浦桂強(qiáng)，王馨日，楊 飛，童衍輝，陳 鵬

(1.中交中南工程局有限公司，長沙 410029；2.廣東工業(yè)大學(xué)土木與交通工程學(xué)院，廣州 510006)

0 引言

我國每年商品混凝土產(chǎn)量占世界總量的70%以上。隨著技術(shù)發(fā)展和社會進(jìn)步，人們對資源、環(huán)境、施工、使用及性能方面的要求也越來越高，對混凝土的研究和認(rèn)知也越來越深入，因此，研究和使用新的提質(zhì)增效、節(jié)能減排的混凝土制備技術(shù)迫在眉睫。近年來，國內(nèi)許多專家學(xué)者也開始重視混凝土攪拌工藝的問題。馮忠緒[1]等研究振動攪拌技術(shù)，制作出雙臥軸振動攪拌機(jī)并開始廣泛運(yùn)用。馮建生[2]等研究振動攪拌對不同等級混凝土的性能效果，發(fā)現(xiàn)各個等級的新拌混凝土引氣效果明顯；相較于普通攪拌，振動攪拌混凝土的強(qiáng)度提高10%以上。閆少杰[3]等研究發(fā)現(xiàn)振動攪拌對于大流動性混凝土的性能和微結(jié)構(gòu)有顯著改善，在不降低流動性的情況下，采用振動攪拌的方式可減少離析泌水現(xiàn)象，降低混凝土塑性粘度，改善其工作性。喬衛(wèi)明[4]等采用振動攪拌技術(shù)攪拌高強(qiáng)流態(tài)混凝土，發(fā)現(xiàn)使用振動攪拌工藝的混凝土顯著提高了抗壓強(qiáng)度、劈裂抗拉及抗折強(qiáng)度，其28d抗壓強(qiáng)度的提升幅度在10%以上。Zhao[5]等通過研究不同振動幅值和加速度下不同水灰比的混凝土性能變化，確定了同水灰比下最適宜的振動幅值和加速度。

綜上所述，國內(nèi)外對混凝土振動攪拌的研究主要集中于不同類型的混凝土在振動攪拌下與普通強(qiáng)制攪拌下的性能差異，較少研究振動攪拌時間對振動攪拌過程的影響，因此本文通過研究振動攪拌時間對C50混凝土和易性及力學(xué)性能的影響，為振動攪拌在混凝土施工中的應(yīng)用提供經(jīng)驗(yàn)。

1 試驗(yàn)

1.1 原材料

試驗(yàn)使用的水泥為江西于都南方萬年青水泥有限公司產(chǎn)的P.O52.5硅酸鹽水泥，細(xì)骨料采用尋烏縣鑫源砂場級配良好、質(zhì)地堅(jiān)硬、顆粒潔凈的河砂(Ⅱ區(qū)中砂)，粗骨料采用龍川縣萬通青化石料有限公司5～20mm連續(xù)級配的粒形良好、吸水率小的碎石，外加劑為廣東強(qiáng)仕建材科技有限公司產(chǎn)的聚羧酸減水劑，拌和水采用普通自來水。

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

本文采用德通公司生產(chǎn)的雙臥軸式振動機(jī)(圖1)。該裝置的外觀及相關(guān)參數(shù)如圖1和表1所示。振動攪拌的機(jī)理[6]是將激振器引起的振動引入攪拌過程，使振動與攪拌同時進(jìn)行，與此同時，攪拌軸和槳葉產(chǎn)生周期性的振動傳遞給周圍的混合物，使水泥顆粒不斷地抖動并破壞水泥顆粒的團(tuán)聚，最終得到較普通強(qiáng)制攪拌性能更優(yōu)異的混凝土。

圖1 DT60ZBw雙臥軸式振動攪拌機(jī)

表1 振動攪拌機(jī)相關(guān)參數(shù)

1.3 混凝土配合比設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)對象為C50普通混凝土，根據(jù)《普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》(JGJ55-2011)[7]，結(jié)合本項(xiàng)目前期試驗(yàn)，最終設(shè)計(jì)的 C50 混凝土配合比見表2。

表2 C50混凝土配合比(單位：kg/m3)

