振动搅拌对C50混凝土性能的影响

浦桂强，王馨日，杨 飞，童衍辉，陈 鹏

(1.中交中南工程局有限公司，长沙 410029；2.广东工业大学土木与交通工程学院，广州 510006)

0 引言

我国每年商品混凝土产量占世界总量的70%以上。随着技术发展和社会进步，人们对资源、环境、施工、使用及性能方面的要求也越来越高，对混凝土的研究和认知也越来越深入，因此，研究和使用新的提质增效、节能减排的混凝土制备技术迫在眉睫。近年来，国内许多专家学者也开始重视混凝土搅拌工艺的问题。冯忠绪[1]等研究振动搅拌技术，制作出双卧轴振动搅拌机并开始广泛运用。冯建生[2]等研究振动搅拌对不同等级混凝土的性能效果，发现各个等级的新拌混凝土引气效果明显；相较于普通搅拌，振动搅拌混凝土的强度提高10%以上。闫少杰[3]等研究发现振动搅拌对于大流动性混凝土的性能和微结构有显著改善，在不降低流动性的情况下，采用振动搅拌的方式可减少离析泌水现象，降低混凝土塑性粘度，改善其工作性。乔卫明[4]等采用振动搅拌技术搅拌高强流态混凝土，发现使用振动搅拌工艺的混凝土显著提高了抗压强度、劈裂抗拉及抗折强度，其28d抗压强度的提升幅度在10%以上。Zhao[5]等通过研究不同振动幅值和加速度下不同水灰比的混凝土性能变化，确定了同水灰比下最适宜的振动幅值和加速度。

综上所述，国内外对混凝土振动搅拌的研究主要集中于不同类型的混凝土在振动搅拌下与普通强制搅拌下的性能差异，较少研究振动搅拌时间对振动搅拌过程的影响，因此本文通过研究振动搅拌时间对C50混凝土和易性及力学性能的影响，为振动搅拌在混凝土施工中的应用提供经验。

1 试验

1.1 原材料

试验使用的水泥为江西于都南方万年青水泥有限公司产的P.O52.5硅酸盐水泥，细骨料采用寻乌县鑫源砂场级配良好、质地坚硬、颗粒洁净的河砂(Ⅱ区中砂)，粗骨料采用龙川县万通青化石料有限公司5～20mm连续级配的粒形良好、吸水率小的碎石，外加剂为广东强仕建材科技有限公司产的聚羧酸减水剂，拌和水采用普通自来水。

1.2 试验设备

本文采用德通公司生产的双卧轴式振动机(图1)。该装置的外观及相关参数如图1和表1所示。振动搅拌的机理[6]是将激振器引起的振动引入搅拌过程，使振动与搅拌同时进行，与此同时，搅拌轴和桨叶产生周期性的振动传递给周围的混合物，使水泥颗粒不断地抖动并破坏水泥颗粒的团聚，最终得到较普通强制搅拌性能更优异的混凝土。

图1 DT60ZBw双卧轴式振动搅拌机

表1 振动搅拌机相关参数

1.3 混凝土配合比设计

本试验对象为C50普通混凝土，根据《普通混凝土配合比设计规程》(JGJ55-2011)[7]，结合本项目前期试验，最终设计的 C50 混凝土配合比见表2。

表2 C50混凝土配合比(单位：kg/m3)

1.4 试验内容

在相同的试验条件下分别测定单一搅拌时间(180s)下普通强制搅拌和五个不同搅拌时间(90s、100s、110s、120s、130s)下振动搅拌在不同养护时间下的C50混凝土性能,每个搅拌时间下试验所需的试件尺寸及数量见表3。依据《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》(GB/T50080-2016)[8]测定新拌混凝土的塌落度、扩展度和含气量，分析振动搅拌时间对新拌C50混凝土性能的影响；依据《公路工程水泥及水泥混凝土试验规程》(JTG3420-2020)[9]对C50混凝土试块进行7d、14d及28d的立方体抗压、轴心抗压、抗折及劈裂抗拉强度测试，分析振动搅拌时间对混凝土力学性能的影响；对混凝土的破坏模态进行研究，分析振动搅拌对混凝土破坏时裂纹扩展的影响。

表3 不同试验试件尺寸及数量

图2 2 000kN全自动恒应力试验机

2 试验结果分析

2.1 振动搅拌时间对混凝土初始坍落度、扩展度的影响

混凝土和易性是混凝土拌合物的重要性能，混凝土和易性的好坏对混凝土硬化后的综合性能具有重要影响，本试验主要通过初始坍落度和扩展度来检测混凝土和易性是否达标。不同振动搅拌时间下混凝土拌合物的工作性能见表4。

