劉朝陽 趙利軍 李雅潔 王 波 李 晨

（長安大學(xué)道路施工技術(shù)與裝備教育部重點實驗室，西安 710064）

混凝土是經(jīng)攪拌機(jī)攪拌后形成的產(chǎn)物，攪拌過程中攪拌葉片對混合料的強(qiáng)制作用使物料間發(fā)生擴(kuò)散、剪切及對流作用，逐漸達(dá)到均勻狀態(tài)，水泥顆粒、水及骨料之間具有很好的分布效果[1]。物料各組份相表面間的粘結(jié)力使混凝土完全拌勻變得特別困難[2]。振動攪拌作為一種新的攪拌方式，是在普通強(qiáng)制攪拌的基礎(chǔ)上加以強(qiáng)化振動作用，有效地避免水泥團(tuán)聚現(xiàn)象，促進(jìn)水化反應(yīng)，在保證物料宏觀均勻性的同時，將振動能量傳遞至物料之間，增強(qiáng)其微觀的均勻性，從而極大提升混凝土的綜合性能[3]。本文對振動攪拌作用下混凝土水化反應(yīng)及密度的變化規(guī)律進(jìn)行試驗研究，進(jìn)一步分析研究振動攪拌對混凝土強(qiáng)度的提升作用，為工程實踐提供指導(dǎo)。

1 試驗方案

1.1 試驗樣機(jī)

本次試驗采用的試驗樣機(jī)是課題組設(shè)計的雙臥軸間歇式振動攪拌機(jī)，其整機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1所示。樣機(jī)主要由機(jī)架、攪拌驅(qū)動與傳動裝置、振動驅(qū)動與傳動裝置、振動攪拌裝置及錐形料倉組成，可以在同時使用攪拌和振動作用，即振動攪拌模式工作；也可只啟動攪拌電機(jī)進(jìn)行普通強(qiáng)制攪拌。出料系統(tǒng)由卸料門及轉(zhuǎn)動手柄等組成，采用手動方式卸料，攪拌后的混合料由卸料門卸出。

圖1 振動攪拌機(jī)整體結(jié)構(gòu)

1.2 試驗材料

本次試驗設(shè)計了2種配比，如表1所示。采用強(qiáng)度等級為32.5級的陜西秦嶺牌復(fù)合硅酸鹽水泥，基本性能指標(biāo)如下：細(xì)度（45μm方孔篩篩余）為15%，安定性為合格，3d的抗壓強(qiáng)度為17.4MPa，抗折強(qiáng)度為3.7MPa。

粗集料產(chǎn)自陜西涇陽縣石灰?guī)r碎石，規(guī)格為5～10mm、10～20mm兩檔，其技術(shù)指標(biāo)如下：骨料規(guī)格為13.2～19，表觀密度為2721.7kg/m3壓碎指標(biāo)為8.74%，吸水率為0.62%。拌和用水和養(yǎng)護(hù)用水均采用西安市生活飲用自來水。

表1 混凝土配比

1.3 試驗方法

本次試驗采用一次投料法，具體的投料順序設(shè)定為粗骨料—水泥—細(xì)骨料，最后加水?dāng)嚢?。根?jù)《混凝土結(jié)構(gòu)工程施工規(guī)范》（GB50666—2011）的規(guī)定，并結(jié)合試驗設(shè)備具體情況和課題組經(jīng)驗進(jìn)行試拌，選定攪拌時間為先干拌35s，然后加水繼續(xù)拌和55s[4]。

本次試驗采用YAW—1000型電腦控制恒應(yīng)力壓力試驗機(jī)來測試混凝土不同齡期的抗壓強(qiáng)度，并測出試塊長寬高以及質(zhì)量，得出：密度=質(zhì)量/長/寬/高。利用計算機(jī)自動采集技術(shù)和傳感器技術(shù)對傳統(tǒng)的水化溫升測試方法進(jìn)行改造，如圖2所示，對混凝土內(nèi)部溫度和環(huán)境溫度進(jìn)行實時監(jiān)測和記錄，以比較普通攪拌和振動攪拌兩種方式下水化溫升的差異。

