振动搅拌与振动成型对混凝土性能指标的影响

撰稿：赵顺，赵悟          校核：冯忠绪

 0.引言

工程施工现场基本采用插入式振捣棒密实成型与人工插捣密实成型；而在实验室中大多采用振动台密实成型或振压成型来制作试样。在实践中发现：

（1）振动搅拌的混凝土不仅强度和使用性能要比普通强制搅拌的高，而且成型方式对其性能的影响不大；而普通搅拌得到的混凝土不仅强度等指标较低，而且不同成型方式的混凝土的强度差别也很大。

（2）振动成型与振动搅拌对混凝土性能的影响机理、影响程度有本质上的差别。

为证实以上发现的可靠性，在普通搅拌和振动搅拌下进行试验研究，确定多种成型方式对混凝土强度、耐久性等性能指标的影响及彼此之间的区别与联系，同时研究振动搅拌与振动成型在机理与作用上的本质区别。主要研究内容如下：

（1）研究在振动搅拌和普通搅拌下不同成型方式对混凝土性能指标的影响。

（2）将不同成型方式在振动搅拌和普通搅拌下对比，得出振动搅拌和普通搅拌下不同成型方式的区别和联系

（3）将普通搅拌下的振动成型与振动搅拌下的各种成型方式对比，研究振动成型与振动搅拌对混凝土性能的不同影响

（4）通过对成型试件的电镜观察与分析，研究振动搅拌的混凝土在不同成型方式时对内部孔结构的影响以及它们之间孔结构的区别

本文试验的场所是在河南省某路桥施工企业质量检测部门，试验所用的原材料是许昌当地的商砼站，按照《公路工程集料试验规程》（JTG/E42-2005）进行筛分得到级配；按照《普通混凝土拌合物性能试验方法》（GB／T 50080-2002）和《公路路面基层施工技术规范》（JTJ034-2000）规范，基于对成型方式之间的探究以及振动搅拌在不同成型方式下对混凝土性能的影响，设计同一强度等级、不同坍落度、不同搅拌方式、不同成型方式的试验。强度等级选用最常用的C30等级，坍落度分为180mm、90mm、20mm三种，搅拌方式分为振动搅拌和非振动搅拌两种，试验的成型方式有振动台、人工插捣、插入式振捣成型，振动压实成型（在振动台成型的试件上增加一个装有5kg的重物试件）等四种。

论文省略了第一章与第二章的理论研究与分析部分。

第三章 试验研究

3.1试验目的及方法

研究在普通搅拌和振动搅拌下，不同成型方式对混凝土影响的差别；同时研究普通搅拌后采取振动成型与振动搅拌后，各种成型方式对混凝土性能影响的差别。由于本次试验所涉及的因素水平较多，试验采用对比试验。

3.2试验内容

3.2.1试验参数

本次试验选取了河南许昌某商砼站常用的材料组合，来试验不同搅拌方式以及不同成型方式对混凝土性能指标的影响。本试验的影响因素有：成型方式、搅拌方式、坍落度。根据实际工程施工情况，选取C30的普通等级的混凝土强度，选用的DT60LZBW振动搅拌机在试验中分别采取普通搅拌（不开振动）和振动搅拌（振动强度2.0）进行；制作试件的具体过程是参照《普通混凝土力学性能试验方法》（GB/T50080-2002），选取的成型方式有振动台、人工插捣、插入式振捣棒，并另加一种参照的成型方式—振动压实成型（在振动台成型的试件上增加一个装有5kg的重物试件）等4种成型方式。为了得到不同的坍落度20mm、90mm、180mm，减水剂的用量分别为1.5%、2.0%、2.5%，养护龄期是7天和28天，需测定的指标有强度以及坍落度为180mm、养护龄期为28天的内部孔结构。试验的影响因素如表3.1。

表3.1  因素水平表

3.2.2试验安排

由此，进行试验，试验安排如表3.2所示。

 表3.2  试验安排

3.3试验仪器及材料的选取

3.3.1试验仪器

（1）圆形方孔集料筛

圆形方孔集料筛是用来筛分各档骨料尺寸分布范围否符合规定级配的工具，试验使用的集料筛尺寸范围从0.6～19mm，即：筛孔的尺寸依次为19mm、16mm、13.2mm、9.5mm、4.75mm、2.36mm、1.18mm、0.6mm。实物图如图3.1。   

