双螺旋搅拌机搅拌高强混凝土的搅拌工艺研究.pdf

2 0 1 3年 第 2期 (总 第 2 8 0期 ) Nu mb e r 2 i n 2 0 1 3 ( T o t a l No 2 8 0 ) 混 凝 土 Co n c r e t e 工艺与设备 T E CH NI C S A ND E Q UI P ME N T d o i ： 1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 2 - 3 5 5 0 2 0 1 3 0 2 0 4 4 双螺旋搅拌机搅拌高强混凝土的搅拌工艺研究 杨鹏 ，翁军良，吕聪正 ，张会华 ( 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 7 1 0 0 6 4 ) 摘要 ： 研究了双螺旋搅拌机搅拌 C 6 0 高强混凝土时 ， 采用一次投料法、 先拌水泥砂浆法和水泥裹砂石法 3 种不同搅拌工艺对 混凝土性能的影响 ， 在理论分析和试验研究的基础上 ， 确定不 同搅拌工艺下的较佳参数 ， 并通过对 比分析得出较优的搅拌工艺。 结果表明， 与其他2种搅拌工艺相比， 采用先拌水泥砂浆法搅拌 C 6 0高强混凝土时， 能有效改善混凝土界面过渡区结构， 提高混 凝土的强度和均匀性， 同时可以减少搅拌时间， 降低能耗， 提高生产率； 搅拌时间选择 8 5 9 5 S ， 搅拌速度选择 1 6 1 8 m s ， 可以得 到较好质量的混凝土。 关键词： 双螺旋搅拌机 ；高强混凝土 ；二次搅拌工艺 ；先拌水泥砂浆法 中图分类号： T U6 4 2 2 文献标志码 ： A 文章编号： 1 0 0 2 3 5 5 0 ( 2 0 1 3 ) 0 2 0 1 5 5 0 6 Re s e a r c h o f m i x i n g t e c h n ol o g y o f d o u b l e h e l i x c on c r e t e m i x e r m i x i n g h i gh s t r e n g t h c o n c r e t e Y ANGP e n g ， WE NG u n l i a n g ， LOCo n g - z h e n g， Z H ANGHu i - h u a ( K e y L a b o r a t o r y f o r H i g h wa y C o n s t r u c t i o n T e c h n o l o g y a n d E q u i p m e n t o f Mi n i s t r y o f E d u c a t i o n ， C h a n g anU n i v e r s i t y ， X i an7 1 0 0 6 4 ， C h i n a ) Ab s t r a c t ：I t we r e t h e i mp a o f t h r e e d i ffe r e n t mi x i n g t e c hn o l o gy i n c l u d i n g a f e e din g me tho d the fi r s t mi x e d wi th c e me n t mo r t a r me t h o d and s and env e l o p e d wi th c e ment me tho d o n the p e r f o r ma n c e o f c o n c r e t e w h en d o u b l e s p i r a l m i x e r c h u ms C 6 0 h i gh- s t r e n g t h c o n c r e t e； d e t e r mi ne s b e t t e r pa r a me t e r d un d e r d i ffe r e n t mi x ing t e c hn o l o gy b a s e d o n the the o r e t i c a l an a l ys i s an d e x p e rime n t al r e s e a r c h a nd o b t a i n s t h e b e R er mi x i n g t e c hno l o gy t h r o u gh c o m p ara t i v e ana l y s i s T h e r e s u l t s h o we d th a t ， c o mp a r i n g w i th t h e o t h er t w o mi x i n g p r o c e s s e s ， the fir s t mi xe d wi th c e me nt mo r t a r me tho d c o ul d e f f e c t i v e l y i mp r o v e the s t r u c t ur e o f the tra n s i t i o n are a of the c o nc r e t e i nte r f a c e， e n h anc ethe s tre n g t h a n duni f o r mi ty o f c o n c r e t e ， andi ntheme ant i me r e d u c ethemi x i n gt i me ， c u t d o wn e n e r gy c o n s u mp t i o nand r a i s e p r o d u c t i v i tyw h e n m i x i n g C 6 0 h i gh- s tr e n g t h c o n c r e t