高性能混凝土振动搅拌试验研究

姚运仕，刘欢建，任 峰，张良奇，孔鲜宁，李冠峰，刘其昂，张梦荻

(1.长安大学道路施工技术与装备教育部重点实验室，西安 710064; 2.河南万里交通科技集团股份有限公司，许昌 461000)

0 引 言

随着建筑结构的不断进步和对建筑材料性能要求的不断提高，高性能混凝土在现代化建筑中崭露头角，相比普通混凝土，高性能混凝土具有更高的强度、弹性及耐久性，广泛应用在桥梁工程、海洋工程以及高层建筑工程等领域[1]。正因为高性能混凝土在现代化建筑中应用如此广泛，所以众多学者对高性能混凝土进行了深入研究。赵群[2]研究了粉煤灰与硅粉对高性能混凝土强度的影响，结果表明：一定掺量下，硅灰对混凝土后期强度具有显著提升，而粉煤灰对混凝土前期强度略有下降，后期强度则无明显提升。尚刚等[3]研究了钢纤维对高性能混凝土抗压强度和抗渗性能的影响。结果表明：在高性能混凝土中掺入钢纤维，不但对混凝土的抗压强度有所增强，并且可以提高高性能混凝土的抗渗性能。黄杰等[4]开展了养护制度对高性能混凝土抗压强度影响的试验研究。结果表明：在各种养护制度中，湿草帘覆盖养护是综合效果最佳的养护方法，并且养护时间为7 d时，效果最好。以上这些工作都是从材料、养护制度方面对高性能混凝土的性能进行研究，而在搅拌工艺对高性能混凝土性能的影响方面甚少涉及。搅拌是水泥混凝土制备过程中的重要一环，其对混凝土内部微观结构和混凝土结构物的性能产生直接影响[5]。相比普通混凝土，高性能混凝土更难搅拌均匀，因此对高性能混凝土搅拌技术的研究具有重要意义。

振动搅拌作为一种新型搅拌技术，其在搅拌过程中可以有效改善混凝土微观结构，提高搅拌质量和效率。本文针对高性能混凝土在不同搅拌时间、搅拌方式下的工作性、抗压强度等进行试验研究，以期为工程应用提供有益借鉴。

1 振动搅拌机理

传统的强制式搅拌机来拌和混凝土，在微观上观察，这些新拌水泥混凝土中的水泥颗粒易发生团聚现象[6](图1)。这使得混凝土中的水泥水化反应不完全，对其和易性和强度造成不良影响。

振动搅拌技术是指混凝土混合料在受到强制搅拌产生对流运动与剪切的同时，还受到高频低幅的振动作用，使得混合料处于高频的振颤状态(图2)，可以加快水泥水化反应，同时使粗骨料被细集料及水泥的水化产物充分包裏，不仅提高了混凝土的宏观均匀性，而且使混凝土的微观均匀性得到极大改善[7]，理想状态下水泥颗粒的分布如图3所示。此外，由于振动搅拌作用，水泥与水快速达到充分弥散状态，既能提高搅拌效率，又能提高搅拌质量。

正是因为振动搅拌技术能有效改善混凝土内部微观结构，提高混凝土宏观力学性能和耐久性[8]，所以本试验通过不同搅拌方式拌和混凝土，在相同配合比下通过对比试验来探究振动搅拌对高性能混凝土性能的影响。

图1 水泥颗粒团聚
Fig.1 Cement particle agglomeration

图2 振动搅拌原理
Fig.2 Vibration mixing principle

图3 水泥颗粒均布
Fig.3 Uniform distribution of cement particles

2 高性能混凝土振动搅拌试验研究

2.1 原材料及配合比

本文试验所用原材料见表1，试验所用配合比见表2。

表1 试验用原材料Table 1 Test raw materials

表2 C60混凝土配合比Table 2 C60 concrete mix ratio /(kg/m3)

2.2 试验方案

试验分为两组，A组为振动搅拌，B组为普通搅拌，两组试验搅拌线速度相同，干拌时间均为10 s，普通搅拌时湿拌160 s，振动搅拌时分别湿拌60 s、100 s、120 s和160 s。

2.3 试验设备

本试验采用的设备为DT60ZBW型双卧轴振动搅拌试验机(图4)和HJS-60型双卧轴强制搅拌试验机(图5)、坍落度筒、倒置坍落度筒、蒸养箱、SYE-2000A压力试验机。

