振動(dòng)攪拌對(duì)C50混凝土性能的影響

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(zhǎng)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(guó)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(huì)進(jìn)步，人們對(duì)資源、環(huán)境、施工、使用及性能方面的要求也越來(lái)越高，對(duì)混凝土的研究和認(rèn)知也越來(lái)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(lái)，國(guó)內(nèi)許多專(zhuān)家學(xué)者也開(kāi)始重視混凝土攪拌工藝的問(wèn)題。馮忠緒[1]等研究振動(dòng)攪拌技術(shù)，制作出雙臥軸振動(dòng)攪拌機(jī)并開(kāi)始廣泛運(yùn)用。馮建生[2]等研究振動(dòng)攪拌對(duì)不同等級(jí)混凝土的性能效果，發(fā)現(xiàn)各個(gè)等級(jí)的新拌混凝土引氣效果明顯；相較于普通攪拌，振動(dòng)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(dòng)攪拌對(duì)于大流動(dòng)性混凝土的性能和微結(jié)構(gòu)有顯著改善，在不降低流動(dòng)性的情況下，采用振動(dòng)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(dòng)攪拌技術(shù)攪拌高強(qiáng)流態(tài)混凝土，發(fā)現(xiàn)使用振動(dòng)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(guò)研究不同振動(dòng)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(dòng)幅值和加速度。

綜上所述，國(guó)內(nèi)外對(duì)混凝土振動(dòng)攪拌的研究主要集中于不同類(lèi)型的混凝土在振動(dòng)攪拌下與普通強(qiáng)制攪拌下的性能差異，較少研究振動(dòng)攪拌時(shí)間對(duì)振動(dòng)攪拌過(guò)程的影響，因此本文通過(guò)研究振動(dòng)攪拌時(shí)間對(duì)C50混凝土和易性及力學(xué)性能的影響，為振動(dòng)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(wàn)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(chǎng)級(jí)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(wàn)通青化石料有限公司5～20mm連續(xù)級(jí)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(lái)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(dòng)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(dòng)攪拌的機(jī)理[6]是將激振器引起的振動(dòng)引入攪拌過(guò)程，使振動(dòng)與攪拌同時(shí)進(jìn)行，與此同時(shí)，攪拌軸和槳葉產(chǎn)生周期性的振動(dòng)傳遞給周?chē)幕旌衔?，使水泥顆粒不斷地抖動(dòng)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(dòng)攪拌機(jī)

表1 振動(dòng)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(duì)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(jiàn)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(cè)定單一攪拌時(shí)間(180s)下普通強(qiáng)制攪拌和五個(gè)不同攪拌時(shí)間(90s、100s、110s、120s、130s)下振動(dòng)攪拌在不同養(yǎng)護(hù)時(shí)間下的C50混凝土性能,每個(gè)攪拌時(shí)間下試驗(yàn)所需的試件尺寸及數(shù)量見(jiàn)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(cè)定新拌混凝土的塌落度、擴(kuò)展度和含氣量，分析振動(dòng)攪拌時(shí)間對(duì)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(duì)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(cè)試，分析振動(dòng)攪拌時(shí)間對(duì)混凝土力學(xué)性能的影響；對(duì)混凝土的破壞模態(tài)進(jìn)行研究，分析振動(dòng)攪拌對(duì)混凝土破壞時(shí)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(dòng)恒應(yīng)力試驗(yàn)機(jī)

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 振動(dòng)攪拌時(shí)間對(duì)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(duì)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(guò)初始坍落度和擴(kuò)展度來(lái)檢測(cè)混凝土和易性是否達(dá)標(biāo)。不同振動(dòng)攪拌時(shí)間下混凝土拌合物的工作性能見(jiàn)表4。

表4 不同振動(dòng)攪拌時(shí)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(dòng)時(shí)間變化的關(guān)系。隨著振動(dòng)攪拌時(shí)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(dòng)攪拌120s時(shí)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(dòng)攪拌時(shí)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(zhǎng)是因振動(dòng)與攪拌兩者同時(shí)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(dòng)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(dòng)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(dòng)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(dòng)性，振動(dòng)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(huì)有潤(rùn)滑效果；130s時(shí)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?dòng)攪拌時(shí)間過(guò)長(zhǎng)時(shí)，混凝土拌合物出現(xiàn)“過(guò)振”現(xiàn)象，進(jìn)一步振動(dòng)攪拌會(huì)使得混凝土的和易性下降，勻質(zhì)性變差[11]。

