姚運(yùn)仕，劉歡建，任 峰，張良奇，孔鮮寧，李冠峰，劉其昂，張夢荻

(1.長安大學(xué)道路施工技術(shù)與裝備教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710064; 2.河南萬里交通科技集團(tuán)股份有限公司，許昌 461000)

0 引 言

隨著建筑結(jié)構(gòu)的不斷進(jìn)步和對建筑材料性能要求的不斷提高，高性能混凝土在現(xiàn)代化建筑中嶄露頭角，相比普通混凝土，高性能混凝土具有更高的強(qiáng)度、彈性及耐久性，廣泛應(yīng)用在橋梁工程、海洋工程以及高層建筑工程等領(lǐng)域[1]。正因?yàn)楦咝阅芑炷猎诂F(xiàn)代化建筑中應(yīng)用如此廣泛，所以眾多學(xué)者對高性能混凝土進(jìn)行了深入研究。趙群[2]研究了粉煤灰與硅粉對高性能混凝土強(qiáng)度的影響，結(jié)果表明：一定摻量下，硅灰對混凝土后期強(qiáng)度具有顯著提升，而粉煤灰對混凝土前期強(qiáng)度略有下降，后期強(qiáng)度則無明顯提升。尚剛等[3]研究了鋼纖維對高性能混凝土抗壓強(qiáng)度和抗?jié)B性能的影響。結(jié)果表明：在高性能混凝土中摻入鋼纖維，不但對混凝土的抗壓強(qiáng)度有所增強(qiáng)，并且可以提高高性能混凝土的抗?jié)B性能。黃杰等[4]開展了養(yǎng)護(hù)制度對高性能混凝土抗壓強(qiáng)度影響的試驗(yàn)研究。結(jié)果表明：在各種養(yǎng)護(hù)制度中，濕草簾覆蓋養(yǎng)護(hù)是綜合效果最佳的養(yǎng)護(hù)方法，并且養(yǎng)護(hù)時(shí)間為7 d時(shí)，效果最好。以上這些工作都是從材料、養(yǎng)護(hù)制度方面對高性能混凝土的性能進(jìn)行研究，而在攪拌工藝對高性能混凝土性能的影響方面甚少涉及。攪拌是水泥混凝土制備過程中的重要一環(huán)，其對混凝土內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)和混凝土結(jié)構(gòu)物的性能產(chǎn)生直接影響[5]。相比普通混凝土，高性能混凝土更難攪拌均勻，因此對高性能混凝土攪拌技術(shù)的研究具有重要意義。

振動(dòng)攪拌作為一種新型攪拌技術(shù)，其在攪拌過程中可以有效改善混凝土微觀結(jié)構(gòu)，提高攪拌質(zhì)量和效率。本文針對高性能混凝土在不同攪拌時(shí)間、攪拌方式下的工作性、抗壓強(qiáng)度等進(jìn)行試驗(yàn)研究，以期為工程應(yīng)用提供有益借鑒。

1 振動(dòng)攪拌機(jī)理

傳統(tǒng)的強(qiáng)制式攪拌機(jī)來拌和混凝土，在微觀上觀察，這些新拌水泥混凝土中的水泥顆粒易發(fā)生團(tuán)聚現(xiàn)象[6](圖1)。這使得混凝土中的水泥水化反應(yīng)不完全，對其和易性和強(qiáng)度造成不良影響。

振動(dòng)攪拌技術(shù)是指混凝土混合料在受到強(qiáng)制攪拌產(chǎn)生對流運(yùn)動(dòng)與剪切的同時(shí)，還受到高頻低幅的振動(dòng)作用，使得混合料處于高頻的振顫狀態(tài)(圖2)，可以加快水泥水化反應(yīng)，同時(shí)使粗骨料被細(xì)集料及水泥的水化產(chǎn)物充分包裏，不僅提高了混凝土的宏觀均勻性，而且使混凝土的微觀均勻性得到極大改善[7]，理想狀態(tài)下水泥顆粒的分布如圖3所示。此外，由于振動(dòng)攪拌作用，水泥與水快速達(dá)到充分彌散狀態(tài)，既能提高攪拌效率，又能提高攪拌質(zhì)量。

