高频振动搅拌配制C50机制砂混凝土性能

秦仁杰, 张 认, 邓洛斌, 刘学鹏

(1. 长沙理工大学 交通运输工程学院, 湖南 长沙 410114； 2. 华设设计集团股份有限公司, 江苏 南京 210014)

随着中国基础建设的迅速发展，出于可持续发展战略与环境保护等原因，以破坏河流生态系统而开采出来的天然砂资源受到限制.天然砂资源日益枯竭且价格不断上涨，已满足不了土建工程市场的需求.使用机制砂来代替天然砂作为配制混凝土的细集料，符合可持续与节约型社会发展需求，对研究机制砂混凝土具有重大意义[1].

国内外的研究者对于机制砂配制混凝土进行了研究，李北星[2]通过研究发现机制砂中石粉含量为7%时制备的混凝土耐久性较河砂混凝土要好.Kwan[3]研究表明在水灰比为0.3的情况下，采用一定量的石粉来代替相同体积的水泥可以降低混凝土的干缩，且 28 d抗压强度与基准混凝土相差不大;并且认为在配制高强混凝土时，有部分水泥颗粒并没有起到水化作用，只起了惰性粉体的填充作用，这部分用机制砂中的石粉来代替水泥是可以节约成本的，是一种可行的方案.刘义峰[4]通过研究发现机制砂质量不稳定等是机制砂在高性能混凝土中应用受到制约的主要原因, 并提出推广机制砂在高性能混凝土中应用的建议.

机制砂现阶段以配制中低强度混凝土为主，且大都以控制机制砂的质量来控制混凝土的质量.此次在研究使用机制砂制备混凝土的同时，也将从机械搅拌方面对机制砂混凝土的性能进行改善[5].本次以贵州省余庆至安龙高速公路为工程背景，在PLTJ-9标段工地试验室对高频振动配制机制砂高标号C50混凝土性能进行试验研究，并对高频振动配制机制砂混凝土的方法进行合理的评价.

1 原材料性能检测及级配设计

1.1 原材料性能检测

1) 机制砂.机制砂是指不包括风化岩的石料经过机械破碎、筛分制成的粒径小于 4.75mm的颗粒.本次机制砂来源于贵州省姊妹井碎石厂.该厂生产的石灰岩机制砂表观密度 2.684 g/cm3，堆积密度 1.666 g/cm3，空隙率37.9%，细度模数3.038，外观灰白色，材料规格属于中砂范畴，压碎指标值为16%,亚甲蓝值为0.8.姊妹井原机制砂级配曲线见图1.

图1 姊妹井原机制砂级配曲线Fig.1 Zimeijing mechanism sand grading curve

根据研究内容进行单一粒径筛分，按照原有机制砂级配为基础模型，对某一过多粒径或某一过少粒径进行调整分配，级配分为偏于上限、接近中值、偏于下限3种合成级配机制砂,见表1.三种合成机制砂级配曲线见图2.

表1 三种人工机制砂合成级配数据Tab.1 Machine-made sand data of three synthetic grades

从图1可看出贵州省姊妹井碎石厂生产的石灰岩机制砂级配呈锯齿状.图2中3种合成级配各粒径集料质量分数增长较好，可以看出合成级配的机制砂要比原机制砂级配好且具有更好的性能.

图2 3种合成机制砂级配曲线Fig.2 Three synthetic grading curve of machine-made sand

2) 石粉.石粉是机制砂中一种组成成分，在中低强度机制砂混凝土配制中可以补充粉体，减少水泥的用量,起填充作用；可改善机制砂由于表面棱角而过于粗糙的缺点，降低机制砂与碎石之间的摩擦,起润滑作用.弊端是石粉增加了粉固体状的比表面积,使配制机制砂混凝土用水量需求增加;当水灰比不变的情况下，会使混凝土工作性能降低[6];需要通过添加减水剂来改善其工作性能，但造价也随之增加.因此，在对于机制砂高性能混凝土性能研究中，对机制砂中石粉含量应进行严格控制.采用水洗法对姊妹井碎石厂生产的机制砂石粉含量进行测定，该厂生产的机制砂石粉含量见表2.

表2 姊妹井碎石厂机制砂石粉含量Tab.2 Content of machine-made sand and stone powder in Zimeijing

通过试验得石粉平均质量分数为8.6%.根据姊妹井机制砂石粉含量测定情况，将不同级配机制砂石粉质量分数控制在 8%左右，级配类型1、2、3的石粉质量分数为6%、8%、10%.

3) 碎石.在工地料场选取的贵州省姊妹井碎石厂生产的材料规格为 4.75～31.5 mm 连续级配石灰岩碎石，为使机制砂混凝土浆体能够更好包裹集料，取13.2～31.5 mm 碎石与4.75～13.2 mm碎石比为4∶6，碎石指标检测结果见表3.

