振捣频率对机制砂和天然河砂混凝土耐久性能影响研究

2021-03-16秦明强汪华文

建材世界 2021年1期

秦明强，胡骏，汪华文

(1.中交武汉港湾工程设计研究院有限公司，武汉 430000;2.海工结构新材料及维护加固技术湖北省重点实验室，武汉 430000;3.长大桥梁建设施工技术交通行业重点实验室，武汉 430040)

随着我国工程建设的发展，混凝土精细化施工水平快速提高，与混凝土精细化施工相关的搅拌、运输、浇筑、振捣、养护以及成品保护等环节受到广泛关注，其中振捣对混凝土密实至关重要。

混凝土振捣方法包括插入式振捣棒振捣、振动台式振捣、表面振捣和附着式振捣。振捣器的频率在50～300 Hz，可分为低频、中频和高频，一般工程中常使用的为50 Hz低频振捣棒。为提高振捣效率，往往通过选用较高频率的振捣器。研究表明，振捣方式和频率对混凝土工作性能、力学性能和外观质量存在较大影响，并继而影响混凝土其他性能。胡骏等[1]研究了不同振捣频率对振捣工效、气泡分布、匀质性的影响；刘艳霞等[2]研究了高频振捣对混凝土的含气量和抗冻性的影响；官来贵等[3]研究了干硬性混凝土变频变幅振捣工艺。付昌会等[4]研究了振幅、振动频率对混凝土含气量的影响。

综上，目前关于振捣对混凝土性能的研究较少，集中在针对振捣对混凝土的工作性能、力学性能和外观质量方面，关于振捣对混凝土耐久性影响研究不系统；同时，随着机制砂混凝土的广泛应用，机制砂与天然河砂工作性能的特点存在一定的差异，在振捣工艺方面也需特殊考虑。基于此，研究了不同振捣频率对机制砂和天然河砂混凝土抗氯离子渗透性、抗碳化性能和抗冻性能的影响规律。

1 试验方案

1.1 原材料

试验采用华新PO42.5水泥、阳逻Ⅱ级粉煤灰、5～25 mm碎石、天然河砂和机制砂、聚羧酸减水剂。天然河砂和机制砂性能指标见表1，聚羧酸减水剂性能指标见表2。

表1 天然河砂和机制砂性能指标

表2 聚羧酸减水剂性能指标

1.2 方法

1.2.1 混凝土振捣设备

振捣采用自主研发的变频振捣系统进行试验，该系统由变频控制系统和振捣系统组成，可调节振捣频率范围为50～300 Hz。试验时，振捣成型的试件，直至混凝土表面出浆，不再出现气泡。试件脱模养护至规定龄期进行相关性能的测试。

1.2.2 性能测试方法

混凝土抗氯离子渗透性、抗碳化性能和抗冻性能分别按《普通混凝土长期性能和耐久性试验方法》(GB/T50082—2009)规定的相应的方法测试；其中，抗氯离子渗透性采用电通量方法，测试龄期为56 d，抗冻性能测试28 d龄期混凝土300次快速冻融循环后相对动弹性模量。

1.3 试验配合比

试验选用C40混凝土配合比，胶凝材料总量420 kg/m3，粉煤灰掺量30%，水胶比0.37，通过调整聚羧酸减水剂掺量从0.9%～1.6%、0.6%～1.1%调节机制砂和天然河砂混凝土的坍落度，配制坍落度为80 mm、180 mm和220 mm 3种不同工作性能的混凝土，并进行相关试验，配合比见表3。

表3 试验混凝土配合比

2 结果及分析

2.1 含气量及抗压强度影响

为达到振捣密实的效果，不同坍落度的混凝土在相同振捣频率下需要振捣时间不一致，同种坍落度混凝土在不同的振捣频率下振捣时间也不相同。在不同振捣频率下，选择合适的振捣时间，振捣密实完成后，测试混凝土的含气量，留置试件养护后测试抗压强度、抗氯离子渗透性等性能。相关试验结果见图1。

由图1可知，随着振捣频率的提高，机制砂和天然河砂新拌混凝土的含气量均出现不同程度的降低，主要由于振捣频率的提高，一方面排气的能力提高，另一方高振捣频率会加速新拌混凝土内的大气泡在振捣过程中分裂，形成微小气泡。对比图1(a)和图1(b)可知，机制砂混凝土含气量降低幅度略小于天然河砂，机制砂混凝土由于含粉量高、聚羧酸减水剂掺量大，粘度较天然河砂大，排气更为困难。

图2为不同振捣频率下混凝土抗压强度试验结果。由图2可知，随着振捣频率的增大，两种混凝土抗压强度均有不同程度的增大。原因可能为随着振捣频率的增大，混凝土含气量降低，混凝土致密性增加，从而导致混凝土的抗压强度提高。

2.2 抗氯离子渗透性能影响

图3为不同振捣频率下混凝土抗氯离子渗透性能。由图3可看出，随着振捣频率的增大，混凝土电通量值总体呈现降低趋势，抗渗性能提高；但电通量最低值出现时对应的振捣频率不相同，对于机制砂混凝土，振捣频率分别为250 Hz、200 Hz和150 Hz；对于天然河砂混凝土，振捣频率分别为250 Hz、150 Hz和150 Hz。表现为小坍落度时，需要振捣频率高；对于大坍落度，在一定频率范围内，振捣频率对电通量值影响不大。

混凝土抗渗性能受混凝土内部空隙连通情况以及匀质性影响。高频振捣会降低混凝土内部的含气量、减小气泡大小，但同时针对大流动度混凝土易造成混凝土上下分层，影响匀质性，因此不同坍落度的机制砂和天然河砂混凝土所需的振捣频率有一定差异。

2.3 抗冻性能影响

图4为不同振捣频率下混凝土抗冻性能，采用快冻300次后，测试相对动弹性模量。由图4可知，随着振捣频率的增大，300次快冻后的相对动弹性模量呈现增大趋势，抗冻性能提高；在相同的坍落度条件下，采用相同的振捣频率，机制砂混凝土相对动弹性模量值低于天然河砂混凝土。

在混凝土配合比相同的条件下，混凝土抗冻性能受混凝土内部含气量、气泡间距系数、气孔比表面积、气泡平均直径等因素影响。高频振捣虽然降低混凝土内部的含气量、但同时也降低气泡大小，改善引气质量，一定程度提高混凝土的抗冻性能；机制砂混凝土含有石粉，在一定程度上可吸附减水剂，造成减水剂中引气组分功效较低。因此，在相同减水剂掺量时，机制砂混凝土含气量低于天然河砂混凝土，造成抗冻性能不及天然河砂混凝土。

2.4 抗碳化性能影响

不同振捣频率下混凝土抗碳化性能见图5。由试验结果可知，对不同坍落度的机制砂和天然河砂混凝土，随振捣频率的加大，28 d碳化深度总体均呈降低趋势，但总体均处于《混凝土质量控制标准》(GB50164—2011)中规定的T-Ⅳ级，具有较好的抗碳化性能。同时，不同坍落度及不同细集料类型的混凝土抗碳化性能最优的组别也出现在不同的振捣频率，机制砂混凝土在80 mm、180 mm、220 mm坍落度时碳化深度最小值对应的分别为250 Hz、200 Hz和150 Hz，而天然河砂混凝土在80 mm、180 mm、220 mm坍落度时碳化深度最小值对应的分别为250 Hz、150 Hz和150 Hz。