基于振動攪拌的混凝土配合比設(shè)計及其性能研究

吳多明，汪金滿△，王 鑫，馬 強

（1.甘肅省第五建設(shè)集團有限責(zé)任公司，甘肅 天水 741000；2.天水師范學(xué)院土木工程學(xué)院，甘肅 天水 741001）

1 引言

近年來，國內(nèi)基礎(chǔ)建設(shè)規(guī)模擴展，混凝土用量加劇，從而導(dǎo)致水泥用量逐年增加。然而，水泥的生產(chǎn)會產(chǎn)生大量的CO2，從而造成嚴重的環(huán)境污染。所以，若能減少國內(nèi)每年的水泥用量，則可以減輕土木行業(yè)碳排放問題，從而達到改善環(huán)境的目的。目前常用的普通攪拌機成型的混凝土內(nèi)部約20%的水泥顆粒僅起到了填充作用，并未參與水化反應(yīng)，造成了大量水泥的浪費，間接使環(huán)境污染加劇。而振動攪拌集攪拌與微振動于一體，可以使水泥顆粒分散均勻，從而起到促進水泥水化作用。所以，利用振動攪拌機成型混凝土符合國家發(fā)展要求，具有十分重要的意義。

振動攪拌對混凝土性能的影響主要是物理分散作用，針對此，國內(nèi)外學(xué)者進行了多年的研究，積累了一定的理論成果。姚運仕等[1]根據(jù)普通攪拌機與振動攪拌機拌和的混凝土和易性與抗壓強度試驗，分析了振動攪拌對混凝土性能的影響，結(jié)果表明，利用振動攪拌機成型混凝土不僅可以縮短攪拌時間還可以優(yōu)化混凝土和易性與抗壓強度。張良奇[2]通過大量試驗分析論證了振動攪拌機所制備的混凝土性能優(yōu)于普通攪拌機制備的混凝土，同時研究了振動攪拌改善混凝土機理。張海濤等[3]基于實際工程項目，建立了工程大型振動攪拌機與室內(nèi)小型振動攪拌機的關(guān)聯(lián)，并通過室內(nèi)小型振動攪拌機研究了水泥穩(wěn)定碎石配合比。陳柯等[4]利用凍融循環(huán)與收縮性試驗分析了振動攪拌拌和的路基材料抗凍與抗收縮性能，結(jié)果表明，采用振動攪拌拌和的路基材料抗凍性與抗收縮性均優(yōu)于普通攪拌機拌和的路基材料。黃天勇等[5]分析了不同養(yǎng)護條件下振動攪拌機與普通攪拌機拌和的混凝土工作性能與抗壓強度，結(jié)果表明，2種攪拌機拌和的混凝土工作性能相似，但是振動攪拌可使混凝土抗壓強度有所提高，提高程度隨著混凝土強度等級而變。董武等[6]利用振動攪拌機成型了再生骨料混凝土，并對其性能進行了研究，結(jié)果表明，通過振動攪拌機成型的混凝土表觀密度有較大幅度的增大，同時，混凝土內(nèi)部含氣量有所增加。王博[7]、李雪連等[8]也利用振動攪拌機分別成型了水泥穩(wěn)定碎石與混凝土并進行了研究。然而，關(guān)于利用振動攪拌機成型混凝土?xí)r配合比設(shè)計與氣孔結(jié)構(gòu)的研究，目前未見文獻報道。

文章基于振動攪拌機運行機理，分別將水泥用量降低3%、5%、7%、9%后，設(shè)計了5組混凝土配合比。利用振動攪拌機成型混凝土，并研究了水泥減少量不同時混凝土的和易性、抗壓強度以及養(yǎng)護28 d后的氣孔結(jié)構(gòu)。從而為振動攪拌機的研究和土木行業(yè)的綠色發(fā)展提供可靠的數(shù)據(jù)支撐。

2 試驗

2.1 原材料

水泥為祁連山P.O 42.5普通硅酸鹽水泥，其性能指標見表1，化學(xué)成分見表2。粉煤灰、粗細骨料均由蘭州某攪拌站提供。其中粉煤灰為Ⅱ級粉煤灰，粗細骨料均滿足《普通混凝土用砂、石質(zhì)量及檢驗方法標準》（JGJ 52—2006）要求?；炷涟韬陀盟|(zhì)量滿足《混凝土用水標準》（JGJ 63—2006）要求。