表3 碎石性能指标检测Tab.3 Inspection of crushed stone performance

4) 水泥.试验用的水泥材料为贵州惠水西南水泥有限公司生产的 P.042.5 普通硅酸盐水泥，其性能指标检测见表4.

表4 水泥基本性能指标Tab.4 Basic performance index of cement

5) 外加剂.依托工程现场,对于减水剂选取贵州聚醛聚羧酸高效减水剂[7].液体为淡黄色，固体为白色粉末状，可以提高水泥混凝土早期强度，还可以使水泥浆体坍落度损失减小，扩展度增加，施工起来更加简便.聚羧酸高效减水剂液体见图3.

图3 聚羧酸高效减水剂Fig.3 Polycarboxylate superplasticizer

通过对机制砂级配、细度模数、空隙率、表观密度、石粉含量的测定，以及通过亚甲蓝试验检测出该机制砂含泥量，试验结果表明该机制砂符合规范要求.对配制C50混凝土的水泥、碎石等材料初步检测性能指标，结果表明贵州惠水西南水泥、贵州省姊妹井碎石厂生产的碎石等材料符合要求.

1.2 机制砂混凝土配合比设计

采用贵州惠水西南水泥有限公司生产的P.042.5普通硅酸盐水泥，C50机制砂混凝土试配强度为59.87 MPa[8].通过水泥用量及外加剂掺量、砂率的优化,确定最佳水灰比等试验,分析确定水泥用量为498 kg，外加剂掺量取水泥质量用量的1%，使用0.31水灰比，采用46%合理砂率.最佳配合比确定为水泥用量498 kg,水154.4 kg,机制砂826.9 kg,碎石970.7 kg.

2 高频振动搅拌配制机制砂混凝土的性能

搅拌过程中，搅拌设备与混凝土各材料的相互作用，会直接影响新拌混凝土的物理力学性能及其结构的形成，不同的搅拌方式对生产的混凝土性能也会有明显的差异.本次主要研究普通自落式搅拌设备与高频振动搅拌设备配置的C50机制砂混凝土性能差异.高频振动搅拌机见图4.

图4 高频振动搅拌机Fig.4 High frequency vibration mixer

在通过试验已确定最佳配合比以及外加剂掺量条件下，着重分析机制砂特性.机制砂需水量远远大于天然砂，不适合边高频振动边搅拌制备机制砂混凝土，高频振动配制混凝土会减少混凝土中气孔，从而使振动搅拌机配制出的机制砂混凝土工作性大大降低.因此，本次设计搅拌方案为：在使用搅拌机配制混凝土时，在放入机制砂、水泥、碎石后开启高频振动并先顺时针搅拌30 s，再逆时针搅拌30 s，最后加入水,在关闭高频振动后搅拌配制混凝土.

2.1 不同搅拌机理配制的机制砂混凝土抗压强度

为了验证高频振动搅拌机理是否可以净化新拌混凝土中骨料的表面以及增加胶凝材料与骨料之间粘结强度，选取0.31(编号1、2、3)、0.32(编号4、5、6)、0.33(编号7、8、9)三种水灰比方案，且每种方案分别选取44%(编号1、4、7)、46%(编号2、5、8)、48%(编号3、6、9)三种砂率配制C50机制砂混凝土.将高频振动搅拌机与普通自落式搅拌机配制的机制砂混凝土抗压强度作对比，具体试验数据见表5.

表5 不同搅拌机理配制机制砂混凝土抗压强度对比Tab.5 Comparison of compressive strength of sand concrete with different mixing mechanisms

由表5 数据及图5、图6相比较可得，高频振动搅拌机制备的机制砂混凝土7 d抗压强度较自落式搅拌机强度增长了8.5%～12.2%，28 d抗压强度增长了7.2%～10.3%.使用高频振动搅拌机较传统搅拌工艺配制的机制砂混凝土抗压强度要高[9].究其原因，一方面在高频振动作用下，搅拌筒内的混凝土物料会由于质量的不同产生不同的振幅，物料在高频振动的作用下会均匀分布，石粉等粉体材料会更好地填充骨料之间的空隙[10]，水泥颗粒也会均匀分散在各个角落，这样可以更好地使混凝土搅拌成型.另外，由于骨料的表面会黏附一层粉尘，遇水后会形成一层水膜，这样会把水泥颗粒与骨料隔离开来，影响胶凝材料与骨料之间的连结从而影响混凝土整体强度.利用高频振动使附着在骨料表面的粉尘颗粒产生一定的振幅使其剥落脱离，骨料表面趋于清洁，骨料很快被水湿润后,水泥颗粒很快吸附于骨料湿润的表面，加快了水泥颗粒的水化反应，使水泥颗粒水化反应更加充分，减少了水泥团的产生,提高了混凝土整体强度.