正是因?yàn)檎駝?dòng)攪拌技術(shù)能有效改善混凝土內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)，提高混凝土宏觀力學(xué)性能和耐久性[8]，所以本試驗(yàn)通過不同攪拌方式拌和混凝土，在相同配合比下通過對比試驗(yàn)來探究振動(dòng)攪拌對高性能混凝土性能的影響。

圖1 水泥顆粒團(tuán)聚
Fig.1 Cement particle agglomeration

圖2 振動(dòng)攪拌原理
Fig.2 Vibration mixing principle

圖3 水泥顆粒均布
Fig.3 Uniform distribution of cement particles

2 高性能混凝土振動(dòng)攪拌試驗(yàn)研究

2.1 原材料及配合比

本文試驗(yàn)所用原材料見表1，試驗(yàn)所用配合比見表2。

表1 試驗(yàn)用原材料Table 1 Test raw materials

表2 C60混凝土配合比Table 2 C60 concrete mix ratio /(kg/m3)

2.2 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)分為兩組，A組為振動(dòng)攪拌，B組為普通攪拌，兩組試驗(yàn)攪拌線速度相同，干拌時(shí)間均為10 s，普通攪拌時(shí)濕拌160 s，振動(dòng)攪拌時(shí)分別濕拌60 s、100 s、120 s和160 s。

2.3 試驗(yàn)設(shè)備

本試驗(yàn)采用的設(shè)備為DT60ZBW型雙臥軸振動(dòng)攪拌試驗(yàn)機(jī)(圖4)和HJS-60型雙臥軸強(qiáng)制攪拌試驗(yàn)機(jī)(圖5)、坍落度筒、倒置坍落度筒、蒸養(yǎng)箱、SYE-2000A壓力試驗(yàn)機(jī)。

圖4 雙臥軸振動(dòng)攪拌試驗(yàn)機(jī)
Fig.4 Double horizontal shaft vibration mixing test machine

圖5 雙臥軸強(qiáng)制攪拌試驗(yàn)機(jī)
Fig.5 Double horizontal shaft forced mixing test machine

2.4 試驗(yàn)評價(jià)

試驗(yàn)時(shí)，對不同攪拌方式的新拌混凝土，參照《公路工程水泥及水泥混凝土試驗(yàn)規(guī)程》，進(jìn)行坍落度、擴(kuò)展度、倒坍落度筒排空時(shí)間的測試；制作150 mm×150 mm×150 mm標(biāo)準(zhǔn)立方體試塊，每組三塊，相同養(yǎng)護(hù)條件下養(yǎng)護(hù)至一定齡期，測試抗壓強(qiáng)度。

3 振動(dòng)攪拌對混凝土性能的影響

3.1 振動(dòng)攪拌對混凝土工作性的影響

分別使用雙臥軸振動(dòng)攪拌試驗(yàn)機(jī)和雙臥軸普通攪拌試驗(yàn)機(jī)攪拌混凝土，并對新拌的混凝土進(jìn)行坍落度、擴(kuò)展度、倒置坍落度筒排空時(shí)間試驗(yàn)，觀察拌合物黏聚性和保水性。

從表3中可以看出，采用攪拌時(shí)間分別為60 s、100 s、120 s、160 s的振動(dòng)攪拌以及攪拌時(shí)間為160 s的普通攪拌，拌和出的混凝土坍落度都在210 mm以上，且均無離析情況。而根據(jù)倒置坍落度筒排空時(shí)間，可以發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過振動(dòng)攪拌不同攪拌時(shí)間(60 s、100 s、120 s和160 s)拌和出的混凝土，其倒坍落度度筒排空時(shí)間明顯低于普通攪拌一定攪拌時(shí)間(160 s)拌和出的混凝土。說明振動(dòng)攪拌能明顯降低混凝土的黏度，減少混凝土的倒坍落度筒排空時(shí)間。振動(dòng)的存在會加劇混凝土水泥等顆粒的不規(guī)則運(yùn)動(dòng)因而提高攪拌過程中新拌混凝土的剪切速率，從而使得新拌混凝土各組分顆粒之間相對運(yùn)動(dòng)速度得到提高，降低混凝土塑性黏度[9]。塑性黏度的降低，使得混凝土流動(dòng)速度加快，表現(xiàn)為混凝土的倒坍落度筒排空時(shí)間減少。

