楊文，馬建峰＊，高達(dá)，畢耀，吳雄

（中建西部建設(shè)建材科學(xué)研究院有限公司，四川 成都 610000）

0 前言

混凝土主要由膠結(jié)物質(zhì)及膠結(jié)在其中的骨料顆粒組成，其中膠結(jié)物質(zhì)是由水硬性水泥和水的混合物形成[1]。混凝土作為多種材料的結(jié)合體，其內(nèi)部是不均勻的，這會(huì)影響混凝土各項(xiàng)性能[2]。現(xiàn)有攪拌站大流態(tài)混凝土攪拌時(shí)間一般在 45s 以下，而 JGJ/T 281—2012《高強(qiáng)混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》要求不低于 80s，這會(huì)影響新拌混凝土和易性和勻質(zhì)性，給混凝土強(qiáng)度、耐久性等帶來不利影響[3]?，F(xiàn)有的混凝土攪拌機(jī)有立式、臥式及雙臥軸式等，其能夠在較短的攪拌時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)混凝土的宏觀上的勻質(zhì)性，但實(shí)際上有約 25% 的水泥顆粒呈團(tuán)粒形態(tài)，因此，目前的攪拌方式存在水泥的浪費(fèi)，據(jù)估計(jì)，我國因這一原因浪費(fèi)的水泥成本每年接近百億 元[4]。

基于此，研究者們?cè)噲D通過改變攪拌工藝來提高預(yù)拌混凝土勻質(zhì)性，進(jìn)而提高混凝土強(qiáng)度。近年來，振動(dòng)攪拌工藝得到廣泛的關(guān)注，姚運(yùn)仕等[5]研究表明，振動(dòng)攪拌打破了膠材團(tuán)聚，提高了水化速率，改善了混凝土微孔結(jié)構(gòu)。馮忠緒[6]等人研究表明，振動(dòng)攪拌在較小水泥團(tuán)聚的同時(shí)，可以增加界面過渡區(qū)強(qiáng)度，進(jìn)而提高混凝土的各項(xiàng)性能。

以上關(guān)于振動(dòng)攪拌工藝對(duì)混凝土性能研究表明，該工藝確實(shí)能提高混凝土勻質(zhì)性，提高混凝土各項(xiàng)性能。但關(guān)于在該工藝條件下，減少水泥量時(shí)，混凝土各項(xiàng)性能是否可以達(dá)到對(duì)應(yīng)指標(biāo)的研究較少。因此，本文研究了不同振動(dòng)攪拌時(shí)間對(duì)大流態(tài)混凝土性能影響，并在此基礎(chǔ)上探究減少水泥用量時(shí)，振動(dòng)攪拌工藝對(duì)混凝土工作性、力學(xué)性能及體積穩(wěn)定性影響。以期在減少水泥用量的條件下，利用振動(dòng)攪拌工藝制備出符合相應(yīng)指標(biāo)的大流態(tài)混凝土。

1 原材料與試驗(yàn)方法

1.1 原材料

試驗(yàn)所用水泥選用峨勝 P·O42.5 水泥，其基本性能見表1 所示；所用 Ⅰ 級(jí)及 Ⅱ 級(jí)粉煤灰來自四川省宜賓市，其 28d 的活性指數(shù)分別為 63.9% 和 73.5%；試驗(yàn)所用砂子的性能指標(biāo)見表2 所示；試驗(yàn)所用外加劑來源于四川省成都市某攪拌站。

表1 水泥基本性能

表2 機(jī)制砂性能檢測(cè)

1.2 試驗(yàn)方法

本試驗(yàn)選用振動(dòng)攪拌混凝土的設(shè)備是 DT60ZBW 型雙臥軸振動(dòng)攪拌機(jī)（圖 1），其平均振動(dòng)強(qiáng)度為 4G。試驗(yàn)中振動(dòng)組及基準(zhǔn)組試驗(yàn)均采用該攪拌機(jī)，以確保試驗(yàn)組與基準(zhǔn)組攪拌線速度相同。

