水泥混凝土振動攪拌技術及工程應用研究

中圖分類號：U415. 52⁺2 文獻標識碼：A DOl：10.13282/j.cnki.wCcst.2025.04.014

文章編號：1673-4874（2025）04-0049-04

0 引言

我國公路工程的發展對施工工藝和工程質量提出了更高要求，雖然水泥混凝土路面仍被廣泛應用，但傳統攪拌技術已不足以滿足高質量需求，需采用新的攪拌技術提高新建水泥道路質量。水泥混凝土攪拌旨在均勻混合碎石、砂、水泥等材料，按攪拌機理不同，混凝土攪拌機可分為自落式和強制式兩種[1-2]。自落式攪拌機通過拌缸轉動提升物料高度，借助重力攪拌；強制式攪拌機依靠轉動葉片產生剪切滑移，實現集料混合擴散。但這樣恒速靜力的攪拌易造成水泥混凝土內部缺陷，限制其強度和耐久性，研究人員為此探索攪拌時附加振動作用以提升攪拌效果[3]。

20世紀30年代，蘇聯科學家率先將附著式起振器安裝于攪拌機鍋壁，以增強水泥砂漿性能，美國、德國等國家在20世紀50年代也展開了相關研究。我國的研究起步較晚，直到20世紀90年代初，馮忠緒等科研人員才結合機械與建筑材料學科，開展振動攪拌理論與設備的研究，闡明了其機理并解決了工程應用難題。團隊開發的連續式振動攪拌機不僅可提高攪拌效率，還增強了混凝土性能，由此建立完整的理論體系，為技術發展提供支撐，推動混凝土生產和施工領域的變革[4-5]。

馮建生等研究發現，振動攪拌可改善不同強度等級混凝土的保水性和黏聚性，減小坍落度，增加含氣量，顯著提升混凝土強度。董晨希等通過仿真模擬對比發現，振動攪拌時物料的碰撞速度更快，物料間的接觸次數更多，得到的混合料均勻程度更高。總而言之，振動攪拌技術在多種材料生產中展現出優異的應用潛力，并產生了眾多研究成果[8-10]。

1振動攪拌機理分析

1.1水泥混凝土流變模型

水泥混凝土的流變性能影響著其使用性能，新拌水泥基材料流變曲線如圖1所示。除少數較稀的水泥漿體外，新拌水泥混凝土材料通常被看作是一種非Newton流體，其流變性能可以通過剪切應力和塑性黏度兩個參數進行描述。

圖1新拌水泥基材料流變曲線圖

已有大量研究者提出用Bingham模型表征混凝土材料的流變性[11-12]。Bingham模型的數學表達式為：

τ=τ₀+ηγ

式中： τ₀ —剪切應力；η 1 塑性黏度；Y- -混凝土剪切變形速率。

Bingham模型是水泥基材料最常用的流變模型。然而在研究中發現，隨著剪切速率的升高，一些摻加高效減水劑水泥基材料的剪切應力與剪切速率逐漸偏離線性關系，呈現出剪切增稠的流變特征，因而提出了改進Bingham模型，旨在更準確地描述水泥基材料在不同剪切條件下的流變特性：

式中： c 一一回歸常數。

通過Bingham模型和改進Bingham模型能看出，水泥混凝土的流變性和材料的黏塑性有很大關系，改善水泥混凝土攪拌時的黏塑性就會提高其使用性能。這些模型雖能描述一定條件下的新拌混凝土流變性質，但并不能表示混凝土在攪拌過程中的復雜狀態。因此還應通過攪拌過程對水泥混凝土的性能進行研究。

