, 任云阳, 吴振东 东北大学 资源与土木工程学院，辽宁 沈阳 110819
收稿日期：2019-04-19
基金项目：辽宁省自然科学基金资助项目(20180550225, 20170540304)；中国矿业大学(北京)深部岩土力学与地下工程国家重点实验室开放基金资助项目(SKLGDUEK1920)；中央高校基本科研业务费专项资金资助项目(N170108029)。
作者简介：贾蓬(1973-), 女, 内蒙古呼和浩特人, 东北大学副教授, 博士。
摘要：为研究混凝土振动拌和过程中的振动参数对混凝土强度和抗冻性能的影响，通过正交试验分析了振动功率、振动时间、拌和次数对混凝土抗压强度的影响，得到了实验室条件下混凝土振动拌和的最优参数组合；在此基础上，对以该最优振动参数振动拌和的混凝土试件进行冻融试验，分析了振动拌和对混凝土抗冻性能的影响.试验结果表明，振动功率对混凝土试件的抗压强度影响较为显著，而振动时间对其影响较小；振动拌和可有效提高混凝土的抗压强度，以本试验获得的最佳振动参数振动拌和的混凝土，其28 d抗压强度较相同配比的静力搅拌的普通混凝土抗压强度提高24.31%；随冻融循环次数的增加，经振动拌和的混凝土试件的质量损失率和抗压强度损失率均明显低于采用静力搅拌的混凝土的相应指标，振动拌和有助于提高混凝土的抗压强度和抗冻性.
关键词：振动拌和冻融质量损失率抗压强度正交试验
Strength and Frost-Resistance Properties of the Vibration-Mixed Concrete
JIA Peng, DU Gong-cheng
, REN Yun-yang, WU Zhen-dong School of Resources & Civil Engineering, Northeastern University, Shenyang 110819, China
Corresponding author: DU Gong-cheng, E-mail: 1228128369@qq.com
Abstract: The influence of vibration parameters on strength and frost-resistance properties of vibration-mixed concrete was experimentally studied. Firstly, the effects of vibration power, vibration time and mixing numbers were analyzed through orthogonal tests to determine the optimal vibration parameters; then, freeze-thaw tests were conducted on those concrete specimens prepared according to the optimized vibration parameters to analyze the frost-resistance properties. Results show that the vibration power has a more significant effect on the compressive strength of concrete than the mixing numbers and the vibration time. Through vibration-mixing, the 28 d compressive strength increase by 24.31% compared with those prepared by static-mixing method. With the increase of freeze-thaw cycles, the mass loss rate and compressive strength loss rate of the vibration-mixed concrete are significantly lower than those of the static-mixed concrete. The concrete compressive strength and the frost-resistance properties can be improved through the vibration-mixing process.
Key words: vibration-mixingfreeze-thawmass loss ratecompressive strengthorthogonal test
混凝土作为目前最为常用的建筑材料之一，其力学性能和耐久性的提高一直是人们关注研究的热点问题.通过在混凝土中加入添加剂和掺合料，可以有效提高混凝土的性能[1-5].尽管如此，将采用传统静力搅拌方式的新拌混凝土试样中的水泥浆放在显微镜下观察会发现仍有10%~30%的水泥颗粒黏聚为小水泥团[6]，这说明新拌混凝土各组分尤其是水泥等胶结材料没有在微观上达到均匀，因此这种聚团现象不仅浪费了水泥，而且容易产生干缩和温缩开裂，从而影响混凝土的强度和耐久性.Ferraris等[7]研究发现，利用振动频率为7 500 r/min的插入式振动器转盘式搅拌机，在水泥用量不变的条件下，其28 d抗压强度可提高约50%.可见，在混凝土搅拌过程中通过振动改善水泥等胶结材料的聚团现象有助于提高混凝土的性能.
不少学者在振动拌和提高混凝土性能方面开展了研究.在振动拌和改善混凝土机理方面，冯忠绪等[8]研究了振动拌和可提高界面过渡区的强度；冯建生等[9]认为振动能够破坏水泥聚团现象，加速水泥水化反应，从而改善混凝土整体性能；赵悟等[10]认为振动作用可有效提高界面过渡区的密实度；付昌会等[11]研究发现振动改善了混凝土的含气量，进而增强了混凝土的耐久性.
在振动拌和装置方面，赵利军等[12]针对混凝土搅拌过程中存在的水泥颗粒聚团和搅拌低效区问题，提出了搅拌低效区改进方法；Banfill等[13]分析了插入式振动的作用半径与新拌混凝土流变性和振捣特性的关系；沈虹等[14]提出了改进的二次振动搅拌方案.