圖1 DT60ZBW 型雙臥軸振動(dòng)攪拌機(jī)

混凝土工作性能測(cè)試，如含氣量、擴(kuò)展度及含氣量等依據(jù) GB/T 50080—2016《普通混凝土拌合物性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行測(cè)試；力學(xué)性能依據(jù) GB/T 50081—2019《混凝土物理力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》測(cè)試。

混凝土干燥收縮試驗(yàn)依據(jù) GB/T 50082—2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗(yàn)方法》標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行。試件尺寸為 100mm×100mm×515mm 的棱柱體，每組試驗(yàn)為 3 個(gè)試件，混凝土成型 3d 后立即進(jìn)行測(cè)試，收縮測(cè)試環(huán)境溫度為 (20±2)℃，相對(duì)濕度為 (55±5)%，采用接觸式測(cè)試，試驗(yàn)數(shù)據(jù)精確至 0.001mm。混凝土收縮率如公式 (1) 所示：

式中：

εt——試驗(yàn)至 t 天時(shí)混凝土收縮率，%；

Lb——試測(cè)量標(biāo)距，mm；

L0——試件長度的初始讀數(shù)，mm；

Lt——試件的 t 天時(shí)的長度數(shù)據(jù)，mm。

1.3 混凝土配合比

依據(jù)成都市某攪拌站生產(chǎn)預(yù)拌混凝土的攪拌時(shí)間，設(shè)置混凝土總攪拌時(shí)間為 45s，其中干料攪拌 5s，濕料攪拌 40s。研究 C30、C45 及 C60 混凝土振動(dòng)攪拌 10s、20s、30s 及 40s 時(shí)混凝土各性能。各強(qiáng)度等級(jí)混凝土配合比如表3 所示。

表3 混凝土配合比 kg/m3

2 試驗(yàn)與結(jié)果

2.1 振動(dòng)攪拌時(shí)間對(duì)混凝土性能影響

2.1.1 對(duì)混凝土工作性能影響

保持較好的和易性是混凝土運(yùn)輸、施工及質(zhì)量保證的重要前提，測(cè)定了不同振動(dòng)攪拌時(shí)間下混凝土的含氣量、坍落度及擴(kuò)展度，以此來表征振動(dòng)攪拌對(duì)大流態(tài)混凝土和易性影響。試驗(yàn)結(jié)果見表4 和 圖 1、圖 2。

表4 振動(dòng)攪拌時(shí)間對(duì)混凝土工作性能的影響

圖1 振動(dòng)攪拌時(shí)間對(duì)混凝土含氣量影響

圖2 振動(dòng)攪拌時(shí)間對(duì)混凝土擴(kuò)展度和坍落度的影響

從圖 1 中可知，各混凝土含氣量隨著振動(dòng)攪拌時(shí)間的增加而增加，對(duì)于 C30 混凝土，振動(dòng) 20s 時(shí)混凝土含氣量較基準(zhǔn)組增加 84.2% 以上，C45 和 C60 含氣量增加 28.6%、62.5%。以上結(jié)果表明振動(dòng)攪拌工藝在制備混凝土?xí)r具有一定的引氣作用，且含氣量隨著振動(dòng)攪拌時(shí)間的增加而增加，此外，較高強(qiáng)度等級(jí)的混凝土含氣量增加幅度較低強(qiáng)度等級(jí)的混凝土小。主要是因?yàn)榛炷廖锪显诩铀巴饧觿嚢钑r(shí)，拌合過程中物料表面膜層出現(xiàn)水膜層，而在振動(dòng)攪拌時(shí)，水膜層破壞，攪拌過程中易于引入空氣，進(jìn)而增加含氣量[7]。

