振动搅拌对钢纤维混凝土工作性能的影响研究

蔡力，胡敏，贾文渊，刘中华，张建雄，李涛涛，刘欢建

（1.中交公路养护工程技术有限公司，北京 100089；2.长安大学 道路施工技术与装备教育部重点实验室，陕西 西安 710054）

0 引言

随着高层建筑、高铁、公路交通等迅猛发展，高强混凝土的应用需求日益增长，进一步提升钢纤维混凝土性能也成为新的要求。赵秋红等[1]研究了钢纤维和橡胶掺量对高性能混凝土抗剪切性能的影响，结果表明，当混凝土中掺入1.5%钢纤维、10%橡胶时，所制试件的抗剪强度、峰值变形比单掺橡胶的混凝土分别提高了78%和63%。陈从春等[2]研究了钢纤维体积掺量对超高混凝土力学性能的影响，结果表明，劈裂抗拉强度在钢纤维体积掺量为1.0%~1.5%时增长最快，抗折强度在钢纤维体积掺量为1.0%~2.5%时增长最快。朱海堂等[3]研究了3类钢纤维及其掺量对高强混凝土力学性能的影响，结果表明，钢纤维对高强混凝土的抗剪强度、劈裂强度、抗折强度等有较显著的影响。杨粉等[4]研究了不同钢纤维对再生混凝土基本力学性能的影响及变化规律，结果表明，钢纤维的掺入可以明显改善混凝土的劈拉及抗折强度。Khaloo和Nakseok[5]的研究表明，钢纤维掺量对高强混凝土的抗弯剪能力和韧性有影响。Ren和Li[6]采用数值模拟方法研究了钢纤维掺量对混凝土基体疲劳损伤的影响，研究表明，钢纤维的掺量和尺寸对疲劳损伤有影响。混凝土的配比和掺入材料的优化对钢纤维混凝土性能提升效果显著，但在配比和材料不变的情况下，搅拌是改进混凝土性能最可靠的方法，尤其是基于新搅拌机理的振动搅拌技术对混凝土性能改善尤其明显[7-8]。宋少民等[9]研究了振动搅拌对活性粉末混凝土性能的影响，结果表明，振动搅拌有利于混凝土工作性能的改善，减少活性粉末混凝土浅表孔结构缺陷。徐鹏杰等[10]研究了振动搅拌对混凝土强度和含气量的影响，结果表明，振动搅拌可显著提高混凝土的强度和含气量。振动搅拌对混凝土性能改善明显，但在钢纤维高强混凝土的生产中应用较少。

因此，本文研究了振动搅拌对钢纤维混凝土工作性能的影响，对比分析振动搅拌与普通搅拌下钢纤维混凝土的坍落度、含气量、抗压强度等的变化，为改善钢纤维混凝土的性能以及振动搅拌在高性能混凝土中的应用提供工程借鉴。

1 振动搅拌原理

振动搅拌通过在普通搅拌的同时施加机械振动，使得搅拌下混合料中的水泥颗粒处于振颤状态，从而破坏粘聚的水泥团单元体，使水泥颗粒得以快速均匀地分布，图1为振动搅拌原理。同时振动搅拌使混合料的运动速度增大，增加了有效碰撞次数，加速集料颗粒表面水化生成物向液相扩散的速度，使水泥水化加速，由于振动作用下水泥水化的程度更加充分，所以，其水化所产生的气相组分比普通静力搅拌的气相组分更多，分布也更均匀。此外，振动作用还可净化集料表面，增加水泥和集料间的界面粘结力。

图1 振动搅拌原理

2 试验材料与方法

2.1 试验材料

水泥：P·O52.5级，主要技术性能见表1；粉煤灰：Ⅰ级；矿粉：S95级，主要技术性能见表2；硅灰：S90级，主要技术性能见表3；钢纤维：端钩型，长度20 mm，直径0.3 mm，抗拉强度2000 MPa；砂：河砂，中砂，表观密度2658 kg/m3，细度模数2.68；减水剂：陕西长庆化工公司提供的聚羧酸减水剂，减水率约18%，固含量98%。

表1 水泥的主要技术性能

表2 粉煤灰和矿粉的主要技术性能

表3 硅灰的主要技术性能

2.2 试验方法

在参考国内外活性粉末混凝土配合比设计理论的基础上，通过现场试配，最终根据28 d抗压强度和劈裂强度试验结果，本试验钢纤维混凝土的配合比见表4。

表4 钢纤维混凝土的配合比 kg/m3

试验中钢纤维混凝土采用振动搅拌机（DT60ZBW，许昌德通）成型，关闭振动，为常规的静力搅拌；开启振动，为振动搅拌，见图2。搅拌过程中，将水泥、粉煤灰、矿粉、硅灰4种凝胶材料和砂倒入搅拌机内，干拌90 s，再将钢纤维均匀撒入搅拌机内，干拌30 s，最后加入减水剂和水，湿拌4 min，成型钢纤维混凝土试件，将成型好的试件放入标准养护室内（温度20℃，相对湿度98%）标准养护。参照GB/T 50080—2016《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》和GB/T 50081—2019《混凝土物理力学性能试验方法标准》对混凝土的工作性能和力学性能进行测试。

