混凝土的攪拌與振動

聞寶聯(lián)

（建筑材料工業(yè)技術(shù)情報研究所，北京 100024）

一位攪拌站的朋友對一個問題百思不得其解：同一個站兩條生產(chǎn)線，一樣的原材料、配合比工序及攪拌時間，但是，一條線生產(chǎn)的混凝土總比另外一條生產(chǎn)線的抗壓強(qiáng)度高 2～3MPa，工作狀態(tài)也好，坍落度損失也小。這個問題一直困擾著他，來向我咨詢。我問他一直如此還是最近才這樣？有規(guī)律性的現(xiàn)象總是有跡可循的，偶爾產(chǎn)生或是至少不經(jīng)常出現(xiàn)的問題很難找到癥結(jié)。他說一直如此。我問攪拌形式是否一樣？因為不同廠家的攪拌機(jī)，有的機(jī)子是攪拌臂，有的是螺旋帶（圖1），螺旋帶的攪拌效果要強(qiáng)于攪拌臂。

圖1 不同形式的攪拌機(jī)

結(jié)果發(fā)現(xiàn)兩條生產(chǎn)線攪拌機(jī)雖是不同廠家的，但都是雙臥軸攪拌臂。這下我也有點搞不懂了，但隨即感覺，可能是輸入功率不一樣，于是爬上攪拌樓，看了主機(jī)的銘牌，一個主機(jī)功率是 55kW，另一個是 45kW，問題就出在這里。輸入功率不一樣，但攪拌時間一樣，混凝土狀態(tài)自然不同，攪拌過程中的機(jī)械對拌合物有強(qiáng)行“擾動”，使其拌合物中的材料強(qiáng)行位移。轉(zhuǎn)動的速度越快、攪拌力度越大，對材料的剪切和撥動效果越好，攪拌就是通過混合料各物料間的相互碰撞、對流和擴(kuò)散，促使物料顆粒，特別是水泥等細(xì)微顆粒的彌散分布，達(dá)到混合料宏觀及微觀的勻質(zhì)性，表現(xiàn)為外加劑的分散性和效果更突出，后期強(qiáng)度也更高。后來將功率低的機(jī)組延長攪拌時間 20% 以上，結(jié)果自然好了不少。正如圖 2 所示，隨著攪拌時間的適當(dāng)延長，強(qiáng)度變異系數(shù)也就越小，高速公路以及高鐵項目都要求攪拌時間在120～180s，也是出于此考慮！

圖2 混凝土抗壓強(qiáng)度變異系數(shù)與攪拌時間的關(guān)系

同樣的，也可在攪拌的基礎(chǔ)上再加上振動——振動攪拌，加大對拌合物的擾動，拌合物中的水泥顆粒處于振顫狀態(tài)，從而破壞粘聚的水泥團(tuán)單元體，使水泥顆粒得以快速均勻的分布。振動攪拌是宏觀對流運(yùn)動和微觀擴(kuò)散運(yùn)動的疊合，是在普通攪拌機(jī)所具有的宏觀對流運(yùn)動的基礎(chǔ)上，采用振動和攪拌一體化技術(shù)，使振動攪拌機(jī)具有了高頻微觀擴(kuò)散運(yùn)動。前者使物料在宏觀上“拌勻”，后者讓物料各組分在微觀上“拌透”，振動攪拌實現(xiàn)了短時間內(nèi)宏觀和微觀的同步均勻，提升了攪拌質(zhì)量和效率。此外，振動作用還可凈化集料表面，增加水泥和集料間的界面粘結(jié)力，提高混凝土抗壓強(qiáng)度。試驗表明，這項技術(shù)可以穩(wěn)定提高抗壓強(qiáng)度和工作性能，在低碳環(huán)保大環(huán)境下，這也是一項值得關(guān)注的技術(shù)。

混凝土生產(chǎn)過程如此，施工過程也是一樣。振搗棒、振動梁以及附著式振搗器在流態(tài)混凝土中也是通過加強(qiáng)擾動來提高混凝土中各組分的分散性和勻質(zhì)性。

混凝土原材料體系中，隨著膠凝材料和用水量的不斷降低，流動性越來越差。如碾壓混凝土，就是一種干硬性貧水泥的混凝土，使用水泥、摻合料、水、外加劑、砂和分級控制的粗骨料拌制成。膠凝材料用量，包括水泥與摻合料 120～160kg/m3，這種無坍落度的干硬性混凝土要用振動碾分層壓實，靠靜壓成型，不能滿足工程的要求。