從圖 2 中可以看出，拌合物擴(kuò)展度和坍落度先增后減，對(duì) C30 混凝土而言，其在振動(dòng)攪拌至 10s 時(shí)間混凝土含氣量及擴(kuò)展度達(dá)到峰值，而 C45 在振動(dòng)攪拌至 20s，C60 在 30s 時(shí)具有最大的擴(kuò)展度和坍落度。造成這種現(xiàn)象的原因在于，振動(dòng)攪拌的引氣作用使得拌合物顆粒之間具有較多的氣泡，在骨料間如同滾珠一樣起潤滑作用，可增大混凝土拌合物的流動(dòng)性[8]，與此同時(shí)，振動(dòng)攪拌使得膠凝材料團(tuán)聚效應(yīng)減小，釋放自由水，導(dǎo)致擴(kuò)展度增大。而隨著振動(dòng)攪拌時(shí)間的增加，膠凝材料分散越發(fā)均勻，水泥顆粒與水接觸面積增大，水泥水化加快，自由水減少，導(dǎo)致拌合物擴(kuò)展度及坍落度減小。

2.1.2 對(duì)混凝土力學(xué)性能影響

表5 和圖 3 為各混凝土在不同齡期的抗壓強(qiáng)度變化。從圖 3(a) 中可知，振動(dòng)攪拌至 10s 時(shí)，混凝土強(qiáng)度最高，7d 時(shí)較基準(zhǔn)組提升 12.1%。對(duì)于 C45 和 C60 混凝土，其強(qiáng)度變化也是隨著振動(dòng)攪拌時(shí)間的增加先增后減，C45 混凝土在振動(dòng)攪拌至 20s 時(shí)強(qiáng)度最佳，7d 時(shí)混凝土抗壓強(qiáng)度較基準(zhǔn)組提升 11.5%，C60 混凝土在 30s 時(shí)混凝土強(qiáng)度最高，7d 時(shí)混凝土抗壓強(qiáng)度提升 10.8%。振動(dòng)攪拌使拌合物中水泥膠材團(tuán)聚效應(yīng)減小，水泥顆粒在拌合物中分散變得均勻，參與水化的水泥含量增多，進(jìn)而提升混凝土強(qiáng)度。

圖3 振動(dòng)攪拌時(shí)間對(duì)各混凝土抗壓強(qiáng)度影響

表5 振動(dòng)攪拌時(shí)間對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度的影響

對(duì)于 C30 混凝土，當(dāng)振動(dòng)攪拌時(shí)間在 10s 時(shí)，其強(qiáng)度達(dá)到最大值，振動(dòng)攪拌時(shí)間超過 10s 后強(qiáng)度逐漸減小，40s 時(shí)抗壓強(qiáng)度與基準(zhǔn)組相當(dāng)。這是因?yàn)檎駝?dòng)攪拌工藝具有一定的引氣作用，在提升混凝土勻質(zhì)性的同時(shí)，混凝土含氣量增加，對(duì)混凝土強(qiáng)度帶來不利影響。

而 C45 及 C60 拌合物振動(dòng)攪拌時(shí)間分別在 20s、30s 時(shí)混凝土強(qiáng)度達(dá)到最大值。振動(dòng)攪拌至 30s 時(shí)，C45 混凝土較 20s 時(shí)減小，40s 時(shí)混凝土抗壓強(qiáng)度與基準(zhǔn)組相當(dāng)；C60 混凝土振動(dòng)攪拌至 40s 時(shí)，混凝土抗壓強(qiáng)度與基準(zhǔn)組相當(dāng)。這是因?yàn)?C45 及 C60 混凝土膠材用量較大，振動(dòng)攪拌時(shí)間較短時(shí)，膠材分散效果不佳，當(dāng)振動(dòng)攪拌時(shí)間進(jìn)一步增加時(shí)，膠材分散均勻，對(duì)強(qiáng)度提升作用更加明顯。但與此同時(shí)，混凝土含氣量隨著振動(dòng)攪拌時(shí)間的增加而增加，對(duì)強(qiáng)度帶來不利影響，因此，C45 振動(dòng)攪拌時(shí)間可控制在 10～20s 內(nèi)，C60 混凝土不宜超 30s。

