振动搅拌对混凝土强度的影响

刘朝阳 赵利军 李雅洁 王 波 李 晨

（长安大学道路施工技术与装备教育部重点实验室，西安 710064）

混凝土是经搅拌机搅拌后形成的产物，搅拌过程中搅拌叶片对混合料的强制作用使物料间发生扩散、剪切及对流作用，逐渐达到均匀状态，水泥颗粒、水及骨料之间具有很好的分布效果[1]。物料各组份相表面间的粘结力使混凝土完全拌匀变得特别困难[2]。振动搅拌作为一种新的搅拌方式，是在普通强制搅拌的基础上加以强化振动作用，有效地避免水泥团聚现象，促进水化反应，在保证物料宏观均匀性的同时，将振动能量传递至物料之间，增强其微观的均匀性，从而极大提升混凝土的综合性能[3]。本文对振动搅拌作用下混凝土水化反应及密度的变化规律进行试验研究，进一步分析研究振动搅拌对混凝土强度的提升作用，为工程实践提供指导。

1 试验方案

1.1 试验样机

本次试验采用的试验样机是课题组设计的双卧轴间歇式振动搅拌机，其整机结构如图1所示。样机主要由机架、搅拌驱动与传动装置、振动驱动与传动装置、振动搅拌装置及锥形料仓组成，可以在同时使用搅拌和振动作用，即振动搅拌模式工作；也可只启动搅拌电机进行普通强制搅拌。出料系统由卸料门及转动手柄等组成，采用手动方式卸料，搅拌后的混合料由卸料门卸出。

图1 振动搅拌机整体结构

1.2 试验材料

本次试验设计了2种配比，如表1所示。采用强度等级为32.5级的陕西秦岭牌复合硅酸盐水泥，基本性能指标如下：细度（45μm方孔筛筛余）为15%，安定性为合格，3d的抗压强度为17.4MPa，抗折强度为3.7MPa。

粗集料产自陕西泾阳县石灰岩碎石，规格为5～10mm、10～20mm两档，其技术指标如下：骨料规格为13.2～19，表观密度为2721.7kg/m3压碎指标为8.74%，吸水率为0.62%。拌和用水和养护用水均采用西安市生活饮用自来水。

表1 混凝土配比

1.3 试验方法

本次试验采用一次投料法，具体的投料顺序设定为粗骨料—水泥—细骨料，最后加水搅拌。根据《混凝土结构工程施工规范》（GB50666—2011）的规定，并结合试验设备具体情况和课题组经验进行试拌，选定搅拌时间为先干拌35s，然后加水继续拌和55s[4]。

本次试验采用YAW—1000型电脑控制恒应力压力试验机来测试混凝土不同龄期的抗压强度，并测出试块长宽高以及质量，得出：密度=质量/长/宽/高。利用计算机自动采集技术和传感器技术对传统的水化温升测试方法进行改造，如图2所示，对混凝土内部温度和环境温度进行实时监测和记录，以比较普通搅拌和振动搅拌两种方式下水化温升的差异。

图2 水化温升测试装置

2 试验结果分析

2.1 振动搅拌对混凝土密度的影响

如图3所示，为振动搅拌对新拌混凝土表观密度的影响规律，可以发现，振动搅拌作用下混凝土表观密度均高于普通强制搅拌的，与普通搅拌相比，振动搅拌可提高混凝土表观密度1%。测出硬化后混凝土试块的长宽高以及质量，得出：密度=质量/长/宽/高。图4为不同搅拌方式对混凝土试块28d密度的影响。对比可知，与普通搅拌相比，振动作用下混凝土28d密度可提高2%，两种配比混凝土28d密度均增大。

图3 振动搅拌对新拌混凝土表观密度的影响

图4 振动搅拌对混凝土试块密度的影响

由上可知，振动搅拌可以提高混凝土表观密度及硬化后混凝土试块的密度，这就意味着与普通搅拌相比，新拌混凝土在成型时可以更加密实的填充试模，硬化后的混凝土试块细致密实，内部孔隙得到细化且均匀分布，减少了有害大孔，孔结构得到进一步改善，因而强度得到提高。这主要是因为振动搅拌可以加速混合物各组分状态的转变，使结团的水泥颗粒团充分破碎，水化反应更加充分，混凝土内部生成更多对浆体强度起主要作用的水化产物C—S—H凝胶，使内部的大孔被填充，孔径减小，小的闭合孔隙数量增多且均匀分布，形成细致密实的整体[5]；此外，振动作用还减少小了混合物内摩擦力，从而降低新拌混凝土塑性粘度，表现在宏观性能上即为工作性能大幅度提升，混凝土试块成型更为密实，与不振动相比，试块密度变大，强度提高[6-8]。