（2）压力机

混凝土试件性能检测关键的性能指标—强度的检测设备为压力机，本文用到的是TYT-2000B型压力机，电机的功率为1.1kW，测定值的误差在1%内，上下承压板距离320mm，上下压板尺寸320×320mm，实物如图3.2所示。

（3）试件养护箱

试件养护箱用于试件脱模后对试件进行恒定温度以及恒定湿度的养护，采用HSBY-40B型养护箱，如图3.3所示。

（4）全自动压汞测孔仪

压汞法是最常用的孔结构的测定方法，本文采用的就是压汞法，设备为美国Micromeritics 公司生产的9510全自动压汞测孔仪如图3.4。所测孔径范围3～3.6E5nm，可以测定孔结构中的平均孔径、孔隙率、孔比表面积等参数。

在测定前，首先要把养护龄期为28天的试件破碎；其次用2.36mm~4.75mm筛子进行筛分；并选取无棱边、无尖锐菱角、无针片、无粗细骨料包裹的砂浆颗粒，颗粒形状规则大小约为10g；然后遵循《用压汞法和气体吸附法评价材料的孔径分布和孔隙率》（ISO 15901）标准进行。本文选取坍落度为180mm、养护时间为28天的试件进行测定。

（5）混凝土振动搅拌机

图3.5所示是由许昌德通振动搅拌技术有限公司生产的容积为60L的振动搅拌机，其主要组成部分由搅拌传动与动力部分、振动传动与动力部分、机架、卸料门、罩壳等组成。搅拌部分有搅拌装置、搅拌驱动、传动装置组成；振动部分有振动体、振动传动、驱动装置组成；机架有搅拌缸和支撑底架组成。主要参数由下表3.3所示。

图3.5 DT60ZBW振动搅拌机

表3.3 试验搅拌机性能参数

3.3.2试验材料

（1）粗集料1号

为了使试验更加接近实际工程应用，粗集料1号是来自于当地许昌叁合商砼站的原材料碎石，在对原材料进行筛分时，首先称5kg的试样，对其进行筛分；筛分时发现碎石的直径范围是9.5mm~19mm，根据集料筛的规格尺寸选取筛孔尺寸为4.75mm~19mm。

（2）粗集料2号

粗集料2号也是来自于当地许昌叁合商砼站的原材料碎石，在对原材料进行筛分时，首先称2kg的试样，对其进行筛分；筛分时发现碎石的直径范围是1.18mm~9.5mm，根据集料筛的规格尺寸选取筛孔尺寸为0.6mm~9.5mm，进行筛分。

（3）细骨料

细骨料是来自于当地许昌叁合商砼站的原材料的砂，在对原材料进行筛分时，首先称1kg的试样，对其进行筛分；根据集料筛的规格尺寸选取筛孔尺寸为0mm~4.75mm。

（4）水泥

根据国标《通用硅酸盐水泥》（GB175-2007）的规定以及本文设计时的强度要求为C30，因此采用42.5级普通硅酸盐水泥。

（5）试验配合比的确定

本文选用混凝土强度为C30，坍落度设计为180mm、90mm、20mm三种，水灰比、砂率、水的用量来确定不同原材料用量的比值。根据《普通混凝土配合比设计规程》（JGJ55-2011）以及所测定的原材料的直径，确定水灰比为0.53，砂率0.302，用水量175kg，坍落为180mm、90mm、20mm对应的减水剂为2.5%、2.0%、1.5%。经过配合比计算公式计算后，确定单位立方米混凝土混合料各含量：水泥330kg，粗骨料1083kg，细骨料722kg，水175kg，粉煤灰70kg。混凝土的基本配合比如下表3.4所示。

表3.4  混凝土基本配合比结果

 第四章 试验结果分析

本文研究了在不同坍落度、不同搅拌方式以及不同成型方式条件下，无侧限抗压强度以及孔隙率的测量。如表4.1中所示，7天、28天养护后所测数据，经计算后的强度值以及离差系数。

