顆粒分布更加均勻，所以提高了機制砂混凝土的工作性。振動攪拌下混凝土坍落度離差系數為0.039，排空時間離差系數為0.104，而普通強制式攪拌下混凝土坍落度離差系數為0.072，排空時間離差系數為0.145，表明振動攪拌作用下的混凝土較普通攪拌的混凝土更加穩定。

2.2.2 振動攪拌對機制砂混凝土抗壓強度的影響

由表5、表6可以看出，2種攪拌作用下機制砂混凝土的抗壓強度都能夠滿足強度設計要求，但在同樣條件下，振動攪拌作用下混凝土7、28、56 d抗壓強度較普通強制攪拌的分別7.29%、8.79%、7.37%。總體上，振動攪拌作用下混凝土的抗壓強度離差系數小于普通強制攪拌作用下的混凝土，說明振動攪拌作用下的機制砂混凝土強度較為穩定，拌合質量更加可靠。

分析其主要原因為：一方面，在振動攪拌作用下各種骨料顆粒具備了一定的能量，并跟隨攪拌機構的振動處于震顫狀態，使得集料之間粘性降低，從而使水泥水化反應更加充分，為凝結后的混凝土強度奠定了微觀結構基礎[8]。另一方面，機制砂生產開采過程中夾雜的少量石粉在振動作用下對混凝土內部微觀孔隙結構起到了一定的填充作用，優化了內部骨料堆積密度[9]，增強了混凝土界面過渡區的密實程度，從而提高抗壓強度。

2.2.3 振動攪拌對機制砂混凝土含氣量的影響

由表5、表6可以看出，振動攪拌作用下新拌機制砂混凝土含氣量較普通強制攪拌提高了38.8%。主要原因為，在振動作用下，新拌混凝土中形成的大氣泡破裂，原本氣泡所在的空間被水泥砂漿等膠凝材料填充[10]；由于振動作用下水泥顆粒相較普通攪拌能更加均勻地分散在混凝土中，相應硬化后的混凝土氣孔分布相較普通強制攪拌更加均勻分散，同時在振動作用下水泥水化反應更加充分，所以提高了機制砂混凝土的含氣量[11]。混凝土結構中均勻且相對致密的微小氣泡能夠一定程度的提高機制砂混凝土的抗凍融性。振動攪拌作用和普通強制攪拌作用下機制砂混凝土含氣量離差系數分別為0.099和0.115。振動攪拌作用下離差系數比普通強制攪拌作用下低13.91%，說明振動攪拌作用對機制砂混凝土含氣量的影響更為有利，一定程度上也說明振動攪拌能夠提高機制砂混凝土的耐久性。

2.2.4 振動攪拌對機制砂混凝土電通量的影響

由表5、表6可以看出，振動攪拌作用下機制砂混凝土的電通量比普通強制攪拌減小了27.2%。主要原因在于：一方面，振動作用下機制砂混凝土中的膠凝材料和細骨料顆粒分布更加均勻，水泥水化反應較快，同時由于振動作用減少了自由水分子留在混凝土內部的可能性，在試件養護時，混凝土試塊中多余水分被蒸發，由于振動作用下混凝土內部自由水分子較少，所以在機制砂混凝土成型后結構內部不易形成失水，從而提高了機制砂混凝土的抗滲透性[12]。另一方面，機制砂中所含石粉在振動作用下能夠均勻分散在結構內部，起到了填充內部孔隙結構的作用，一定程度上阻礙了機制砂混凝土內部的毛細孔道，使得機制砂混凝土內部結構更加致密，提高了機制砂混凝土的抗氯離子滲透特性[13]。

2.2.5 振動攪拌與普通強制攪拌作用下機制砂混凝土性能指標穩定性分析

由表5、表6可以看出，整體上振動攪拌作用下機制砂混凝土性能指標的穩定性要優于普通強制攪拌，說明本次對比試驗具有一定的普遍性。所得結論對工程實際參考有一定的指導意義。

3 結論

（1）在攪拌的過程中，采用振動攪拌可以改善機制砂混凝土的黏性和工作性，同時對機制砂混凝土的力學性能也有明顯提高作用。

（2）機制砂混凝土在振動攪拌作用下，把所含的石粉能夠較均勻地分散在混凝土結構中，對機制砂混凝土內部微孔隙結構起到了一定的填充作用，使混凝土的耐久性提高。

（3）相比普通攪拌，機制砂混凝土在振動攪拌作用下所得各性能指標的離差系數更小，說明采用振動攪拌所拌合的機制砂混凝土更加穩定。