振動攪拌對鋼纖維混凝土工作性能的影響研究

蔡力，胡敏，賈文淵，劉中華，張建雄，李濤濤，劉歡建

（1.中交公路養護工程技術有限公司，北京 100089；2.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 710054）

0 引言

隨著高層建筑、高鐵、公路交通等迅猛發展，高強混凝土的應用需求日益增長，進一步提升鋼纖維混凝土性能也成為新的要求。趙秋紅等[1]研究了鋼纖維和橡膠摻量對高性能混凝土抗剪切性能的影響，結果表明，當混凝土中摻入1.5%鋼纖維、10%橡膠時，所制試件的抗剪強度、峰值變形比單摻橡膠的混凝土分別提高了78%和63%。陳從春等[2]研究了鋼纖維體積摻量對超高混凝土力學性能的影響，結果表明，劈裂抗拉強度在鋼纖維體積摻量為1.0%~1.5%時增長最快，抗折強度在鋼纖維體積摻量為1.0%~2.5%時增長最快。朱海堂等[3]研究了3類鋼纖維及其摻量對高強混凝土力學性能的影響，結果表明，鋼纖維對高強混凝土的抗剪強度、劈裂強度、抗折強度等有較顯著的影響。楊粉等[4]研究了不同鋼纖維對再生混凝土基本力學性能的影響及變化規律，結果表明，鋼纖維的摻入可以明顯改善混凝土的劈拉及抗折強度。Khaloo和Nakseok[5]的研究表明，鋼纖維摻量對高強混凝土的抗彎剪能力和韌性有影響。Ren和Li[6]采用數值模擬方法研究了鋼纖維摻量對混凝土基體疲勞損傷的影響，研究表明，鋼纖維的摻量和尺寸對疲勞損傷有影響?；炷恋呐浔群蛽饺氩牧系膬灮瘜︿摾w維混凝土性能提升效果顯著，但在配比和材料不變的情況下，攪拌是改進混凝土性能最可靠的方法，尤其是基于新攪拌機理的振動攪拌技術對混凝土性能改善尤其明顯[7-8]。宋少民等[9]研究了振動攪拌對活性粉末混凝土性能的影響，結果表明，振動攪拌有利于混凝土工作性能的改善，減少活性粉末混凝土淺表孔結構缺陷。徐鵬杰等[10]研究了振動攪拌對混凝土強度和含氣量的影響，結果表明，振動攪拌可顯著提高混凝土的強度和含氣量。振動攪拌對混凝土性能改善明顯，但在鋼纖維高強混凝土的生產中應用較少。

因此，本文研究了振動攪拌對鋼纖維混凝土工作性能的影響，對比分析振動攪拌與普通攪拌下鋼纖維混凝土的坍落度、含氣量、抗壓強度等的變化，為改善鋼纖維混凝土的性能以及振動攪拌在高性能混凝土中的應用提供工程借鑒。

1 振動攪拌原理

振動攪拌通過在普通攪拌的同時施加機械振動，使得攪拌下混合料中的水泥顆粒處于振顫狀態，從而破壞粘聚的水泥團單元體，使水泥顆粒得以快速均勻地分布，圖1為振動攪拌原理。同時振動攪拌使混合料的運動速度增大，增加了有效碰撞次數，加速集料顆粒表面水化生成物向液相擴散的速度，使水泥水化加速，由于振動作用下水泥水化的程度更加充分，所以，其水化所產生的氣相組分比普通靜力攪拌的氣相組分更多，分布也更均勻。此外，振動作用還可凈化集料表面，增加水泥和集料間的界面粘結力。

圖1 振動攪拌原理

2 試驗材料與方法

2.1 試驗材料

水泥：P·O52.5級，主要技術性能見表1；粉煤灰：Ⅰ級；礦粉：S95級，主要技術性能見表2；硅灰：S90級，主要技術性能見表3；鋼纖維：端鉤型，長度20 mm，直徑0.3 mm，抗拉強度2000 MPa；砂：河砂，中砂，表觀密度2658 kg/m3，細度模數2.68；減水劑：陜西長慶化工公司提供的聚羧酸減水劑，減水率約18%，固含量98%。

表1 水泥的主要技術性能

表2 粉煤灰和礦粉的主要技術性能

表3 硅灰的主要技術性能

2.2 試驗方法

在參考國內外活性粉末混凝土配合比設計理論的基礎上，通過現場試配，最終根據28 d抗壓強度和劈裂強度試驗結果，本試驗鋼纖維混凝土的配合比見表4。

表4 鋼纖維混凝土的配合比 kg/m3

試驗中鋼纖維混凝土采用振動攪拌機（DT60ZBW，許昌德通）成型，關閉振動，為常規的靜力攪拌；開啟振動，為振動攪拌，見圖2。攪拌過程中，將水泥、粉煤灰、礦粉、硅灰4種凝膠材料和砂倒入攪拌機內，干拌90 s，再將鋼纖維均勻撒入攪拌機內，干拌30 s，最后加入減水劑和水，濕拌4 min，成型鋼纖維混凝土試件，將成型好的試件放入標準養護室內（溫度20℃，相對濕度98%）標準養護。參照GB/T 50080—2016《普通混凝土拌合物性能試驗方法標準》和GB/T 50081—2019《混凝土物理力學性能試驗方法標準》對混凝土的工作性能和力學性能進行測試。