2.2 減少水泥用量時(shí)對(duì)混凝土性能影響

2.2.1 對(duì)工作性能影響

基于以上試驗(yàn)結(jié)果，C30、C45 及 C60 最佳振動(dòng)攪拌時(shí)間為 10s、20s 和 30s。在此振動(dòng)攪拌時(shí)間下，混凝土拌合物中膠凝材料具有最佳的分散效果，且引入的氣體對(duì)混凝土強(qiáng)度影響最小。因此，可考慮減小水泥用量，利用振動(dòng)攪拌工藝制備相應(yīng)的混凝土。試驗(yàn)設(shè)計(jì) C30、C45 及 C60 減小水泥用量 3%、6%、9% 及 12% 時(shí)對(duì)混凝土各性能影響，配比中減少的水泥量用粉煤灰等體積補(bǔ)充。表6 和圖 4 為減少水泥用量后利用最佳振動(dòng)攪拌時(shí)間制備 C30、C45 及 C60 混凝土擴(kuò)展度及坍落度變化。

表6 水泥減少量對(duì)混凝土工作性能的影響

圖4 減少水泥用量對(duì)混凝土工作性能影響

從圖 4 中結(jié)果可以看出，隨著水泥減少量的增加，各混凝土擴(kuò)展度及坍落度逐漸增加，且 C60 混凝土的增加最為顯著。造成這種現(xiàn)象的原因在于，粉煤灰是球狀顆粒，且其表面光滑，在混凝土拌合物在拌合過程中具有較好的潤滑作用，隨著混凝土拌合物中水泥用量減小，粉煤灰摻量增加，有益于混凝土和易性[9]，振動(dòng)攪拌更有益于拌合物的均勻；同時(shí)，其粒徑較小的粉煤灰有效填充了水泥顆粒之間的孔隙，使得水泥顆粒之間的自由水進(jìn)一步釋放，因此，C60 混凝土拌合物的擴(kuò)展度及坍落度增加幅度較大。

2.2.2 對(duì)混凝土力學(xué)性能影響

表7 和圖 5 為減少水泥用量后，利用振動(dòng)攪拌工藝制備的 C30、C45 及 C60 混凝土的抗壓強(qiáng)度變化。

表7 水泥減少量對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度的影響

從圖 5 (a) 中可以看出，C30 混凝土養(yǎng)護(hù) 7d 時(shí)，減小水泥用量后，利用振動(dòng)攪拌工藝制備的混凝土強(qiáng)度均低于基準(zhǔn)組，養(yǎng)護(hù)至 28d 時(shí)減少水泥用量小于 6% 時(shí)混凝土強(qiáng)度與基準(zhǔn)組相當(dāng)。盡管振動(dòng)攪拌工藝對(duì)混凝土具有較好的分散作用，但粉煤灰活性較低，且在混凝土中是二次反應(yīng)后提升混凝土強(qiáng)度[9,10]，因此，減小水泥用量后早期強(qiáng)度較低，28d 時(shí)強(qiáng)度大幅提升。

從圖 5 (b) 中可以看出，C45 混凝土養(yǎng)護(hù) 7d 時(shí)，減小水泥用量后，利用振動(dòng)攪拌工藝制備的混凝土強(qiáng)度均低于基準(zhǔn)組，養(yǎng)護(hù)至 28d 時(shí)減小水泥用量小于 6% 時(shí)其強(qiáng)度與未振動(dòng)攪拌的基準(zhǔn)組相當(dāng)，其強(qiáng)度變化原因與 C30 相同。

對(duì)于圖 5 (c) 所示的 C60 混凝土，當(dāng)水泥減小量不超過 9% 時(shí)，利用振動(dòng)攪拌工藝制備的混凝土強(qiáng)度與基準(zhǔn)組相當(dāng)。