1.4 試驗(yàn)內(nèi)容

在相同的試驗(yàn)條件下分別測定單一攪拌時間(180s)下普通強(qiáng)制攪拌和五個不同攪拌時間(90s、100s、110s、120s、130s)下振動攪拌在不同養(yǎng)護(hù)時間下的C50混凝土性能,每個攪拌時間下試驗(yàn)所需的試件尺寸及數(shù)量見表3。依據(jù)《普通混凝土拌合物性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T50080-2016)[8]測定新拌混凝土的塌落度、擴(kuò)展度和含氣量，分析振動攪拌時間對新拌C50混凝土性能的影響；依據(jù)《公路工程水泥及水泥混凝土試驗(yàn)規(guī)程》(JTG3420-2020)[9]對C50混凝土試塊進(jìn)行7d、14d及28d的立方體抗壓、軸心抗壓、抗折及劈裂抗拉強(qiáng)度測試，分析振動攪拌時間對混凝土力學(xué)性能的影響；對混凝土的破壞模態(tài)進(jìn)行研究，分析振動攪拌對混凝土破壞時裂紋擴(kuò)展的影響。

表3 不同試驗(yàn)試件尺寸及數(shù)量

圖2 2 000kN全自動恒應(yīng)力試驗(yàn)機(jī)

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 振動攪拌時間對混凝土初始坍落度、擴(kuò)展度的影響

混凝土和易性是混凝土拌合物的重要性能，混凝土和易性的好壞對混凝土硬化后的綜合性能具有重要影響，本試驗(yàn)主要通過初始坍落度和擴(kuò)展度來檢測混凝土和易性是否達(dá)標(biāo)。不同振動攪拌時間下混凝土拌合物的工作性能見表4。

表4 不同振動攪拌時間下混凝土拌合物工作性能

圖3所示為初始坍落度和擴(kuò)展度隨振動時間變化的關(guān)系。隨著振動攪拌時間的增加，C50混凝土的初始坍落度、擴(kuò)展度先增后減，在振動攪拌120s時達(dá)到最大，分別為220mm和570mm，較強(qiáng)制攪拌180s的坍落度和擴(kuò)展度有較大的提升[10]。

圖3 不同振動攪拌時間下混凝土初始坍落度及擴(kuò)展度

坍落度和擴(kuò)展度的增長是因振動與攪拌兩者同時進(jìn)行，使物料一直處于顫振狀態(tài)，破壞了水泥的團(tuán)聚現(xiàn)象，攪拌筒內(nèi)的材料如水泥顆粒、水分子、骨料顆粒等都具有更多的能量；由于振動的效果使得水分子更容易與水泥顆粒進(jìn)行水化反應(yīng)，有利于生成更多的水泥漿，水泥漿自身具有較好的流動性，水泥漿繼續(xù)包裹骨料表面，使得混凝土整體取得更好的流動性；未參加水化反應(yīng)的水泥顆粒不再因?yàn)榫蹐F(tuán)而影響流動性，振動使其變?yōu)榉稚⒌乃囝w粒,即便未參加水化反應(yīng)，分散的水泥小顆粒也會有潤滑效果；130s時的坍落度和擴(kuò)展度較120s均有減少，這可能是因?yàn)榘韬衔镎駝訑嚢钑r間過長時，混凝土拌合物出現(xiàn)“過振”現(xiàn)象，進(jìn)一步振動攪拌會使得混凝土的和易性下降，勻質(zhì)性變差[11]。

2.2 振動攪拌時間對混凝土含氣量的影響

振動攪拌時間對混凝土含氣量的影響如圖4所示，C50混凝土的含氣量隨著振動攪拌時間的增長而逐步提升，且相較于強(qiáng)制攪拌180s均有較大的提升[12]。振動時間為90s時，C50混凝土含氣量較強(qiáng)制攪拌180s時增加35.3%;振動時間為130s時，C50混凝土含氣量較強(qiáng)制攪拌180s時增加94.1%。這是因?yàn)榛炷翉?qiáng)制攪拌時拌合物內(nèi)部的氣泡在攪拌的作用下四散分開，并分散在混凝土表面，阻止氣體進(jìn)入。而在振動攪拌時，混凝土表面的水膜層破壞，拌合料在攪拌時很容易引入空氣中的氣體，進(jìn)而增大了含氣量。因此，在利用振動攪拌工藝制備混凝土?xí)r，應(yīng)注意振動攪拌時間對混凝土含氣量的影響。

