振動攪拌對鋼纖維混凝土工作性能的影響研究

蔡力，胡敏，賈文淵，劉中華，張建雄，李濤濤，劉歡建

（1.中交公路養(yǎng)護(hù)工程技術(shù)有限公司，北京 100089；2.長安大學(xué) 道路施工技術(shù)與裝備教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710054）

0 引言

隨著高層建筑、高鐵、公路交通等迅猛發(fā)展，高強(qiáng)混凝土的應(yīng)用需求日益增長，進(jìn)一步提升鋼纖維混凝土性能也成為新的要求。趙秋紅等[1]研究了鋼纖維和橡膠摻量對高性能混凝土抗剪切性能的影響，結(jié)果表明，當(dāng)混凝土中摻入1.5%鋼纖維、10%橡膠時，所制試件的抗剪強(qiáng)度、峰值變形比單摻橡膠的混凝土分別提高了78%和63%。陳從春等[2]研究了鋼纖維體積摻量對超高混凝土力學(xué)性能的影響，結(jié)果表明，劈裂抗拉強(qiáng)度在鋼纖維體積摻量為1.0%~1.5%時增長最快，抗折強(qiáng)度在鋼纖維體積摻量為1.0%~2.5%時增長最快。朱海堂等[3]研究了3類鋼纖維及其摻量對高強(qiáng)混凝土力學(xué)性能的影響，結(jié)果表明，鋼纖維對高強(qiáng)混凝土的抗剪強(qiáng)度、劈裂強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度等有較顯著的影響。楊粉等[4]研究了不同鋼纖維對再生混凝土基本力學(xué)性能的影響及變化規(guī)律，結(jié)果表明，鋼纖維的摻入可以明顯改善混凝土的劈拉及抗折強(qiáng)度。Khaloo和Nakseok[5]的研究表明，鋼纖維摻量對高強(qiáng)混凝土的抗彎剪能力和韌性有影響。Ren和Li[6]采用數(shù)值模擬方法研究了鋼纖維摻量對混凝土基體疲勞損傷的影響，研究表明，鋼纖維的摻量和尺寸對疲勞損傷有影響?；炷恋呐浔群蛽饺氩牧系膬?yōu)化對鋼纖維混凝土性能提升效果顯著，但在配比和材料不變的情況下，攪拌是改進(jìn)混凝土性能最可靠的方法，尤其是基于新攪拌機(jī)理的振動攪拌技術(shù)對混凝土性能改善尤其明顯[7-8]。宋少民等[9]研究了振動攪拌對活性粉末混凝土性能的影響，結(jié)果表明，振動攪拌有利于混凝土工作性能的改善，減少活性粉末混凝土淺表孔結(jié)構(gòu)缺陷。徐鵬杰等[10]研究了振動攪拌對混凝土強(qiáng)度和含氣量的影響，結(jié)果表明，振動攪拌可顯著提高混凝土的強(qiáng)度和含氣量。振動攪拌對混凝土性能改善明顯，但在鋼纖維高強(qiáng)混凝土的生產(chǎn)中應(yīng)用較少。

因此，本文研究了振動攪拌對鋼纖維混凝土工作性能的影響，對比分析振動攪拌與普通攪拌下鋼纖維混凝土的坍落度、含氣量、抗壓強(qiáng)度等的變化，為改善鋼纖維混凝土的性能以及振動攪拌在高性能混凝土中的應(yīng)用提供工程借鑒。

1 振動攪拌原理

振動攪拌通過在普通攪拌的同時施加機(jī)械振動，使得攪拌下混合料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地分布，圖1為振動攪拌原理。同時振動攪拌使混合料的運(yùn)動速度增大，增加了有效碰撞次數(shù)，加速集料顆粒表面水化生成物向液相擴(kuò)散的速度，使水泥水化加速，由于振動作用下水泥水化的程度更加充分，所以，其水化所產(chǎn)生的氣相組分比普通靜力攪拌的氣相組分更多，分布也更均勻。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。

圖1 振動攪拌原理

2 試驗(yàn)材料與方法

2.1 試驗(yàn)材料

水泥：P·O52.5級，主要技術(shù)性能見表1；粉煤灰：Ⅰ級；礦粉：S95級，主要技術(shù)性能見表2；硅灰：S90級，主要技術(shù)性能見表3；鋼纖維：端鉤型，長度20 mm，直徑0.3 mm，抗拉強(qiáng)度2000 MPa；砂：河砂，中砂，表觀密度2658 kg/m3，細(xì)度模數(shù)2.68；減水劑：陜西長慶化工公司提供的聚羧酸減水劑，減水率約18%，固含量98%。

表1 水泥的主要技術(shù)性能

表2 粉煤灰和礦粉的主要技術(shù)性能

表3 硅灰的主要技術(shù)性能

2.2 試驗(yàn)方法

在參考國內(nèi)外活性粉末混凝土配合比設(shè)計(jì)理論的基礎(chǔ)上，通過現(xiàn)場試配，最終根據(jù)28 d抗壓強(qiáng)度和劈裂強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果，本試驗(yàn)鋼纖維混凝土的配合比見表4。

表4 鋼纖維混凝土的配合比 kg/m3

試驗(yàn)中鋼纖維混凝土采用振動攪拌機(jī)（DT60ZBW，許昌德通）成型，關(guān)閉振動，為常規(guī)的靜力攪拌；開啟振動，為振動攪拌，見圖2。攪拌過程中，將水泥、粉煤灰、礦粉、硅灰4種凝膠材料和砂倒入攪拌機(jī)內(nèi)，干拌90 s，再將鋼纖維均勻撒入攪拌機(jī)內(nèi)，干拌30 s，最后加入減水劑和水，濕拌4 min，成型鋼纖維混凝土試件，將成型好的試件放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室內(nèi)（溫度20℃，相對濕度98%）標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)。參照GB/T 50080—2016《普通混凝土拌合物性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》和GB/T 50081—2019《混凝土物理力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》對混凝土的工作性能和力學(xué)性能進(jìn)行測試。