在振动拌和改善混凝土性能方面，赵利军等[15-16]的研究表明振动搅拌能够提高混凝土强度, 改善混凝土的孔结构和含气量；沈虹等[17]的研究表明在适当的振动强度范围内，振动强度与混凝土的抗压强度呈线性相关；付昌会等[18]发现振动搅拌可以增加混凝土的含气量，有效改善混凝土的孔结构；文献[19-20]研究表明振动搅拌的拌和可改善混凝土的性能.
上述研究为将振动拌和技术应用于提高混凝土的力学性能的研究奠定了坚实基础，但是由于在振动拌和过程中涉及振动时间、振动频率、拌和程度等多因素和参数的相互作用和影响，对于各因素对混凝土力学性能的影响及其优化研究较少，此外由于我国存在大量的寒区混凝土工程，振动拌和对寒区混凝土抗冻性能的探讨尚不多见.
本文在前人研究的基础上，首先基于正交试验，对振动拌和过程中的振动参数、振动时间及拌和次数对混凝土抗压强度的影响进行了研究，给出了最佳振动拌和参数组合，然后对以最佳振动拌和参数进行振动拌和的混凝土试件进行冻融试验，分析了振动拌和对混凝土抗冻性能的影响.
1 试验设计采用的水泥为冀东水泥厂生产的盾石牌42.5普通硅酸盐水泥，粗骨料采用表观密度为2 710 kg/m3，粒径不超过20 mm的花岗岩碎石；细骨料采用表观密度为2 620 kg/m3的中砂；利用清洁自来水进行拌和.为研究振动拌和对混凝土性能的影响，利用插入式振动棒将振动能传递至拌和物，使其发生共振以达到破坏水泥聚团，并使水泥砂浆基质与粗集料充分握裹接触，同时排除空气.由于该振动棒的有效振动半径约为25 cm，本文采用直径为24 cm的铁桶作为振动拌和容器.振动拌和应用于实际施工时振动与拌和是同时进行的，如文献[21-22]在振动拌和的机械装置方面开展了研究，但关于振动时间和拌和次数及其组合对混凝土力学性能的作用机制还缺乏讨论.
因此本文将振动和拌和分开实施，即在静力搅拌后，先振动后拌和.首先将静力搅拌过后的混凝土置于上下镂空的拌和容器中，每次拌和量为0.006 m3.在拌和容器内采用振动棒进行振动，振动棒直径35 mm，振动功率分别为800 W(型号ZDB35-1A)、1 300 W(型号ZDB50-1A)、1 800 W(型号Z1D-6501).振动时采用快插慢拔的方式，按逆时针移动施加振动(图 1)，每个位置振动时间为3 s.拌和次数定义为在振动总时长一定的条件下，中间进行拌和的次数.如果振动总时长为90 s，在振动45 s后对容器内的混合料倒出进行充分搅拌后装入铁桶再进行45 s的振动后，再次拌和均匀，最后装入模具制作试件，则拌和次数为2次.
图 1(Fig. 1)
 | 图 1 插入式振动棒移动及振动示意图Fig.1 Sketch map for the movement and vibration of the vibrating spear |
为分析振动功率、振动时间和拌和次数对混凝土强度和抗冻性的影响，首先开展正交试验，分析振动拌和对混凝土强度的影响，并获得混凝土振动拌和的最佳参数；在此基础上，开展基于该最佳参数的振动拌和混凝土抗冻性能试验，分析振动拌和对混凝土抗冻性能的影响.
2 振动拌和对混凝土强度的影响2.1 各因素对混凝土抗压强度影响的正交试验设计本正交试验为三因素三水平L9(34)试验，如表 1所示，共设计9组试验，试验方案见表 2.试验采用浇筑立方体试块100 mm×100 mm×100 mm，浇筑完养护24 h后进行拆模，放置于标准条件下养护28 d，然后测试混凝土28 d抗压强度，并与相同配比但未经振动拌和的普通混凝土(PT)28 d抗压强度进行对比，如表 3所示.
表 1(Table 1)
 表 1 因素-水平表Table 1 Factors and levels
| 表 1 因素-水平表 Table 1 Factors and levels |
表 2(Table 2)
表 2 正交试验方案Table 2 Schemes for the orthogonal test
| 表 2 正交试验方案 Table 2 Schemes for the orthogonal test |
表 3(Table 3)
表 3 混凝土28 d抗压强度正交试验极差分析Table 3 Differential analysis on the 28 d compressive strength
| 表 3 混凝土28 d抗压强度正交试验极差分析 Table 3 Differential analysis on the 28 d compressive strength |
2.2 各因素对混凝土抗压强度的影响图 2为各组混凝土28d抗压强度及各因素对抗压强度提高率，可以看出经振动拌和的各组混凝土的强度均比未经振动拌和的普通混凝土强度有明显提高，其中试验号4和5对混凝土强度的提高效果最为明显，分别可提高为24.31%和23.83%，但各组提高的幅度不同，表明振动功率、振动时间及拌和次数对混凝土抗压强度存在不同程度的影响.
