振動攪拌過程中混凝土結構演變的試驗分析

馬保亮

（中交二公局東萌工程有限公司）

0 引言

新拌混凝土的工作性能不僅與施工進度、施工成本密切相關，同時影響混凝土結構的力學性能和耐久性。流變特性是研究水泥基材料工作性能的重要指標，對施工過程具有現(xiàn)實意義。國內外關于混凝土流變特性的研究相對較少，馮忠緒教授團隊通過研究不同攪拌工況下的混凝土攪拌功率與混凝土流變參數(shù)的變化規(guī)律，對不同材料的攪拌參數(shù)進行了研究分析[1-3]。本試驗通過實驗室試驗分析，結合流變學理論與實測混凝土振動攪拌過程功率變化曲線，利用坍落度筒和倒置坍落度筒測定相關流變參數(shù)[4-5]，對上述流變學觀點進行了驗證。

1 攪拌過程中的混凝土流變特性

水泥混凝土有三種狀態(tài)：攪拌過程中的彈-黏-塑性狀態(tài)、新拌混凝土的黏-塑性狀態(tài)以及硬化水泥混凝土的固體狀態(tài)。混凝土的流變特性是指其受力后所產生的流動與變形的特性。攪拌過程中混合料受到作用力不同，其新拌混凝土的黏-彈-塑性狀態(tài)會有不同，在相同養(yǎng)護條件下，其硬化混凝土性能也不相同。因此攪拌過程中的流變特性對新拌混凝土和硬化混凝土的性能影響具較大影響[1]。

原料投入攪拌機時，水為流體狀，砂石和水泥為固體狀（彈性體），隨著攪拌過程的推進，各物料混合并發(fā)生持續(xù)的水化和水解作用，各物料從單一的狀態(tài)轉變成黏-彈性體，再轉變?yōu)轲?塑性體。不同狀態(tài)下攪拌阻力不同，故轉矩也不同，即混合料的不同狀態(tài)與轉矩存在相關性；且由于本試驗中攪拌速度是恒定值，因此攪拌功率與轉矩線性相關。因此，攪拌功率的變化曲線，既反映了混凝土攪拌的均勻程度，亦反映了攪拌過程中混凝土的流變特性[2]。本試驗采用測試并繪制攪拌電機功率曲線的方法對振動攪拌過程中混凝土的流變特性進行分析。

2 振動攪拌試驗

2.1 原材料及配合比

本試驗采用的試驗原材料符合GB175-2007《通用硅酸鹽水泥》、JTG/T F50-2011《公路橋涵施工技術規(guī)范》、DB45/T1621-2017《機制砂及機制砂混凝土應用技術規(guī)范》技術要求，材料規(guī)格及混凝土設計配合比如表1所示（不含添加劑），水灰比0.35，無添加劑。

表1 試驗用原材料及設計配比

2.2 試驗設備

本試驗采用DT60ZBW雙臥軸振動攪拌機，整機結構如圖1所示。攪拌機功率輸入主要有兩有大部分：由2臺3kw分別驅動的振動機構和1臺4kw電機驅動的雙臥軸攪拌機構。振動能量由振動軸通過偏心套傳至攪拌軸，并以攪拌軸為中心線沿半徑向外傳至周圍混合料[2]。

圖1 雙臥軸振動攪拌機

圖2 為功率測試系統(tǒng)，包括Fluke435-II電能質量與電機分析儀，可實時計算電機功率、功率因數(shù)和總功率等參數(shù)；圖3為倒置坍落度筒，通過兩點法原理[2]測量倒置坍落度筒排空時間可間接獲取新拌混凝土的流變參數(shù)。

圖2 功率測試儀

圖3 倒置坍落度筒

2.3 試驗方案

由于不同振動參數(shù)下攪拌功率的差異顯著，故采用振動攪拌強度作為單一因素，分析不同振動強度下攪拌功率與流變參數(shù)之間的關系。分別選振動強度D=0、1、2、4四種水平進行試驗（D=0即普通攪拌），振動系統(tǒng)振幅A=0.82mm。投料順序為粗骨料-水泥-細骨料-水，先干拌35s再加水濕拌55s。測試項目包括攪拌功率、坍落度、倒置坍落度筒時間。

