高性能混凝土振动搅拌技术研究

王智慧

（中交二公局第六工程有限公司，陕西 西安 710003）

1 传统搅拌技术的不足

传统搅拌机的搅拌运动方式分为三种：周向运动、轴向运动和径向运动。以上三种运动的复合作用满足宏观均匀性的要求，却不能让细微尺寸的“黏结料团粒”充分弥散。

目前，传统静力搅拌技术的应用形式主要有两类：①自落式搅拌技术，主要是借助于搅拌叶片的分割及提升作用，带动混合物料上升，然后当物料重力破坏摩擦力平衡，则会自由下落，如此以往便能使物料搅拌足够均匀。其技术优势在于功耗相对低，且搅拌机械不易受磨损，但也因其达不到较高搅拌强度，而使其面临混凝土搅拌效率低的问题，并且对混凝土材质有所要求，主要为塑性、半塑性等材料。②强制搅拌技术，有效提高物料搅拌剧烈程度，采用的是旋转搅拌的方式，具有更强的静力作用，混合料可受到挤压、剪切、翻滚等搅拌效果，因而整体搅拌效率显著提升，但也带来搅拌设备的极大损耗。同时，在使用中也有局限性，干硬性、轻骨料混凝土可采用该搅拌方式。整体而言，常规静力搅拌方式下，普遍存在搅拌速度受限的问题，而且物料中心位置不易得到充分搅拌，整体搅拌效果存在均质性差的问题，水泥团粒问题也较多存在，并且在追求高性能混凝土应用过程中，常规静力搅拌技术的缺陷更为明显。

2 振动搅拌技术原理及其优势

2.1 技术原理

振动搅拌示意图如图1所示，其所能实现的不仅是混凝土宏观上的搅拌、对流，还能借助振动作用而达到微观层面上的有效扩散，两者结合可使物料搅拌达到拌匀、拌透的目的。其技术基础仍是常规搅拌机械，以其为基础进行技术创新，开发应用新的振动搅拌的模式，能够使物料实现高频微观扩散，进而使混凝土性能更加优异。

图1 振动搅拌示意图

其技术核心在于：首先是采取了“位移式”激振的方式，使之与搅拌装置相结合，该技术在常规边搅拌边振动方式基础上进行了创新，可保证其在规定物料质量范围内维持均匀振幅，不再受物料多寡影响，振动搅拌效果得以提升；其次是采用了先进的振动能量定向传播技术，能够实现在搅拌轴振动过程中而有效降低搅拌设备壳体的振动幅度，省去了减振环节，降低设备成本及能量损耗。为此，通过综合运用以上两项技术，位移激振的方式使得混凝土搅拌更为高效，而振动能量定向传播技术可实现能量利用率提升，减少振动能量损耗。

振动搅拌的内在机理：在常规搅拌方式下，水泥颗粒更易产生聚团效应，如图2所示，而通过应用振动搅拌的方式，可打破这种黏聚状态，保证水泥颗粒分布均匀性。不仅如此，在振动搅拌方式下，可实现混合料颗粒的高速运动、碰撞，进而使水化反应加速，混凝土浆体转化为液相的速度也大幅提升。正是因为振动搅拌下可获得更佳的水化效果，从气相成分及分布来说，相较于常规搅拌方式，也有很大提升。同时，振动搅拌还有其他效果，有助于集料表面的净化，使混凝土内部材料黏结力效果更佳，进而使高性能混凝土耐久性得以优化。微观均匀是水泥颗粒3～80μm，粉煤灰颗粒45μm 左右，水滴最小直径20μm。因此，添加剂用量更少、颗粒直径更小，以上各种细集料黏结料颗粒均匀分布才是微观均匀。

图2 微观水泥颗粒分布对比

2.2 振动搅拌技术优势

首先可实现混凝土品质的提升，具体体现结构强度的优化。相较于常规搅拌方式，在保证材料品质及配比一致性情况下，振动搅拌技术可以使其强度超逾8%，并且还能减少持续搅拌的时长，同时还具有较小的离差系数；其次有助于水泥材料的节约，可以在更小的水泥比例下，达到设计要求的混凝土强度，而且经试验验证，相较于常规搅拌方式，即使水泥用量降低5%，利用振动搅拌的方式同样可达足够抗压强度，具有较好的经济性；再次在振动搅拌机械方面，通过进行动平衡分析，振动搅拌相关机械具有更佳的性能，而且设备整体可靠性较好；最后从振动搅拌设备角度而言，因其采用的是自身振动的原理，能够避免混凝土的黏连附着，搅拌轴、缸体等部位更加便于清理和维护，尤其是相较于常规搅拌方式下的相关设备，清理问题得到有效简化。详见表1。

表1 振动搅拌技术优势对比

3 混凝土搅拌试验分析

为深入研究振动搅拌机理及实用效果，本文依托于实际工程，在相同材料及配比条件下，通过进行对比试验，分析振动搅拌与常规搅拌技术的优劣，并逐步探索提高振动搅拌技术可靠性的具体措施，进而为混凝土的性能指标及生产效益提升创造条件。

