混凝土的攪拌與振動

聞寶聯

（建筑材料工業技術情報研究所，北京 100024）

一位攪拌站的朋友對一個問題百思不得其解：同一個站兩條生產線，一樣的原材料、配合比工序及攪拌時間，但是，一條線生產的混凝土總比另外一條生產線的抗壓強度高 2～3MPa，工作狀態也好，坍落度損失也小。這個問題一直困擾著他，來向我咨詢。我問他一直如此還是最近才這樣？有規律性的現象總是有跡可循的，偶爾產生或是至少不經常出現的問題很難找到癥結。他說一直如此。我問攪拌形式是否一樣？因為不同廠家的攪拌機，有的機子是攪拌臂，有的是螺旋帶（圖1），螺旋帶的攪拌效果要強于攪拌臂。

圖1 不同形式的攪拌機

結果發現兩條生產線攪拌機雖是不同廠家的，但都是雙臥軸攪拌臂。這下我也有點搞不懂了，但隨即感覺，可能是輸入功率不一樣，于是爬上攪拌樓，看了主機的銘牌，一個主機功率是 55kW，另一個是 45kW，問題就出在這里。輸入功率不一樣，但攪拌時間一樣，混凝土狀態自然不同，攪拌過程中的機械對拌合物有強行“擾動”，使其拌合物中的材料強行位移。轉動的速度越快、攪拌力度越大，對材料的剪切和撥動效果越好，攪拌就是通過混合料各物料間的相互碰撞、對流和擴散，促使物料顆粒，特別是水泥等細微顆粒的彌散分布，達到混合料宏觀及微觀的勻質性，表現為外加劑的分散性和效果更突出，后期強度也更高。后來將功率低的機組延長攪拌時間 20% 以上，結果自然好了不少。正如圖 2 所示，隨著攪拌時間的適當延長，強度變異系數也就越小，高速公路以及高鐵項目都要求攪拌時間在120～180s，也是出于此考慮！

圖2 混凝土抗壓強度變異系數與攪拌時間的關系

同樣的，也可在攪拌的基礎上再加上振動——振動攪拌，加大對拌合物的擾動，拌合物中的水泥顆粒處于振顫狀態，從而破壞粘聚的水泥團單元體，使水泥顆粒得以快速均勻的分布。振動攪拌是宏觀對流運動和微觀擴散運動的疊合，是在普通攪拌機所具有的宏觀對流運動的基礎上，采用振動和攪拌一體化技術，使振動攪拌機具有了高頻微觀擴散運動。前者使物料在宏觀上“拌勻”，后者讓物料各組分在微觀上“拌透”，振動攪拌實現了短時間內宏觀和微觀的同步均勻，提升了攪拌質量和效率。此外，振動作用還可凈化集料表面，增加水泥和集料間的界面粘結力，提高混凝土抗壓強度。試驗表明，這項技術可以穩定提高抗壓強度和工作性能，在低碳環保大環境下，這也是一項值得關注的技術。

混凝土生產過程如此，施工過程也是一樣。振搗棒、振動梁以及附著式振搗器在流態混凝土中也是通過加強擾動來提高混凝土中各組分的分散性和勻質性。

混凝土原材料體系中，隨著膠凝材料和用水量的不斷降低，流動性越來越差。如碾壓混凝土，就是一種干硬性貧水泥的混凝土，使用水泥、摻合料、水、外加劑、砂和分級控制的粗骨料拌制成。膠凝材料用量，包括水泥與摻合料 120～160kg/m3，這種無坍落度的干硬性混凝土要用振動碾分層壓實，靠靜壓成型，不能滿足工程的要求。

在此基礎上，繼續降低膠凝材料和用水量，就逐漸成了路基用的水泥穩定碎石或是石灰、粉煤灰碎石類的半剛性基層材料，半剛性材料在振動擊實作用下，材料處于振動狀態，水分的離析作用使得材料顆粒的外層裹覆一層水膜，形成了顆粒運動的潤滑劑，減小了材料間的摩擦力和粘結力，顆粒更容易移動到密實狀態，顆粒間的相對位置在振動狀態下發生變化，出現了相互填充現象，此時，材料內骨架顆粒之間相互嵌擠所產生的內摩阻力和結合料與骨料間的粘結力都很大，形成骨架密實型嵌擠結構，具有較高的承載能力和穩定性。

基于振動成型方式，相對早期靜壓成型，級配形式可以進行優化，因為空隙率的降低，可適當增加粗集料含量，提高材料顆粒間的嵌擠性，通過增強振動碾壓來增加骨架顆粒間的內摩阻力，從而適當降低水泥劑量，在保證強度的前提下提高抗裂效果。

根據振動壓實理論，每一種材料都有不同的自振頻率，激振頻率與自振頻率一致時可達到最好的壓實效果。振動壓路機設計頻率一般比被壓材料的自振頻率變化范圍大一些。目前用于壓實的大中型振動壓路機的振動頻率范圍是：壓實路基 25～30Hz，壓實底基層 25～40Hz，對壓實粒狀材料和結合料的穩定基層為33～55Hz。且從常用的振動壓路機的參數來看，壓路機的常用振動頻率為 30Hz、35Hz、40Hz 等，最大為48Hz，當然振動設備振動頻率實現 50Hz 以內是可調的。

而對于振動壓實也曾一度有認識上的差異，原因是早期的路基路面用的是靜力壓實工藝，靠壓路機的自重進行碾壓，以室內重型擊實法進行配合比設計，確定最大干密度及最佳含水量，用靜壓法試件強度作為設計標準控制石灰、粉煤灰或水泥摻量。

最初的配比設計是室內采用重型擊實試驗，以確定材料的最大干密度和最佳含水量，采用靜壓成型試件測定 7 天無側限抗壓強度，重型擊實法設計配合比對應著靜力壓實工藝是合適的、匹配的。而后來施工現場大多采用振動壓路機和膠輪壓路機進行碾壓。很明顯，傳統設計方法與現場碾壓工況不匹配，室內試驗數據難以準確反映和控制現場施工質量，室內試驗確定半剛性基層混合料最大干密度、最佳含水量的重型擊實試驗方法及測定混合料無側限抗壓強度的試件成型方式與現場碾壓方式不一致。由此衍生了一系列問題：

試驗室設計的配比壓實度標準偏低、級配不良，現場測試超百的問題嚴重，促使施工方在現有壓實設備下，無需對施工工藝嚴格控制也能達到較高的壓實度——事實上正是在虛假的壓實度容易達到的情況下，基層的壓實被忽視，這在很多工程上出現了嚴重問題。不匹配的室內試驗標準已嚴重阻礙了科技進步及生產的發展，直到后來開發能夠模擬現場壓實工況的室內試件成型方式——振動成型配合比設計方法，在材料設計、評價指標及試驗方法上與工程實際一致，這個問題才得以解決。

這也提出另外一個問題，絕大多數攪拌樓是雙臥軸強制攪拌，而試驗室配置的基本都是單臥軸攪拌機，試驗室試驗如果與生產過程差異過大，如何有效指導生產？這也應該是大家需要關注的問題！

雄安新區特聘專家。中國商品混凝土行業企業專家委員會副主任，中國散裝水泥協會混凝土分會副秘書長，數十項國家重點工程混凝土專項技術指導。

發表論文一百余篇，獲得省部級科技進步一等獎一項，三等獎三項，兩次帶隊獲全國混凝土設計大賽一等獎，主編地方規范兩部。