圖2 水化溫升測試裝置

2 試驗結(jié)果分析

2.1 振動攪拌對混凝土密度的影響

如圖3所示，為振動攪拌對新拌混凝土表觀密度的影響規(guī)律，可以發(fā)現(xiàn)，振動攪拌作用下混凝土表觀密度均高于普通強(qiáng)制攪拌的，與普通攪拌相比，振動攪拌可提高混凝土表觀密度1%。測出硬化后混凝土試塊的長寬高以及質(zhì)量，得出：密度=質(zhì)量/長/寬/高。圖4為不同攪拌方式對混凝土試塊28d密度的影響。對比可知，與普通攪拌相比，振動作用下混凝土28d密度可提高2%，兩種配比混凝土28d密度均增大。

圖3 振動攪拌對新拌混凝土表觀密度的影響

圖4 振動攪拌對混凝土試塊密度的影響

由上可知，振動攪拌可以提高混凝土表觀密度及硬化后混凝土試塊的密度，這就意味著與普通攪拌相比，新拌混凝土在成型時可以更加密實的填充試模，硬化后的混凝土試塊細(xì)致密實，內(nèi)部孔隙得到細(xì)化且均勻分布，減少了有害大孔，孔結(jié)構(gòu)得到進(jìn)一步改善，因而強(qiáng)度得到提高。這主要是因為振動攪拌可以加速混合物各組分狀態(tài)的轉(zhuǎn)變，使結(jié)團(tuán)的水泥顆粒團(tuán)充分破碎，水化反應(yīng)更加充分，混凝土內(nèi)部生成更多對漿體強(qiáng)度起主要作用的水化產(chǎn)物C—S—H凝膠，使內(nèi)部的大孔被填充，孔徑減小，小的閉合孔隙數(shù)量增多且均勻分布，形成細(xì)致密實的整體[5]；此外，振動作用還減少小了混合物內(nèi)摩擦力，從而降低新拌混凝土塑性粘度，表現(xiàn)在宏觀性能上即為工作性能大幅度提升，混凝土試塊成型更為密實，與不振動相比，試塊密度變大，強(qiáng)度提高[6-8]。

2.2 振動攪拌對混凝土水化反應(yīng)的影響

水泥水化反應(yīng)是影響混凝土強(qiáng)度的關(guān)鍵性因素。如圖5所示，在M1和M2兩個不同配比下，隨著時間的推移，普通攪拌和振動攪拌方式下，混凝土內(nèi)部溫度都有所升高，這主要是因為水泥和水接觸后，水泥中的各種礦物成分迅速溶解于水并與水發(fā)生劇烈的化學(xué)反應(yīng)，水化反應(yīng)過程中會放出大量的水化熱[9]，但是兩種攪拌方式下溫升的范圍和到達(dá)最高溫度所經(jīng)歷的時間是不一樣的。對比發(fā)現(xiàn)，兩種配比混凝土均呈現(xiàn)相同的規(guī)律，即振動攪拌作用下混凝土內(nèi)部最高溫差都大于普通攪拌，但到達(dá)最高溫差所需時間明顯低于普通攪拌。這是因為振動攪拌具有的振動能量可以使先前未能被普通攪拌破壞的水泥團(tuán)處于顫振狀態(tài)，使原本處于聚集狀態(tài)的絮凝結(jié)構(gòu)破壞，水泥顆粒變成均勻分布狀態(tài)，大大增加了水化反應(yīng)的表面積。此外，水泥粒子表面的水化薄膜包裹層也被破壞，從而加快水泥的水化反應(yīng)，使水泥在很短的時間內(nèi)便與水更充分的化學(xué)反應(yīng)，生成更多的水化產(chǎn)物，對水泥水化漿體強(qiáng)度起主要作用的水化硅酸鈣C—S—H所占的體積增大，粘接力增強(qiáng)，提高了混凝土的強(qiáng)度。因此，振動攪拌可以顯著提前水泥水化的速率和強(qiáng)度，從而提高混凝土的早期強(qiáng)度。

