振搗頻率對混凝土性能的影響分析

儲如蟬

(中鐵十四局集團建筑工程有限公司，山東 濟南 250000)

混凝土澆筑、拌合及振搗是混凝土施工中的控制性工藝，而振搗則是提高混凝土強度和密實性的關鍵環(huán)節(jié)。自密實性混凝土可以實現(xiàn)自填充和自密實功能，但由于其成本大、對施工環(huán)境要求高，應用性受到限制。因此，成本低廉、適應性強、操作簡易的振搗棒振搗在施工中仍具有不可替代的地位。

混凝土的工作性能由不同的因素決定，目前，國內(nèi)外學者研究了材料、配合比及養(yǎng)護工藝等方面對混凝土強度的影響[1-4]。關于振搗對混凝土強度的影響，也有許多學者進行了研究。溫家馨等[5]闡述了混凝土振搗密實機理，提出了混凝土振搗技術智能化的發(fā)展方向；徐浩等[6]論證了不同振搗方向?qū)炷翉姸鹊挠绊?；秦明強等[7]研究了振搗頻率與混凝土抗碳性、滲透性的關系，指出振搗頻率過高或過低都會影響混凝土性能；姜良波[8]通過比較高頻振動與普通振動下的混凝土強度檢測數(shù)據(jù)，認為較之傳統(tǒng)振動，高頻振動可有效解決混凝土強度增長慢、蜂窩等質(zhì)量通病。

目前，大部分學者關于振搗對混凝土性能的影響，主要還是集中在宏觀方面，如工作性能、強度發(fā)展、外觀質(zhì)量等，對混凝土微觀組成如氣泡分布、密實程度、均質(zhì)程度、抗?jié)B透性的研究較少。文章以濟南東岳華庭住宅項目墻體C30混凝土施工為依托工程，對試件切片及通電，研究其在不同頻率振搗下的振搗功效、氣孔分布、回彈強度及抗?jié)B透性的變化規(guī)律，研究結果期望對工程實踐起到指導作用。

1 工程概況

濟南市東岳華庭住宅項目，擬建場區(qū)規(guī)劃用地面積約73 245 m2，主要建設17棟18層高層建筑、2棟3～4層商業(yè)樓及會所，高層建筑墻體混凝土設計為C30。

由于對混凝土振搗施工無統(tǒng)一規(guī)定，工人進行混凝土作業(yè)時，振搗時間和頻率主要憑經(jīng)驗控制，導致墻體表觀質(zhì)量差強人意，存在色差和氣泡，強度增長曲線不一，個別部位存在蜂窩孔洞，墻體表觀質(zhì)量如圖1所示。因此，對于混凝土振搗時間及頻率的掌握顯得尤為重要，有必要通過分組試驗研究其影響程度，總結規(guī)律來指導施工生產(chǎn)。

圖1 墻體表觀質(zhì)量

2 原材料及試驗方法

2.1 原材料及配合比

試驗選用的水泥為P.O42.5普通硅酸鹽水泥，其主要物理性能如表1所示；粉煤灰為F類I級粉煤灰；細骨料為人工砂，經(jīng)水洗處理；粗骨料為二級配，粒徑分5～20 mm及20～40 mm兩種，粗骨料與細骨料表觀密度如表2所示；減水劑采用KDSP聚羧酸高性能減水劑，減水率為27.0%，含氣量為2.2%；拌和用水為城市自來水，所檢指標滿足對拌和用水的指標要求。

表1 水泥物理力學性能

表2 粗骨料、細骨料的表觀密度 kg·m-3

混凝土的坍落度由外加劑摻量控制，通過調(diào)整外加劑摻量，配制三組不同坍落度的混凝土。膠凝材料(水泥+粉煤灰)總量為360 kg/m3，其中水泥288 kg/m3，粉煤灰72 kg/m3，水150 kg/m3，水灰比0.42，砂822 kg/m3，粗骨料969 kg/m3，其他配合比如表3所示。