1.2混凝土攪拌機理

通過對混凝土攪拌設備的攪拌功率變化進行研究，可以將混凝土攪拌過程分為四個階段[13]。

階段I是往攪拌機投料后到加水前的干拌階段，集料和水泥投入攪拌缸后由攪拌葉片帶動，使其從下落運動改變為隨攪拌葉片旋轉的周向運動和由攪拌葉片推動的軸向運動，攪拌電機的負載迅速增加，攪拌功率陡升。攪拌阻力主要源于摩擦力，以及攪拌葉片和攪拌筒內壁間隙中混凝土集料形成的楔形力。

在濕拌剛開始的階段Ⅱ，水泥與細集料遇水迅速形成小的水泥團，這些團塊遇骨料進一步結合成更大的核心密實結構。此階段混合料的摩擦力、葉片與筒壁間的團塊形成的楔形力影響著攪拌，各力綜合作用達最大時攪拌功率也達最高。

攪拌進行至階段Ⅲ，剪切和擠壓使液體分散成細小液滴，在顆粒間形成液橋連接顆粒，并且逐漸沿著核顆粒的孔隙路徑輸送到核顆粒的表面，隨著水的分散和水泥顆粒在水中的溶解，團聚體逐漸變為硬糊狀態的“樹莓”狀結構。隨著更多的水泥顆粒溶解在水中，水泥顆粒分散趨于均勻，混合料逐漸變為軟糊狀態，攪拌阻力及功率下降。

在攪拌階段V，混合料展現出新拌混凝土的Bingham流體特性。混合料黏附力以及漿體阻力減小，混合基本完成。然而即使在攪拌均勻的第V階段，混合料中的團聚現象仍然存在，只有強化和改善攪拌過程，才能更進一步地提升攪拌質量。攪拌過程混合料狀態變化如表1所示。

表1攪拌過程中混合料狀態變化情況表

常規攪拌工藝制備的新拌混凝土存在骨料界面干燥及水泥團聚現象，導致有效水化表面積減少，影響水化產物生成及材料性能。提升攪拌速度雖可增強顆粒碰撞概率，但存在臨界轉速限制：自落式攪拌機超速時物料受離心力作用形成固定空間分布；強制式攪拌機則因組分慣性差異引發物料分離，同時攪拌區域存在速度梯度導致混合不均。流變學分析表明，優化攪拌工藝需突破傳統方法，開發輔助技術降低黏塑性。

1.3振動攪拌設備分析

振動攪拌技術通過對攪拌軸、攪拌臂以及葉片施加周期性的振動激勵，在攪拌過程中引入振動力[14]。這種振動作用使得混合料在強制攪拌時處于一種顫振狀態。這種顫振狀態可以增加物料顆粒間的碰撞頻率和摩擦，同時還有助于打破物料中的團聚體，促進物料的均勻分布。振動攪拌設備在提高攪拌質量和效率方面具有明顯優勢。攪拌機的振動強度可以由式（3）表示：

式中： D 振動強度；ω 中 轉動軸角頻率， ω=2πf f? 1 激振頻率；A 一一激振器振幅，等于振動軸上偏心軸徑的偏心距；g重力加速度， 。

增加振動強度可破壞水泥黏聚結構，使水泥粒子充分水化，各組分運動速度加快，增加有效碰撞次數，加速集料表面水化產物向液相的擴散速度，使水泥漿均勻包裹骨料表面，同時未參與水化反應的水泥顆粒在混合料中分散，類似“滾珠\"減少集料間摩擦，提高混凝土工作性。一般攪拌與振動攪拌對比如圖2所示。

圖2攪拌工藝對比示意圖

振動作用還會使混凝土中大氣泡破裂，小氣泡均勻分散，提升混凝土含氣量，同時破壞水泥和集料表面水膜，氣體更易滲透進混凝土內部，增強其可泵送性。振動波降低顆粒間黏附力和摩擦力，使各組分流動性更強、更易混合均勻。振動還能凈化集料表面，增強水泥與集料之間的黏結強度，對于混凝土強度的增強、耐久性的提高、微觀結構的改善具有顯著效果，提高水泥混凝土的工程質量。

