高性能混凝土振動攪拌技術(shù)研究

王智慧

（中交二公局第六工程有限公司，陜西 西安 710003）

1 傳統(tǒng)攪拌技術(shù)的不足

傳統(tǒng)攪拌機(jī)的攪拌運(yùn)動方式分為三種：周向運(yùn)動、軸向運(yùn)動和徑向運(yùn)動。以上三種運(yùn)動的復(fù)合作用滿足宏觀均勻性的要求，卻不能讓細(xì)微尺寸的“黏結(jié)料團(tuán)?！背浞謴浬ⅰ?/p>

目前，傳統(tǒng)靜力攪拌技術(shù)的應(yīng)用形式主要有兩類：①自落式攪拌技術(shù)，主要是借助于攪拌葉片的分割及提升作用，帶動混合物料上升，然后當(dāng)物料重力破壞摩擦力平衡，則會自由下落，如此以往便能使物料攪拌足夠均勻。其技術(shù)優(yōu)勢在于功耗相對低，且攪拌機(jī)械不易受磨損，但也因其達(dá)不到較高攪拌強(qiáng)度，而使其面臨混凝土攪拌效率低的問題，并且對混凝土材質(zhì)有所要求，主要為塑性、半塑性等材料。②強(qiáng)制攪拌技術(shù)，有效提高物料攪拌劇烈程度，采用的是旋轉(zhuǎn)攪拌的方式，具有更強(qiáng)的靜力作用，混合料可受到擠壓、剪切、翻滾等攪拌效果，因而整體攪拌效率顯著提升，但也帶來攪拌設(shè)備的極大損耗。同時，在使用中也有局限性，干硬性、輕骨料混凝土可采用該攪拌方式。整體而言，常規(guī)靜力攪拌方式下，普遍存在攪拌速度受限的問題，而且物料中心位置不易得到充分?jǐn)嚢?，整體攪拌效果存在均質(zhì)性差的問題，水泥團(tuán)粒問題也較多存在，并且在追求高性能混凝土應(yīng)用過程中，常規(guī)靜力攪拌技術(shù)的缺陷更為明顯。

2 振動攪拌技術(shù)原理及其優(yōu)勢

2.1 技術(shù)原理

振動攪拌示意圖如圖1所示，其所能實(shí)現(xiàn)的不僅是混凝土宏觀上的攪拌、對流，還能借助振動作用而達(dá)到微觀層面上的有效擴(kuò)散，兩者結(jié)合可使物料攪拌達(dá)到拌勻、拌透的目的。其技術(shù)基礎(chǔ)仍是常規(guī)攪拌機(jī)械，以其為基礎(chǔ)進(jìn)行技術(shù)創(chuàng)新，開發(fā)應(yīng)用新的振動攪拌的模式，能夠使物料實(shí)現(xiàn)高頻微觀擴(kuò)散，進(jìn)而使混凝土性能更加優(yōu)異。

圖1 振動攪拌示意圖

其技術(shù)核心在于：首先是采取了“位移式”激振的方式，使之與攪拌裝置相結(jié)合，該技術(shù)在常規(guī)邊攪拌邊振動方式基礎(chǔ)上進(jìn)行了創(chuàng)新，可保證其在規(guī)定物料質(zhì)量范圍內(nèi)維持均勻振幅，不再受物料多寡影響，振動攪拌效果得以提升；其次是采用了先進(jìn)的振動能量定向傳播技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)在攪拌軸振動過程中而有效降低攪拌設(shè)備殼體的振動幅度，省去了減振環(huán)節(jié)，降低設(shè)備成本及能量損耗。為此，通過綜合運(yùn)用以上兩項(xiàng)技術(shù)，位移激振的方式使得混凝土攪拌更為高效，而振動能量定向傳播技術(shù)可實(shí)現(xiàn)能量利用率提升，減少振動能量損耗。

振動攪拌的內(nèi)在機(jī)理：在常規(guī)攪拌方式下，水泥顆粒更易產(chǎn)生聚團(tuán)效應(yīng)，如圖2所示，而通過應(yīng)用振動攪拌的方式，可打破這種黏聚狀態(tài)，保證水泥顆粒分布均勻性。不僅如此，在振動攪拌方式下，可實(shí)現(xiàn)混合料顆粒的高速運(yùn)動、碰撞，進(jìn)而使水化反應(yīng)加速，混凝土漿體轉(zhuǎn)化為液相的速度也大幅提升。正是因?yàn)檎駝訑嚢柘驴色@得更佳的水化效果，從氣相成分及分布來說，相較于常規(guī)攪拌方式，也有很大提升。同時，振動攪拌還有其他效果，有助于集料表面的凈化，使混凝土內(nèi)部材料黏結(jié)力效果更佳，進(jìn)而使高性能混凝土耐久性得以優(yōu)化。微觀均勻是水泥顆粒3～80μm，粉煤灰顆粒45μm 左右，水滴最小直徑20μm。因此，添加劑用量更少、顆粒直徑更小，以上各種細(xì)集料黏結(jié)料顆粒均勻分布才是微觀均勻。

