振搗頻率對混凝土性能的影響分析

儲如蟬

(中鐵十四局集團建筑工程有限公司，山東 濟南 250000)

混凝土澆筑、拌合及振搗是混凝土施工中的控制性工藝，而振搗則是提高混凝土強度和密實性的關鍵環節。自密實性混凝土可以實現自填充和自密實功能，但由于其成本大、對施工環境要求高，應用性受到限制。因此，成本低廉、適應性強、操作簡易的振搗棒振搗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決定，目前，國內外學者研究了材料、配合比及養護工藝等方面對混凝土強度的影響[1-4]。關于振搗對混凝土強度的影響，也有許多學者進行了研究。溫家馨等[5]闡述了混凝土振搗密實機理，提出了混凝土振搗技術智能化的發展方向；徐浩等[6]論證了不同振搗方向對混凝土強度的影響；秦明強等[7]研究了振搗頻率與混凝土抗碳性、滲透性的關系，指出振搗頻率過高或過低都會影響混凝土性能；姜良波[8]通過比較高頻振動與普通振動下的混凝土強度檢測數據，認為較之傳統振動，高頻振動可有效解決混凝土強度增長慢、蜂窩等質量通病。

目前，大部分學者關于振搗對混凝土性能的影響，主要還是集中在宏觀方面，如工作性能、強度發展、外觀質量等，對混凝土微觀組成如氣泡分布、密實程度、均質程度、抗滲透性的研究較少。文章以濟南東岳華庭住宅項目墻體C30混凝土施工為依托工程，對試件切片及通電，研究其在不同頻率振搗下的振搗功效、氣孔分布、回彈強度及抗滲透性的變化規律，研究結果期望對工程實踐起到指導作用。

1 工程概況

濟南市東岳華庭住宅項目，擬建場區規劃用地面積約73 245 m2，主要建設17棟18層高層建筑、2棟3～4層商業樓及會所，高層建筑墻體混凝土設計為C30。

由于對混凝土振搗施工無統一規定，工人進行混凝土作業時，振搗時間和頻率主要憑經驗控制，導致墻體表觀質量差強人意，存在色差和氣泡，強度增長曲線不一，個別部位存在蜂窩孔洞，墻體表觀質量如圖1所示。因此，對于混凝土振搗時間及頻率的掌握顯得尤為重要，有必要通過分組試驗研究其影響程度，總結規律來指導施工生產。

圖1 墻體表觀質量

2 原材料及試驗方法

2.1 原材料及配合比

試驗選用的水泥為P.O42.5普通硅酸鹽水泥，其主要物理性能如表1所示；粉煤灰為F類I級粉煤灰；細骨料為人工砂，經水洗處理；粗骨料為二級配，粒徑分5～20 mm及20～40 mm兩種，粗骨料與細骨料表觀密度如表2所示；減水劑采用KDSP聚羧酸高性能減水劑，減水率為27.0%，含氣量為2.2%；拌和用水為城市自來水，所檢指標滿足對拌和用水的指標要求。

表1 水泥物理力學性能

表2 粗骨料、細骨料的表觀密度 kg·m-3

混凝土的坍落度由外加劑摻量控制，通過調整外加劑摻量，配制三組不同坍落度的混凝土。膠凝材料(水泥+粉煤灰)總量為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 試驗混凝土配合比

2.2 試驗方法

振搗裝置為自主研發的變頻振搗系統，該系統由振搗棒排組和控制臺組成，控制臺為數字顯示屏，可以控制振搗棒的振搗頻率在50～3 000 Hz之間，最多可同時進行8組(每組6個)試樣的振搗試驗。每次試驗時，準備3組模具(對應A、B、C三組不同坍落度試樣)，每組4個，模具尺寸為400 mm×400 mm×600 mm。振搗裝置如圖2所示。

圖2 振搗裝置

將新拌合的混凝土倒入模具中，表面抹平；然后，將振搗棒插入模具正中心處，距模具底部10 cm；開啟振搗棒，每組頻率分別為100 Hz、150 Hz、200 Hz、250 Hz，記錄模具內混凝土排出氣泡所用時間以及混凝土的出漿時間，此參數用來反映振搗頻率對振搗功效的影響。完畢后緩慢拔出振搗棒，靜止1 h后，對混凝土進行脫模并標記好編號，在標準條件下養護28 d。為使結果具有統計意義，該試驗共做3次，取各結果的平均值作為數據代表值。

到達齡期后，將混凝土試塊上下各取150 mm厚度進行切割，經研磨、拋光后，對混凝土切割面進行墨水染色處理，如圖3所示。然后，用石灰粉粉末填充切割面內孔隙，除去表面多余粉末，用氣孔分析儀(如圖4)觀察切片混凝土的氣孔分布情況，量測氣孔尺寸，統計各尺寸氣孔的數量及分布，用來反映振搗頻率對氣孔分布及混凝土密實程度的影響。

圖3 混凝土氣孔觀測切片(單位：mm)

混凝土抗滲透性主要是指抵抗氯離子滲透的能力，使用混凝土電通量測定儀(如圖5)測量一定時間內的電通量值。

圖4 HC-457型硬化混 圖5 DTL-6混凝土氯離子

凝土氣孔分析儀 電通量測定儀

3 試驗結果分析

3.1 振搗頻率對振搗功效的影響

新拌混凝土屬于Bingham流體，是一種復雜的三相混合物[9]，氣泡受內部阻力的影響，不能自行排出。振搗時，混凝土產生流動，排出內部多余氣泡，用秒表記錄不同振搗頻率下各試件的出漿時間及氣泡排空持續時間，出漿時間和排氣時間用時越短，說明振搗功效越高。結果取3次試驗的平均值，數據如圖6所示。

