振捣频率对混凝土性能的影响分析

储如蝉

(中铁十四局集团建筑工程有限公司，山东 济南 250000)

混凝土浇筑、拌合及振捣是混凝土施工中的控制性工艺，而振捣则是提高混凝土强度和密实性的关键环节。自密实性混凝土可以实现自填充和自密实功能，但由于其成本大、对施工环境要求高，应用性受到限制。因此，成本低廉、适应性强、操作简易的振捣棒振捣在施工中仍具有不可替代的地位。

混凝土的工作性能由不同的因素决定，目前，国内外学者研究了材料、配合比及养护工艺等方面对混凝土强度的影响[1-4]。关于振捣对混凝土强度的影响，也有许多学者进行了研究。温家馨等[5]阐述了混凝土振捣密实机理，提出了混凝土振捣技术智能化的发展方向；徐浩等[6]论证了不同振捣方向对混凝土强度的影响；秦明强等[7]研究了振捣频率与混凝土抗碳性、渗透性的关系，指出振捣频率过高或过低都会影响混凝土性能；姜良波[8]通过比较高频振动与普通振动下的混凝土强度检测数据，认为较之传统振动，高频振动可有效解决混凝土强度增长慢、蜂窝等质量通病。

目前，大部分学者关于振捣对混凝土性能的影响，主要还是集中在宏观方面，如工作性能、强度发展、外观质量等，对混凝土微观组成如气泡分布、密实程度、均质程度、抗渗透性的研究较少。文章以济南东岳华庭住宅项目墙体C30混凝土施工为依托工程，对试件切片及通电，研究其在不同频率振捣下的振捣功效、气孔分布、回弹强度及抗渗透性的变化规律，研究结果期望对工程实践起到指导作用。

1 工程概况

济南市东岳华庭住宅项目，拟建场区规划用地面积约73 245 m2，主要建设17栋18层高层建筑、2栋3～4层商业楼及会所，高层建筑墙体混凝土设计为C30。

由于对混凝土振捣施工无统一规定，工人进行混凝土作业时，振捣时间和频率主要凭经验控制，导致墙体表观质量差强人意，存在色差和气泡，强度增长曲线不一，个别部位存在蜂窝孔洞，墙体表观质量如图1所示。因此，对于混凝土振捣时间及频率的掌握显得尤为重要，有必要通过分组试验研究其影响程度，总结规律来指导施工生产。

图1 墙体表观质量

2 原材料及试验方法

2.1 原材料及配合比

试验选用的水泥为P.O42.5普通硅酸盐水泥，其主要物理性能如表1所示；粉煤灰为F类I级粉煤灰；细骨料为人工砂，经水洗处理；粗骨料为二级配，粒径分5～20 mm及20～40 mm两种，粗骨料与细骨料表观密度如表2所示；减水剂采用KDSP聚羧酸高性能减水剂，减水率为27.0%，含气量为2.2%；拌和用水为城市自来水，所检指标满足对拌和用水的指标要求。

表1 水泥物理力学性能

表2 粗骨料、细骨料的表观密度 kg·m-3

混凝土的坍落度由外加剂掺量控制，通过调整外加剂掺量，配制三组不同坍落度的混凝土。胶凝材料(水泥+粉煤灰)总量为360 kg/m3，其中水泥288 kg/m3，粉煤灰72 kg/m3，水150 kg/m3，水灰比0.42，砂822 kg/m3，粗骨料969 kg/m3，其他配合比如表3所示。

表3 试验混凝土配合比

2.2 试验方法

振捣装置为自主研发的变频振捣系统，该系统由振捣棒排组和控制台组成，控制台为数字显示屏，可以控制振捣棒的振捣频率在50～3 000 Hz之间，最多可同时进行8组(每组6个)试样的振捣试验。每次试验时，准备3组模具(对应A、B、C三组不同坍落度试样)，每组4个，模具尺寸为400 mm×400 mm×600 mm。振捣装置如图2所示。

图2 振捣装置

将新拌合的混凝土倒入模具中，表面抹平；然后，将振捣棒插入模具正中心处，距模具底部10 cm；开启振捣棒，每组频率分别为100 Hz、150 Hz、200 Hz、250 Hz，记录模具内混凝土排出气泡所用时间以及混凝土的出浆时间，此参数用来反映振捣频率对振捣功效的影响。完毕后缓慢拔出振捣棒，静止1 h后，对混凝土进行脱模并标记好编号，在标准条件下养护28 d。为使结果具有统计意义，该试验共做3次，取各结果的平均值作为数据代表值。

到达龄期后，将混凝土试块上下各取150 mm厚度进行切割，经研磨、抛光后，对混凝土切割面进行墨水染色处理，如图3所示。然后，用石灰粉粉末填充切割面内孔隙，除去表面多余粉末，用气孔分析仪(如图4)观察切片混凝土的气孔分布情况，量测气孔尺寸，统计各尺寸气孔的数量及分布，用来反映振捣频率对气孔分布及混凝土密实程度的影响。

图3 混凝土气孔观测切片(单位：mm)