表4.1  7天和28天无侧限抗压强度

4.1振动搅拌对强度的影响

本文的试验是根据国标《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》 (GBT50082-2009)所进行设计的，进行了不同搅拌方式、不同坍落度、不同成型方式的试验，并进行了7d以及28d的龄期养护，然后进行了抗压强度试验，试验结果如上表4.1所示。

下面是针对上表结果的进一步对比分析，以下是养护时间为7天的数据分析，下图4.1是坍落度为180mm、90mm、20mm的处理结果。

图4.1 不同坍落度7天的试验结果

由图4.1可知，相对于普通搅拌下的振动台成型，当坍落度为180mm时，振动搅拌下的不同成型方式强度提高了9.8%~18.3%；当坍落度为90mm时，振动搅拌下的不同成型方式强度提高了8.7%~21.0%；当坍落度为20mm时，振动搅拌下的不同成型方式强度提高了6.8%~15.3%。

当坍落度均为180mm时，振动搅拌提高了水泥混凝土的强度，强度提升的幅度为16.6%~25.6%；当坍落度均为90mm时，振动搅拌提高了水泥混凝土的强度，强度提升的幅度为16.1%~21.4%；当坍落度均为20mm时，振动搅拌提高了水泥混凝土的强度，强度提升的幅度为15.3%~20.6%。

下面是针对上表4.1结果进一步对比分析，以下是养护时间为28天的数据分析，下图4.2分别是坍落度为180mm、90mm、20mm的处理结果。

图4.2 不同坍落度28天的试验结果

图4.2可知，相对于普通搅拌下的振动台成型，当坍落度为180mm时，振动搅拌下的不同成型方式强度提高了8.6%~14.2%；当坍落度为90mm时，振动搅拌下的不同成型方式强度提高了7.7%~16.0%；当坍落度为20mm时，振动搅拌下的不同成型方式强度提高了6.6%~10.7%。

当坍落度均为180mm时，振动搅拌提高了水泥混凝土的强度，强度提升的幅度为12.3%~17.4%；当坍落度均为90mm时，振动搅拌提高了水泥混凝土的强度，强度提升的幅度为11.4%~17.1%；当坍落度均为20mm时，振动搅拌提高了水泥混凝土的强度，强度提升的幅度为10.5%~16.4%。

综上所述，同一坍落度下无论养护时间是7天或者28天，在不同的成型方式下，振动搅拌均能提高水泥混凝土的强度，只是提升的幅度略有不同；养护时间为7天时，振动搅拌提升强度的幅度为16%~25%左右；养护时间为28天时，振动搅拌提升强度的幅度为10%~17%。相对于普通搅拌下的振动台成型，振动搅拌下的不同成型方式强度提高了15%左右。针对本文的试验结果的解释是，振动从振动搅拌装置传到混合料时，会促使拌缸内的混合料发生颤动，该颤动不仅增强了靠近搅拌轴的低效区混合料的运动，而且搅拌叶片的振动使得不在搅拌低效区的混合料也产生颤动，水泥团、粉料团，水团受到颤动后会被破坏，原先水化不充分的水泥与水进一步接触，水化反应加速，生成均匀的水泥浆体，同时破坏水泥浆体内大的孔隙，使其生成无害微孔隙，使混合料固、液、气3相在微观上也都趋于均匀，提高了混凝土强度及综合性能。

4.2成型方式对强度的影响

本文采用的是三组（振动台、人工插捣、插入式振捣成型）试验组，一组参照组（振压成型），共四种成型方式；对混凝土试件的养护时间选用规定的7天和28天龄期，分别对所有的试件进行抗压强度试验，以下是对成型结果进行进一步分析。

下面是在振动搅拌条件下，不同成型方式的抗压强度变化规律，如下图4.3所示。

图4.3 不同坍落度下成型方式的强度变化规律

从图4.3可知，在振动搅拌下当混凝土拌合物坍落度为180mm、90mm、20mm时，无论是7天还是28天振动台、插入式振捣以及人工插捣成型得到的抗压强度差值不大，其强度幅度的差别在2%~7%左右。