圖2 試驗用振動攪拌機

3 試驗結果及分析

3.1 振動攪拌對鋼纖維混凝土工作性能的影響

采用振動攪拌和普通攪拌2種工藝拌和鋼纖維混凝土，其中振動攪拌下振動加速度為2 g，普通攪拌為靜力攪拌，二者其它工藝參數相同，2種攪拌工藝下新拌鋼纖維混凝土的工作性能見表5。

表5 2種攪拌工藝下新拌鋼纖維混凝土的工作性能

由表5可知，與普通攪拌相比，振動攪拌下新拌混凝土的坍落度、擴展度和含氣量分別增大了7.1%、4.1%、7.9%，倒置坍落度筒排空時間縮短了32.2%。表明在振動攪拌作用下，顆粒的微觀結構分散更為均勻，振動攪拌下新拌混凝土的流動性、粘聚性、穩定性更好。

3.2 振動攪拌對鋼纖維混凝土抗壓和劈裂強度的影響（見表6）

表6 2種攪拌工藝下鋼纖維混凝土的抗壓強度、劈裂強度和離差系數

由表6可知：

（1）與普通攪拌相比，振動攪拌下鋼纖維混凝土的3、7、28 d抗壓強度分別提高了6.9%、8.3%、8.8%，離差系數分別降低了25.4%、33.4%、18.6%，按全壽命周期看，抗壓強度平均提高了8%，離差系數降低了25.8%。

（2）與普通攪拌相比，振動攪拌下鋼纖維混凝土的3、7、28 d劈裂強度分別提高了2.1%、5.7%、8.4%，離差系數分別降低了23.2%、21.9%、28.4%，按全壽命周期看，劈裂強度平均提高了5.4%，離差系數降低了24.5%。

（3）對于鋼纖維高性能混凝土，振動攪拌能提高其抗壓強度和劈裂強度，離差系數也大幅下降。這是因為，從鋼纖維本身形成高性能混凝土的機理看，鋼纖維起到了增強混凝土材料之間連接的作用，但傳統的攪拌方法難以保證鋼纖維攪拌均勻，也難以保證水泥顆粒的均勻分散，振動攪拌是在普通攪拌的基礎上加以振動，解決了傳統攪拌對水泥、鋼纖維高性能混凝土攪拌產生的易團聚弊端，宏觀上表現出強度提高，并且離差系數變小。

3.3 振動攪拌對鋼纖維混凝土粘結力的影響

在混凝土中，粘結力主要依靠水泥漿體與細集料與粉料組成的粘性組分形成對粗集料的裹附，其能夠被用來評價拌合料的抗剪強度。根據莫爾理論公式（1）可以得到鋼纖維混凝土的粘結力，其中劈裂強度間接表示抗拉強度。計算粘結力時可以通過公式變形求得而不涉及內摩擦角的具體數值。

式中：fc——抗壓強度，MPa；

ft——抗拉強度，MPa；

c——粘結力，MPa；

φ——內摩擦角，（°）。

2種攪拌工藝下鋼纖維混凝土的粘結力如表7所示。

表7 2種攪拌工藝下鋼纖維混凝土的粘結力

由表7可見，與普通攪拌相比，振動攪拌下鋼纖維混凝土的3、7、28 d粘結力分別提高了4.8%、7.3%、8.2%，平均提高了6.7%。這主要是振動攪拌的機理導致，拌合中加入振動，破壞了水泥顆粒的團聚，使水泥漿均勻地彌散開并包裹在粗骨料表面，并且振動也使得鋼纖維分散更加均勻，與其它材料之間更緊密。

4 結論

（1）與普通攪拌相比，振動攪拌下新拌混凝土的坍落度、擴展度和含氣量分別增大了7.1%、4.1%、7.9%，倒置坍落度筒排空時間縮短了32.2%。表明振動攪拌能有效改善鋼纖維混凝土的流動性、粘聚性，且穩定性更好。

（2）與普通攪拌相比，振動攪拌下鋼纖維混凝土的3、7、28 d抗壓強度分別提高了6.9%、8.3%、8.8%，抗壓離差系數分別降低了25.4%、33.4%、18.6%；3、7、28 d劈裂強度分別提高了2.1%、5.7%、8.4%，劈裂離差系數分別降低了23.2%、21.9%、28.4%。振動攪拌使得鋼纖維混凝土的力學性能有明顯提高。

（3）與普通攪拌相比，振動攪拌下鋼纖維混凝土的3、7、28 d粘結力分別提高了4.8%、7.3%、8.2%，平均提高了6.7%。