表3 新拌混凝土工作性Table 3 Fresh concrete workability

3.2 振動(dòng)攪拌不同攪拌時(shí)間對混凝土抗壓強(qiáng)度的影響

將振動(dòng)攪拌不同攪拌時(shí)間下制作出的試件在同條件下養(yǎng)護(hù)至一定齡期，進(jìn)行抗壓強(qiáng)度的測試，結(jié)果如圖6所示。由圖6可知，攪拌時(shí)間120 s之前，隨著攪拌時(shí)間的上升，試件在各齡期的抗壓強(qiáng)度也隨之提高，攪拌時(shí)間120 s后，隨著攪拌時(shí)間的上升，其抗壓強(qiáng)度反而降低。攪拌時(shí)間為120 s時(shí)，相比攪拌時(shí)間為60 s時(shí)，其在3 d、7 d和28 d的抗壓強(qiáng)度分別提升了8.2%、9.2%和5.0%；相比攪拌時(shí)間為100 s時(shí)，其在3 d、7 d和28 d的抗壓強(qiáng)度分別提升了1.6%、8.5%和1.2%；但攪拌時(shí)間為160 s時(shí)，相比攪拌時(shí)間為120 s時(shí)，其在3 d、7 d和28 d的抗壓強(qiáng)度分別降低了1.4%、9.8%和4.7%。產(chǎn)生上述現(xiàn)象的原因是混凝土的拌和過程是攪拌均勻與離析同時(shí)發(fā)生的過程，攪拌時(shí)間120 s之前，各骨料之間的均勻作用大于其離析作用，使得骨料分布趨向均勻，密實(shí)度增加，其試件抗壓強(qiáng)度提高；到最佳點(diǎn)時(shí)，骨料的均勻作用與離析作用達(dá)到平衡，密實(shí)度達(dá)到最大，抗壓強(qiáng)度也隨之達(dá)到最大；再增加攪拌時(shí)間，骨料的離析作用大于其均勻作用，導(dǎo)致骨料沒有達(dá)到最佳均勻分布狀態(tài)，密實(shí)度降低，抗壓強(qiáng)度降低[10]。

圖6 振動(dòng)攪拌不同攪拌時(shí)間抗壓強(qiáng)度的對比
Fig.6 Comparison of compressive strength of vibration mixing with different mixing time

圖7 振動(dòng)攪拌與普通攪拌抗壓強(qiáng)度的對比
Fig.7 Comparison of compressive strength between vibration mixing and ordinary mixing

3.3 不同攪拌方式對混凝土抗壓強(qiáng)度的影響

將分別由振動(dòng)攪拌120 s、160 s和普通攪拌160 s制作出的試件在同條件下養(yǎng)護(hù)至一定齡期，進(jìn)行抗壓強(qiáng)度的測試，結(jié)果如圖7所示。

由圖7可知，相比普通攪拌，振動(dòng)攪拌時(shí)抗壓強(qiáng)度在不同齡期內(nèi)均有提高；攪拌時(shí)間同為160 s時(shí)，振動(dòng)攪拌比普通攪拌在3 d、7 d和28 d的抗壓強(qiáng)度分別提高了3.5%、5.7%和8.7%；相比普通攪拌160 s，振動(dòng)攪拌120 s時(shí)，在3 d、7 d和28 d的抗壓強(qiáng)度仍分別提高5.0%、17.2%和13.8%?？梢?，振動(dòng)攪拌可以提高混凝土抗壓強(qiáng)度和攪拌效率，對于工程應(yīng)用具有重要意義。

4 結(jié) 論

(1)混凝土拌和過程中采用振動(dòng)攪拌可以降低混凝土的塑性黏度，改善混凝土的工作性。

(2)相同攪拌時(shí)間下，相比普通攪拌，采用振動(dòng)攪拌時(shí)，在各齡期內(nèi)混凝土抗壓強(qiáng)度均有較大提升；相比普通攪拌，采用振動(dòng)攪拌能縮短攪拌時(shí)間，且在各齡期內(nèi)混凝土抗壓強(qiáng)度仍有較大提升。說明振動(dòng)攪拌能夠提高混凝土強(qiáng)度和攪拌效率，對于工程質(zhì)量和效率的提升有重要意義。