表4 不同振动搅拌时间下混凝土拌合物工作性能

图3所示为初始坍落度和扩展度随振动时间变化的关系。随着振动搅拌时间的增加，C50混凝土的初始坍落度、扩展度先增后减，在振动搅拌120s时达到最大，分别为220mm和570mm，较强制搅拌180s的坍落度和扩展度有较大的提升[10]。

图3 不同振动搅拌时间下混凝土初始坍落度及扩展度

坍落度和扩展度的增长是因振动与搅拌两者同时进行，使物料一直处于颤振状态，破坏了水泥的团聚现象，搅拌筒内的材料如水泥颗粒、水分子、骨料颗粒等都具有更多的能量；由于振动的效果使得水分子更容易与水泥颗粒进行水化反应，有利于生成更多的水泥浆，水泥浆自身具有较好的流动性，水泥浆继续包裹骨料表面，使得混凝土整体取得更好的流动性；未参加水化反应的水泥颗粒不再因为聚团而影响流动性，振动使其变为分散的水泥颗粒,即便未参加水化反应，分散的水泥小颗粒也会有润滑效果；130s时的坍落度和扩展度较120s均有减少，这可能是因为拌合物振动搅拌时间过长时，混凝土拌合物出现“过振”现象，进一步振动搅拌会使得混凝土的和易性下降，匀质性变差[11]。

2.2 振动搅拌时间对混凝土含气量的影响

振动搅拌时间对混凝土含气量的影响如图4所示，C50混凝土的含气量随着振动搅拌时间的增长而逐步提升，且相较于强制搅拌180s均有较大的提升[12]。振动时间为90s时，C50混凝土含气量较强制搅拌180s时增加35.3%;振动时间为130s时，C50混凝土含气量较强制搅拌180s时增加94.1%。这是因为混凝土强制搅拌时拌合物内部的气泡在搅拌的作用下四散分开，并分散在混凝土表面，阻止气体进入。而在振动搅拌时，混凝土表面的水膜层破坏，拌合料在搅拌时很容易引入空气中的气体，进而增大了含气量。因此，在利用振动搅拌工艺制备混凝土时，应注意振动搅拌时间对混凝土含气量的影响。

图4 不同振动搅拌时间下混凝土的含气量

2.3 振动搅拌时间对混凝土立方体及轴心抗压强度的影响

不同振动搅拌时间下混凝土立方体抗压及轴心抗压强度试验结果见表5和图5所示，可见，随着振动搅拌时间的增长，立方体抗压强度和轴心抗压强度均表现出先减后增的变化趋势，试验室标准养护28d后整体强度较强制搅拌180s时有所改善。养护28d后，振动搅拌90s时的立方体抗压强度和轴心抗压强度提升最大，分别达到73.3MPa、71.9MPa，较强制搅拌180s分别提高9.6%、13.6%，这主要是因为振动搅拌有效地帮助了团聚体水泥颗粒的分散，增强了水泥的水化作用，在振动作用下水泥水化后能均匀地包裹在集料表面，有利于增强水泥浆体与骨料之间的界面强度[13]，产生更高的抗压强度。但后续随着振动搅拌时间的增长，两种抗压强度均表现出一定程度的下降，这可能是因为振动搅拌工艺在提升混凝土匀质性的同时，具有一定的引气作用，振动搅拌时间较短时，引气量较小，振动搅拌时间进一步增加时，混凝土含气量进一步增加，对混凝土强度产生了不利影响。

表5 混凝土立方体抗压及轴心抗压强度试验结果

图5 不同振动搅拌时间下混凝土的立方体抗压强度和轴心抗压强度(180s为强制搅拌时间)

2.4 振动搅拌时间对混凝土抗折、劈裂抗拉强度及弹性模量的影响

不同搅拌时间下混凝土抗折强度、劈裂抗拉强度及弹性模量试验结果见表6。对数据分析后由图6可知，相较于普通强制搅拌，振动搅拌对混凝土抗折强度和劈裂抗拉强度也有较大的提升[10]，其中抗折强度在90s和100s时的提高比较显著，分别达到17.1%、22.0%。而混凝土抗折强度的提高并没有随着振动搅拌时间产生具有一定规律的变化，在养护时间28d后，仅在振动搅拌110s时表现出一定的提高，在其他搅拌时间下均表现出一定的不利影响。在标准环境养护28d后，两者分别在振动搅拌110s和100s时获得最大的提升，抗折强度和劈裂抗拉强度达到9.9MPa和5MPa，较强制搅拌分别提升10%、22%。