下面是在普通搅拌条件下，不同成型方式的抗压强度变化规律，如下图4.4所示。

图4.4 不同坍落度下成型方式的强度变化规律

从图4.4可知，在普通搅拌下当混凝土拌合物坍落度为180mm、90mm、20mm时，无论是7天还是28天不同的成型方式得到的抗压强度差异较大，其强度幅度的差别在5%~20%左右。

综上所述，成型方式对在振动条件下得到的混凝土强度影响较小，养护时间为7天时，不同成型方式试件强度差之间的幅度为4%~8%；养护时间为28天时，不同成型方式试件强度差之间的幅度为2%~7%。成型方式对在普通搅拌条件下的混凝土抗压强度影响大，养护时间为7天时，不同成型方式试件强度差之间的幅度为6%~19%；养护时间为28天时，不同成型方式试件强度差之间的幅度为2%~20%。在普通搅拌条件下，采用不同的成型方式，得到的试件强度差别较大；而振动搅拌没有这一问题，振动搅拌时不同成型方式试件的强度差别不大。

振动搅拌相对于普通搅拌条件下，不同的搅拌形式对水泥混凝土的强度提升是有差异的，其强度提升幅度的排序为：人工插捣>振捣>振压>振动台。在所有测定的试件中，人工插捣成型试件测定的强度提升幅度最大，这是因为经过振动搅拌后的混凝土拌合物再经振动成型后，涉及了对混凝土局部的二次振动作用。而在振动搅拌下的混凝土拌合物采取人工插捣成型，主要是密实，没有二次振动作用。振动搅拌后，再采取振动成型的话，涉及到了对混凝土局部的二次振动，会使拌合物再一次液化，使得水和水泥更加紧密接触，增加水化反应的效果，加剧了大气泡的破裂及更多细小气泡的生成，但由于这时的混凝土组分已经不能移动，其振动的作用效果就远不及在搅拌过程中施加振动的作用。

4. 3振动搅拌对离差系数的影响

下面是针对上表4.1结果进一步对比分析，以下是养护时间为7天的数据分析，下图4.5分别是坍落度为180mm、90mm、20mm的处理结果。

图4.5  7天时不同坍落度的强度离差系数

由图4.5可知，当坍落度为180mm时，相对于普通搅拌，振动搅拌条件下抗压强度的离差系数降低了21.8%~35.9%；当坍落度为90mm时，相对于普通搅拌，振动搅拌条件下抗压强度的离差系数降低了18.4%~32.4%；当坍落度为20mm时，相对于普通搅拌，振动搅拌条件下抗压强度的离差系数降低了28.4%~35.2%。

以下是养护时间为28天的数据分析，下图4.6分别是坍落度为180mm、90mm、20mm的处理结果。

图4.6  28天不同坍落度的强度离差系数

由图4.6可知，当坍落度为180mm时，相对于普通搅拌，振动搅拌条件下抗压强度的离差系数降低了45.5%~52.8%；当坍落度为90mm时，相对于普通搅拌，振动搅拌条件下抗压强度的离差系数降低了39.3%~53.9%；当坍落度为20mm时，相对于普通搅拌，振动搅拌条件下抗压强度的离差系数降低了24.8%~48.9%。

从上述试验结果可以看出，无论哪一种坍落度均呈现出以下规律：相对于普通搅拌来说，每一组试件强度的离差系数在振动搅拌条件下均明显减小；换句话说，就是振动搅拌条件下，试件的强度之间的数值更加稳定。振动搅拌条件下，混合料的颗粒之间由于振动作用，气、液、固3相分布更加均匀，从而提高了试件强度的稳定性。