表3 試驗混凝土配合比

2.2 試驗方法

振搗裝置為自主研發(fā)的變頻振搗系統(tǒng)，該系統(tǒng)由振搗棒排組和控制臺組成，控制臺為數(shù)字顯示屏，可以控制振搗棒的振搗頻率在50～3 000 Hz之間，最多可同時進行8組(每組6個)試樣的振搗試驗。每次試驗時，準備3組模具(對應A、B、C三組不同坍落度試樣)，每組4個，模具尺寸為400 mm×400 mm×600 mm。振搗裝置如圖2所示。

圖2 振搗裝置

將新拌合的混凝土倒入模具中，表面抹平；然后，將振搗棒插入模具正中心處，距模具底部10 cm；開啟振搗棒，每組頻率分別為100 Hz、150 Hz、200 Hz、250 Hz，記錄模具內(nèi)混凝土排出氣泡所用時間以及混凝土的出漿時間，此參數(shù)用來反映振搗頻率對振搗功效的影響。完畢后緩慢拔出振搗棒，靜止1 h后，對混凝土進行脫模并標記好編號，在標準條件下養(yǎng)護28 d。為使結果具有統(tǒng)計意義，該試驗共做3次，取各結果的平均值作為數(shù)據(jù)代表值。

到達齡期后，將混凝土試塊上下各取150 mm厚度進行切割，經(jīng)研磨、拋光后，對混凝土切割面進行墨水染色處理，如圖3所示。然后，用石灰粉粉末填充切割面內(nèi)孔隙，除去表面多余粉末，用氣孔分析儀(如圖4)觀察切片混凝土的氣孔分布情況，量測氣孔尺寸，統(tǒng)計各尺寸氣孔的數(shù)量及分布，用來反映振搗頻率對氣孔分布及混凝土密實程度的影響。

圖3 混凝土氣孔觀測切片(單位：mm)

混凝土抗?jié)B透性主要是指抵抗氯離子滲透的能力，使用混凝土電通量測定儀(如圖5)測量一定時間內(nèi)的電通量值。

圖4 HC-457型硬化混 圖5 DTL-6混凝土氯離子

凝土氣孔分析儀 電通量測定儀

3 試驗結果分析

3.1 振搗頻率對振搗功效的影響

新拌混凝土屬于Bingham流體，是一種復雜的三相混合物[9]，氣泡受內(nèi)部阻力的影響，不能自行排出。振搗時，混凝土產(chǎn)生流動，排出內(nèi)部多余氣泡，用秒表記錄不同振搗頻率下各試件的出漿時間及氣泡排空持續(xù)時間，出漿時間和排氣時間用時越短，說明振搗功效越高。結果取3次試驗的平均值，數(shù)據(jù)如圖6所示。

由圖6可知，當振搗頻率不變時，混凝土坍落度

圖6 振搗頻率對混凝土性能的影響

越大，其出漿時間和排氣時間用時越短，其中C組混凝土振搗密實的時間約為10～40 s，而A組混凝土振搗時間是C組混凝土振搗時間的2倍以上。在同組的混凝土振搗過程中，不同頻率振搗混凝土使其密實的時間差異也較大，C組最少相差16 s，A組最多相差30 s。

3.2 振搗頻率對氣孔分布的影響

混凝土內(nèi)氣孔在尺度上可分為兩類：一類氣泡直徑r>5 mm(如圖7(a)所示)，該氣泡是由于振搗不充分導致氣泡沒能完全排出所產(chǎn)生的形狀不規(guī)則的大氣孔；另一類氣泡直徑0.5 mm≤r≤5 mm(如圖7(b)所示)，該氣泡是由于混凝土拌合時空氣被引入所產(chǎn)生的?；炷燎衅?，用氣孔分析儀觀察切片混凝土的氣孔分布情況，量測氣孔尺寸，統(tǒng)計出上下兩層混凝土氣孔總數(shù)量，取3次試驗的平均值，統(tǒng)計結果如表4所示。