圖5 振動攪拌對混凝土水化溫升的影響

2.3 振動攪拌對強(qiáng)度的影響

強(qiáng)度是評價混凝土性能的重要參考，混凝土耐水性、抗凍性、剛性等性能均與與混凝土強(qiáng)度密切相關(guān)。盡管混凝土在建筑結(jié)構(gòu)實際應(yīng)用過程中，受力狀況復(fù)雜，但各種力學(xué)強(qiáng)度都與抗壓強(qiáng)度相關(guān)，結(jié)構(gòu)設(shè)計主要是通過混凝土抗壓強(qiáng)度進(jìn)行計算[10]。本試驗主要研究分析振動攪拌對水泥混凝土抗壓強(qiáng)度的影響。

圖6 不同攪拌方式下混凝土的抗壓強(qiáng)度

如圖6所示，為不同攪拌方式下兩種配比混凝土抗壓強(qiáng)度隨齡期的變化規(guī)律。對比發(fā)現(xiàn)，所有混凝土試件強(qiáng)度均呈現(xiàn)相同的增長趨勢，早期強(qiáng)度增長速度較快，后期逐漸趨于平緩。同一配比混凝土在相同養(yǎng)護(hù)時間下，振動攪拌混凝土的抗壓強(qiáng)度均明顯高于不振動，可以看出在振動作用下，M1配比混凝土3d、7d、28d抗壓強(qiáng)度分別比不振動的提高了25.0%、36.4%、12.6%，M2配比混凝土抗壓強(qiáng)度分別提高13.0%、30.0%、20.4%。還可以發(fā)現(xiàn)，齡期在7d之前，兩種攪拌方式下混凝土的強(qiáng)度隨養(yǎng)護(hù)時間的增長差異逐漸增大，7d之后，二者強(qiáng)度差異逐漸減小。

圖7為振動攪拌對兩種配比混凝土抗壓強(qiáng)度變異系數(shù)的影響規(guī)律。對比發(fā)現(xiàn)，與普通攪拌相比，振動條件下各齡期混凝土平均抗壓強(qiáng)度的變異系數(shù)均明顯降低。

綜上可知，振動攪拌可明顯提高混凝土早期強(qiáng)度，減小強(qiáng)度變異系數(shù)。主要原因有：一是振動攪拌可以增大混凝土表觀密度及硬化后混凝土試塊的密度，從前面的分析可知，振動攪拌作用下混凝土成型可以更加密實，硬化后的混凝土試塊內(nèi)部孔隙得到細(xì)化且均勻分布，減少了有害大孔，孔結(jié)構(gòu)得到改善，因而使強(qiáng)度提高；二是因為振動攪拌可以破壞水泥團(tuán)聚體，從而加快水泥充分發(fā)生水化反應(yīng)，與不振動相比，振動攪拌作用下混凝土內(nèi)部最高溫差變大，到達(dá)最高溫差所需時間縮短，水泥水化的速率加快且反應(yīng)更加充分，從而提高混凝土的強(qiáng)度[11]。此外，振動攪拌一方面可使骨料顆粒發(fā)生振動，使骨料表面水膜破裂、灰塵掉落，獲得潔凈的骨料；另一方面，骨料表面被水與水泥顆粒包裹，水化反應(yīng)更加充分及時，從而改善界面結(jié)合處的粘結(jié)強(qiáng)度，進(jìn)而提高混凝土強(qiáng)度[12]。

圖7 不同攪拌方式下混凝土強(qiáng)度的變異系數(shù)

3 結(jié)論

與普通強(qiáng)制相比，振動攪拌可以顯著提高混凝土強(qiáng)度，尤其是早期強(qiáng)度，且兩種攪拌方式混凝土強(qiáng)度差異隨養(yǎng)護(hù)時間增長逐漸減小。另外，振動攪拌可以增大混凝土的密度，混凝土試塊更為細(xì)致密實，內(nèi)部孔結(jié)構(gòu)得到改善，從而可以提高混凝土強(qiáng)度。最后，在振動攪拌作用下混凝土內(nèi)部最高溫差大于普通攪拌，但到達(dá)最高溫差所需時間明顯低于普通攪拌，表明振動攪拌可以顯著加快并促進(jìn)水泥的水化反應(yīng)。