圖4 不同振動攪拌時間下混凝土的含氣量

2.3 振動攪拌時間對混凝土立方體及軸心抗壓強(qiáng)度的影響

不同振動攪拌時間下混凝土立方體抗壓及軸心抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果見表5和圖5所示，可見，隨著振動攪拌時間的增長，立方體抗壓強(qiáng)度和軸心抗壓強(qiáng)度均表現(xiàn)出先減后增的變化趨勢，試驗(yàn)室標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28d后整體強(qiáng)度較強(qiáng)制攪拌180s時有所改善。養(yǎng)護(hù)28d后，振動攪拌90s時的立方體抗壓強(qiáng)度和軸心抗壓強(qiáng)度提升最大，分別達(dá)到73.3MPa、71.9MPa，較強(qiáng)制攪拌180s分別提高9.6%、13.6%，這主要是因?yàn)檎駝訑嚢栌行У貛椭藞F(tuán)聚體水泥顆粒的分散，增強(qiáng)了水泥的水化作用，在振動作用下水泥水化后能均勻地包裹在集料表面，有利于增強(qiáng)水泥漿體與骨料之間的界面強(qiáng)度[13]，產(chǎn)生更高的抗壓強(qiáng)度。但后續(xù)隨著振動攪拌時間的增長，兩種抗壓強(qiáng)度均表現(xiàn)出一定程度的下降，這可能是因?yàn)檎駝訑嚢韫に囋谔嵘炷羷蛸|(zhì)性的同時，具有一定的引氣作用，振動攪拌時間較短時，引氣量較小，振動攪拌時間進(jìn)一步增加時，混凝土含氣量進(jìn)一步增加，對混凝土強(qiáng)度產(chǎn)生了不利影響。

表5 混凝土立方體抗壓及軸心抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

圖5 不同振動攪拌時間下混凝土的立方體抗壓強(qiáng)度和軸心抗壓強(qiáng)度(180s為強(qiáng)制攪拌時間)

2.4 振動攪拌時間對混凝土抗折、劈裂抗拉強(qiáng)度及彈性模量的影響

不同攪拌時間下混凝土抗折強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度及彈性模量試驗(yàn)結(jié)果見表6。對數(shù)據(jù)分析后由圖6可知，相較于普通強(qiáng)制攪拌，振動攪拌對混凝土抗折強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度也有較大的提升[10]，其中抗折強(qiáng)度在90s和100s時的提高比較顯著，分別達(dá)到17.1%、22.0%。而混凝土抗折強(qiáng)度的提高并沒有隨著振動攪拌時間產(chǎn)生具有一定規(guī)律的變化，在養(yǎng)護(hù)時間28d后，僅在振動攪拌110s時表現(xiàn)出一定的提高，在其他攪拌時間下均表現(xiàn)出一定的不利影響。在標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境養(yǎng)護(hù)28d后，兩者分別在振動攪拌110s和100s時獲得最大的提升，抗折強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度達(dá)到9.9MPa和5MPa，較強(qiáng)制攪拌分別提升10%、22%。

表6 混凝土抗折強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度及彈性模量試驗(yàn)結(jié)果

圖6 不同振動攪拌時間下混凝土的抗折強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度(180s為強(qiáng)制攪拌時間)

圖7所示為不同振動攪拌時間對C50混凝土彈性模量的影響。振動攪拌時間為90s時彈性模量提升最為明顯，7d、14d、28d分別較180s強(qiáng)制攪拌提升8.4%、10.3%、13.4%。之后隨著振動攪拌時間的增加，彈性模量隨之下降，但整體仍高于強(qiáng)制攪拌180s時的彈性模量，表明振動攪拌對C50混凝土抵抗彈性變形的能力有顯著提升。