表6 混凝土抗折强度、劈裂抗拉强度及弹性模量试验结果

图6 不同振动搅拌时间下混凝土的抗折强度和劈裂抗拉强度(180s为强制搅拌时间)

图7所示为不同振动搅拌时间对C50混凝土弹性模量的影响。振动搅拌时间为90s时弹性模量提升最为明显，7d、14d、28d分别较180s强制搅拌提升8.4%、10.3%、13.4%。之后随着振动搅拌时间的增加，弹性模量随之下降，但整体仍高于强制搅拌180s时的弹性模量，表明振动搅拌对C50混凝土抵抗弹性变形的能力有显著提升。

图7 不同振动搅拌时间下混凝土的弹性模量

2.5 振动时间对混凝土延性和韧性性能的影响

拉压比和折压比分别是衡量混凝土延性和韧性的指标之一,其值越大,表明混凝土的延性和韧性越好[14]。施工过程中为了达到较好的延性和韧性，往往需要降低水灰比来提高混凝土的强度，这不可避免地导致混凝土的抗压强度超出所需太多,不仅浪费材料也增加了混凝土的脆性,因此通过其他手段来提升混凝土的该性能十分必要。

由图8可见，随着振动搅拌时间的增加，混凝土的拉压比和折压比有明显的提高。振动搅拌时间110s左右时，振动搅拌对混凝土的拉压比和折压比提高最显著。28d养护时间后，相较于强制搅拌180s的拉压比和折压比，分别提高6.6%和9.5%，有效地改善了混凝土刚度过大、韧性过低的问题，增强了混凝土的耐久性。

图8 不同振动搅拌时间下混凝土的拉压比和折压比(180s为强制搅拌时间)

2.6 混凝土轴心抗压试验破坏模态

普通搅拌下混凝土轴心受压试件受压时,随着压力的增加，试件中逐渐开始出现细微裂缝，当达到极限荷载时，细微裂缝发展成明显的纵向裂缝，随着压应变的增长，这些裂缝相互贯通，最终混凝土被压碎。破坏模态为交叉状斜裂缝所形成的锥体破坏，斜裂缝宽度较大，表现出典型的剪切破坏[15]。

如图 9所示，对28d轴心抗压试件的最终破坏界面进行分析，可知振动搅拌混凝土与普通强制搅拌混凝土整体的破坏模态相似。但随着振动搅拌时间的增长，混凝土破坏时沿骨料间隙产生的裂缝逐步减少，而振动搅拌提高了混凝土的拉压比，从而改善了混凝土的破坏形式，表明振动搅拌对改善混凝土内部情况、提高混凝土的承载能力有较大作用。

图9 混凝土轴心抗压破坏界面裂缝分布及延展情况

3 结论

(1)振动搅拌各时间下混凝土的含气量较普通强制搅拌具有优越性。坍落度和扩展度试验结果表明，采用120s左右振动搅拌制备的混凝土比普通强制搅拌180s制备的混凝土具有更好的和易性。

(2)试验室标准养护28d后，振动搅拌90s时的立方体抗压强度和轴心抗压强度提高最大，分别达到73.3MPa、71.9MPa，较强制搅拌180s的强度分别提高9.6%、13.6%。混凝土抗折强度和劈裂抗拉强度分别在振动搅拌110s和100s时获得最大的提升，抗折强度和劈裂抗拉强度达到9.9MPa和5.0MPa，较强制搅拌分别提高10.0%、21.9%。

(3)随着振动搅拌时间的增加，混凝土的拉压比和折压比得到明显的提高。振动搅拌时间110s左右时，振动搅拌对混凝土的拉压比和折压比提高最显著；养护28d后，相较于强制搅拌180s的拉压比和折压比分别提高6.6%、9.5%。

(4)对28d轴心抗压试件的破坏界面分析进一步表明，振动搅拌对改善混凝土内部情况、提高混凝土的承载能力有较大作用。

综上所述，对混凝土在实验室标养环境下7d、14d、28d的试验数据整体分析可知，振动搅拌110s左右的拌合物工作性能和混凝土力学性能均能得到较大的提升，是C50混凝土较佳的振动搅拌时间。