圖5 水泥減少量對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度影響

以上試驗(yàn)結(jié)果表明，在減少水泥用量的條件下，利用振動(dòng)攪拌可以制備出與基準(zhǔn)組強(qiáng)度相當(dāng)?shù)幕炷?，其?C30 及 C45 可減小水泥用量 6%，C60 混凝土可達(dá) 9%。

2.3 振動(dòng)攪拌對(duì)混凝土收縮性能影響

由以上研究結(jié)論可知，C30、C45 及 C60 混凝土在減小膠材及最佳振動(dòng)攪拌時(shí)間下可制備出滿足相應(yīng)工作性能、力學(xué)性能的混凝土。振動(dòng)攪拌工藝在增加勻質(zhì)性的同時(shí)，具有一定的引氣作用，使混凝土孔結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，進(jìn)而影響混凝土體積穩(wěn)定性。測(cè)試了 C30、C45 及 C60 混凝土振動(dòng)攪拌 10s，20s 和 30s，C30、C45 及 C60 混凝土減小水泥用量 6%、6% 及 9% 時(shí)的干燥收縮，結(jié)果如表8 和圖 6 所示。

表8 振動(dòng)攪拌對(duì)混凝土收縮性能的影響 ×10-6

從圖 6 中可知，C30～C60 基準(zhǔn)組收縮率逐漸增加，主要是因?yàn)?C30～C60 水泥用量逐步增加，使得早期收縮增加。對(duì)比 C30 基準(zhǔn)組及 C30 振動(dòng)攪拌組試驗(yàn)可知，振動(dòng)攪拌后干燥收縮減小，7d 時(shí)較基準(zhǔn)組減縮 8.5%，56d 時(shí)減縮 6.7%。究其原因，一方面是 C30 振動(dòng)試驗(yàn)組較基準(zhǔn)組減小 6% 的水泥用量，減小了化學(xué)收縮和自收縮，另一方面，可能是因?yàn)檎駝?dòng)攪拌的引氣作用減小了易于引起體積收縮的孔徑。C45 及 C60 混凝土的振動(dòng)組試驗(yàn)較基準(zhǔn)組表現(xiàn)出與 C30 混凝土相同的變化規(guī)律，C45 混凝土 45d 時(shí)間較基準(zhǔn)組減縮 6.9%，C60 減縮 8.7%。

圖6 振動(dòng)攪拌對(duì)混凝土收縮性能的影響

3 結(jié)論

本文利用振動(dòng)攪拌工藝試驗(yàn)了不同振動(dòng)時(shí)間下對(duì)不同強(qiáng)度等級(jí)混凝土性能影響，并研究了減少水泥用量條件下，振動(dòng)攪拌工藝對(duì)混凝土性能影響，結(jié)果如下：

（1）C30、C45 及 C60 混凝土和易性、勻質(zhì)性在適當(dāng)?shù)恼駝?dòng)攪拌時(shí)間內(nèi)最優(yōu)，其含氣量隨著振動(dòng)攪拌時(shí)間的增加而增加，力學(xué)性能隨著振動(dòng)攪拌時(shí)間增加先后減小。結(jié)合振動(dòng)攪拌工藝對(duì)混凝土工作性、力學(xué)性能影響，C30 最佳振動(dòng)攪拌時(shí)間為 10s，C45 為 20s，而 C60 最佳的振動(dòng)攪拌時(shí)間為 30s。

（2）在最佳振動(dòng)攪拌時(shí)間下，C30 及 C45 混凝土在減少水泥用量 6%，C60 減小 9% 的條件下，可制備出與基準(zhǔn)組強(qiáng)度相當(dāng)?shù)幕炷?，振?dòng)攪拌工藝有益于降低混凝土制備成本。

（3）在最佳振動(dòng)攪拌時(shí)間及減小膠材條件下，C30、C45 及 C60 較基準(zhǔn)組收縮率減小，56d 時(shí)，C30 較基準(zhǔn)組減小 6.7%，C45 為 6.9%，C60 為 8.7%，表明振動(dòng)攪拌工藝使混凝土具有更好的體積穩(wěn)定性。