不同攪拌工藝參數(shù)對混凝土性能的影響研究*

張懷偉,王小鵬

(中鐵六局集團(tuán)有限公司交通工程分公司,北京 100036)

0 引言

通過研究混凝土拌合站不同攪拌工藝參數(shù)的設(shè)置,分析總結(jié)混凝土拌合站攪拌工藝參數(shù)對混凝土試件強(qiáng)度、拌合物勻質(zhì)性等性能的影響?？紤]不同地理區(qū)域特點(diǎn),選擇西南地區(qū)2個(gè)高速公路項(xiàng)目混凝土拌合站(金仁桐高速公路某混凝土拌合站,位于貴州省遵義市;南川西環(huán)線高速公路某混凝土拌合站,位于重慶市南川區(qū))、江蘇省某高速公路項(xiàng)目混凝土拌合站(位于江蘇省連云港市)和山西省高速某公路項(xiàng)目混凝土拌合站(位于山西省靜樂縣),均選用C55高強(qiáng)度混凝土進(jìn)行驗(yàn)證。

西南地區(qū)高速公路項(xiàng)目混凝土拌合站由于地理區(qū)域特點(diǎn),缺少河砂,使用機(jī)制砂作為混凝土細(xì)骨料。機(jī)制砂中石粉含量為8%～18%,亞甲藍(lán)MB值為1.2～2.5,質(zhì)量波動較大。施工初期發(fā)現(xiàn)混凝土試件抗壓強(qiáng)度偏差為7～18 MPa,現(xiàn)場實(shí)體強(qiáng)度偏差5～12 MPa,原因如下:①使用3種質(zhì)量、不同規(guī)格的黑色和綠色塑料試模,校準(zhǔn)時(shí)約850 g綠色試模的平面度公差、相鄰工作面間垂直度等指標(biāo)合格率>99%,850～1 050 g黑色試模指標(biāo)合格率約50%,725～850 g黑色試模指標(biāo)合格率<10%,部分試模不合格是導(dǎo)致混凝土試件強(qiáng)度偏差較大的重要因素。為排除該因素影響,從混凝土試模生產(chǎn)廠家購置高強(qiáng)、高塑性綠色試模,經(jīng)校準(zhǔn)全部合格后再使用。②混凝土試件成型時(shí)人為不當(dāng)操作。③現(xiàn)場施工管控不到位,引起混凝土實(shí)體強(qiáng)度偏差較大。④C55連續(xù)梁混凝土配合比中,膠凝材料為533 kg,機(jī)制砂石粉含量約12%,總粉料量>650 kg,總粉料量過多,混凝土拌合不均勻引起混凝土強(qiáng)度偏差過大。經(jīng)調(diào)研西南地區(qū)數(shù)個(gè)大型工程項(xiàng)目,發(fā)現(xiàn)混凝土標(biāo)準(zhǔn)試件強(qiáng)度和工程實(shí)體強(qiáng)度偏差均較大,尤其是高量程泵送高強(qiáng)度等級混凝土。

1 水泥粉煤灰機(jī)制砂混凝土拌合站攪拌工藝參數(shù)對混凝土抗壓強(qiáng)度的影響研究

1.1 攪拌工藝參數(shù)設(shè)置

水泥粉煤灰機(jī)制砂混凝土攪拌工藝參數(shù)設(shè)置:①砂漿包石和非砂漿包石包裹機(jī)理;②砂石料倉往中儲倉上料順序 即機(jī)制砂、大小石料倉下面?zhèn)魉蛶禹樞?③投料順序 包含中儲倉砂石向攪拌鍋中投料的順序,即一次投放完成或二次開中儲倉門二次投料,以及水泥、粉煤灰、外加劑、水向攪拌鍋中的投料順序;④投料時(shí)間 即所有原材料投料完成時(shí)間,方案1-1～1-4分別為45,40,33,33 s;⑤攪拌時(shí)間 即投料完成后純攪拌時(shí)間,方案1-1～1-4分別為75,80,87,87 s,如表1所示。