圖2 試驗(yàn)用振動攪拌機(jī)

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 振動攪拌對鋼纖維混凝土工作性能的影響

采用振動攪拌和普通攪拌2種工藝拌和鋼纖維混凝土，其中振動攪拌下振動加速度為2 g，普通攪拌為靜力攪拌，二者其它工藝參數(shù)相同，2種攪拌工藝下新拌鋼纖維混凝土的工作性能見表5。

表5 2種攪拌工藝下新拌鋼纖維混凝土的工作性能

由表5可知，與普通攪拌相比，振動攪拌下新拌混凝土的坍落度、擴(kuò)展度和含氣量分別增大了7.1%、4.1%、7.9%，倒置坍落度筒排空時間縮短了32.2%。表明在振動攪拌作用下，顆粒的微觀結(jié)構(gòu)分散更為均勻，振動攪拌下新拌混凝土的流動性、粘聚性、穩(wěn)定性更好。

3.2 振動攪拌對鋼纖維混凝土抗壓和劈裂強(qiáng)度的影響（見表6）

表6 2種攪拌工藝下鋼纖維混凝土的抗壓強(qiáng)度、劈裂強(qiáng)度和離差系數(shù)

由表6可知：

（1）與普通攪拌相比，振動攪拌下鋼纖維混凝土的3、7、28 d抗壓強(qiáng)度分別提高了6.9%、8.3%、8.8%，離差系數(shù)分別降低了25.4%、33.4%、18.6%，按全壽命周期看，抗壓強(qiáng)度平均提高了8%，離差系數(shù)降低了25.8%。

（2）與普通攪拌相比，振動攪拌下鋼纖維混凝土的3、7、28 d劈裂強(qiáng)度分別提高了2.1%、5.7%、8.4%，離差系數(shù)分別降低了23.2%、21.9%、28.4%，按全壽命周期看，劈裂強(qiáng)度平均提高了5.4%，離差系數(shù)降低了24.5%。

（3）對于鋼纖維高性能混凝土，振動攪拌能提高其抗壓強(qiáng)度和劈裂強(qiáng)度，離差系數(shù)也大幅下降。這是因?yàn)?，從鋼纖維本身形成高性能混凝土的機(jī)理看，鋼纖維起到了增強(qiáng)混凝土材料之間連接的作用，但傳統(tǒng)的攪拌方法難以保證鋼纖維攪拌均勻，也難以保證水泥顆粒的均勻分散，振動攪拌是在普通攪拌的基礎(chǔ)上加以振動，解決了傳統(tǒng)攪拌對水泥、鋼纖維高性能混凝土攪拌產(chǎn)生的易團(tuán)聚弊端，宏觀上表現(xiàn)出強(qiáng)度提高，并且離差系數(shù)變小。

3.3 振動攪拌對鋼纖維混凝土粘結(jié)力的影響

在混凝土中，粘結(jié)力主要依靠水泥漿體與細(xì)集料與粉料組成的粘性組分形成對粗集料的裹附，其能夠被用來評價(jià)拌合料的抗剪強(qiáng)度。根據(jù)莫爾理論公式（1）可以得到鋼纖維混凝土的粘結(jié)力，其中劈裂強(qiáng)度間接表示抗拉強(qiáng)度。計(jì)算粘結(jié)力時可以通過公式變形求得而不涉及內(nèi)摩擦角的具體數(shù)值。

式中：fc——抗壓強(qiáng)度，MPa；

ft——抗拉強(qiáng)度，MPa；

c——粘結(jié)力，MPa；

φ——內(nèi)摩擦角，（°）。

2種攪拌工藝下鋼纖維混凝土的粘結(jié)力如表7所示。

表7 2種攪拌工藝下鋼纖維混凝土的粘結(jié)力

由表7可見，與普通攪拌相比，振動攪拌下鋼纖維混凝土的3、7、28 d粘結(jié)力分別提高了4.8%、7.3%、8.2%，平均提高了6.7%。這主要是振動攪拌的機(jī)理導(dǎo)致，拌合中加入振動，破壞了水泥顆粒的團(tuán)聚，使水泥漿均勻地彌散開并包裹在粗骨料表面，并且振動也使得鋼纖維分散更加均勻，與其它材料之間更緊密。

4 結(jié)論

（1）與普通攪拌相比，振動攪拌下新拌混凝土的坍落度、擴(kuò)展度和含氣量分別增大了7.1%、4.1%、7.9%，倒置坍落度筒排空時間縮短了32.2%。表明振動攪拌能有效改善鋼纖維混凝土的流動性、粘聚性，且穩(wěn)定性更好。

（2）與普通攪拌相比，振動攪拌下鋼纖維混凝土的3、7、28 d抗壓強(qiáng)度分別提高了6.9%、8.3%、8.8%，抗壓離差系數(shù)分別降低了25.4%、33.4%、18.6%；3、7、28 d劈裂強(qiáng)度分別提高了2.1%、5.7%、8.4%，劈裂離差系數(shù)分別降低了23.2%、21.9%、28.4%。振動攪拌使得鋼纖維混凝土的力學(xué)性能有明顯提高。

（3）與普通攪拌相比，振動攪拌下鋼纖維混凝土的3、7、28 d粘結(jié)力分別提高了4.8%、7.3%、8.2%，平均提高了6.7%。