图4 双卧轴振动搅拌试验机
Fig.4 Double horizontal shaft vibration mixing test machine

图5 双卧轴强制搅拌试验机
Fig.5 Double horizontal shaft forced mixing test machine

2.4 试验评价

试验时，对不同搅拌方式的新拌混凝土，参照《公路工程水泥及水泥混凝土试验规程》，进行坍落度、扩展度、倒坍落度筒排空时间的测试；制作150 mm×150 mm×150 mm标准立方体试块，每组三块，相同养护条件下养护至一定龄期，测试抗压强度。

3 振动搅拌对混凝土性能的影响

3.1 振动搅拌对混凝土工作性的影响

分别使用双卧轴振动搅拌试验机和双卧轴普通搅拌试验机搅拌混凝土，并对新拌的混凝土进行坍落度、扩展度、倒置坍落度筒排空时间试验，观察拌合物黏聚性和保水性。

从表3中可以看出，采用搅拌时间分别为60 s、100 s、120 s、160 s的振动搅拌以及搅拌时间为160 s的普通搅拌，拌和出的混凝土坍落度都在210 mm以上，且均无离析情况。而根据倒置坍落度筒排空时间，可以发现，经过振动搅拌不同搅拌时间(60 s、100 s、120 s和160 s)拌和出的混凝土，其倒坍落度度筒排空时间明显低于普通搅拌一定搅拌时间(160 s)拌和出的混凝土。说明振动搅拌能明显降低混凝土的黏度，减少混凝土的倒坍落度筒排空时间。振动的存在会加剧混凝土水泥等颗粒的不规则运动因而提高搅拌过程中新拌混凝土的剪切速率，从而使得新拌混凝土各组分颗粒之间相对运动速度得到提高，降低混凝土塑性黏度[9]。塑性黏度的降低，使得混凝土流动速度加快，表现为混凝土的倒坍落度筒排空时间减少。

表3 新拌混凝土工作性Table 3 Fresh concrete workability

3.2 振动搅拌不同搅拌时间对混凝土抗压强度的影响

将振动搅拌不同搅拌时间下制作出的试件在同条件下养护至一定龄期，进行抗压强度的测试，结果如图6所示。由图6可知，搅拌时间120 s之前，随着搅拌时间的上升，试件在各龄期的抗压强度也随之提高，搅拌时间120 s后，随着搅拌时间的上升，其抗压强度反而降低。搅拌时间为120 s时，相比搅拌时间为60 s时，其在3 d、7 d和28 d的抗压强度分别提升了8.2%、9.2%和5.0%；相比搅拌时间为100 s时，其在3 d、7 d和28 d的抗压强度分别提升了1.6%、8.5%和1.2%；但搅拌时间为160 s时，相比搅拌时间为120 s时，其在3 d、7 d和28 d的抗压强度分别降低了1.4%、9.8%和4.7%。产生上述现象的原因是混凝土的拌和过程是搅拌均匀与离析同时发生的过程，搅拌时间120 s之前，各骨料之间的均匀作用大于其离析作用，使得骨料分布趋向均匀，密实度增加，其试件抗压强度提高；到最佳点时，骨料的均匀作用与离析作用达到平衡，密实度达到最大，抗压强度也随之达到最大；再增加搅拌时间，骨料的离析作用大于其均匀作用，导致骨料没有达到最佳均匀分布状态，密实度降低，抗压强度降低[10]。

图6 振动搅拌不同搅拌时间抗压强度的对比
Fig.6 Comparison of compressive strength of vibration mixing with different mixing time

图7 振动搅拌与普通搅拌抗压强度的对比
Fig.7 Comparison of compressive strength between vibration mixing and ordinary mixing

3.3 不同搅拌方式对混凝土抗压强度的影响

将分别由振动搅拌120 s、160 s和普通搅拌160 s制作出的试件在同条件下养护至一定龄期，进行抗压强度的测试，结果如图7所示。

由图7可知，相比普通搅拌，振动搅拌时抗压强度在不同龄期内均有提高；搅拌时间同为160 s时，振动搅拌比普通搅拌在3 d、7 d和28 d的抗压强度分别提高了3.5%、5.7%和8.7%；相比普通搅拌160 s，振动搅拌120 s时，在3 d、7 d和28 d的抗压强度仍分别提高5.0%、17.2%和13.8%。可见，振动搅拌可以提高混凝土抗压强度和搅拌效率，对于工程应用具有重要意义。

4 结 论

(1)混凝土拌和过程中采用振动搅拌可以降低混凝土的塑性黏度，改善混凝土的工作性。

(2)相同搅拌时间下，相比普通搅拌，采用振动搅拌时，在各龄期内混凝土抗压强度均有较大提升；相比普通搅拌，采用振动搅拌能缩短搅拌时间，且在各龄期内混凝土抗压强度仍有较大提升。说明振动搅拌能够提高混凝土强度和搅拌效率，对于工程质量和效率的提升有重要意义。