4. 4成型方式对离差系数的影响

下图是关于不同成型方式在振动搅拌条件下对离差系数的影响分析，图4.7、4.8分别是7天与28天的强度离差系数变化图。

由图4.7、4.8所示，养护时间无论是7天还是28天时，强度离差系数排序为：人工插捣>振捣>振压>振动台。

下图4.9、4.10分别是不同成型方式在普通搅拌条件下的7天与28天的强度离差系数变化图。

由图4.9、4.10所示，在普通搅拌条件下，不同成型方式下的强度离差系数没有很明显的规律性，但是和振动相关的成型方式时的离差系数相对较小。

综上所述，相对于普通搅拌而言，不同成型方式得到试件强度离差系数在振动搅拌条件下具有规律性；普通搅拌条件下并没有明显的规律性。在振动搅拌下，振动台成型的抗压强度值的离差系数最小；振压成型次之；其次是振捣成型；人工插捣成型的抗压强度离差系数最大。

第五章 孔结构分析

5.1孔隙率与特征参数

180mm坍落度以及养护时间28天下，不同搅拌方式和不同成型方式的孔隙率和孔径分布的测试结果如下表5.1所示。

表5.1 孔结构的各参数值

对表5.1的各参数进行以下分析，振动搅拌对孔结构的特征参数影响如下图5.1、5.2、5.3、5.4所示。

上述图表的结果显示出，混凝土的孔隙率在振动搅拌条件下更加接近理想值，对混凝土性能有不利影响的参数如中值孔径、平均孔径、总孔隙面积等均明显减小。中指孔径、平均孔径、总孔隙表面积的降低，说明振动搅拌能明显减少有害大孔隙的数量，而无害甚至有利的孔隙数量增加了，改善了混凝土的性能。孔隙率的增加，说明混凝土整体孔隙增多，振动搅拌在气相分布上起了引气剂的作用，破坏水泥表面颗粒水膜以及搅拌过程中产生的大气泡，从而使得气体充分进入水泥浆体内，优化混凝土内部孔隙结构，增强了混凝土的整体性能。

在振动搅拌条件下，振压成型方式得到的试件的孔隙率与特征参数对混凝土的性能是最有利的；而人工插捣成型方式得到的试件的孔隙率与特征参数对混凝土的性能是最不利的。这是因为对振动搅拌后的混凝土拌合物，采用振压成型方式对混凝土拌合物产生了二次振动作用，消除了粗骨料下面积水相的水膜、促使拌合物重新液化、材质差异性缩小、水泥水化反应更加充分、凝胶体分散更加均匀。因此，二次振动能优化微观孔的局部结构，增大孔隙率的同时还能减小平均孔径和中值孔径，增加了有利孔的分布。

在普通搅拌条件下，振动台成型方式试件的孔隙率最低时，平均孔径、中值孔径、总孔隙面积是最小的；而人工插捣成型得到的试件的孔隙率与特征参数对混凝土的性能是最不利的。这是因为在振动成型的情况下，拌合物内的颗粒在振动能的作用下产生瞬时间的运动且相互碰撞，使得拌合物再次液化，拌合物颗粒间的摩擦力降低，水泥团受到振振作用而破坏，增强了水化反应，使得孔隙内部结构分布比人工插捣成型方式均匀。

5.2孔级配

本文孔级配的测试结果如下表5.3所示。

表5.3 各级孔径占总孔隙比值（%）

各个试件测得的振动搅拌对孔级配影响的曲线图，如下图5.5所示。

图5.5 不同成型的混凝土孔级配分布图

（1）振动搅拌对孔级配的影响

从上图可以看出，振动台成型下，当混凝土的孔径<50nm时，振动搅拌测定试件的孔含量的比率为40.1%，远大于普通搅拌的26.9%；插入式振捣棒成型下，当混凝土的孔径<50nm时，振动搅拌测定试件的孔含量的比率为36.9%，远大于普通搅拌的25.2%；人工插捣成型下，当混凝土的孔径<50nm时，振动搅拌测定试件的孔含量的比率为35.2%，远大于普通搅拌的22.5%；振压成型下，当混凝土的孔径<50nm时，振动搅拌测定试件的孔含量的比率为41.9%，远大于普通搅拌的28.4%。

振动搅拌后，水泥混凝土的孔级配的改善效果很显著，主要表现为混凝土的孔隙向着减小的方向移动，大孔的数量比例减小，同时小孔数量比例明显增加。无论在何种成型方式下，振动搅拌对孔级配有明显的改善，振动搅拌的混凝土的细小孔隙的含量明显要比不振动搅拌的多，特别是10nm以及10nm～50nm之间的无害孔含量比率大，同时大于250nm孔隙含量的比率明显小了许多。