表1 水泥粉煤灰機(jī)制砂混凝土拌合站攪拌工藝參數(shù)Table 1 Mixing process parameters of Portland fly ash cement manufactured sand concrete

方案1-2投料順序中的7 s關(guān)閉中儲倉是由試驗(yàn)確定的,即砂石料倉往中儲倉上料順序?yàn)? s機(jī)制砂→20 s小碎石→40 s大碎石,然后進(jìn)入中儲倉,單獨(dú)往攪拌鍋中投放機(jī)制砂,使用秒表計(jì)時(shí),連續(xù)重復(fù)做3次,平均7.08 s投完,故設(shè)定7 s時(shí)關(guān)閉中儲倉。方案1-4投料順序中,7 s關(guān)閉中儲倉由試驗(yàn)確定,即砂石料倉向中儲倉的上料順序?yàn)? s大碎石→20 s小碎石→40 s機(jī)制砂,然后進(jìn)入中儲倉,單獨(dú)向攪拌鍋中投放碎石,使用秒表計(jì)時(shí),平均7.19 s投完,故設(shè)定7 s時(shí)關(guān)閉中儲倉。

1.2 配合比選擇和成型試件問題

選用C55連續(xù)梁混凝土配合比,雙摻水泥粉煤灰,細(xì)骨料均是機(jī)制砂。為減少混凝土坍落度過大引起混凝土離析造成拌合物不均勻,采用C55混凝土,設(shè)計(jì)坍落度為(180±20)mm。為減少試件組數(shù)少引起偏差較大,每個(gè)方案均一次性成型50組,形成檢驗(yàn)批。為減少成型試件操作過程中的偏差,成型試件所有混凝土在同一車的不同位置取樣,采用統(tǒng)一的試件成型方式、振搗方法、振搗時(shí)間。

1.3 試驗(yàn)人員配置與分工問題

為減少由于試驗(yàn)操作不規(guī)范導(dǎo)致的誤差,提前對相關(guān)人員做好針對性培訓(xùn),指定實(shí)驗(yàn)室副主任獨(dú)立負(fù)責(zé)混凝土試件成型、編號、拆模、入庫、抗壓試驗(yàn)、資料整理工作,1號試驗(yàn)員獨(dú)立負(fù)責(zé)混凝土拌合物勻質(zhì)性測試、記錄、資料整理工作,其余人員配合。

1.4 混凝土試件養(yǎng)護(hù)、試件校驗(yàn)及抗壓試驗(yàn)

試件制作完成并于室溫養(yǎng)護(hù)24 h后,進(jìn)行拆模、編號、入庫、標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)、抗壓試驗(yàn),統(tǒng)計(jì)分析7,28 d抗壓強(qiáng)度。抗壓試驗(yàn)前測量每個(gè)試件的平面度公差、垂直度等,結(jié)果顯示全部合格。為減少人為因素影響,試件平面度公差、垂直度測量、抗壓試驗(yàn)操作由1號試驗(yàn)員獨(dú)立完成,其他人員配合,實(shí)驗(yàn)室主任進(jìn)行過程監(jiān)督。

1.5 抗壓強(qiáng)度統(tǒng)計(jì)分析

分別統(tǒng)計(jì)水泥粉煤灰機(jī)制砂混凝土7,28d的抗壓強(qiáng)度,如表2所示。

表2 水泥粉煤灰機(jī)制砂混凝土7,28d抗壓強(qiáng)度Table 2 Compressive strengt for 7,28d of Porland fly ash cement concrete MPa