在此基礎(chǔ)上，繼續(xù)降低膠凝材料和用水量，就逐漸成了路基用的水泥穩(wěn)定碎石或是石灰、粉煤灰碎石類的半剛性基層材料，半剛性材料在振動擊實作用下，材料處于振動狀態(tài)，水分的離析作用使得材料顆粒的外層裹覆一層水膜，形成了顆粒運(yùn)動的潤滑劑，減小了材料間的摩擦力和粘結(jié)力，顆粒更容易移動到密實狀態(tài)，顆粒間的相對位置在振動狀態(tài)下發(fā)生變化，出現(xiàn)了相互填充現(xiàn)象，此時，材料內(nèi)骨架顆粒之間相互嵌擠所產(chǎn)生的內(nèi)摩阻力和結(jié)合料與骨料間的粘結(jié)力都很大，形成骨架密實型嵌擠結(jié)構(gòu)，具有較高的承載能力和穩(wěn)定性。

基于振動成型方式，相對早期靜壓成型，級配形式可以進(jìn)行優(yōu)化，因為空隙率的降低，可適當(dāng)增加粗集料含量，提高材料顆粒間的嵌擠性，通過增強(qiáng)振動碾壓來增加骨架顆粒間的內(nèi)摩阻力，從而適當(dāng)降低水泥劑量，在保證強(qiáng)度的前提下提高抗裂效果。

根據(jù)振動壓實理論，每一種材料都有不同的自振頻率，激振頻率與自振頻率一致時可達(dá)到最好的壓實效果。振動壓路機(jī)設(shè)計頻率一般比被壓材料的自振頻率變化范圍大一些。目前用于壓實的大中型振動壓路機(jī)的振動頻率范圍是：壓實路基 25～30Hz，壓實底基層 25～40Hz，對壓實粒狀材料和結(jié)合料的穩(wěn)定基層為33～55Hz。且從常用的振動壓路機(jī)的參數(shù)來看，壓路機(jī)的常用振動頻率為 30Hz、35Hz、40Hz 等，最大為48Hz，當(dāng)然振動設(shè)備振動頻率實現(xiàn) 50Hz 以內(nèi)是可調(diào)的。

而對于振動壓實也曾一度有認(rèn)識上的差異，原因是早期的路基路面用的是靜力壓實工藝，靠壓路機(jī)的自重進(jìn)行碾壓，以室內(nèi)重型擊實法進(jìn)行配合比設(shè)計，確定最大干密度及最佳含水量，用靜壓法試件強(qiáng)度作為設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)控制石灰、粉煤灰或水泥摻量。

最初的配比設(shè)計是室內(nèi)采用重型擊實試驗，以確定材料的最大干密度和最佳含水量，采用靜壓成型試件測定 7 天無側(cè)限抗壓強(qiáng)度，重型擊實法設(shè)計配合比對應(yīng)著靜力壓實工藝是合適的、匹配的。而后來施工現(xiàn)場大多采用振動壓路機(jī)和膠輪壓路機(jī)進(jìn)行碾壓。很明顯，傳統(tǒng)設(shè)計方法與現(xiàn)場碾壓工況不匹配，室內(nèi)試驗數(shù)據(jù)難以準(zhǔn)確反映和控制現(xiàn)場施工質(zhì)量，室內(nèi)試驗確定半剛性基層混合料最大干密度、最佳含水量的重型擊實試驗方法及測定混合料無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的試件成型方式與現(xiàn)場碾壓方式不一致。由此衍生了一系列問題：

試驗室設(shè)計的配比壓實度標(biāo)準(zhǔn)偏低、級配不良，現(xiàn)場測試超百的問題嚴(yán)重，促使施工方在現(xiàn)有壓實設(shè)備下，無需對施工工藝嚴(yán)格控制也能達(dá)到較高的壓實度——事實上正是在虛假的壓實度容易達(dá)到的情況下，基層的壓實被忽視，這在很多工程上出現(xiàn)了嚴(yán)重問題。不匹配的室內(nèi)試驗標(biāo)準(zhǔn)已嚴(yán)重阻礙了科技進(jìn)步及生產(chǎn)的發(fā)展，直到后來開發(fā)能夠模擬現(xiàn)場壓實工況的室內(nèi)試件成型方式——振動成型配合比設(shè)計方法，在材料設(shè)計、評價指標(biāo)及試驗方法上與工程實際一致，這個問題才得以解決。

這也提出另外一個問題，絕大多數(shù)攪拌樓是雙臥軸強(qiáng)制攪拌，而試驗室配置的基本都是單臥軸攪拌機(jī)，試驗室試驗如果與生產(chǎn)過程差異過大，如何有效指導(dǎo)生產(chǎn)？這也應(yīng)該是大家需要關(guān)注的問題！

雄安新區(qū)特聘專家。中國商品混凝土行業(yè)企業(yè)專家委員會副主任，中國散裝水泥協(xié)會混凝土分會副秘書長，數(shù)十項國家重點工程混凝土專項技術(shù)指導(dǎo)。

發(fā)表論文一百余篇，獲得省部級科技進(jìn)步一等獎一項，三等獎三項，兩次帶隊獲全國混凝土設(shè)計大賽一等獎，主編地方規(guī)范兩部。