基于振动搅拌的混凝土性能试验研究

倪 凯， 吴旭辉

(保利长大工程有限公司， 广州 510000)

混凝土搅拌工艺可提升工作性能，对混凝土内部微观结构可产生直接影响[1]。搅拌工艺，尤其是振动搅拌工艺，近些年来越来越受到重视。张良奇、冯忠绪、赵利军等[2-4]研制了双卧轴振动搅拌机并对振动搅拌技术进行研究。秦仁杰等[5]通过高频振动配制机制砂C50混凝土进行试验研究，发现高频振动配制出的混凝土各项性能指标高于普通搅拌配制的混凝土，混凝土抗压强度与耐久性得到改善。姚运仕等[6]研究了振动搅拌对高性能混凝土性能的影响，发现振动搅拌可降低混凝土的塑性粘度，改善混凝土工作性能和搅拌效率。黄天勇等[7]研究了振动搅拌对混凝土工作性能和力学性能的影响规律，分析了振动搅拌在工业化中的应用前景。贾蓬等[8]通过正交试验分析了振动参数对混凝土强度和抗冻性能的影响，得出振动拌和有助于提高混凝土的抗压强度和抗冻性的结论。郝彤等[9]研究了振动搅拌对再生混凝土力学性能的影响，发现通过振动搅拌方式强化再生混凝土的力学性能是完全可行的。董武等[10]研究了振动搅拌对新拌再生混凝土性能和再生混凝土力学性能的影响，发现振动搅拌能改善再生混凝土的综合性能。闫少杰、赵利军、付昌会、冯建生等[11-15]通过一系列试验研究了振动搅拌对混凝土性能的影响，结果表明振动搅拌方式有利于提高混凝土强度，改善混凝土耐久性。

本文依托工程实际应用，开展了混凝土在振动搅拌方式与普通搅拌方式下的工作性能对比试验研究，以期为工程应用提供有益借鉴和参考。

1 试验方案

1.1 试验目的

采用工地实验室试验机与拌合站工业机相结合的方式，主要对比研究振动搅拌与普通搅拌2种搅拌方式对混凝土性能的影响。

1.2 配合比设计及搅拌工艺

1) 配合比设计

为了保证试验结果的可靠性，不同试验工况采用相同的材料。

(1) 水泥：P·O 42.5，某集团水泥股份有限公司；

(2) 砂：某矿业有限公司、Ⅱ区中砂；

(3) 碎石：某石料加工有限公司；

(4) 外加剂：江苏某建材有限公司生产的CPA-R型减水剂；

(5) 水：饮用水。

各组成材料的配合比设计见表1。

表1 混凝土配合比设计

2) 搅拌工艺

室内试验机搅拌时间：振动搅拌时，加水后搅拌90 s；普通搅拌时，加水后搅拌120 s。

室内试验设备：振动搅拌采用DT60型振动搅拌试验机,普通搅拌采用普通搅拌试验机；室外工业机搅拌时间：不同标号，搅拌时间不同，振动搅拌比普通搅拌减少30%。

室外工业设备：振动搅拌采用HZS120型振动搅拌机，普通搅拌采用普通搅拌机。

1.3 试验内容

1) 不同搅拌方式对混凝土强度性能影响试验

选取C30、C40、C50混凝土在振动搅拌与普通搅拌工况下，7 d和28 d抗压强度值进行试验研究。混凝土试件采用工地实验室试验机出料成型。

选取C30混凝土3 d、7 d、28 d、90 d的抗压强度值进行试验研究。分析振动搅拌对混凝土龄期强度的影响，以及比较振动搅拌与普通搅拌下混凝土强度的变化情况。混凝土试件采用拌合站工业机出料成型。

2) 减小水泥用量试验

选取C30混凝土进行试验究，对水泥用量分别减少2%、4%、6%、8%来研究减少水泥后对混凝土7 d和28 d抗压强度的影响。

3) 坍落度和含气量影响试验

选取C30水下混凝土和C30普通混凝土进行坍落度和含气量试验研究。分析不同搅拌方式下混凝土坍落度及含气量变化情况。混凝土试件采用拌合站工业机出料成型。混凝土含气量采用国产CA-3型直读式混凝土含气量测定仪进行检测，将混凝土拌合物装入钵内，人工插捣并抹平后封盖，从注水口注水，至水从排气口平稳流出，再关闭进水口和溢流口，然后向钵内打入一定气压，最后打开操作阀，使气室内的压缩气体进入量钵，待压力表指针稳定后，读出表值。

4) 碳化深度影响试验

选取振动搅拌、普通搅拌方式C40混凝土墩柱各10根，以同期浇筑为一组，分为Z1、Z2、…、Z10共10组进行对比分析。分析不同搅拌方式下混凝土墩柱碳化深度的变化情况。检测时，在墩柱表面选定测区部位凿出直径约15 mm的孔洞，用洗耳球吹掉碎屑，在凿开的混凝土表面滴1%的酚酞酒精溶液，最后用碳化深度测定仪测定碳化深度。