从以上图表中可以看出，振动搅拌后，水泥混凝土的孔级配的改善效果很显著，主要表现为混凝土的孔隙向着减小的方向移动，大孔的数量比例减小，同时小孔数量比例明显增加。无论在何种成型方式下，振动搅拌对孔级配有明显的改善，振动搅拌的混凝土的细小孔隙的含量明显要比不振动搅拌的多，特别是10nm以及10nm～50nm之间的无害孔含量比率大，同时大于250nm孔隙含量的比率明显小了许多。

（2）成型方式对孔级配的影响

成型方式对孔级配的影响的曲线图如下图5.6及图5.7所示。从图中可以在振动搅拌条件下，孔径小于150nm同时以人工插捣成型作为基准，振动台成型试件此孔隙所占百分比提升了13.9%；插入式振捣棒成型试件此孔隙所占百分比提升了4.8%；振压成型试件此孔隙所占百分比提升了18.1%。在普通搅拌条件下，孔径小于150nm同时以人工插捣成型作为基准，振动台成型试件此孔隙所占百分比提升了17.4%；插入式振捣棒成型试件此孔隙所占百分比提升了8.0%；振压成型试件此孔隙所占百分比提升了17.9%。

从上述结果中可以看出，振动搅拌条件下成型方式对孔级配的影响明显小于普通搅拌条件下的。采用不同成型方式成型的试件其孔级配的优先排序为：振压成型>振动台成型>振捣棒成型>人工插捣成型。

结论

实验室中常用的混凝土试件成型方式有：振动台成型、插入式振捣棒成型、人工插捣成型；在施工现场常用的成型方式有：插入式振捣棒成型以及人工插捣成型。但是，目前对于不同成型方式对混凝土性能指标的影响却鲜有研究，特别是在振动搅拌时不同成型方式对混凝土性能指标的影响还未见研究。实践中发现，振动搅拌不仅能够显著改善搅拌质量和效率，使混凝土达到宏观与微观上的均匀；而且与普通搅拌相比较，在振动搅拌条件下不同的成型方式对混凝土性能指标的影响也比较小。因此，本文通过对比试验，考证不同搅拌方式及不同成型方式对混凝土性能的影响。主要研究结论如下：

（1）发现振动成型与振动搅拌对混凝土性能的影响在局部有重叠，但是二者的机理有本质的不同，对混凝土性能指标的影响也完全不同，振动搅拌能全面改善混凝土的性能，振动成型只能局部改善混凝土的性能。

（2）通过对比振动和非振动条件下混凝土的性能，结果表明：振动搅拌不仅能提高混凝土的强度，而且试件间强度的离差系数小；养护时间为7天时，振动搅拌提升强度的幅度为16%~25%左右，离差系数降低了10%~20%；养护时间为28天时，振动搅拌提升强度的幅度为10%~17%，离差系数降低了15%~24%。

（3）相对于普通搅拌下的振动台成型，振动搅拌下的不同成型方式时试件强度提高了15%左右。

（4）不同成型方式时振动条件下得到的混凝土的强度差别较小，养护时间为7天时，不同成型方式试件强度差之间的幅度为4%~8%；养护时间为28天时，不同成型方式试件强度差之间的幅度为2%~7%。而成型方式在普通搅拌条件下的混凝土抗压强度影响大，养护时间为7天时，不同成型方式试件强度差之间的幅度为6%~19%；养护时间为28天时，不同成型方式试件强度差之间的幅度为2%~20%。在普通搅拌条件下，采用不同的成型方式，得到的试件强度差别较大。

（5）当混凝土的孔径<50nm时，振动搅拌测定试件的孔含量的比率为40%，远大于普通搅拌的25%；当混凝土的孔径＞250nm时，振动搅拌测定试件的孔含量的比率为10%远小于普通搅拌的30%；振动搅拌与普通搅拌在不同成型方式下比较，振动搅拌的孔隙率高，但平均孔径、中值孔径、孔比表面积均较小。

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