振動攪拌工藝對大流態混凝土試驗研究*

楊文，馬建峰＊，高達，畢耀，吳雄

（中建西部建設建材科學研究院有限公司，四川 成都 610000）

0 前言

混凝土主要由膠結物質及膠結在其中的骨料顆粒組成，其中膠結物質是由水硬性水泥和水的混合物形成[1]。混凝土作為多種材料的結合體，其內部是不均勻的，這會影響混凝土各項性能[2]。現有攪拌站大流態混凝土攪拌時間一般在 45s 以下，而 JGJ/T 281—2012《高強混凝土應用技術規程》要求不低于 80s，這會影響新拌混凝土和易性和勻質性，給混凝土強度、耐久性等帶來不利影響[3]。現有的混凝土攪拌機有立式、臥式及雙臥軸式等，其能夠在較短的攪拌時間內實現混凝土的宏觀上的勻質性，但實際上有約 25% 的水泥顆粒呈團粒形態，因此，目前的攪拌方式存在水泥的浪費，據估計，我國因這一原因浪費的水泥成本每年接近百億 元[4]。

基于此，研究者們試圖通過改變攪拌工藝來提高預拌混凝土勻質性，進而提高混凝土強度。近年來，振動攪拌工藝得到廣泛的關注，姚運仕等[5]研究表明，振動攪拌打破了膠材團聚，提高了水化速率，改善了混凝土微孔結構。馮忠緒[6]等人研究表明，振動攪拌在較小水泥團聚的同時，可以增加界面過渡區強度，進而提高混凝土的各項性能。

以上關于振動攪拌工藝對混凝土性能研究表明，該工藝確實能提高混凝土勻質性，提高混凝土各項性能。但關于在該工藝條件下，減少水泥量時，混凝土各項性能是否可以達到對應指標的研究較少。因此，本文研究了不同振動攪拌時間對大流態混凝土性能影響，并在此基礎上探究減少水泥用量時，振動攪拌工藝對混凝土工作性、力學性能及體積穩定性影響。以期在減少水泥用量的條件下，利用振動攪拌工藝制備出符合相應指標的大流態混凝土。

1 原材料與試驗方法

1.1 原材料

試驗所用水泥選用峨勝 P·O42.5 水泥，其基本性能見表1 所示；所用 Ⅰ 級及 Ⅱ 級粉煤灰來自四川省宜賓市，其 28d 的活性指數分別為 63.9% 和 73.5%；試驗所用砂子的性能指標見表2 所示；試驗所用外加劑來源于四川省成都市某攪拌站。

表1 水泥基本性能

表2 機制砂性能檢測

1.2 試驗方法

本試驗選用振動攪拌混凝土的設備是 DT60ZBW 型雙臥軸振動攪拌機（圖 1），其平均振動強度為 4G。試驗中振動組及基準組試驗均采用該攪拌機，以確保試驗組與基準組攪拌線速度相同。

圖1 DT60ZBW 型雙臥軸振動攪拌機

混凝土工作性能測試，如含氣量、擴展度及含氣量等依據 GB/T 50080—2016《普通混凝土拌合物性能試驗方法標準》進行測試；力學性能依據 GB/T 50081—2019《混凝土物理力學性能試驗方法標準》測試。

混凝土干燥收縮試驗依據 GB/T 50082—2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法》標準進行。試件尺寸為 100mm×100mm×515mm 的棱柱體，每組試驗為 3 個試件，混凝土成型 3d 后立即進行測試，收縮測試環境溫度為 (20±2)℃，相對濕度為 (55±5)%，采用接觸式測試，試驗數據精確至 0.001mm。混凝土收縮率如公式 (1) 所示：

式中：

εt——試驗至 t 天時混凝土收縮率，%；

Lb——試測量標距，mm；

L0——試件長度的初始讀數，mm；

Lt——試件的 t 天時的長度數據，mm。

1.3 混凝土配合比

依據成都市某攪拌站生產預拌混凝土的攪拌時間，設置混凝土總攪拌時間為 45s，其中干料攪拌 5s，濕料攪拌 40s。研究 C30、C45 及 C60 混凝土振動攪拌 10s、20s、30s 及 40s 時混凝土各性能。各強度等級混凝土配合比如表3 所示。

表3 混凝土配合比 kg/m3

2 試驗與結果

2.1 振動攪拌時間對混凝土性能影響

2.1.1 對混凝土工作性能影響

保持較好的和易性是混凝土運輸、施工及質量保證的重要前提，測定了不同振動攪拌時間下混凝土的含氣量、坍落度及擴展度，以此來表征振動攪拌對大流態混凝土和易性影響。試驗結果見表4 和 圖 1、圖 2。

