振动搅拌对机制砂混凝土性能影响研究

赵悟，杨泽文，宋儒霖，陈阳

（长安大学 道路施工技术与装备教育部重点实验室，陕西 西安 710064）

0 引言

砂石是各国建筑、道路、桥梁等基础设施建设用量最大、不可或缺、难以替代的原材料。当前，国家推进新城镇和基础设施建设，砂石骨料需求量日益增大，机制砂作为天然砂的替代产品，成品形状更加规则，可以根据不同工艺要求加工成不同规格和大小的集料，更能满足日常工程需求[1-2]，很快应用于建筑行业，目前针对机制砂混凝土的研究已经成为一个很重要的方向。

在国内建筑石材中，砂占据了很大的比重，随着环保政策的实施，建筑行业的原材料如砂、石等天然集料的开采受到了很大的限制[3]。与天然砂相比，机制砂具有原料充足，生产率高、成本较低、经济环保和产量大等优点，所以在混凝土拌合时人们多采用机制砂代替部分天然砂石的方式[4]，以此来降低天然砂用量，有些场合机制砂替代率达到了70%，所以机制砂混凝土在我国商品混凝土中所占的比重越来越大[5]。在混凝土的生产中，粗细骨料是关键性原料，是消耗自然资源众多的建筑材料。以前人们对机制砂相关缺陷的研究已经有了很大的突破，但主要集中在材料方面，研究手段相对单一，成果不显著，很难具有说服力。

本文结合以往研究成果，采用一种新的振动搅拌技术，对机制砂混凝土性能进行了试验研究，可有效改善搅拌的均匀性和微观结构，提高混凝土搅拌质量和效率[6-7]。以机制砂混凝土取代70%天然砂为目标，在优化搅拌参数的条件下，对机制砂混凝土在不同搅拌方式下的工作性能、抗压强度等方面进行了对比试验，为机制砂混凝土的进一步应用提供参考。

1 试验

1.1 原材料

水泥：唐山冀东牌P·O42.5（低碱）水泥，主要化学成分见表1，物理力学性能见表2；粉煤灰：大唐陕西发电有限公司渭河热电厂生产的F类Ⅰ级，细度10.17%、烧失量3.49%、含水率0.18%、需水量比为92%；粗骨料：将5～10 mm碎石和20～31.5 mm碎石按3∶7的质量比复配使用；细骨料：将机制砂与天然砂按照7∶3的质量比复配使用，机制砂为陕西柞水县生产，机制砂与天然砂的物理性能见表3，级配曲线见图1；减水剂：Q8011HPWR，标准型聚羧酸高性能减水剂，固含量8.7%，密度1.03 g/cm3，减水率26%，pH值=5.5。

表1 水泥的主要化学成分 %

表2 水泥的物理力学性能

表3 机制砂与天然砂的各项物理性能

图1 机制砂与天然砂的级配曲线

1.2 试验设备

本试验采用设备为DT60ZBW型双卧轴振动搅拌试验机，容量60 L，如图2所示。

图2 双卧轴振动搅拌试验机

1.3 试验方法

本试验研究对象为C40机制砂普通混凝土，根据JGJ 55—2011《普通混凝土配合比设计规程》，再结合本课题组前期试验，最终设计的C40混凝土配合比如表4所示。

表4 机制砂混凝土配合比 kg/m3

按照设计计算的配合比进行振动搅拌与普通强制式搅拌对比试验，设计坍落度为（180±20）mm。通过课题组前期大量试验验证，分析结果得到较优的振动搅拌参数匹配[7]。为减少振动搅拌与普通强制搅拌的干扰因素，试验设置普通强制搅拌与振动搅拌的搅拌线速度与搅拌时间一致，从而排除搅拌线速度与搅拌时间不同对结果的影响。根据搅拌参数的不同，确定搅拌线速度为1.5 m/s，搅拌时间为75 s；振动搅拌时设定的振动参数分别为振幅1.75 mm、振动频率35 Hz[1]。本文对比试验将振动搅拌作为实验组，普通强制搅拌作为对照组。为了使试验所得结果更加准确可靠，每种搅拌方式在相同条件下连续测试6组，以排除机器性能不稳定对试验结果造成的误差，除振动参数不同外其他条件均保持一致。

参照GB/T 50080—2016《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》、GB/T 50081—2019《混凝土物理力学性能试验方法标准》、GB/T 50082—2009《普通混凝土耐久性能试验方法标准》对混凝土的坍落度、排空时间、含气量、抗压强度和电通量进行测试。

