基于振动搅拌的混凝土配合比设计及其性能研究

2023-09-11吴多明汪金满

甘肃科技 2023年8期

吴多明，汪金满△，王鑫，马强

（1.甘肃省第五建设集团有限责任公司，甘肃天水 741000；2.天水师范学院土木工程学院，甘肃天水 741001）

1 引言

近年来，国内基础建设规模扩展，混凝土用量加剧，从而导致水泥用量逐年增加。然而，水泥的生产会产生大量的CO2，从而造成严重的环境污染。所以，若能减少国内每年的水泥用量，则可以减轻土木行业碳排放问题，从而达到改善环境的目的。目前常用的普通搅拌机成型的混凝土内部约20%的水泥颗粒仅起到了填充作用，并未参与水化反应，造成了大量水泥的浪费，间接使环境污染加剧。而振动搅拌集搅拌与微振动于一体，可以使水泥颗粒分散均匀，从而起到促进水泥水化作用。所以，利用振动搅拌机成型混凝土符合国家发展要求，具有十分重要的意义。

振动搅拌对混凝土性能的影响主要是物理分散作用，针对此，国内外学者进行了多年的研究，积累了一定的理论成果。姚运仕等[1]根据普通搅拌机与振动搅拌机拌和的混凝土和易性与抗压强度试验，分析了振动搅拌对混凝土性能的影响，结果表明，利用振动搅拌机成型混凝土不仅可以缩短搅拌时间还可以优化混凝土和易性与抗压强度。张良奇[2]通过大量试验分析论证了振动搅拌机所制备的混凝土性能优于普通搅拌机制备的混凝土，同时研究了振动搅拌改善混凝土机理。张海涛等[3]基于实际工程项目，建立了工程大型振动搅拌机与室内小型振动搅拌机的关联，并通过室内小型振动搅拌机研究了水泥稳定碎石配合比。陈柯等[4]利用冻融循环与收缩性试验分析了振动搅拌拌和的路基材料抗冻与抗收缩性能，结果表明，采用振动搅拌拌和的路基材料抗冻性与抗收缩性均优于普通搅拌机拌和的路基材料。黄天勇等[5]分析了不同养护条件下振动搅拌机与普通搅拌机拌和的混凝土工作性能与抗压强度，结果表明，2种搅拌机拌和的混凝土工作性能相似，但是振动搅拌可使混凝土抗压强度有所提高，提高程度随着混凝土强度等级而变。董武等[6]利用振动搅拌机成型了再生骨料混凝土，并对其性能进行了研究，结果表明，通过振动搅拌机成型的混凝土表观密度有较大幅度的增大，同时，混凝土内部含气量有所增加。王博[7]、李雪连等[8]也利用振动搅拌机分别成型了水泥稳定碎石与混凝土并进行了研究。然而，关于利用振动搅拌机成型混凝土时配合比设计与气孔结构的研究，目前未见文献报道。

文章基于振动搅拌机运行机理，分别将水泥用量降低3%、5%、7%、9%后，设计了5组混凝土配合比。利用振动搅拌机成型混凝土，并研究了水泥减少量不同时混凝土的和易性、抗压强度以及养护28 d后的气孔结构。从而为振动搅拌机的研究和土木行业的绿色发展提供可靠的数据支撑。

2 试验

2.1 原材料

水泥为祁连山P.O 42.5普通硅酸盐水泥，其性能指标见表1，化学成分见表2。粉煤灰、粗细骨料均由兰州某搅拌站提供。其中粉煤灰为Ⅱ级粉煤灰，粗细骨料均满足《普通混凝土用砂、石质量及检验方法标准》（JGJ 52—2006）要求。混凝土拌和用水质量满足《混凝土用水标准》（JGJ 63—2006）要求。

表1 P.O 42.5普通硅酸盐水泥部分性能指标

表2 P.O 42.5普通硅酸盐水泥化学成分

2.2 配合比

根据振动搅拌可以使水泥颗粒更为分散机理，分别将水泥用量降低0%、3%、5%、7%、9%后，设计了5组配合比，具体见表3。

表3 混凝土配合比（kg/m3）

2.3 试验方法

利用普通搅拌机成型Z1组混凝土，振动搅拌机成型其余组混凝土，然后测混凝土坍落度、扩展度、抗压强度以及气孔结构，试验方法分别如下：

坍落度与扩展度：待混凝土拌合物出机后，利用铁锹手动翻匀，然后分3次装入已经润湿过的坍落度筒，每次装入后用捣棒由边向中心插捣25次，且每次装入的量应为坍落度筒高度的1/3。待装料工作完成后，竖直提起坍落度筒，然后等拌和物不再坍落与扩展后利用直尺测坍落度与扩展度。

抗压强度：每组配合比成型9块100 mm×100 mm×100 mm的立方体试块，标准养护至7 d、28 d、56 d后利用微机控制压力机测试件抗压强度。

气孔结构：每组配合比成型3块试件，养护至28 d后，在3块试块中挑出外观最完整的，然后利用岩石自动切割机将试件切割成100 mm×100 mm×10 mm的样品，再利用气孔结构分析仪分析混凝土内部气孔结构。