1.6 混凝土強(qiáng)度影響分析

對比分析金仁桐4號混凝土拌合站與南川1號混凝土拌合站的4套方案發(fā)現(xiàn),方案1-4的7,28d抗壓強(qiáng)度均優(yōu)于其他方案。從包裹理論分析,非砂漿包石優(yōu)于砂漿包石。從砂石料倉往中儲倉的最優(yōu)上料順序?yàn)榇笏槭槭鷻C(jī)制砂。在中儲倉中先投大小碎石,再快速關(guān)門,20 s時(shí)中儲倉二次開門投機(jī)制砂,形成非砂漿包石。方案1-3,1-4分別是先投粉煤灰與先投水泥,二者強(qiáng)度差異變化大,即先投水泥時(shí),水泥、水、減水劑混合形成水泥漿膜包裹于碎石表面,處于砂漿與碎石間,待水化反應(yīng)后形成較強(qiáng)的黏結(jié)力。若先投粉煤灰,粉煤灰與水、減水劑混合形成粉煤灰漿膜包裹于碎石表面,處于砂漿與碎石間,但粉煤灰本身沒有活性,必須與水泥二次水化后才能形成一定強(qiáng)度,且形成漿液強(qiáng)度相對較弱?；炷量箟浩茐闹饕缑?即碎石與砂漿結(jié)合面,結(jié)合面強(qiáng)度越高,混凝土結(jié)構(gòu)強(qiáng)度越高。相對縮短原材料投料時(shí)間,給純攪拌留足更多時(shí)間,效果最優(yōu)。

2 水泥河砂混凝土拌合站攪拌工藝參數(shù)對混凝土抗壓強(qiáng)度的影響研究

2.1 攪拌工藝參數(shù)設(shè)置方案

水泥河砂混凝土拌合站不同攪拌工藝參數(shù)設(shè)置①砂漿包石和非砂漿包石;②砂石料倉往中儲倉的上料順序 即河砂、大小石料倉下面的傳送帶啟動順序;③投料順序 中儲倉砂石向攪拌鍋中的投料順序是一次投放完或二次開中儲倉門投料,水泥外加劑、水向攪拌鍋中的投料順序;④投料時(shí)間 即所有原材料投料完成時(shí)間,方案2-1～2-3分別為19,30,29 s;⑤攪拌時(shí)間 即投料完成后的純攪拌時(shí)間,方案2-1～2-3分別為101,90,91 s,如表3所示。

表3 水泥河砂混凝土拌合站攪拌工藝參數(shù)Table 3 Mixing process parameters of cement river sand concrete

方案2-2投料順序中的7 s關(guān)閉中儲倉由試驗(yàn)確定,即砂石料倉往中儲倉的投料順序?yàn)? s河砂→20 s小碎石→40 s大碎石,進(jìn)入中儲倉后,單獨(dú)向攪拌鍋中投放河砂,使用秒表計(jì)時(shí),連續(xù)重復(fù)3次,平均7.11 s投完,故設(shè)定7 s時(shí)關(guān)閉中儲倉。方案2-3投料順序中的11 s關(guān)閉中儲倉由試驗(yàn)確定,即砂石料倉往中儲倉的上料順序?yàn)? s大碎石→20 s小碎石→40 s河砂,進(jìn)入中儲倉后,單獨(dú)往攪拌鍋中投放大小碎石,使用秒表計(jì)時(shí),平均在10.5～11.5 s投完,故設(shè)定11 s時(shí)關(guān)閉中儲倉。

2.2 配合比選擇和成型試件

在江蘇連云港連宿項(xiàng)目和山西靜興項(xiàng)目中,混凝土拌合站采用的細(xì)骨料均是河砂,未摻粉煤灰。為減少混凝土坍落度過大引起混凝土離析,造成混凝土不均勻,使用C55混凝土、設(shè)計(jì)坍落度為(180±20)mm。為減少試件組數(shù)少引起偏差,每個(gè)方案均一次性成型50組,形成1個(gè)檢驗(yàn)批。為減少成型試件操作過程中的偏差,所有混凝土在同一車混凝土中取樣,采用統(tǒng)一的試件成型方式、振搗方法、振搗時(shí)間。