2 试验结果与分析

2.1 不同搅拌方式对混凝土强度性能影响的对比试验结果分析

C30、C40、C50三种不同标号混凝土在振动搅拌与普通搅拌工况下，7 d和28 d抗压强度值如图1、图2所示。由图1、图2可知，对于相同龄期，无论是C30、C40还是C50，振动搅拌方式下的混凝土抗压强度均高于普通搅拌，反映出振动搅拌方式不只是提高某一种配合比混凝土的强度。此外，通过计算分析发现，C30、C40、C50混凝土28 d龄期时，振动搅拌时的抗压强度比普通搅拌分别高出19.0%、8.1%、6.2%，即随着混凝土设计强度等级的提高，振动搅拌方式对混凝土强度形成的影响逐渐减弱。主因是随混凝土设计强度等级提高，水灰比相应减小，水泥含量在增加，使得骨料可以被更多的水泥浆包裹，水化反应充分，混凝土自身性能被发掘、发挥，外部影响减弱。

图1 不同搅拌方式下各标号混凝土7 d抗压强度

图2 不同搅拌方式下各标号混凝土28 d抗压强度

C30混凝土在振动搅拌与普通搅拌工况下，3 d、7 d、28 d、90 d龄期下的抗压强度值如图3所示。由图3可知，各龄期阶段，振动搅拌方式下的混凝土抗压强度均高于普通搅拌。进一步计算，在振动搅拌方式下，其3 d、7 d、28 d龄期抗压强度分别达到90 d龄期抗压强度的45.4%、69.6%、93.1%；在普通搅拌方式下，其3 d、7 d、28 d龄期抗压强度分别达到了90 d龄期抗压强度的41.6%、68.0%、89.2%，发现振动搅拌方式下混凝土前期抗压强度提升速率较快，后期变缓；而普通搅拌方式下混凝土抗压强度则表现为后期提升速率较快。

图3 不同搅拌方式下混凝土龄期抗压强度

2.2 减小水泥用量对比试验结果分析

在振动搅拌与普通搅拌工况下，水泥减少量与混凝土7 d、28 d龄期抗压强度关系如图4、图5所示。由图4、图5可知，降低水泥用量后，不同龄期强度随之减少；降低相同水泥用量时，振动搅拌方式下混凝土的抗压强度高于普通搅拌。

以28 d龄期抗压强度来看，水泥含量从2%减小至8%时，振动搅拌下混凝土强度变化幅度很小，相较于基准组水泥用量减少8%时，振动搅拌方式下混凝土抗压强度降低了7.8 MPa，而普通搅拌方式下混凝土抗压强度降低了10.6 MPa。二者对比分析可知，振动搅拌对混凝土抗压强度的提升具有积极功效，即当水泥含量降低时，振动搅拌对混凝土的抗压强度具有补偿作用。

图4 水泥减少量与7 d龄期强度关系

图5 水泥减少量与28 d龄期强度关系

2.3 坍落度和含气量影响对比试验结果分析

不同搅拌方式下混凝土坍落度如图6所示。由图6可知，振动搅拌方式下混凝土的坍落度高于普通搅拌，对于C30普通混凝土和C30水下混凝土，坍落度高出10 mm～15 mm，振动搅拌可适当增大混凝土的坍落度，提升了混凝土的流动性性能。

不同搅拌方式下混凝土含气量如图7所示。由图7可知，振动搅拌方式下混凝土的含气量高于普通搅拌，C30普通混凝土的含气量可高出0.1%～0.4%，C30水下混凝土的含气量可高出0.4%～0.7%，振动搅拌对混凝土具有一定的引气效应。

2.4 碳化深度影响对比试验结果分析

分别对10组振动搅拌和普通搅拌方式下的C40混凝土墩柱进行碳化深度检测，结果如图8所示。由图8可知，Z1、Z2、Z5、Z8、Z9、Z10共6组，在振动搅拌下混凝土碳化深度小于普通搅拌；Z3、Z4、Z7共3组，在振动搅拌下混凝土碳化深度大于普通搅拌；Z6组在振动搅拌下混凝土碳化深度与普通搅拌相当。以上结果表明，振动搅拌有利于减小混凝土碳化，主因是振动搅拌使水泥颗粒充分弥散，一定程度上增加了水泥用量，减小了水灰比，使得混凝土内部结构更密实，增强了耐久性。

图6 不同搅拌方式下混凝土坍落度

图7 不同搅拌方式下混凝土含气量

图8 不同搅拌方式下混凝土碳化深度

3 结论

1) 振动搅拌方式下混凝土的抗压强度均高于普通搅拌，振动搅拌方式不只是提高某一种配合比混凝土的强度。随着混凝土设计强度等级的提高，水灰比减小，水泥含量增加，振动搅拌方式对混凝土强度形成的影响逐渐减弱。

2) 振动搅拌方式下，混凝土前期抗压强度提升速率较快，后期减缓；普通搅拌方式下混凝土抗压强度则表现为后期提升速率较快。

3) 随着水泥用量减少，混凝土不同龄期抗压强度随之减小；降低相同水泥用量时，振动搅拌方式下混凝土的抗压强度高于普通搅拌。

4) 振动搅拌可适当增大混凝土的坍落度，对混凝土具有一定的引气效应。

5) 振动搅拌方式有利于增加混凝土结构密实性，提高混凝土的耐久性。