圖7 混凝土內(nèi)氣泡分布

從表中數(shù)據(jù)可以看出：坍落度越低，振搗頻率越低，空隙率越大，大氣泡(直徑r>5 mm)較多，但上下層氣泡數(shù)量相近；坍落度越高，振搗頻率越高，空隙率降低，小氣泡(直徑0.5 mm≤r≤5.0 mm)較多，且氣泡在上下層分布不均勻。原因可能是在高頻振搗條件下，混凝土內(nèi)部較大氣泡被分裂成小氣泡，使混凝土內(nèi)部上下層的氣泡相差較明顯?？梢缘贸鼋Y論：適當?shù)念l率振搗可以提高氣泡的排出效率，增強混凝土密實性。

表4 混凝土內(nèi)部氣泡檢測

3.3 振搗頻率對回彈強度的影響

利用回彈儀測量混凝土的回彈強度，取3次試驗的平均值，3組混凝土結果如圖8所示。由圖可知：隨著頻率的增大，各組混凝土強度均有不同程度的提高，原因是頻率增大后，混凝土含氣量降低，密實性提高；混凝土坍落度越小、振搗頻率越低，其均質(zhì)性較好；當振搗頻率為100 Hz時，A組混凝土上、下層回彈強度差值最小，為1.3 MPa；當振搗頻率為200 Hz時，C組混凝土上、下層回彈強度差值最大，為5.5 MPa，但是當振搗頻率降低至100 Hz時，其回彈強度差值也得到較好的控制。因此，控制混凝土振搗頻率處于一定范圍內(nèi)，可以提高混凝土的均質(zhì)性，即可以保證齡期強度處于穩(wěn)定的受控狀態(tài)，不至于忽高忽低。

圖8 混凝土回彈強度及其勻質(zhì)性試驗結果

3.4 振搗頻率對抗?jié)B透性的影響

氯離子侵蝕是導致鋼筋銹蝕的罪魁禍首之一，其會大幅降低混凝土的耐久性，混凝土抗氯離子滲透性能是耐久性的表征指標之一，可以通過測量試件的電通量反映氯離子的滲透能力。

試驗時，將剩余的300 mm厚試塊繼續(xù)養(yǎng)護28 d后，取中部50 mm。將試樣放在飽水機中充分飽水，使水分充滿毛細管路，此步驟目的是打通離子通過的通道。然后，將試樣裝入氯離子電通量測定儀，電池盒正極注入0.3%的NaOH溶液，負極注入3%的NaCl溶液，溶液中正離子有H+和Na+，負離子有Cl-和OH-。通入60 V直流電，時間為6 h，儀器自動記錄電通量，電通量越小，表示抗?jié)B透性能越好。取3次試驗的平均值，統(tǒng)計結果如圖9所示。

圖9 混凝土抗?jié)B透性試驗結果

可以看出：隨著頻率的增大，電通量總體呈下降趨勢，表明抗?jié)B透性能有所提升；坍落度較小時，需要較高的振振搗頻率。坍落度較大時，抗?jié)B透性能保持穩(wěn)定。坍落度相同時，電通量最低時對應的頻率各不相同，分別為A組150 Hz，B組200 Hz，C組250 Hz。

4 結論

(1)在100～250 Hz的振搗頻率內(nèi)，隨頻率的提高，混凝土出漿及排氣的持續(xù)時間縮短，表明振搗效果隨振搗頻率的增大而提高。

(2)混凝土的振搗頻率和坍落度是決定其內(nèi)部氣泡分布的重要因素，當坍落度為140 mm、振搗頻率為150 Hz時，混凝土內(nèi)部氣泡分布均勻、孔隙率小、混凝土較為密實。

(3)提高振搗頻率，可以降低混凝土含氣量，提高密實度，從而提高強度；混凝土坍落度越小、振搗頻率越低，其均質(zhì)性較好。

(4)隨著振搗頻率的提高，混凝土抗?jié)B透性能提升，坍落度較大時，振搗頻率對混凝土抗?jié)B透性能影響較小。

總之，針對不同坍落度的混凝土，選取合適的振搗頻率能有效改善混凝土性能。本工程所用混凝土為C30，坍落度控制在140 mm左右，當振搗頻率在150 Hz時，混凝土排氣時間較短、回彈強度較高，混凝土的勻質(zhì)性及抗?jié)B透性均較好。