混凝土的搅拌与振动

闻宝联

（建筑材料工业技术情报研究所，北京 100024）

一位搅拌站的朋友对一个问题百思不得其解：同一个站两条生产线，一样的原材料、配合比工序及搅拌时间，但是，一条线生产的混凝土总比另外一条生产线的抗压强度高 2～3MPa，工作状态也好，坍落度损失也小。这个问题一直困扰着他，来向我咨询。我问他一直如此还是最近才这样？有规律性的现象总是有迹可循的，偶尔产生或是至少不经常出现的问题很难找到症结。他说一直如此。我问搅拌形式是否一样？因为不同厂家的搅拌机，有的机子是搅拌臂，有的是螺旋带（图1），螺旋带的搅拌效果要强于搅拌臂。

图1 不同形式的搅拌机

结果发现两条生产线搅拌机虽是不同厂家的，但都是双卧轴搅拌臂。这下我也有点搞不懂了，但随即感觉，可能是输入功率不一样，于是爬上搅拌楼，看了主机的铭牌，一个主机功率是 55kW，另一个是 45kW，问题就出在这里。输入功率不一样，但搅拌时间一样，混凝土状态自然不同，搅拌过程中的机械对拌合物有强行“扰动”，使其拌合物中的材料强行位移。转动的速度越快、搅拌力度越大，对材料的剪切和拨动效果越好，搅拌就是通过混合料各物料间的相互碰撞、对流和扩散，促使物料颗粒，特别是水泥等细微颗粒的弥散分布，达到混合料宏观及微观的匀质性，表现为外加剂的分散性和效果更突出，后期强度也更高。后来将功率低的机组延长搅拌时间 20% 以上，结果自然好了不少。正如图 2 所示，随着搅拌时间的适当延长，强度变异系数也就越小，高速公路以及高铁项目都要求搅拌时间在120～180s，也是出于此考虑！

图2 混凝土抗压强度变异系数与搅拌时间的关系

同样的，也可在搅拌的基础上再加上振动——振动搅拌，加大对拌合物的扰动，拌合物中的水泥颗粒处于振颤状态，从而破坏粘聚的水泥团单元体，使水泥颗粒得以快速均匀的分布。振动搅拌是宏观对流运动和微观扩散运动的叠合，是在普通搅拌机所具有的宏观对流运动的基础上，采用振动和搅拌一体化技术，使振动搅拌机具有了高频微观扩散运动。前者使物料在宏观上“拌匀”，后者让物料各组分在微观上“拌透”，振动搅拌实现了短时间内宏观和微观的同步均匀，提升了搅拌质量和效率。此外，振动作用还可净化集料表面，增加水泥和集料间的界面粘结力，提高混凝土抗压强度。试验表明，这项技术可以稳定提高抗压强度和工作性能，在低碳环保大环境下，这也是一项值得关注的技术。

混凝土生产过程如此，施工过程也是一样。振捣棒、振动梁以及附着式振捣器在流态混凝土中也是通过加强扰动来提高混凝土中各组分的分散性和匀质性。

混凝土原材料体系中，随着胶凝材料和用水量的不断降低，流动性越来越差。如碾压混凝土，就是一种干硬性贫水泥的混凝土，使用水泥、掺合料、水、外加剂、砂和分级控制的粗骨料拌制成。胶凝材料用量，包括水泥与掺合料 120～160kg/m3，这种无坍落度的干硬性混凝土要用振动碾分层压实，靠静压成型，不能满足工程的要求。

在此基础上，继续降低胶凝材料和用水量，就逐渐成了路基用的水泥稳定碎石或是石灰、粉煤灰碎石类的半刚性基层材料，半刚性材料在振动击实作用下，材料处于振动状态，水分的离析作用使得材料颗粒的外层裹覆一层水膜，形成了颗粒运动的润滑剂，减小了材料间的摩擦力和粘结力，颗粒更容易移动到密实状态，颗粒间的相对位置在振动状态下发生变化，出现了相互填充现象，此时，材料内骨架颗粒之间相互嵌挤所产生的内摩阻力和结合料与骨料间的粘结力都很大，形成骨架密实型嵌挤结构，具有较高的承载能力和稳定性。

基于振动成型方式，相对早期静压成型，级配形式可以进行优化，因为空隙率的降低，可适当增加粗集料含量，提高材料颗粒间的嵌挤性，通过增强振动碾压来增加骨架颗粒间的内摩阻力，从而适当降低水泥剂量，在保证强度的前提下提高抗裂效果。

根据振动压实理论，每一种材料都有不同的自振频率，激振频率与自振频率一致时可达到最好的压实效果。振动压路机设计频率一般比被压材料的自振频率变化范围大一些。目前用于压实的大中型振动压路机的振动频率范围是：压实路基 25～30Hz，压实底基层 25～40Hz，对压实粒状材料和结合料的稳定基层为33～55Hz。且从常用的振动压路机的参数来看，压路机的常用振动频率为 30Hz、35Hz、40Hz 等，最大为48Hz，当然振动设备振动频率实现 50Hz 以内是可调的。

而对于振动压实也曾一度有认识上的差异，原因是早期的路基路面用的是静力压实工艺，靠压路机的自重进行碾压，以室内重型击实法进行配合比设计，确定最大干密度及最佳含水量，用静压法试件强度作为设计标准控制石灰、粉煤灰或水泥掺量。

最初的配比设计是室内采用重型击实试验，以确定材料的最大干密度和最佳含水量，采用静压成型试件测定 7 天无侧限抗压强度，重型击实法设计配合比对应着静力压实工艺是合适的、匹配的。而后来施工现场大多采用振动压路机和胶轮压路机进行碾压。很明显，传统设计方法与现场碾压工况不匹配，室内试验数据难以准确反映和控制现场施工质量，室内试验确定半刚性基层混合料最大干密度、最佳含水量的重型击实试验方法及测定混合料无侧限抗压强度的试件成型方式与现场碾压方式不一致。由此衍生了一系列问题：

试验室设计的配比压实度标准偏低、级配不良，现场测试超百的问题严重，促使施工方在现有压实设备下，无需对施工工艺严格控制也能达到较高的压实度——事实上正是在虚假的压实度容易达到的情况下，基层的压实被忽视，这在很多工程上出现了严重问题。不匹配的室内试验标准已严重阻碍了科技进步及生产的发展，直到后来开发能够模拟现场压实工况的室内试件成型方式——振动成型配合比设计方法，在材料设计、评价指标及试验方法上与工程实际一致，这个问题才得以解决。

这也提出另外一个问题，绝大多数搅拌楼是双卧轴强制搅拌，而试验室配置的基本都是单卧轴搅拌机，试验室试验如果与生产过程差异过大，如何有效指导生产？这也应该是大家需要关注的问题！

雄安新区特聘专家。中国商品混凝土行业企业专家委员会副主任，中国散装水泥协会混凝土分会副秘书长，数十项国家重点工程混凝土专项技术指导。

发表论文一百余篇，获得省部级科技进步一等奖一项，三等奖三项，两次带队获全国混凝土设计大赛一等奖，主编地方规范两部。