振动搅拌过程中混凝土结构演变的试验分析

马保亮

（中交二公局东萌工程有限公司）

0 引言

新拌混凝土的工作性能不仅与施工进度、施工成本密切相关，同时影响混凝土结构的力学性能和耐久性。流变特性是研究水泥基材料工作性能的重要指标，对施工过程具有现实意义。国内外关于混凝土流变特性的研究相对较少，冯忠绪教授团队通过研究不同搅拌工况下的混凝土搅拌功率与混凝土流变参数的变化规律，对不同材料的搅拌参数进行了研究分析[1-3]。本试验通过实验室试验分析，结合流变学理论与实测混凝土振动搅拌过程功率变化曲线，利用坍落度筒和倒置坍落度筒测定相关流变参数[4-5]，对上述流变学观点进行了验证。

1 搅拌过程中的混凝土流变特性

水泥混凝土有三种状态：搅拌过程中的弹-黏-塑性状态、新拌混凝土的黏-塑性状态以及硬化水泥混凝土的固体状态。混凝土的流变特性是指其受力后所产生的流动与变形的特性。搅拌过程中混合料受到作用力不同，其新拌混凝土的黏-弹-塑性状态会有不同，在相同养护条件下，其硬化混凝土性能也不相同。因此搅拌过程中的流变特性对新拌混凝土和硬化混凝土的性能影响具较大影响[1]。

原料投入搅拌机时，水为流体状，砂石和水泥为固体状（弹性体），随着搅拌过程的推进，各物料混合并发生持续的水化和水解作用，各物料从单一的状态转变成黏-弹性体，再转变为黏-塑性体。不同状态下搅拌阻力不同，故转矩也不同，即混合料的不同状态与转矩存在相关性；且由于本试验中搅拌速度是恒定值，因此搅拌功率与转矩线性相关。因此，搅拌功率的变化曲线，既反映了混凝土搅拌的均匀程度，亦反映了搅拌过程中混凝土的流变特性[2]。本试验采用测试并绘制搅拌电机功率曲线的方法对振动搅拌过程中混凝土的流变特性进行分析。

2 振动搅拌试验

2.1 原材料及配合比

本试验采用的试验原材料符合GB175-2007《通用硅酸盐水泥》、JTG/T F50-2011《公路桥涵施工技术规范》、DB45/T1621-2017《机制砂及机制砂混凝土应用技术规范》技术要求，材料规格及混凝土设计配合比如表1所示（不含添加剂），水灰比0.35，无添加剂。

表1 试验用原材料及设计配比

2.2 试验设备

本试验采用DT60ZBW双卧轴振动搅拌机，整机结构如图1所示。搅拌机功率输入主要有两有大部分：由2台3kw分别驱动的振动机构和1台4kw电机驱动的双卧轴搅拌机构。振动能量由振动轴通过偏心套传至搅拌轴，并以搅拌轴为中心线沿半径向外传至周围混合料[2]。

图1 双卧轴振动搅拌机

图2 为功率测试系统，包括Fluke435-II电能质量与电机分析仪，可实时计算电机功率、功率因数和总功率等参数；图3为倒置坍落度筒，通过两点法原理[2]测量倒置坍落度筒排空时间可间接获取新拌混凝土的流变参数。

图2 功率测试仪

图3 倒置坍落度筒

2.3 试验方案

由于不同振动参数下搅拌功率的差异显著，故采用振动搅拌强度作为单一因素，分析不同振动强度下搅拌功率与流变参数之间的关系。分别选振动强度D=0、1、2、4四种水平进行试验（D=0即普通搅拌），振动系统振幅A=0.82mm。投料顺序为粗骨料-水泥-细骨料-水，先干拌35s再加水湿拌55s。测试项目包括搅拌功率、坍落度、倒置坍落度筒时间。

3 试验结果

3.1 不同振动强度下的搅拌功率变化曲线

如图 4（a）-（d）所示为振动强度 D=0、1、2、4 时实测振动搅拌过程功率曲线。由图可见，在本试验整个搅拌过程中，不同振动强度下的搅拌功率变化趋势基本一致，与文献[2]描述的搅拌阶段曲线变化相似。

图4 不同振动强度下的搅拌功率曲线

以图4（b）为例，将D=1的功率曲线与振动搅拌混凝土细观结构演变过程进行对照分析，如图5所示。由功率曲线变化可将混凝搅拌状态分成四个阶段，第I阶段：搅拌装置与混合料各组分之间主要是干摩擦力，随着投料量的增加，搅拌功率迅速增加；第II阶段：水填充到粉料与颗粒间形成较大颗粒团，使混合料内部粘聚力增加，搅拌困难，搅拌功率急剧增加，直至功率峰值拐点“黏度点”；第III阶段：随着搅拌的持续，混合物内部颗粒团破裂，生成的水泥浆不断裹覆骨料表面，起到了骨料间的润滑作用，使搅拌功率逐步下降，直至功率曲线转向平稳的转折点“流动点”；第IV阶段：功率平稳，混合料内部凝聚结构已完全破坏，材料间作用力由第III阶段的内摩擦力转变为黏性力，此时搅拌已均匀，混凝土细观结构稳定。

图5 振动搅拌功率曲线与混凝土结构演变的关系

由上述分析可见，“黏度点”功率其实反映了混合物由颗粒团转变为具流动性的黏塑性材料的难易程度，其时间点则反映了其转变的速度；而“流动点”功率实质上反映了新拌混凝土的黏性，其时间点则反映了搅拌的均匀速度。结合图4、图5可见，普通搅拌的“黏度点”功率为3.12kw，时长64s，而振动搅拌“黏度点”功率约为2.78-2.85kw，时长分别为 62s、58s、58.1s，故振动搅拌较普通搅拌更容易分散颗粒团聚,且减少了搅拌时间；三组振动搅拌的“流动点”功率（约2.3～2.4kw）明显低于普通搅拌（约为2.65kw），由此可见振动搅拌的混凝土黏性小于普通搅拌，且振动搅拌的“流动点”时长较普通搅拌分别减少6.7%、22.6%、29.3%，即搅拌均匀时间大幅减少；搅拌过程平均功率分别降低7.0%、11.6%、12.3%。

3.2 坍落度分析

四组混凝土坍落度测试结果如表2所示，普通搅拌最低175mm，振动强度D=1时坍落度为185mm，D=4时为195。振动搅拌混凝土坍落度均高于普通搅拌，且在本四组试验范围内振动强度越大，坍落度越大。

表2 混凝土倒置坍落度筒排空时间

3.3 倒置坍落度筒时间

如表2所示，普通搅拌的倒置坍落度筒排空时间最大，振动搅拌的排空时间均有明显减少，且当振动强度D=4时，排空时间最短，黏度最小。

4 结语

⑴不同振动强度下的搅拌功率曲线与混凝土搅拌状态密切相关。搅拌功率曲线，可以间接反映混凝土搅拌的均匀程度和搅拌过程中混凝土的流变特性；

⑵试验结果显示，振动搅拌的“黏度点”功率和时长、“流动点”功率和时长均比普通搅拌小，其中“流动点”时长（搅拌均匀时间）分别缩短了6.7%、22.6%、29.3%，搅拌总功率分别降低了 7.0%、11.6%、12.3%，表明振动搅拌有效提升了搅拌效率，减少了功率损耗，同时流动性得到改善，对工程应用具有重要意义。