图5 不同搅拌方式下的7 d抗压强度值Fig.5 The comparison of 7 d compressive strength under different stirring modes

图6 不同搅拌方式下的28 d抗压强度Fig.6 The comparison of 28 d compressive strength under different stirring modes

2.2 不同搅拌机理配制机制砂混凝土耐久性试验

抗冻性是评价混凝土耐久性的重要指标之一，分别对两种搅拌机理配制的混凝土试件做冻融性试验.分析C50机制砂混凝土抗压强度,结合表5,针对两种搅拌方法，制成尺寸150 mm×150 mm×150 mm试件，养护龄期为28 d.冻融试验试件为100 mm×100 mm×400 mm 棱柱体，养护28 d后经过325次冻融循环，切割成100 mm×100 mm×100 mm立方体抗压强度试件，测量结果乘以系数0.95换算成立方体标准抗压强度.各试件在经过325次冻融试验后，相对弹性模量保持在90%以上，没有冻坏的情况出现.抗冻性检测结果见表6.

从表6及图7、图8可知，两种搅拌方式配制的C50机制砂混凝土试件的抗压强度在经过冻融循环试验后都呈下降趋势，但下降的幅度都在15%以内.其中普通自落式搅拌试件抗压强度下降幅度在11.4%～14.2%，高频振动搅拌试件抗压强度下降幅度在4.7%～9.4%，表明高频振动搅拌可以改善混凝土的抗冻性.分析原因，机制砂表面粗糙加上生产过程中经过集料之间的搅拌可能会产生微裂纹，机制砂内细小开口毛细孔进水后水泥浆未进入，毛细孔内水被水泥浆堵在孔隙内形成密闭容器效应，利用高频振动产生的振幅可以使毛细孔内水不会被封堵在孔内，同时让水泥更均匀分布，让水泥浆充分进入毛细孔，机制砂中的石粉在高频振幅下也可以填充开口毛细孔隙，这样大大提高了机制砂混凝土整体的抗压强度与抗冻性.

图8 冻融后抗压强度对比Fig.8 Comparison of compressive strength after freezing and thawing

2.3 机制砂混凝土CT扫描试验

通过对两种搅拌方式配制的C50机制砂混凝土分别进行CT扫描试验[11]，深入分析混凝土结构的安全可靠性与混凝土使用寿命耐久性，来验证高频振动搅拌机对提高C50机制砂混凝土强度的有效性.由于实验条件有限，本次试验选取表5中具有代表的2、6、9三组，分别配制 C50 机制砂混凝土试件.为了获得高分辨率 CT 图像，试件规格为 3 个φ25×50 mm的圆柱形试件，编号2、6、9试件结果分别用a、b、c表示.试验结果见图9、图10.

从CT扫描试验结果可看出图10高频振动搅拌制备的混凝土内部微观结构比图9普通搅拌制备的混凝土要好，混凝土内部结构中粗、细骨料相互咬合，水泥石与骨料之间的界面分布也比较均匀.凝胶体结构微孔隙相比图9有所减少，晶体生长良好，混凝土中浆体与骨料界面也得到改善.混凝土的破坏往往发生在水泥石与骨料连接界面，由于裂缝容易从此产生和扩展，因此利用高频振动来使混凝土物料振动而均匀堆积，从而使水泥、石粉等材料均匀分布，解决“夹生”混凝土的质量隐患，以此提高机制砂混凝土的性能.

图9 普通自落式搅拌试件二维切片Fig.9 Two-dimensional slicing of ordinary self-dropping stirring test pieces

图10 高频振动搅拌试件二维切片Fig.10 Two-dimensional slice of high frequency vibration stirring test piece

3 结论

1) 3种合成级配的机制砂较原机制砂级配要好，说明现市场生产出的机制砂性能还不能媲美天然砂，依然存在级配不良、石粉含量过多或过少、亚甲蓝值偏高等缺陷.

2) 在研究抗压强度试验中发现，高频振动搅拌制备的机制砂混凝土的抗压强度大于自落式普通搅拌，说明高频振动搅拌对于提高机制砂混凝土的抗压强度是有效的.

3) 高频振动配制的机制砂混凝土与普通自落式搅拌配制的机制砂混凝土的抗压强度，冻融循环试验前与冻融循环试验后相比都呈下降趋势，前者下降幅度明显低于后者，表明高频振动搅拌利用高频振动产生的振幅能改善混凝土的结构从而提高其耐久性.

4) 通过单层 CT 扫描图像发现，高频振动搅拌配制的混凝土试件内部微观分布均匀，密实程度优于普通自落式搅拌机配制混凝土试件，表明通过高频振动配制出的机制砂混凝土试件性能得到改善.