混凝土抗渗透性主要是指抵抗氯离子渗透的能力，使用混凝土电通量测定仪(如图5)测量一定时间内的电通量值。

图4 HC-457型硬化混 图5 DTL-6混凝土氯离子

凝土气孔分析仪 电通量测定仪

3 试验结果分析

3.1 振捣频率对振捣功效的影响

新拌混凝土属于Bingham流体，是一种复杂的三相混合物[9]，气泡受内部阻力的影响，不能自行排出。振捣时，混凝土产生流动，排出内部多余气泡，用秒表记录不同振捣频率下各试件的出浆时间及气泡排空持续时间，出浆时间和排气时间用时越短，说明振捣功效越高。结果取3次试验的平均值，数据如图6所示。

由图6可知，当振捣频率不变时，混凝土坍落度

图6 振捣频率对混凝土性能的影响

越大，其出浆时间和排气时间用时越短，其中C组混凝土振捣密实的时间约为10～40 s，而A组混凝土振捣时间是C组混凝土振捣时间的2倍以上。在同组的混凝土振捣过程中，不同频率振捣混凝土使其密实的时间差异也较大，C组最少相差16 s，A组最多相差30 s。

3.2 振捣频率对气孔分布的影响

混凝土内气孔在尺度上可分为两类：一类气泡直径r>5 mm(如图7(a)所示)，该气泡是由于振捣不充分导致气泡没能完全排出所产生的形状不规则的大气孔；另一类气泡直径0.5 mm≤r≤5 mm(如图7(b)所示)，该气泡是由于混凝土拌合时空气被引入所产生的。混凝土切片后，用气孔分析仪观察切片混凝土的气孔分布情况，量测气孔尺寸，统计出上下两层混凝土气孔总数量，取3次试验的平均值，统计结果如表4所示。

图7 混凝土内气泡分布

从表中数据可以看出：坍落度越低，振捣频率越低，空隙率越大，大气泡(直径r>5 mm)较多，但上下层气泡数量相近；坍落度越高，振捣频率越高，空隙率降低，小气泡(直径0.5 mm≤r≤5.0 mm)较多，且气泡在上下层分布不均匀。原因可能是在高频振捣条件下，混凝土内部较大气泡被分裂成小气泡，使混凝土内部上下层的气泡相差较明显。可以得出结论：适当的频率振捣可以提高气泡的排出效率，增强混凝土密实性。

表4 混凝土内部气泡检测

3.3 振捣频率对回弹强度的影响

利用回弹仪测量混凝土的回弹强度，取3次试验的平均值，3组混凝土结果如图8所示。由图可知：随着频率的增大，各组混凝土强度均有不同程度的提高，原因是频率增大后，混凝土含气量降低，密实性提高；混凝土坍落度越小、振捣频率越低，其均质性较好；当振捣频率为100 Hz时，A组混凝土上、下层回弹强度差值最小，为1.3 MPa；当振捣频率为200 Hz时，C组混凝土上、下层回弹强度差值最大，为5.5 MPa，但是当振捣频率降低至100 Hz时，其回弹强度差值也得到较好的控制。因此，控制混凝土振捣频率处于一定范围内，可以提高混凝土的均质性，即可以保证龄期强度处于稳定的受控状态，不至于忽高忽低。

图8 混凝土回弹强度及其匀质性试验结果

3.4 振捣频率对抗渗透性的影响

氯离子侵蚀是导致钢筋锈蚀的罪魁祸首之一，其会大幅降低混凝土的耐久性，混凝土抗氯离子渗透性能是耐久性的表征指标之一，可以通过测量试件的电通量反映氯离子的渗透能力。

试验时，将剩余的300 mm厚试块继续养护28 d后，取中部50 mm。将试样放在饱水机中充分饱水，使水分充满毛细管路，此步骤目的是打通离子通过的通道。然后，将试样装入氯离子电通量测定仪，电池盒正极注入0.3%的NaOH溶液，负极注入3%的NaCl溶液，溶液中正离子有H+和Na+，负离子有Cl-和OH-。通入60 V直流电，时间为6 h，仪器自动记录电通量，电通量越小，表示抗渗透性能越好。取3次试验的平均值，统计结果如图9所示。

图9 混凝土抗渗透性试验结果

可以看出：随着频率的增大，电通量总体呈下降趋势，表明抗渗透性能有所提升；坍落度较小时，需要较高的振振捣频率。坍落度较大时，抗渗透性能保持稳定。坍落度相同时，电通量最低时对应的频率各不相同，分别为A组150 Hz，B组200 Hz，C组250 Hz。

4 结论

(1)在100～250 Hz的振捣频率内，随频率的提高，混凝土出浆及排气的持续时间缩短，表明振捣效果随振捣频率的增大而提高。

(2)混凝土的振捣频率和坍落度是决定其内部气泡分布的重要因素，当坍落度为140 mm、振捣频率为150 Hz时，混凝土内部气泡分布均匀、孔隙率小、混凝土较为密实。

(3)提高振捣频率，可以降低混凝土含气量，提高密实度，从而提高强度；混凝土坍落度越小、振捣频率越低，其均质性较好。

(4)随着振捣频率的提高，混凝土抗渗透性能提升，坍落度较大时，振捣频率对混凝土抗渗透性能影响较小。

总之，针对不同坍落度的混凝土，选取合适的振捣频率能有效改善混凝土性能。本工程所用混凝土为C30，坍落度控制在140 mm左右，当振捣频率在150 Hz时，混凝土排气时间较短、回弹强度较高，混凝土的匀质性及抗渗透性均较好。