2 试验结果及分析

2.1 试验结果

按照设定的试验方案进行测试，结果如表5、表6所示。

表5 振动搅拌组试验结果

表6 普通强制搅拌组试验结果

2.2 试验结果分析

2.2.1 振动搅拌对机制砂混凝土坍落度的影响

由表5、表6可以看出，振动搅拌下混凝土的坍落度和排空时间相较普通强制式搅拌效果好，振动搅拌作用下机制砂混凝土的坍落度比普通强制搅拌增大了9.8%，排空时间缩短了35.6%。说明相较普通强制搅拌，振动搅拌一定程度上可以提高机制砂混凝土的均质性，使得内部骨料颗粒分布更加均匀，所以提高了机制砂混凝土的工作性。振动搅拌下混凝土坍落度离差系数为0.039，排空时间离差系数为0.104，而普通强制式搅拌下混凝土坍落度离差系数为0.072，排空时间离差系数为0.145，表明振动搅拌作用下的混凝土较普通搅拌的混凝土更加稳定。

2.2.2 振动搅拌对机制砂混凝土抗压强度的影响

由表5、表6可以看出，2种搅拌作用下机制砂混凝土的抗压强度都能够满足强度设计要求，但在同样条件下，振动搅拌作用下混凝土7、28、56 d抗压强度较普通强制搅拌的分别7.29%、8.79%、7.37%。总体上，振动搅拌作用下混凝土的抗压强度离差系数小于普通强制搅拌作用下的混凝土，说明振动搅拌作用下的机制砂混凝土强度较为稳定，拌合质量更加可靠。

分析其主要原因为：一方面，在振动搅拌作用下各种骨料颗粒具备了一定的能量，并跟随搅拌机构的振动处于震颤状态，使得集料之间粘性降低，从而使水泥水化反应更加充分，为凝结后的混凝土强度奠定了微观结构基础[8]。另一方面，机制砂生产开采过程中夹杂的少量石粉在振动作用下对混凝土内部微观孔隙结构起到了一定的填充作用，优化了内部骨料堆积密度[9]，增强了混凝土界面过渡区的密实程度，从而提高抗压强度。

2.2.3 振动搅拌对机制砂混凝土含气量的影响

由表5、表6可以看出，振动搅拌作用下新拌机制砂混凝土含气量较普通强制搅拌提高了38.8%。主要原因为，在振动作用下，新拌混凝土中形成的大气泡破裂，原本气泡所在的空间被水泥砂浆等胶凝材料填充[10]；由于振动作用下水泥颗粒相较普通搅拌能更加均匀地分散在混凝土中，相应硬化后的混凝土气孔分布相较普通强制搅拌更加均匀分散，同时在振动作用下水泥水化反应更加充分，所以提高了机制砂混凝土的含气量[11]。混凝土结构中均匀且相对致密的微小气泡能够一定程度的提高机制砂混凝土的抗冻融性。振动搅拌作用和普通强制搅拌作用下机制砂混凝土含气量离差系数分别为0.099和0.115。振动搅拌作用下离差系数比普通强制搅拌作用下低13.91%，说明振动搅拌作用对机制砂混凝土含气量的影响更为有利，一定程度上也说明振动搅拌能够提高机制砂混凝土的耐久性。

2.2.4 振动搅拌对机制砂混凝土电通量的影响

由表5、表6可以看出，振动搅拌作用下机制砂混凝土的电通量比普通强制搅拌减小了27.2%。主要原因在于：一方面，振动作用下机制砂混凝土中的胶凝材料和细骨料颗粒分布更加均匀，水泥水化反应较快，同时由于振动作用减少了自由水分子留在混凝土内部的可能性，在试件养护时，混凝土试块中多余水分被蒸发，由于振动作用下混凝土内部自由水分子较少，所以在机制砂混凝土成型后结构内部不易形成失水，从而提高了机制砂混凝土的抗渗透性[12]。另一方面，机制砂中所含石粉在振动作用下能够均匀分散在结构内部，起到了填充内部孔隙结构的作用，一定程度上阻碍了机制砂混凝土内部的毛细孔道，使得机制砂混凝土内部结构更加致密，提高了机制砂混凝土的抗氯离子渗透特性[13]。

2.2.5 振动搅拌与普通强制搅拌作用下机制砂混凝土性能指标稳定性分析

由表5、表6可以看出，整体上振动搅拌作用下机制砂混凝土性能指标的稳定性要优于普通强制搅拌，说明本次对比试验具有一定的普遍性。所得结论对工程实际参考有一定的指导意义。

3 结论

（1）在搅拌的过程中，采用振动搅拌可以改善机制砂混凝土的黏性和工作性，同时对机制砂混凝土的力学性能也有明显提高作用。

（2）机制砂混凝土在振动搅拌作用下，把所含的石粉能够较均匀地分散在混凝土结构中，对机制砂混凝土内部微孔隙结构起到了一定的填充作用，使混凝土的耐久性提高。

（3）相比普通搅拌，机制砂混凝土在振动搅拌作用下所得各性能指标的离差系数更小，说明采用振动搅拌所拌合的机制砂混凝土更加稳定。