圖2 微觀水泥顆粒分布對比

2.2 振動攪拌技術(shù)優(yōu)勢

首先可實(shí)現(xiàn)混凝土品質(zhì)的提升，具體體現(xiàn)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的優(yōu)化。相較于常規(guī)攪拌方式，在保證材料品質(zhì)及配比一致性情況下，振動攪拌技術(shù)可以使其強(qiáng)度超逾8%，并且還能減少持續(xù)攪拌的時長，同時還具有較小的離差系數(shù)；其次有助于水泥材料的節(jié)約，可以在更小的水泥比例下，達(dá)到設(shè)計(jì)要求的混凝土強(qiáng)度，而且經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，相較于常規(guī)攪拌方式，即使水泥用量降低5%，利用振動攪拌的方式同樣可達(dá)足夠抗壓強(qiáng)度，具有較好的經(jīng)濟(jì)性；再次在振動攪拌機(jī)械方面，通過進(jìn)行動平衡分析，振動攪拌相關(guān)機(jī)械具有更佳的性能，而且設(shè)備整體可靠性較好；最后從振動攪拌設(shè)備角度而言，因其采用的是自身振動的原理，能夠避免混凝土的黏連附著，攪拌軸、缸體等部位更加便于清理和維護(hù)，尤其是相較于常規(guī)攪拌方式下的相關(guān)設(shè)備，清理問題得到有效簡化。詳見表1。

表1 振動攪拌技術(shù)優(yōu)勢對比

3 混凝土攪拌試驗(yàn)分析

為深入研究振動攪拌機(jī)理及實(shí)用效果，本文依托于實(shí)際工程，在相同材料及配比條件下，通過進(jìn)行對比試驗(yàn)，分析振動攪拌與常規(guī)攪拌技術(shù)的優(yōu)劣，并逐步探索提高振動攪拌技術(shù)可靠性的具體措施，進(jìn)而為混凝土的性能指標(biāo)及生產(chǎn)效益提升創(chuàng)造條件。

3.1 工程概況

京德高速公路起于北京大興區(qū)國際機(jī)場（新機(jī)場高速北線），經(jīng)北京、河北、山東2 省1 市，起點(diǎn)位于故城縣城東刁南莊與吳夏莊之間衛(wèi)運(yùn)河（冀魯省界），與德州－上饒高速公路（G0321）連接，是中國高速公路網(wǎng)中的一條南北縱線。京德高速作為雄安新區(qū)“四縱三橫”區(qū)域高速公路網(wǎng)中縱四線，是雄安新區(qū)通往北京新機(jī)場與冀東南、魯西之間的重要聯(lián)系通道，也是北京新機(jī)場“五縱兩橫”地面綜合交通體系中縱向機(jī)場高速的重要組成部分，

該條高速公路建成通車后將有力促進(jìn)高速公路沿線的經(jīng)濟(jì)發(fā)展，為脫貧攻堅(jiān)戰(zhàn)取得好成績奠定了良好的基礎(chǔ)。主線起自廊坊市固安縣紀(jì)家莊村東京冀界，與北京段（新機(jī)場南北航站樓聯(lián)絡(luò)線）順接，向南經(jīng)西營、知子營、大辛閣、養(yǎng)馬莊，龍虎莊、康仙莊，在蘇橋鎮(zhèn)跨越大清河及趙王新河，后轉(zhuǎn)向西南經(jīng)大圍河鄉(xiāng)、文安縣城西、大留鎮(zhèn)東進(jìn)入滄州市境內(nèi)，向南經(jīng)梁召鎮(zhèn)，終于任丘市梁召鎮(zhèn)與津石高速交叉處，路線全長87.256km。

主線采用雙向六車道高速公路標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)，設(shè)計(jì)速度120km/h，路基寬度34.5m。主線設(shè)知子營、千人目、徐各莊、梁召樞紐互通立交4處，機(jī)場、永清西、永清南、霸州東、文安西、文安北、大留鎮(zhèn)服務(wù)型互通立交7處。設(shè)特大橋30 770m/6座，大橋2 697m/8座，中橋134m/2座，涵洞22道，通道63道。設(shè)主線上跨分離式立交2 579.3m/12座、天橋2座。設(shè)匝道收費(fèi)站7處，服務(wù)區(qū)2處，停車區(qū)2處，養(yǎng)護(hù)中心1處，監(jiān)控通信分中心1處。