2.3 抗壓強(qiáng)度分析

分別統(tǒng)計(jì)水泥河砂混凝土7,28 d抗壓強(qiáng)度,如表4所示。

表4 使用水泥河砂的混凝土7,28d抗壓強(qiáng)度Table 4 7, 28d compressive strength of concrete using cement river sand MPa

對比分析3套方案后發(fā)現(xiàn),方案2-3的混凝土7,28 d抗壓強(qiáng)度均優(yōu)于其他方案:①從包裹理論分析,非砂漿包石優(yōu)于砂漿包石;②砂石料倉往中儲倉的最優(yōu)上料順序?yàn)榇笏槭∷槭由?③方案2-3中儲倉中先投大小碎石,然后快速關(guān)門,20 s時(shí)中儲倉二次開門投河砂,形成非砂漿包石,要先投水泥、水、外加劑,使水泥漿先裹在碎石表面,保證漿體與碎石黏結(jié)強(qiáng)度更高;④相對縮短原材料投料時(shí)間,給純攪拌留足時(shí)間,效果最優(yōu)。

3 混凝土拌合站不同攪拌工藝參數(shù)對混凝土拌合物勻質(zhì)性的影響研究

3.1 理論依據(jù)

根據(jù)相關(guān)規(guī)范要求,混凝土砂漿密度相對偏差應(yīng)≤0.8%,粗骨料質(zhì)量偏差應(yīng)≤5%。經(jīng)深入分析研究,提出砂漿強(qiáng)度偏差概念,即表征膠凝材料中水泥、粉煤灰、機(jī)制砂中粉料的混合均勻程度,尤其是機(jī)制砂中石粉含量較高的高量程泵送高強(qiáng)度等級水泥粉煤灰機(jī)制砂混凝土,膠凝材料總量更多,水泥、粉煤灰和機(jī)制砂中的石粉可能攪拌不均,造成混凝土試件抗壓強(qiáng)度、砂漿抗壓強(qiáng)度離散性較大,為進(jìn)一步驗(yàn)證該混凝土拌合的不均勻性,探討表征混凝土中水泥、粉煤灰、機(jī)制砂中粉料的混合均勻程度。

3.2 水泥粉煤灰機(jī)制砂混凝土拌合站不同攪拌工藝參數(shù)對混凝土砂漿強(qiáng)度的影響研究

檢測金仁桐項(xiàng)目4號混凝土拌合站、南川項(xiàng)目1號混凝土拌合站中的混凝土拌合物勻質(zhì)性,發(fā)現(xiàn)1-1～1-4套方案的砂漿密度相對偏差、粗骨料質(zhì)量偏差均合格,而混凝土拌合物砂漿28 d強(qiáng)度偏差較大,金仁桐4號拌合站中,方案1-1,1-2,1-3,1-4的強(qiáng)度分別為52.3,53.2,50.3,54.5 MPa;南川1號拌合站中,方案1-1,1-2,1-3,1-4的強(qiáng)度分別為52.9,53.8,51.2,55.1 MPa。為減少試件組數(shù)少引起的偏差,每個(gè)方案均一次性成型50組,形成1個(gè)檢驗(yàn)批。為減少成型試件操作過程中的偏差,成型試件所有混凝土在同一車混凝土中取樣,采用統(tǒng)一的試件成型方式、振搗方法、振搗時(shí)間。

對比分析金仁桐項(xiàng)目4號混凝土拌合站、南川項(xiàng)目1號混凝土拌合站方案發(fā)現(xiàn),1-4方案的砂漿密度相對偏差、粗骨料質(zhì)量偏差、28 d砂漿強(qiáng)度均優(yōu)于其他方案,尤其是方案1-4,1-3砂漿28 d強(qiáng)度差異很大,原因與1.6節(jié)分析內(nèi)容相同。