3.1 工程概况

京德高速公路起于北京大兴区国际机场（新机场高速北线），经北京、河北、山东2 省1 市，起点位于故城县城东刁南庄与吴夏庄之间卫运河（冀鲁省界），与德州－上饶高速公路（G0321）连接，是中国高速公路网中的一条南北纵线。京德高速作为雄安新区“四纵三横”区域高速公路网中纵四线，是雄安新区通往北京新机场与冀东南、鲁西之间的重要联系通道，也是北京新机场“五纵两横”地面综合交通体系中纵向机场高速的重要组成部分，

该条高速公路建成通车后将有力促进高速公路沿线的经济发展，为脱贫攻坚战取得好成绩奠定了良好的基础。主线起自廊坊市固安县纪家庄村东京冀界，与北京段（新机场南北航站楼联络线）顺接，向南经西营、知子营、大辛阁、养马庄，龙虎庄、康仙庄，在苏桥镇跨越大清河及赵王新河，后转向西南经大围河乡、文安县城西、大留镇东进入沧州市境内，向南经梁召镇，终于任丘市梁召镇与津石高速交叉处，路线全长87.256km。

主线采用双向六车道高速公路标准建设，设计速度120km/h，路基宽度34.5m。主线设知子营、千人目、徐各庄、梁召枢纽互通立交4处，机场、永清西、永清南、霸州东、文安西、文安北、大留镇服务型互通立交7处。设特大桥30 770m/6座，大桥2 697m/8座，中桥134m/2座，涵洞22道，通道63道。设主线上跨分离式立交2 579.3m/12座、天桥2座。设匝道收费站7处，服务区2处，停车区2处，养护中心1处，监控通信分中心1处。

本单位所承建的京德高速ZT6标，为双向六车道高速公路，主要包含路基工程6.48km，路面工程21.269km，还包括桥涵、防护、排水等工程。本项目主要配置振动搅拌站，而且振动搅拌技术装备相对成熟，采取严格的材料品质及堆放管理措施，较好地保障了对比试验的准确性。本次研究的目标是利用振动活化与强制拌和有机结合的方法来生产混凝土，该技术在各个地区已得到成功应用。开展（高性能）混凝土振动拌和机理的研究，形成面向工程应用的可靠的振动搅拌技术，将为提高混凝土性能和生产效率开创一条更为经济的途径。为工程建设降本增效创造较大的经济效益，为节能减排绿色生产创造显著的社会效益。

3.2 试验方案

为准确体现振动搅拌技术优势，通过以下对比试验的方式。以本项目工程中常用的C50、C40、C35 三种不同标号混凝土为试验对象，研究其在不同搅拌条件下常规搅拌与振动搅拌两种方式的差异。首先进行抗压强度的对比，通过建立时间梯度（3d、7d、28d），分析不同时限下混凝土强度参数。然后再进行分组测试，研究各标号混凝土在不同振动方式、时长下主要性能参数的差异，如坍落度、含气量、扩展度等。具体的试验结果如表2～5所示。

表2 配合比

表3 原材料信息

表4 不同搅拌方式下抗压强度对比

表5 不同搅拌方式下工作性能对比

3.3 试验结果分析

经试验数据分析可知，振动搅拌技术优势明显，可促进混凝土材料均匀性优化，并且相较于常规搅拌方式混凝土，其结构强度有3MPa 的提升，混凝土性能获较大提升。通过振动搅拌的方式，可有效避免非振动搅拌下可能存在的结构强度不均匀问题，并且混凝土材料整体耐久性显著提高。因此，当需达到设计要求的强度、均匀性等关键指标的情况下，振动搅拌技术更有助于水泥用量节约，进而达到较高经济指标。振动搅拌与普通搅拌相比，其坍落度值平均要增加10～25mm，相应的扩展度与含气量均有提高。通过混凝土外观状态观察及实测坍落度指标测试都显示出振动搅拌对提升混凝土的和易性具有一定的优势，混合物不离析、不泌水，更易于施工。与普通搅拌相比，在振动搅拌条件下混凝土3d、28d平均抗压强度分别提高4%和5%以上。振动搅拌与普通强制搅拌相比，其3d和28d抗压强度离差系数都不超过3%；而普通强制搅拌的离差系数比较大，最大值达到了3.5%。

通过上述实验数据分析，根据现场实际情况，搅拌过程中打开振动。由于外加剂固含量较高，掺量较低，敏感性强，应将高标号外加剂与低标号外加剂进行区分使用，另外根据环境情况适时调整外加剂用量，避免过掺。开启振动搅拌后，净搅拌时间比普通搅拌减少30%左右。为提升混凝土的性能与品质，进行混凝土生产施工的全过程必须要精细化控制。注重新技术对混凝土高性能化数据的对比、收集与分析。

4 结语

为实现高性能混凝土品质的进一步优化，可从搅拌环节入手。由于传统搅拌技术存在效率低、匀质性差、能耗高等不足，应创新应用振动搅拌技术，发挥其在混凝土性能提升、水泥节约、设备易维护等方面的优势，并在对比试验下得以有效证明从而进一步推广应用。