本單位所承建的京德高速ZT6標(biāo)，為雙向六車道高速公路，主要包含路基工程6.48km，路面工程21.269km，還包括橋涵、防護(hù)、排水等工程。本項(xiàng)目主要配置振動攪拌站，而且振動攪拌技術(shù)裝備相對成熟，采取嚴(yán)格的材料品質(zhì)及堆放管理措施，較好地保障了對比試驗(yàn)的準(zhǔn)確性。本次研究的目標(biāo)是利用振動活化與強(qiáng)制拌和有機(jī)結(jié)合的方法來生產(chǎn)混凝土，該技術(shù)在各個地區(qū)已得到成功應(yīng)用。開展（高性能）混凝土振動拌和機(jī)理的研究，形成面向工程應(yīng)用的可靠的振動攪拌技術(shù)，將為提高混凝土性能和生產(chǎn)效率開創(chuàng)一條更為經(jīng)濟(jì)的途徑。為工程建設(shè)降本增效創(chuàng)造較大的經(jīng)濟(jì)效益，為節(jié)能減排綠色生產(chǎn)創(chuàng)造顯著的社會效益。

3.2 試驗(yàn)方案

為準(zhǔn)確體現(xiàn)振動攪拌技術(shù)優(yōu)勢，通過以下對比試驗(yàn)的方式。以本項(xiàng)目工程中常用的C50、C40、C35 三種不同標(biāo)號混凝土為試驗(yàn)對象，研究其在不同攪拌條件下常規(guī)攪拌與振動攪拌兩種方式的差異。首先進(jìn)行抗壓強(qiáng)度的對比，通過建立時間梯度（3d、7d、28d），分析不同時限下混凝土強(qiáng)度參數(shù)。然后再進(jìn)行分組測試，研究各標(biāo)號混凝土在不同振動方式、時長下主要性能參數(shù)的差異，如坍落度、含氣量、擴(kuò)展度等。具體的試驗(yàn)結(jié)果如表2～5所示。

表2 配合比

表3 原材料信息

表4 不同攪拌方式下抗壓強(qiáng)度對比

表5 不同攪拌方式下工作性能對比

3.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

經(jīng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析可知，振動攪拌技術(shù)優(yōu)勢明顯，可促進(jìn)混凝土材料均勻性優(yōu)化，并且相較于常規(guī)攪拌方式混凝土，其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度有3MPa 的提升，混凝土性能獲較大提升。通過振動攪拌的方式，可有效避免非振動攪拌下可能存在的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不均勻問題，并且混凝土材料整體耐久性顯著提高。因此，當(dāng)需達(dá)到設(shè)計(jì)要求的強(qiáng)度、均勻性等關(guān)鍵指標(biāo)的情況下，振動攪拌技術(shù)更有助于水泥用量節(jié)約，進(jìn)而達(dá)到較高經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。振動攪拌與普通攪拌相比，其坍落度值平均要增加10～25mm，相應(yīng)的擴(kuò)展度與含氣量均有提高。通過混凝土外觀狀態(tài)觀察及實(shí)測坍落度指標(biāo)測試都顯示出振動攪拌對提升混凝土的和易性具有一定的優(yōu)勢，混合物不離析、不泌水，更易于施工。與普通攪拌相比，在振動攪拌條件下混凝土3d、28d平均抗壓強(qiáng)度分別提高4%和5%以上。振動攪拌與普通強(qiáng)制攪拌相比，其3d和28d抗壓強(qiáng)度離差系數(shù)都不超過3%；而普通強(qiáng)制攪拌的離差系數(shù)比較大，最大值達(dá)到了3.5%。

通過上述實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況，攪拌過程中打開振動。由于外加劑固含量較高，摻量較低，敏感性強(qiáng)，應(yīng)將高標(biāo)號外加劑與低標(biāo)號外加劑進(jìn)行區(qū)分使用，另外根據(jù)環(huán)境情況適時調(diào)整外加劑用量，避免過摻。開啟振動攪拌后，凈攪拌時間比普通攪拌減少30%左右。為提升混凝土的性能與品質(zhì)，進(jìn)行混凝土生產(chǎn)施工的全過程必須要精細(xì)化控制。注重新技術(shù)對混凝土高性能化數(shù)據(jù)的對比、收集與分析。

4 結(jié)語

為實(shí)現(xiàn)高性能混凝土品質(zhì)的進(jìn)一步優(yōu)化，可從攪拌環(huán)節(jié)入手。由于傳統(tǒng)攪拌技術(shù)存在效率低、勻質(zhì)性差、能耗高等不足，應(yīng)創(chuàng)新應(yīng)用振動攪拌技術(shù)，發(fā)揮其在混凝土性能提升、水泥節(jié)約、設(shè)備易維護(hù)等方面的優(yōu)勢，并在對比試驗(yàn)下得以有效證明從而進(jìn)一步推廣應(yīng)用。