3.3 水泥河砂混凝土拌合站不同攪拌工藝參數(shù)對混凝土砂漿強(qiáng)度的影響研究

檢測連宿項(xiàng)目1號混凝土拌合站、靜興項(xiàng)目2號混凝土拌合站拌合物的勻質(zhì)性,方案2-1～2-3的砂漿密度相對偏差和粗骨料質(zhì)量偏差均合格,而混凝土拌合物砂漿28 d強(qiáng)度偏差較大,連宿1號拌合站中,方案2-1,2-1,2-3的強(qiáng)度分別為50.2,52.1,52.8 MPa;靜興2號拌合站中,方案2-1,2-1,2-3的強(qiáng)度分別為50.5,52.5,53.4 MPa。

對比分析連宿項(xiàng)目1號拌合站、靜興項(xiàng)目2號拌合站方案發(fā)現(xiàn),方案2-3的砂漿密度相對偏差、粗骨料質(zhì)量偏差和砂漿28 d強(qiáng)度均優(yōu)于其他方案,說明方案2-3的攪拌工藝參數(shù)設(shè)置更合理。

4 結(jié)語

1)針對西南區(qū)域石粉含量相對較高的機(jī)制砂,尤其是高強(qiáng)度等級的水泥粉煤灰機(jī)制砂混凝土,混凝土拌合站的最佳攪拌工藝參數(shù)設(shè)置如下:砂石料倉往中儲倉上料順序?yàn)? s大碎石→20 s小碎石→40 s機(jī)制砂。進(jìn)入攪拌鍋的投料順序?yàn)?同時(shí)投入水、水泥外加劑、中儲倉大小碎石→7 s時(shí)關(guān)閉中儲倉門→20 s時(shí)中儲倉二次開門投機(jī)制砂→30 s時(shí)投粉煤灰。先投水泥、水、減水劑時(shí),攪拌包裹于碎石表面,粉煤灰至少延后25 s投放。中儲倉內(nèi)的砂石應(yīng)先投放碎石,20 s后二次開倉門投放機(jī)制砂,形成非砂漿包石。

2)其他地區(qū)不使用粉煤灰和機(jī)制砂的水泥河砂混凝土拌合站最佳攪拌工藝參數(shù)設(shè)置如下:砂石料倉往中儲倉的上料順序?yàn)?大碎石→20 s小碎石→40 s河砂;進(jìn)入攪拌鍋的投料順序如下:同時(shí)投放水、水泥外加劑、中儲倉大小碎石→11 s時(shí)關(guān)閉中儲倉→20 s時(shí)中儲倉二次開門投河砂。先投水泥、水、減水劑時(shí),攪拌包裹于碎石表面,若摻加粉煤灰,至少延后25 s投放。中儲倉內(nèi)的砂石應(yīng)先投放碎石,20 s后二次開倉門投放河砂,形成非砂漿包石。

3)根據(jù)以上分析,在保持混凝土性能不變的前提下,節(jié)省水泥用量,實(shí)現(xiàn)降本增效、綠色低碳,或在原材料和混凝土配合比不變的前提下,提高混凝土強(qiáng)度1.5～2.5 MPa,提高結(jié)構(gòu)耐久性。貴州省金仁桐項(xiàng)目和重慶市南川項(xiàng)目混凝土拌合站攪拌機(jī)組均為120型,C55水泥粉煤灰機(jī)制砂混凝土,江蘇省連宿項(xiàng)目和山西省靜興項(xiàng)目的混凝土拌合站攪拌機(jī)組均為180型,使用C55河砂混凝土,若換成其他型號機(jī)組、其他組合的原材料混凝土,應(yīng)根據(jù)拌合站規(guī)格型號、原材料差異,通過不同攪拌工藝參數(shù)設(shè)置調(diào)整,分析不同攪拌參數(shù)對混凝土試件抗壓強(qiáng)度、混凝土拌合物勻質(zhì)性的影響規(guī)律,總結(jié)分析具有針對性的混凝土拌合站攪拌工藝參數(shù)最佳設(shè)置方案。