表4 振動攪拌時間對混凝土工作性能的影響

圖1 振動攪拌時間對混凝土含氣量影響

圖2 振動攪拌時間對混凝土擴展度和坍落度的影響

從圖 1 中可知，各混凝土含氣量隨著振動攪拌時間的增加而增加，對于 C30 混凝土，振動 20s 時混凝土含氣量較基準組增加 84.2% 以上，C45 和 C60 含氣量增加 28.6%、62.5%。以上結果表明振動攪拌工藝在制備混凝土時具有一定的引氣作用，且含氣量隨著振動攪拌時間的增加而增加，此外，較高強度等級的混凝土含氣量增加幅度較低強度等級的混凝土小。主要是因為混凝土物料在加水及外加劑攪拌時，拌合過程中物料表面膜層出現水膜層，而在振動攪拌時，水膜層破壞，攪拌過程中易于引入空氣，進而增加含氣量[7]。

從圖 2 中可以看出，拌合物擴展度和坍落度先增后減，對 C30 混凝土而言，其在振動攪拌至 10s 時間混凝土含氣量及擴展度達到峰值，而 C45 在振動攪拌至 20s，C60 在 30s 時具有最大的擴展度和坍落度。造成這種現象的原因在于，振動攪拌的引氣作用使得拌合物顆粒之間具有較多的氣泡，在骨料間如同滾珠一樣起潤滑作用，可增大混凝土拌合物的流動性[8]，與此同時，振動攪拌使得膠凝材料團聚效應減小，釋放自由水，導致擴展度增大。而隨著振動攪拌時間的增加，膠凝材料分散越發均勻，水泥顆粒與水接觸面積增大，水泥水化加快，自由水減少，導致拌合物擴展度及坍落度減小。

2.1.2 對混凝土力學性能影響

表5 和圖 3 為各混凝土在不同齡期的抗壓強度變化。從圖 3(a) 中可知，振動攪拌至 10s 時，混凝土強度最高，7d 時較基準組提升 12.1%。對于 C45 和 C60 混凝土，其強度變化也是隨著振動攪拌時間的增加先增后減，C45 混凝土在振動攪拌至 20s 時強度最佳，7d 時混凝土抗壓強度較基準組提升 11.5%，C60 混凝土在 30s 時混凝土強度最高，7d 時混凝土抗壓強度提升 10.8%。振動攪拌使拌合物中水泥膠材團聚效應減小，水泥顆粒在拌合物中分散變得均勻，參與水化的水泥含量增多，進而提升混凝土強度。

圖3 振動攪拌時間對各混凝土抗壓強度影響

表5 振動攪拌時間對混凝土抗壓強度的影響

對于 C30 混凝土，當振動攪拌時間在 10s 時，其強度達到最大值，振動攪拌時間超過 10s 后強度逐漸減小，40s 時抗壓強度與基準組相當。這是因為振動攪拌工藝具有一定的引氣作用，在提升混凝土勻質性的同時，混凝土含氣量增加，對混凝土強度帶來不利影響。

而 C45 及 C60 拌合物振動攪拌時間分別在 20s、30s 時混凝土強度達到最大值。振動攪拌至 30s 時，C45 混凝土較 20s 時減小，40s 時混凝土抗壓強度與基準組相當；C60 混凝土振動攪拌至 40s 時，混凝土抗壓強度與基準組相當。這是因為 C45 及 C60 混凝土膠材用量較大，振動攪拌時間較短時，膠材分散效果不佳，當振動攪拌時間進一步增加時，膠材分散均勻，對強度提升作用更加明顯。但與此同時，混凝土含氣量隨著振動攪拌時間的增加而增加，對強度帶來不利影響，因此，C45 振動攪拌時間可控制在 10～20s 內，C60 混凝土不宜超 30s。

2.2 減少水泥用量時對混凝土性能影響

2.2.1 對工作性能影響

基于以上試驗結果，C30、C45 及 C60 最佳振動攪拌時間為 10s、20s 和 30s。在此振動攪拌時間下，混凝土拌合物中膠凝材料具有最佳的分散效果，且引入的氣體對混凝土強度影響最小。因此，可考慮減小水泥用量，利用振動攪拌工藝制備相應的混凝土。試驗設計 C30、C45 及 C60 減小水泥用量 3%、6%、9% 及 12% 時對混凝土各性能影響，配比中減少的水泥量用粉煤灰等體積補充。表6 和圖 4 為減少水泥用量后利用最佳振動攪拌時間制備 C30、C45 及 C60 混凝土擴展度及坍落度變化。