3 试验结果

3.1 工作性能

对每组混凝土出机时、60 min后的坍落度与扩展度均进行了试验，结果如图1所示。

由图1可看出，不同组混凝土在相同减水剂用量下和易性存在较大的差距。由图l（a）可知，Z1、Z2、Z3、Z4、Z5组混凝土初始坍落度分别为195 mm、205 mm、200 mm、195 mm、180 mm；60 min后坍落度分别为165 mm、175 mm、160 mm、155 mm、135 mm，由此可知，5组混凝土60 min内坍落度损失分别为30 mm、30 mm、40 mm、40 mm、45 mm。由图1（b）图看出，Z1、Z2、Z3、Z4、Z5组混凝土初始扩展度分别为455 mm、500 mm、475 mm、425 mm、400 mm；60 min后扩展度分别为400 mm、450 mm、420mm、365mm、330mm，由此可知，5组混凝土60min内扩展度损失分别为55 mm、50 mm、55 mm、60 mm、70 mm。因此，从试验结果可知，即使降低3%或5%的水泥用量，通过振动搅拌机成型的混凝土拌和物和易性仍优于普通搅拌机成型的未减少水泥用量的混凝土，而当水泥用量降低9%时，则相反。并且，即使减少3%或5%的水泥用量，利用振动搅拌机成型的混凝土60 min内流动度损失较小。

图1 混凝土工作性能

3.2 抗压强度

减少不同量水泥后，再利用振动搅拌机成型混凝土，其7 d、28 d、56 d抗压强度如图2所示。

图2 混凝土抗压强度

由图2可知，不同组混凝土抗压强度差异较大。Z1、Z2、Z3、Z4、Z5组试件7 d抗压强度分别为24.58 MPa、24.86 MPa、23.12 MPa、22.25 MPa、20.05 MPa；28 d抗压强度分别为40.15 MPa、41.22 MPa、40.05 MPa、39.35 MPa、37.58 MPa；56 d抗压强度分别为45.32 MPa、46.68 MPa、44.12 MPa、43.12 MPa、42.25 MPa。相比于普通搅拌机成型的未减少水泥用量的混凝土，利用振动搅拌机成型的混凝土，当水泥用量降低3%后，混凝土抗压强度7 d、28 d、56 d时分别增大了1.4%、2.7%、3%；当水泥用量降低5%后，混凝土抗压强度7 d、28 d、56 d时分别增大了-5.9%、-0.2%、-2.6%；当水泥用量降低7%后，混凝土抗压强度7 d、28 d、56 d时分别增大了-9.5%、-2%、-4.9%；当水泥用量降低9%后，混凝土抗压强度7d、28d、56d时分别增大了-18.4%、-6.4%、-6.8%。可看出，虽然水泥用量减少了3%、5%、7%、9%，但是利用振动搅拌机成型的混凝土抗压强度仍满足配置强度，并且，当水泥减少量为3%时，抗压强度甚至高于普通搅拌机成型的未减少水泥用量混凝土。究其原因，主要是因为振动搅拌机在拌和混凝土的过程中主轴上附着的振动设备赋予水泥颗粒一定的振动作用，从而抑制了水泥颗粒间的团聚现象，使水泥颗粒充分水化。同时，振动作用使混凝土中细小砂粒更加均匀地分散于孔隙中，起到很好的填充作用，使得混凝土结构更为密实，从而提高了混凝土抗压强度，并且可以节约0%～5%的水泥用量。

3.3 气孔结构

Z1、Z2、Z3、Z4、Z5组混凝土试件养护至28 d后，利用气孔结构分析仪分析内部气孔个数，结果如图3所示。

图3 混凝土气孔结构

混凝土气孔结构是通过气孔结构分析仪对100 mm×100 mm的混凝土面进行扫描拍照，然后仪器自动分析扫描面的气孔个数等微观结构。从图3可看出，养护28 d后，不同组混凝土在相同大小扫描面上的气孔个数均不同。Z1组混凝土气孔个数为21个，且气孔直径主要分布在100～250 μm。Z2组混凝土气孔个数为18个，气孔直径主要分布在50 μm左右。Z3组混凝土气孔个数为18个，气孔直径主要分布在50 μm左右。Z4组混凝土气孔个数为21个，气孔直径主要分布在50～150 μm。Z5组混凝土气孔个数为26个，气孔直径主要分布在50～250 μm之间。可见，随着水泥用量的减少，混凝土内部气孔个数明显增多，气孔平均直径增大。但是，相比于普通搅拌机成型的未减少水泥用量的混凝土，当水泥用量减少3%和5%时，利用振动搅拌机成型的混凝土气孔个数有所降低，且气孔平均直径减小。表明即使降低了水泥用量，但是利用振动搅拌机成型的混凝土内部更为密实。这与抗压强度试验结果相对应，当混凝土内部更密实时其抗压强度也较高。因此，结合和易性与抗压强度试验，振动搅拌机能优化混凝土性能，增大混凝土流动性、抗压强度，并且通过振动搅拌作用后，混凝土内部更为密实，这有利于混凝土耐久性的提升。此外，在混凝土性能不变的情况下，利用振动搅拌机成型混凝土可以减少5%的水泥用量，可达到节约水泥、降低成本的效果。但是若水泥减少量太大，则会因胶凝材料量太少，浆体难以对骨料起到润滑作用而降低混凝土流动度，且此时水胶比过大，使得混凝土强度与内部密实度不足。