图2 试验用振动搅拌机

3 试验结果及分析

3.1 振动搅拌对钢纤维混凝土工作性能的影响

采用振动搅拌和普通搅拌2种工艺拌和钢纤维混凝土，其中振动搅拌下振动加速度为2 g，普通搅拌为静力搅拌，二者其它工艺参数相同，2种搅拌工艺下新拌钢纤维混凝土的工作性能见表5。

表5 2种搅拌工艺下新拌钢纤维混凝土的工作性能

由表5可知，与普通搅拌相比，振动搅拌下新拌混凝土的坍落度、扩展度和含气量分别增大了7.1%、4.1%、7.9%，倒置坍落度筒排空时间缩短了32.2%。表明在振动搅拌作用下，颗粒的微观结构分散更为均匀，振动搅拌下新拌混凝土的流动性、粘聚性、稳定性更好。

3.2 振动搅拌对钢纤维混凝土抗压和劈裂强度的影响（见表6）

表6 2种搅拌工艺下钢纤维混凝土的抗压强度、劈裂强度和离差系数

由表6可知：

（1）与普通搅拌相比，振动搅拌下钢纤维混凝土的3、7、28 d抗压强度分别提高了6.9%、8.3%、8.8%，离差系数分别降低了25.4%、33.4%、18.6%，按全寿命周期看，抗压强度平均提高了8%，离差系数降低了25.8%。

（2）与普通搅拌相比，振动搅拌下钢纤维混凝土的3、7、28 d劈裂强度分别提高了2.1%、5.7%、8.4%，离差系数分别降低了23.2%、21.9%、28.4%，按全寿命周期看，劈裂强度平均提高了5.4%，离差系数降低了24.5%。

（3）对于钢纤维高性能混凝土，振动搅拌能提高其抗压强度和劈裂强度，离差系数也大幅下降。这是因为，从钢纤维本身形成高性能混凝土的机理看，钢纤维起到了增强混凝土材料之间连接的作用，但传统的搅拌方法难以保证钢纤维搅拌均匀，也难以保证水泥颗粒的均匀分散，振动搅拌是在普通搅拌的基础上加以振动，解决了传统搅拌对水泥、钢纤维高性能混凝土搅拌产生的易团聚弊端，宏观上表现出强度提高，并且离差系数变小。

3.3 振动搅拌对钢纤维混凝土粘结力的影响

在混凝土中，粘结力主要依靠水泥浆体与细集料与粉料组成的粘性组分形成对粗集料的裹附，其能够被用来评价拌合料的抗剪强度。根据莫尔理论公式（1）可以得到钢纤维混凝土的粘结力，其中劈裂强度间接表示抗拉强度。计算粘结力时可以通过公式变形求得而不涉及内摩擦角的具体数值。

式中：fc——抗压强度，MPa；

ft——抗拉强度，MPa；

c——粘结力，MPa；

φ——内摩擦角，（°）。

2种搅拌工艺下钢纤维混凝土的粘结力如表7所示。

表7 2种搅拌工艺下钢纤维混凝土的粘结力

由表7可见，与普通搅拌相比，振动搅拌下钢纤维混凝土的3、7、28 d粘结力分别提高了4.8%、7.3%、8.2%，平均提高了6.7%。这主要是振动搅拌的机理导致，拌合中加入振动，破坏了水泥颗粒的团聚，使水泥浆均匀地弥散开并包裹在粗骨料表面，并且振动也使得钢纤维分散更加均匀，与其它材料之间更紧密。

4 结论

（1）与普通搅拌相比，振动搅拌下新拌混凝土的坍落度、扩展度和含气量分别增大了7.1%、4.1%、7.9%，倒置坍落度筒排空时间缩短了32.2%。表明振动搅拌能有效改善钢纤维混凝土的流动性、粘聚性，且稳定性更好。

（2）与普通搅拌相比，振动搅拌下钢纤维混凝土的3、7、28 d抗压强度分别提高了6.9%、8.3%、8.8%，抗压离差系数分别降低了25.4%、33.4%、18.6%；3、7、28 d劈裂强度分别提高了2.1%、5.7%、8.4%，劈裂离差系数分别降低了23.2%、21.9%、28.4%。振动搅拌使得钢纤维混凝土的力学性能有明显提高。

（3）与普通搅拌相比，振动搅拌下钢纤维混凝土的3、7、28 d粘结力分别提高了4.8%、7.3%、8.2%，平均提高了6.7%。