表6 水泥減少量對混凝土工作性能的影響

圖4 減少水泥用量對混凝土工作性能影響

從圖 4 中結果可以看出，隨著水泥減少量的增加，各混凝土擴展度及坍落度逐漸增加，且 C60 混凝土的增加最為顯著。造成這種現象的原因在于，粉煤灰是球狀顆粒，且其表面光滑，在混凝土拌合物在拌合過程中具有較好的潤滑作用，隨著混凝土拌合物中水泥用量減小，粉煤灰摻量增加，有益于混凝土和易性[9]，振動攪拌更有益于拌合物的均勻；同時，其粒徑較小的粉煤灰有效填充了水泥顆粒之間的孔隙，使得水泥顆粒之間的自由水進一步釋放，因此，C60 混凝土拌合物的擴展度及坍落度增加幅度較大。

2.2.2 對混凝土力學性能影響

表7 和圖 5 為減少水泥用量后，利用振動攪拌工藝制備的 C30、C45 及 C60 混凝土的抗壓強度變化。

表7 水泥減少量對混凝土抗壓強度的影響

從圖 5 (a) 中可以看出，C30 混凝土養護 7d 時，減小水泥用量后，利用振動攪拌工藝制備的混凝土強度均低于基準組，養護至 28d 時減少水泥用量小于 6% 時混凝土強度與基準組相當。盡管振動攪拌工藝對混凝土具有較好的分散作用，但粉煤灰活性較低，且在混凝土中是二次反應后提升混凝土強度[9,10]，因此，減小水泥用量后早期強度較低，28d 時強度大幅提升。

從圖 5 (b) 中可以看出，C45 混凝土養護 7d 時，減小水泥用量后，利用振動攪拌工藝制備的混凝土強度均低于基準組，養護至 28d 時減小水泥用量小于 6% 時其強度與未振動攪拌的基準組相當，其強度變化原因與 C30 相同。

對于圖 5 (c) 所示的 C60 混凝土，當水泥減小量不超過 9% 時，利用振動攪拌工藝制備的混凝土強度與基準組相當。

圖5 水泥減少量對混凝土抗壓強度影響

以上試驗結果表明，在減少水泥用量的條件下，利用振動攪拌可以制備出與基準組強度相當的混凝土，其中 C30 及 C45 可減小水泥用量 6%，C60 混凝土可達 9%。

2.3 振動攪拌對混凝土收縮性能影響

由以上研究結論可知，C30、C45 及 C60 混凝土在減小膠材及最佳振動攪拌時間下可制備出滿足相應工作性能、力學性能的混凝土。振動攪拌工藝在增加勻質性的同時，具有一定的引氣作用，使混凝土孔結構發生變化，進而影響混凝土體積穩定性。測試了 C30、C45 及 C60 混凝土振動攪拌 10s，20s 和 30s，C30、C45 及 C60 混凝土減小水泥用量 6%、6% 及 9% 時的干燥收縮，結果如表8 和圖 6 所示。

表8 振動攪拌對混凝土收縮性能的影響 ×10-6

從圖 6 中可知，C30～C60 基準組收縮率逐漸增加，主要是因為 C30～C60 水泥用量逐步增加，使得早期收縮增加。對比 C30 基準組及 C30 振動攪拌組試驗可知，振動攪拌后干燥收縮減小，7d 時較基準組減縮 8.5%，56d 時減縮 6.7%。究其原因，一方面是 C30 振動試驗組較基準組減小 6% 的水泥用量，減小了化學收縮和自收縮，另一方面，可能是因為振動攪拌的引氣作用減小了易于引起體積收縮的孔徑。C45 及 C60 混凝土的振動組試驗較基準組表現出與 C30 混凝土相同的變化規律，C45 混凝土 45d 時間較基準組減縮 6.9%，C60 減縮 8.7%。

圖6 振動攪拌對混凝土收縮性能的影響

3 結論

本文利用振動攪拌工藝試驗了不同振動時間下對不同強度等級混凝土性能影響，并研究了減少水泥用量條件下，振動攪拌工藝對混凝土性能影響，結果如下：

（1）C30、C45 及 C60 混凝土和易性、勻質性在適當的振動攪拌時間內最優，其含氣量隨著振動攪拌時間的增加而增加，力學性能隨著振動攪拌時間增加先后減小。結合振動攪拌工藝對混凝土工作性、力學性能影響，C30 最佳振動攪拌時間為 10s，C45 為 20s，而 C60 最佳的振動攪拌時間為 30s。

（2）在最佳振動攪拌時間下，C30 及 C45 混凝土在減少水泥用量 6%，C60 減小 9% 的條件下，可制備出與基準組強度相當的混凝土，振動攪拌工藝有益于降低混凝土制備成本。

（3）在最佳振動攪拌時間及減小膠材條件下，C30、C45 及 C60 較基準組收縮率減小，56d 時，C30 較基準組減小 6.7%，C45 為 6.9%，C60 為 8.7%，表明振動攪拌工藝使混凝土具有更好的體積穩定性。