3 試驗結果

3.1 不同振動強度下的攪拌功率變化曲線

如圖 4（a）-（d）所示為振動強度 D=0、1、2、4 時實測振動攪拌過程功率曲線。由圖可見，在本試驗整個攪拌過程中，不同振動強度下的攪拌功率變化趨勢基本一致，與文獻[2]描述的攪拌階段曲線變化相似。

圖4 不同振動強度下的攪拌功率曲線

以圖4（b）為例，將D=1的功率曲線與振動攪拌混凝土細觀結構演變過程進行對照分析，如圖5所示。由功率曲線變化可將混凝攪拌狀態(tài)分成四個階段，第I階段：攪拌裝置與混合料各組分之間主要是干摩擦力，隨著投料量的增加，攪拌功率迅速增加；第II階段：水填充到粉料與顆粒間形成較大顆粒團，使混合料內部粘聚力增加，攪拌困難，攪拌功率急劇增加，直至功率峰值拐點“黏度點”；第III階段：隨著攪拌的持續(xù)，混合物內部顆粒團破裂，生成的水泥漿不斷裹覆骨料表面，起到了骨料間的潤滑作用，使攪拌功率逐步下降，直至功率曲線轉向平穩(wěn)的轉折點“流動點”；第IV階段：功率平穩(wěn)，混合料內部凝聚結構已完全破壞，材料間作用力由第III階段的內摩擦力轉變?yōu)轲ば粤Γ藭r攪拌已均勻，混凝土細觀結構穩(wěn)定。

圖5 振動攪拌功率曲線與混凝土結構演變的關系

由上述分析可見，“黏度點”功率其實反映了混合物由顆粒團轉變?yōu)榫吡鲃有缘酿に苄圆牧系碾y易程度，其時間點則反映了其轉變的速度；而“流動點”功率實質上反映了新拌混凝土的黏性，其時間點則反映了攪拌的均勻速度。結合圖4、圖5可見，普通攪拌的“黏度點”功率為3.12kw，時長64s，而振動攪拌“黏度點”功率約為2.78-2.85kw，時長分別為 62s、58s、58.1s，故振動攪拌較普通攪拌更容易分散顆粒團聚,且減少了攪拌時間；三組振動攪拌的“流動點”功率（約2.3～2.4kw）明顯低于普通攪拌（約為2.65kw），由此可見振動攪拌的混凝土黏性小于普通攪拌，且振動攪拌的“流動點”時長較普通攪拌分別減少6.7%、22.6%、29.3%，即攪拌均勻時間大幅減少；攪拌過程平均功率分別降低7.0%、11.6%、12.3%。

3.2 坍落度分析

四組混凝土坍落度測試結果如表2所示，普通攪拌最低175mm，振動強度D=1時坍落度為185mm，D=4時為195。振動攪拌混凝土坍落度均高于普通攪拌，且在本四組試驗范圍內振動強度越大，坍落度越大。

表2 混凝土倒置坍落度筒排空時間

3.3 倒置坍落度筒時間

如表2所示，普通攪拌的倒置坍落度筒排空時間最大，振動攪拌的排空時間均有明顯減少，且當振動強度D=4時，排空時間最短，黏度最小。

4 結語

⑴不同振動強度下的攪拌功率曲線與混凝土攪拌狀態(tài)密切相關。攪拌功率曲線，可以間接反映混凝土攪拌的均勻程度和攪拌過程中混凝土的流變特性；

⑵試驗結果顯示，振動攪拌的“黏度點”功率和時長、“流動點”功率和時長均比普通攪拌小，其中“流動點”時長（攪拌均勻時間）分別縮短了6.7%、22.6%、29.3%，攪拌總功率分別降低了 7.0%、11.6%、12.3%，表明振動攪拌有效提升了攪拌效率，減少了功率損耗，同時流動性得到改善，對工程應用具有重要意義。