圖7 不同振動攪拌時間下混凝土的彈性模量

2.5 振動時間對混凝土延性和韌性性能的影響

拉壓比和折壓比分別是衡量混凝土延性和韌性的指標(biāo)之一,其值越大,表明混凝土的延性和韌性越好[14]。施工過程中為了達(dá)到較好的延性和韌性，往往需要降低水灰比來提高混凝土的強(qiáng)度，這不可避免地導(dǎo)致混凝土的抗壓強(qiáng)度超出所需太多,不僅浪費(fèi)材料也增加了混凝土的脆性,因此通過其他手段來提升混凝土的該性能十分必要。

由圖8可見，隨著振動攪拌時間的增加，混凝土的拉壓比和折壓比有明顯的提高。振動攪拌時間110s左右時，振動攪拌對混凝土的拉壓比和折壓比提高最顯著。28d養(yǎng)護(hù)時間后，相較于強(qiáng)制攪拌180s的拉壓比和折壓比，分別提高6.6%和9.5%，有效地改善了混凝土剛度過大、韌性過低的問題，增強(qiáng)了混凝土的耐久性。

圖8 不同振動攪拌時間下混凝土的拉壓比和折壓比(180s為強(qiáng)制攪拌時間)

2.6 混凝土軸心抗壓試驗(yàn)破壞模態(tài)

普通攪拌下混凝土軸心受壓試件受壓時,隨著壓力的增加，試件中逐漸開始出現(xiàn)細(xì)微裂縫，當(dāng)達(dá)到極限荷載時，細(xì)微裂縫發(fā)展成明顯的縱向裂縫，隨著壓應(yīng)變的增長，這些裂縫相互貫通，最終混凝土被壓碎。破壞模態(tài)為交叉狀斜裂縫所形成的錐體破壞，斜裂縫寬度較大，表現(xiàn)出典型的剪切破壞[15]。

如圖 9所示，對28d軸心抗壓試件的最終破壞界面進(jìn)行分析，可知振動攪拌混凝土與普通強(qiáng)制攪拌混凝土整體的破壞模態(tài)相似。但隨著振動攪拌時間的增長，混凝土破壞時沿骨料間隙產(chǎn)生的裂縫逐步減少，而振動攪拌提高了混凝土的拉壓比，從而改善了混凝土的破壞形式，表明振動攪拌對改善混凝土內(nèi)部情況、提高混凝土的承載能力有較大作用。

圖9 混凝土軸心抗壓破壞界面裂縫分布及延展情況

3 結(jié)論

(1)振動攪拌各時間下混凝土的含氣量較普通強(qiáng)制攪拌具有優(yōu)越性。坍落度和擴(kuò)展度試驗(yàn)結(jié)果表明，采用120s左右振動攪拌制備的混凝土比普通強(qiáng)制攪拌180s制備的混凝土具有更好的和易性。

(2)試驗(yàn)室標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28d后，振動攪拌90s時的立方體抗壓強(qiáng)度和軸心抗壓強(qiáng)度提高最大，分別達(dá)到73.3MPa、71.9MPa，較強(qiáng)制攪拌180s的強(qiáng)度分別提高9.6%、13.6%?；炷量拐蹚?qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度分別在振動攪拌110s和100s時獲得最大的提升，抗折強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度達(dá)到9.9MPa和5.0MPa，較強(qiáng)制攪拌分別提高10.0%、21.9%。

(3)隨著振動攪拌時間的增加，混凝土的拉壓比和折壓比得到明顯的提高。振動攪拌時間110s左右時，振動攪拌對混凝土的拉壓比和折壓比提高最顯著；養(yǎng)護(hù)28d后，相較于強(qiáng)制攪拌180s的拉壓比和折壓比分別提高6.6%、9.5%。

(4)對28d軸心抗壓試件的破壞界面分析進(jìn)一步表明，振動攪拌對改善混凝土內(nèi)部情況、提高混凝土的承載能力有較大作用。

綜上所述，對混凝土在實(shí)驗(yàn)室標(biāo)養(yǎng)環(huán)境下7d、14d、28d的試驗(yàn)數(shù)據(jù)整體分析可知，振動攪拌110s左右的拌合物工作性能和混凝土力學(xué)性能均能得到較大的提升，是C50混凝土較佳的振動攪拌時間。