2 工程應用

2.1工程概況

本研究以南丹至天峨下老高速公路檢老坡隧道為依托，設計混凝土路面層整幅寬度為11.5m，單向橫坡為2%～3% ，左右側高差最大為 34.5cm 。檢老坡隧道路面采用全幅地泵澆筑施工，但隧道內泵管水平布置距離長，拖泵出口壓力大且泵送負壓力小，一般工藝制備的水泥混凝土可塑性差，易在等待泵送或泵送壓力不足時沉底離稀致堵管。振動攪拌工藝能打破水泥顆粒團聚，使骨料和水泥顆粒更均勻分散，增加水泥顆粒與水接觸面積，改善混凝土流動性和可塑性，降低離析及泵管堵塞風險。

設計要求隧道路面為C40強度等級的水泥混凝土，原材料指標如表2和表3所示，配合比如表4所示，坍落度為225mm。

表2水泥指標表

表3骨料物理指標表

表4水泥混凝土配合比表

2.2 強度檢測

分別使用振動攪拌技術和一般攪拌工藝制備試塊，根據相關規范標準《公路工程水泥及水泥混凝土試驗規程》（JTG3420一2020）進行水泥混凝土抗壓強度試驗。試驗結果如圖3所示。

圖3抗壓強度正態分布曲線圖

由圖3可知，采用振動攪拌技術較一般攪拌技術的水泥混凝土明顯有更高的抗壓強度。同時，振動攪拌的正態分布圖像更為集中，說明使用振動攪拌技術生產混凝土品質更易控制。

按照JTG3420一2020中的T0558進行彎拉強度試驗，衡量水泥混凝土的彎拉強度，試驗結果如圖4所示。與抗壓強度相同，水泥混凝土使用了振動攪拌技術會使得強度提高，彎拉強度結果也更為集中，反映水泥混凝土質量更統一。

圖4彎拉強度正態分布圖

振動攪拌使水泥漿體能夠更深入地滲透到骨料的間隙中，減少骨料的局部聚集現象，使混凝土的水化反應更充分，內部集料也更緊密，因此振動攪拌水泥混凝土的力學性能也就更強，且混合料分布均勻，施工質量差異減小，整體品質更好。

2.3平整度檢測

根據《公路路基路面現場測試規程》（JTG3450—2019），在隧道水泥路面養護成型后使用3m直尺對路表10個測點進行測試，表征路表平整度。檢測結果如表5所示。

表53m直尺平整度檢測結果表

根據檢測結果可知，隧道水泥混凝土路面達到規范標準要求。使用振動攪拌工藝生產的混凝土可以顯著改善水泥漿體在骨料之間的分布均勻性，從而提高混凝土的整體均勻性，使路面質量更高。

在施工過程中還發現，振動攪拌混凝土布料易找平，確保表面平整，減少修整。因內部骨料和漿體分布均勻，離析減少，振搗時無側流現象。振動攪拌減少混凝土孔隙和氣泡，提高密實度，增強強度、耐久性和抗滲性。

3結語

為了提高水泥混凝土路面的質量，本文以混凝土振動攪拌技術為研究主線，通過對水泥混凝土流變性能進行總結分析，對比了一般攪拌技術和振動攪拌技術，并結合實際工程應用對振動攪拌水泥混凝土進行評價，得到的結論如下：

（1）改變混凝土攪拌過程的黏塑性可以影響其性能，需要改進傳統攪拌方式降低混凝土攪拌黏塑性，提高混凝土質量。

（2）通過在攪拌設備中增加振動作用，可以增加水泥混凝土流動性，改善混凝土的工作性能，顯著增強水泥混凝土的強度，使攪拌后的混凝土整體勻質性提高。

（3）結合實際工程分析發現，應用振動攪拌技術進行施工，可以顯著增強混凝土流動性，優化混凝土各項性能，進而提高水泥混凝土路面整體質量。 °ledast

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