图 2(Fig. 2)
 | 图 2 各因素对混凝土28 d抗压强度提高率Fig.2 Effect of various factors on the 28 d compressive strength and strength improvement rate |
为获得各因素对混凝土抗压强度的影响程度，对混凝土抗压强度进行正交试验的极差分析和方差分析，如表 3和表 4所示.由表 3可知，振动功率、振动时间以及拌和次数各影响因素的极差Rj的值由大到小依次为:振动功率(A)>拌和次数(C)>振动时间(B)；方差F值大小依次为FA(8.37)>FC(2.21)>FB(1.37).正交试验的极差分析和方差分析的结果表明，振动功率、振动时间以及拌和次数对混凝土强度的影响程度排序为:振动功率>拌和次数>振动时间，得到对于本试验的最优水平为A2B2C2.
表 4(Table 4)
表 4 混凝土28 d抗压强度正交试验方差分析Table 4 The orthogonal test variance analysis on the 28 d compressive strength
| 表 4 混凝土28 d抗压强度正交试验方差分析 Table 4 The orthogonal test variance analysis on the 28 d compressive strength | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
3 振动拌和对混凝土抗冻性的影响为研究振动拌和对混凝土抗冻性能的影响，以最佳组合方式(A2B2C2)对混凝土进行振动拌和并作长为100 mm的立方体试块，标准养护至28 d后，利用天津港源试验仪器厂生产的HDD型混凝土冻融试验机对试块分别进行0，25，50，75次冻融循环试验，为进行对比，同时对同一批次相同配比标准养护28 d的未经振动拌和的普通混凝土试件分别进行0，25，50，75次冻融循环试验.
图 3为普通混凝土与振动拌和混凝土经过不同冻融循环后的表观形态.当冻融循环次数小于25次时，振动拌和混凝土和普通混凝土试件表观形态都基本完好，没有出现明显的砂浆剥离现象，但随着冻融循环次数的增加，试件表面开始出现较明显的局部水泥砂浆脱离的现象，当冻融50次和75次时，可以看到普通混凝土试件表面砂浆剥落加重，粗骨颗粒外露程度较振动拌和混凝土试件严重，试件表面凹凸不平，粗细骨料分离，试件局部已经发生脱落破坏.
图 3(Fig. 3)
 | 图 3 普通混凝土和振动拌和混凝土冻融破坏形态Fig.3 Failure modes of vibration-mixed concrete and static-mixed concrete after freeze-thaw cycles |
图 4为不同冻融循环后普通混凝土和振动拌和混凝土的质量损失率，随着冻融循环次数的增加，普通混凝土的质量损失明显高于振动拌和混凝土，冻融循环75次后，普通混凝土质量损失率约为振动拌和混凝土质量损失率的2倍.可见振动拌和不但可以提升混凝土的抗压强度，并且有利于减少混凝土冻融后的质量损失.图 5为不同冻融循环后混凝土的强度损失，冻融循环后普通混凝土的强度损失均高于振动拌和混凝土，当冻融循环次数达到75次时，普通混凝土的抗压强度损失率达到22.5%，而振动拌和的混凝土抗压强度损失率为16.2%.这是由于振动拌和能够通过振动作用降低混合料之间的摩擦力，促进了骨料之间的剪切运动，使混凝土中的水泥砂浆能充分均匀分布于内部的孔隙.此外，振动可有效破坏水泥的聚团现象，促进水泥充分水化反应，使生成的水化产物有效填充混凝土内部的微小孔隙，提高混凝土的密实度，从而提高混凝土的抗压强度和抗冻性.
图 4(Fig. 4)
 | 图 4 冻融循环与质量损失的关系Fig.4 Relationship between freeze-thaw cycles and weight loss rate |
图 5(Fig. 5)
 | 图 5 冻融循环与强度损失的关系Fig.5 Relationship between freeze-thaw cycles and the compressive strength loss |
4 结论1) 振动功率、振动时间及拌和次数对混凝土的抗压强度均有影响，但影响程度不同，振动功率对混凝土试件的抗压强度影响最为显著，振动时间影响最弱，而拌和次数介于两者之间.
2) 振动拌和可有效提高混凝土的抗压强度，以本试验获得的最佳振动参数(功率1 300 W，振动时间60 s，拌和2次)振动拌和的混凝土，其28 d抗压强度较相同配比的静力搅拌的普通混凝土抗压强度提高24.31%.
3) 随冻融循环次数的增加，经振动拌和的混凝土试件的质量损失率和抗压强度损失率均明显低于采用静力搅拌的混凝土的相应指标，振动拌和有助于提高混凝土的密实度，从而提高混凝土的抗压强度和抗冻性.
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