2.2 振動(dòng)攪拌時(shí)間對(duì)混凝土含氣量的影響

振動(dòng)攪拌時(shí)間對(duì)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(dòng)攪拌時(shí)間的增長(zhǎng)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(dòng)時(shí)間為90s時(shí)，C50混凝土含氣量較強(qiáng)制攪拌180s時(shí)增加35.3%;振動(dòng)時(shí)間為130s時(shí)，C50混凝土含氣量較強(qiáng)制攪拌180s時(shí)增加94.1%。這是因?yàn)榛炷翉?qiáng)制攪拌時(shí)拌合物內(nèi)部的氣泡在攪拌的作用下四散分開(kāi)，并分散在混凝土表面，阻止氣體進(jìn)入。而在振動(dòng)攪拌時(shí)，混凝土表面的水膜層破壞，拌合料在攪拌時(shí)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(dòng)攪拌工藝制備混凝土?xí)r，應(yīng)注意振動(dòng)攪拌時(shí)間對(duì)混凝土含氣量的影響。

圖4 不同振動(dòng)攪拌時(shí)間下混凝土的含氣量

2.3 振動(dòng)攪拌時(shí)間對(duì)混凝土立方體及軸心抗壓強(qiáng)度的影響

不同振動(dòng)攪拌時(shí)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(jiàn)表5和圖5所示，可見(jiàn)，隨著振動(dòng)攪拌時(shí)間的增長(zhǎng)，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(shì)，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(shí)有所改善。養(yǎng)護(hù)28d后，振動(dòng)攪拌90s時(shí)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?dòng)攪拌有效地幫助了團(tuán)聚體水泥顆粒的分散，增強(qiáng)了水泥的水化作用，在振動(dòng)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(dòng)攪拌時(shí)間的增長(zhǎng)，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?dòng)攪拌工藝在提升混凝土勻質(zhì)性的同時(shí)，具有一定的引氣作用，振動(dòng)攪拌時(shí)間較短時(shí)，引氣量較小，振動(dòng)攪拌時(shí)間進(jìn)一步增加時(shí)，混凝土含氣量進(jìn)一步增加，對(duì)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(dòng)攪拌時(shí)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(shí)間)

2.4 振動(dòng)攪拌時(shí)間對(duì)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(shí)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(jiàn)表6。對(duì)數(shù)據(jù)分析后由圖6可知，相較于普通強(qiáng)制攪拌，振動(dòng)攪拌對(duì)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(shí)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(méi)有隨著振動(dòng)攪拌時(shí)間產(chǎn)生具有一定規(guī)律的變化，在養(yǎng)護(hù)時(shí)間28d后，僅在振動(dòng)攪拌110s時(shí)表現(xiàn)出一定的提高，在其他攪拌時(shí)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(dòng)攪拌110s和100s時(shí)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(dòng)攪拌時(shí)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(shí)間)

圖7所示為不同振動(dòng)攪拌時(shí)間對(duì)C50混凝土彈性模量的影響。振動(dòng)攪拌時(shí)間為90s時(shí)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(dòng)攪拌時(shí)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(shí)的彈性模量，表明振動(dòng)攪拌對(duì)C50混凝土抵抗彈性變形的能力有顯著提升。

圖7 不同振動(dòng)攪拌時(shí)間下混凝土的彈性模量

2.5 振動(dòng)時(shí)間對(duì)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(guò)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(lái)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(guò)其他手段來(lái)提升混凝土的該性能十分必要。

由圖8可見(jiàn)，隨著振動(dòng)攪拌時(shí)間的增加，混凝土的拉壓比和折壓比有明顯的提高。振動(dòng)攪拌時(shí)間110s左右時(shí)，振動(dòng)攪拌對(duì)混凝土的拉壓比和折壓比提高最顯著。28d養(yǎng)護(hù)時(shí)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(guò)大、韌性過(guò)低的問(wèn)題，增強(qiáng)了混凝土的耐久性。

圖8 不同振動(dòng)攪拌時(shí)間下混凝土的拉壓比和折壓比(180s為強(qiáng)制攪拌時(shí)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(shí),隨著壓力的增加，試件中逐漸開(kāi)始出現(xiàn)細(xì)微裂縫，當(dāng)達(dá)到極限荷載時(shí)，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(zhǎng)，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(duì)28d軸心抗壓試件的最終破壞界面進(jìn)行分析，可知振動(dòng)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(dòng)攪拌時(shí)間的增長(zhǎng)，混凝土破壞時(shí)沿骨料間隙產(chǎn)生的裂縫逐步減少，而振動(dòng)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(dòng)攪拌對(duì)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(dòng)攪拌各時(shí)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(dòng)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(dòng)攪拌90s時(shí)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(dòng)攪拌110s和100s時(shí)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(dòng)攪拌時(shí)間的增加，混凝土的拉壓比和折壓比得到明顯的提高。振動(dòng)攪拌時(shí)間110s左右時(shí)，振動(dòng)攪拌對(duì)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(duì)28d軸心抗壓試件的破壞界面分析進(jìn)一步表明，振動(dòng)攪拌對(duì)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(duì)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(dòng)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(dòng)攪拌時(shí)間。