表1 P.O 42.5普通硅酸鹽水泥部分性能指標

表2 P.O 42.5普通硅酸鹽水泥化學(xué)成分

2.2 配合比

根據(jù)振動攪拌可以使水泥顆粒更為分散機理，分別將水泥用量降低0%、3%、5%、7%、9%后，設(shè)計了5組配合比，具體見表3。

表3 混凝土配合比（kg/m3）

2.3 試驗方法

利用普通攪拌機成型Z1組混凝土，振動攪拌機成型其余組混凝土，然后測混凝土坍落度、擴展度、抗壓強度以及氣孔結(jié)構(gòu)，試驗方法分別如下：

坍落度與擴展度：待混凝土拌合物出機后，利用鐵鍬手動翻勻，然后分3次裝入已經(jīng)潤濕過的坍落度筒，每次裝入后用搗棒由邊向中心插搗25次，且每次裝入的量應(yīng)為坍落度筒高度的1/3。待裝料工作完成后，豎直提起坍落度筒，然后等拌和物不再坍落與擴展后利用直尺測坍落度與擴展度。

抗壓強度：每組配合比成型9塊100 mm×100 mm×100 mm的立方體試塊，標準養(yǎng)護至7 d、28 d、56 d后利用微機控制壓力機測試件抗壓強度。

氣孔結(jié)構(gòu)：每組配合比成型3塊試件，養(yǎng)護至28 d后，在3塊試塊中挑出外觀最完整的，然后利用巖石自動切割機將試件切割成100 mm×100 mm×10 mm的樣品，再利用氣孔結(jié)構(gòu)分析儀分析混凝土內(nèi)部氣孔結(jié)構(gòu)。

3 試驗結(jié)果

3.1 工作性能

對每組混凝土出機時、60 min后的坍落度與擴展度均進行了試驗，結(jié)果如圖1所示。

由圖1可看出，不同組混凝土在相同減水劑用量下和易性存在較大的差距。由圖l（a）可知，Z1、Z2、Z3、Z4、Z5組混凝土初始坍落度分別為195 mm、205 mm、200 mm、195 mm、180 mm；60 min后坍落度分別為165 mm、175 mm、160 mm、155 mm、135 mm，由此可知，5組混凝土60 min內(nèi)坍落度損失分別為30 mm、30 mm、40 mm、40 mm、45 mm。由圖1（b）圖看出，Z1、Z2、Z3、Z4、Z5組混凝土初始擴展度分別為455 mm、500 mm、475 mm、425 mm、400 mm；60 min后擴展度分別為400 mm、450 mm、420mm、365mm、330mm，由此可知，5組混凝土60min內(nèi)擴展度損失分別為55 mm、50 mm、55 mm、60 mm、70 mm。因此，從試驗結(jié)果可知，即使降低3%或5%的水泥用量，通過振動攪拌機成型的混凝土拌和物和易性仍優(yōu)于普通攪拌機成型的未減少水泥用量的混凝土，而當水泥用量降低9%時，則相反。并且，即使減少3%或5%的水泥用量，利用振動攪拌機成型的混凝土60 min內(nèi)流動度損失較小。