2.2 振动搅拌对混凝土水化反应的影响

水泥水化反应是影响混凝土强度的关键性因素。如图5所示，在M1和M2两个不同配比下，随着时间的推移，普通搅拌和振动搅拌方式下，混凝土内部温度都有所升高，这主要是因为水泥和水接触后，水泥中的各种矿物成分迅速溶解于水并与水发生剧烈的化学反应，水化反应过程中会放出大量的水化热[9]，但是两种搅拌方式下温升的范围和到达最高温度所经历的时间是不一样的。对比发现，两种配比混凝土均呈现相同的规律，即振动搅拌作用下混凝土内部最高温差都大于普通搅拌，但到达最高温差所需时间明显低于普通搅拌。这是因为振动搅拌具有的振动能量可以使先前未能被普通搅拌破坏的水泥团处于颤振状态，使原本处于聚集状态的絮凝结构破坏，水泥颗粒变成均匀分布状态，大大增加了水化反应的表面积。此外，水泥粒子表面的水化薄膜包裹层也被破坏，从而加快水泥的水化反应，使水泥在很短的时间内便与水更充分的化学反应，生成更多的水化产物，对水泥水化浆体强度起主要作用的水化硅酸钙C—S—H所占的体积增大，粘接力增强，提高了混凝土的强度。因此，振动搅拌可以显著提前水泥水化的速率和强度，从而提高混凝土的早期强度。

图5 振动搅拌对混凝土水化温升的影响

2.3 振动搅拌对强度的影响

强度是评价混凝土性能的重要参考，混凝土耐水性、抗冻性、刚性等性能均与与混凝土强度密切相关。尽管混凝土在建筑结构实际应用过程中，受力状况复杂，但各种力学强度都与抗压强度相关，结构设计主要是通过混凝土抗压强度进行计算[10]。本试验主要研究分析振动搅拌对水泥混凝土抗压强度的影响。

图6 不同搅拌方式下混凝土的抗压强度

如图6所示，为不同搅拌方式下两种配比混凝土抗压强度随龄期的变化规律。对比发现，所有混凝土试件强度均呈现相同的增长趋势，早期强度增长速度较快，后期逐渐趋于平缓。同一配比混凝土在相同养护时间下，振动搅拌混凝土的抗压强度均明显高于不振动，可以看出在振动作用下，M1配比混凝土3d、7d、28d抗压强度分别比不振动的提高了25.0%、36.4%、12.6%，M2配比混凝土抗压强度分别提高13.0%、30.0%、20.4%。还可以发现，龄期在7d之前，两种搅拌方式下混凝土的强度随养护时间的增长差异逐渐增大，7d之后，二者强度差异逐渐减小。

图7为振动搅拌对两种配比混凝土抗压强度变异系数的影响规律。对比发现，与普通搅拌相比，振动条件下各龄期混凝土平均抗压强度的变异系数均明显降低。

综上可知，振动搅拌可明显提高混凝土早期强度，减小强度变异系数。主要原因有：一是振动搅拌可以增大混凝土表观密度及硬化后混凝土试块的密度，从前面的分析可知，振动搅拌作用下混凝土成型可以更加密实，硬化后的混凝土试块内部孔隙得到细化且均匀分布，减少了有害大孔，孔结构得到改善，因而使强度提高；二是因为振动搅拌可以破坏水泥团聚体，从而加快水泥充分发生水化反应，与不振动相比，振动搅拌作用下混凝土内部最高温差变大，到达最高温差所需时间缩短，水泥水化的速率加快且反应更加充分，从而提高混凝土的强度[11]。此外，振动搅拌一方面可使骨料颗粒发生振动，使骨料表面水膜破裂、灰尘掉落，获得洁净的骨料；另一方面，骨料表面被水与水泥颗粒包裹，水化反应更加充分及时，从而改善界面结合处的粘结强度，进而提高混凝土强度[12]。

图7 不同搅拌方式下混凝土强度的变异系数

3 结论

与普通强制相比，振动搅拌可以显著提高混凝土强度，尤其是早期强度，且两种搅拌方式混凝土强度差异随养护时间增长逐渐减小。另外，振动搅拌可以增大混凝土的密度，混凝土试块更为细致密实，内部孔结构得到改善，从而可以提高混凝土强度。最后，在振动搅拌作用下混凝土内部最高温差大于普通搅拌，但到达最高温差所需时间明显低于普通搅拌，表明振动搅拌可以显著加快并促进水泥的水化反应。