由圖6可知，當振搗頻率不變時，混凝土坍落度

圖6 振搗頻率對混凝土性能的影響

越大，其出漿時間和排氣時間用時越短，其中C組混凝土振搗密實的時間約為10～40 s，而A組混凝土振搗時間是C組混凝土振搗時間的2倍以上。在同組的混凝土振搗過程中，不同頻率振搗混凝土使其密實的時間差異也較大，C組最少相差16 s，A組最多相差30 s。

3.2 振搗頻率對氣孔分布的影響

混凝土內氣孔在尺度上可分為兩類：一類氣泡直徑r>5 mm(如圖7(a)所示)，該氣泡是由于振搗不充分導致氣泡沒能完全排出所產生的形狀不規則的大氣孔；另一類氣泡直徑0.5 mm≤r≤5 mm(如圖7(b)所示)，該氣泡是由于混凝土拌合時空氣被引入所產生的。混凝土切片后，用氣孔分析儀觀察切片混凝土的氣孔分布情況，量測氣孔尺寸，統計出上下兩層混凝土氣孔總數量，取3次試驗的平均值，統計結果如表4所示。

圖7 混凝土內氣泡分布

從表中數據可以看出：坍落度越低，振搗頻率越低，空隙率越大，大氣泡(直徑r>5 mm)較多，但上下層氣泡數量相近；坍落度越高，振搗頻率越高，空隙率降低，小氣泡(直徑0.5 mm≤r≤5.0 mm)較多，且氣泡在上下層分布不均勻。原因可能是在高頻振搗條件下，混凝土內部較大氣泡被分裂成小氣泡，使混凝土內部上下層的氣泡相差較明顯?？梢缘贸鼋Y論：適當的頻率振搗可以提高氣泡的排出效率，增強混凝土密實性。

表4 混凝土內部氣泡檢測

3.3 振搗頻率對回彈強度的影響

利用回彈儀測量混凝土的回彈強度，取3次試驗的平均值，3組混凝土結果如圖8所示。由圖可知：隨著頻率的增大，各組混凝土強度均有不同程度的提高，原因是頻率增大后，混凝土含氣量降低，密實性提高；混凝土坍落度越小、振搗頻率越低，其均質性較好；當振搗頻率為100 Hz時，A組混凝土上、下層回彈強度差值最小，為1.3 MPa；當振搗頻率為200 Hz時，C組混凝土上、下層回彈強度差值最大，為5.5 MPa，但是當振搗頻率降低至100 Hz時，其回彈強度差值也得到較好的控制。因此，控制混凝土振搗頻率處于一定范圍內，可以提高混凝土的均質性，即可以保證齡期強度處于穩定的受控狀態，不至于忽高忽低。

圖8 混凝土回彈強度及其勻質性試驗結果

3.4 振搗頻率對抗滲透性的影響

氯離子侵蝕是導致鋼筋銹蝕的罪魁禍首之一，其會大幅降低混凝土的耐久性，混凝土抗氯離子滲透性能是耐久性的表征指標之一，可以通過測量試件的電通量反映氯離子的滲透能力。

試驗時，將剩余的300 mm厚試塊繼續養護28 d后，取中部50 mm。將試樣放在飽水機中充分飽水，使水分充滿毛細管路，此步驟目的是打通離子通過的通道。然后，將試樣裝入氯離子電通量測定儀，電池盒正極注入0.3%的NaOH溶液，負極注入3%的NaCl溶液，溶液中正離子有H+和Na+，負離子有Cl-和OH-。通入60 V直流電，時間為6 h，儀器自動記錄電通量，電通量越小，表示抗滲透性能越好。取3次試驗的平均值，統計結果如圖9所示。

圖9 混凝土抗滲透性試驗結果

可以看出：隨著頻率的增大，電通量總體呈下降趨勢，表明抗滲透性能有所提升；坍落度較小時，需要較高的振振搗頻率。坍落度較大時，抗滲透性能保持穩定。坍落度相同時，電通量最低時對應的頻率各不相同，分別為A組150 Hz，B組200 Hz，C組250 Hz。

4 結論

(1)在100～250 Hz的振搗頻率內，隨頻率的提高，混凝土出漿及排氣的持續時間縮短，表明振搗效果隨振搗頻率的增大而提高。

(2)混凝土的振搗頻率和坍落度是決定其內部氣泡分布的重要因素，當坍落度為140 mm、振搗頻率為150 Hz時，混凝土內部氣泡分布均勻、孔隙率小、混凝土較為密實。

(3)提高振搗頻率，可以降低混凝土含氣量，提高密實度，從而提高強度；混凝土坍落度越小、振搗頻率越低，其均質性較好。

(4)隨著振搗頻率的提高，混凝土抗滲透性能提升，坍落度較大時，振搗頻率對混凝土抗滲透性能影響較小。

總之，針對不同坍落度的混凝土，選取合適的振搗頻率能有效改善混凝土性能。本工程所用混凝土為C30，坍落度控制在140 mm左右，當振搗頻率在150 Hz時，混凝土排氣時間較短、回彈強度較高，混凝土的勻質性及抗滲透性均較好。