圖1 混凝土工作性能

3.2 抗壓強度

減少不同量水泥后，再利用振動攪拌機成型混凝土，其7 d、28 d、56 d抗壓強度如圖2所示。

圖2 混凝土抗壓強度

由圖2可知，不同組混凝土抗壓強度差異較大。Z1、Z2、Z3、Z4、Z5組試件7 d抗壓強度分別為24.58 MPa、24.86 MPa、23.12 MPa、22.25 MPa、20.05 MPa；28 d抗壓強度分別為40.15 MPa、41.22 MPa、40.05 MPa、39.35 MPa、37.58 MPa；56 d抗壓強度分別為45.32 MPa、46.68 MPa、44.12 MPa、43.12 MPa、42.25 MPa。相比于普通攪拌機成型的未減少水泥用量的混凝土，利用振動攪拌機成型的混凝土，當水泥用量降低3%后，混凝土抗壓強度7 d、28 d、56 d時分別增大了1.4%、2.7%、3%；當水泥用量降低5%后，混凝土抗壓強度7 d、28 d、56 d時分別增大了-5.9%、-0.2%、-2.6%；當水泥用量降低7%后，混凝土抗壓強度7 d、28 d、56 d時分別增大了-9.5%、-2%、-4.9%；當水泥用量降低9%后，混凝土抗壓強度7d、28d、56d時分別增大了-18.4%、-6.4%、-6.8%?？煽闯?，雖然水泥用量減少了3%、5%、7%、9%，但是利用振動攪拌機成型的混凝土抗壓強度仍滿足配置強度，并且，當水泥減少量為3%時，抗壓強度甚至高于普通攪拌機成型的未減少水泥用量混凝土。究其原因，主要是因為振動攪拌機在拌和混凝土的過程中主軸上附著的振動設(shè)備賦予水泥顆粒一定的振動作用，從而抑制了水泥顆粒間的團聚現(xiàn)象，使水泥顆粒充分水化。同時，振動作用使混凝土中細小砂粒更加均勻地分散于孔隙中，起到很好的填充作用，使得混凝土結(jié)構(gòu)更為密實，從而提高了混凝土抗壓強度，并且可以節(jié)約0%～5%的水泥用量。

3.3 氣孔結(jié)構(gòu)

Z1、Z2、Z3、Z4、Z5組混凝土試件養(yǎng)護至28 d后，利用氣孔結(jié)構(gòu)分析儀分析內(nèi)部氣孔個數(shù)，結(jié)果如圖3所示。

圖3 混凝土氣孔結(jié)構(gòu)

混凝土氣孔結(jié)構(gòu)是通過氣孔結(jié)構(gòu)分析儀對100 mm×100 mm的混凝土面進行掃描拍照，然后儀器自動分析掃描面的氣孔個數(shù)等微觀結(jié)構(gòu)。從圖3可看出，養(yǎng)護28 d后，不同組混凝土在相同大小掃描面上的氣孔個數(shù)均不同。Z1組混凝土氣孔個數(shù)為21個，且氣孔直徑主要分布在100～250 μm。Z2組混凝土氣孔個數(shù)為18個，氣孔直徑主要分布在50 μm左右。Z3組混凝土氣孔個數(shù)為18個，氣孔直徑主要分布在50 μm左右。Z4組混凝土氣孔個數(shù)為21個，氣孔直徑主要分布在50～150 μm。Z5組混凝土氣孔個數(shù)為26個，氣孔直徑主要分布在50～250 μm之間?？梢?，隨著水泥用量的減少，混凝土內(nèi)部氣孔個數(shù)明顯增多，氣孔平均直徑增大。但是，相比于普通攪拌機成型的未減少水泥用量的混凝土，當水泥用量減少3%和5%時，利用振動攪拌機成型的混凝土氣孔個數(shù)有所降低，且氣孔平均直徑減小。表明即使降低了水泥用量，但是利用振動攪拌機成型的混凝土內(nèi)部更為密實。這與抗壓強度試驗結(jié)果相對應(yīng)，當混凝土內(nèi)部更密實時其抗壓強度也較高。因此，結(jié)合和易性與抗壓強度試驗，振動攪拌機能優(yōu)化混凝土性能，增大混凝土流動性、抗壓強度，并且通過振動攪拌作用后，混凝土內(nèi)部更為密實，這有利于混凝土耐久性的提升。此外，在混凝土性能不變的情況下，利用振動攪拌機成型混凝土可以減少5%的水泥用量，可達到節(jié)約水泥、降低成本的效果。但是若水泥減少量太大，則會因膠凝材料量太少，漿體難以對骨料起到潤滑作用而降低混凝土流動度，且此時水膠比過大，使得混凝土強度與內(nèi)部密實度不足。

4 結(jié)論

（1）相比于普通攪拌機成型的未減少水泥用量的混凝土，減少3%、5%的水泥用量后，利用振動攪拌機成型的混凝土流動性較好。而當水泥減少量超過5%后，因漿體量難以包裹骨料而劣化混凝土流動性。

（2）減少3%、5%的水泥用量后，即使增大了水膠比、降低了漿體比例，但是利用振動攪拌機成型的混凝土抗壓強度并無降低現(xiàn)象，反而在水泥減少3%時，抗壓強度具有明顯提高作用。

（3）即使降低3%、5%的水泥用量，利用振動攪拌機成型的混凝土，其內(nèi)部氣孔個數(shù)明顯少于普通攪拌機成型的未減少水泥用量的混凝土。