e Th e m i x in g t i me w a s c h o s e n b e t we e n 8 5 - 9 5 S a n d the mi x i n g s p e e d a t 1 6 - I 8 m s ， b e t t e r c o n c r e t e q u i ty c o u l d b e a c h i e v e d K e y wo r d s ： d o u b l e h e l i x c o n c r e t e m i x e r ； h i gh- s tr e n g t h c o n c r e t e ； e c o n d a r y mi x i n g t e c h n o l o gy； f n - s t m i x e d w i t h c e m e n t mo r t a r me tho d 0 引言 0 1 双螺旋搅拌机 近年来， 双卧轴搅拌机在我国发展迅速 ， 在产品规格 和数量上都远 远超过 了其他 机型 ， 其 结构如 图 1 所 示 。 但 是双卧轴搅拌机存在 混凝 土容易抱 轴结块 、 搅拌低效 区、 料流运动不畅等问题 ， 严重影响了搅拌设备的作业质量和 效率。 此外， 在实际应用中还发现 ， 拌和后宏观上均匀的混 凝土 中的水泥浆放在显微镜下会发现 ， 仍有 1 0 3 0 的水 泥颗粒黏聚成微小的水泥 团， 微 观上并未达到均匀【 ” 。 针对 这些问题 ， 在双螺带搅拌机的基础上开发了双螺旋混凝土 搅拌机 ， 去除双螺带搅拌机的中间搅拌臂， 只保留两边搅 拌臂， 用两个半轴代替搅拌轴， 添加中间连接块， 形成了特 殊的“ 无轴” 搅拌结构， 其结构如图2所示。 0 2高强混凝土 高强混凝土的使用情况标志着一个国家建筑业的技 术发展水平。 在我国， 2 0 世纪9 0 年代以后， 高强混凝土越来 收稿 日期 ：2 0 1 2 - 0 8 1 3 图1 双卧轴搅拌机结构 越多的开始在桥梁、 高层建筑、 建筑制品、 港口和海洋等工 程领域得到推广使用。 高强混凝土是使用水泥、 砂、 石等传 1 5 5 图 2双螺 旋搅 拌机 结构 统原材料 ， 通过添加一定数量 的高效减水剂( 或同时添加 一 定数量 的活性矿物材料 ) ， 采用普通成型工艺制成的具有 高强性能的一类水泥混凝土。 根据 C E C S 1 0 4 ： 9 9 高强混 凝土结构技术规程 ， 将强度等级大于等于 C 5 0 的混凝土称 为高强混凝土； 而 J G J 5 5 2 0 0 0 普通混凝土配合比设计 规范 中则将强度等级大于等于 C 6 0的混凝土称为高强混 凝土 。 综合 国内外对高强? 昆 凝 土的研究和应用实践 ，以及 现代混凝土技术的发展， 将大于等于 C 6 0 的混凝土称为高 强度 昆 凝土是比较合理 的。 0 3 二 次搅拌 工艺 实践证明， 在原料及配合比既定的条件下， 工艺措施 的合理程度对混凝土质量将产生重大影 响。 物料的搅拌顺 序很重要 ， 因为混凝土的某些特性依赖于各组分进入搅拌 机的顺序2 - 3 。 二次搅拌工艺是指在考虑混凝土组分中各物 料相互均匀混合的基础上 ， 利用物料投料量 、 搅拌顺序对 混凝土内部结构形成的影响， 综合提高混凝士 陛能的工艺方 法嗍 。 它的基本原理建立在改善水泥的分散性， 提高水泥活 性的基础上 ， 进而不同程度地提高混凝土强度， 实现了传 统工艺无法实现的界面过渡层水灰 比梯度特征 ， 从而改善 了混凝土界面的微观均匀性 ， 二次搅拌工艺还可以减少水 泥颗粒的团聚现象 ， 改善水泥颗粒 的分散性 ， 提高水化程 度 ； 另外 ， 二次搅拌工艺一 定程度 上堵塞 了 自由水分 向骨 料界面集中的通道 ， 改善了混凝土界面区的水化产物分布状 态 ， 综合提高了混凝土各项性能习 。 此外， 二次加水可使裹 在骨料浆壳外的水泥砂浆的水灰 比将大于设计水灰 比， 成 为一层稀浆 ， 这层稀浆有较好的润滑作用， 能够提高新拌 混凝土的和易性嘲 。 二次搅拌工艺搅拌步骤如 图 3 所示啊 。 图 3 二次搅拌工艺步骤 1 试验方案设计 1 1 混凝 土配合 比设计及试验材料 在本次试 验中 ， 混凝 土的设计强度 为 C 6 0 ， 试验过程 中采用相同的试验材料和相同的配合 比设计 。 配合 比设计 为 D b ： m ： m ：m = 1 6 5 ： 5 0 0 ： 6 0 6 ： 1 2 2 9 = 0 3 3 ： 1 ： 1 2 1 ： 2 4 6 ， 因试验 样机设计 的公称容积 6 0 L ， 可 以计算得 出混凝土各组成材 料 的实际用量为水泥 3 0 ， 水 1 0 ， 砂 3 7 ， 石子 7 4 ， 减水剂按水泥用量 的 1 添加 ， 故需 0 3 k g 。 其 中， 水泥选择 秦岭牌 P 0 5 2 5 级水泥 ， 粗骨料选择粒径小于 2 5 m l n的 石灰岩碎石， 细骨料选择级配良好( I I 区) 的中砂 ， 要求细 度模数宜大于 2 6 ， 含泥量不应大于 2 0 ， 高效减水剂选 择 U N F 5 高效减水剂， 为粉状， 采用后掺法 ， 应在混凝土用 水量中扣除溶液用水量， 并适当延长搅拌时间。 1 2 搅拌试验设计 选取一次投料法、 先拌水泥砂浆法和水泥裹砂石法 3 种搅拌工艺进行试验研究。 ( 1 ) 一次投料法 ： 将石子、 砂、 水泥和水一同加人搅拌 筒内进行搅拌， 试验安排如表 1 所示。 1 56 ( 2 ) 先拌水泥砂浆法： 将砂、 水泥和一部分水第一批先 加入搅拌筒 内， 将骨料分 为第二批 ， 先投入第一批材料搅 拌成砂浆后投入第二批材料搅拌成均匀的混凝土。 本试验 是一个 4因素 4 水平的试验 ， 可 以采用正交表 L 。 ( 4 ) 来设 计 ， 如表 2 所示。 表 1 一次投料法试验安排 ( 3 ) 水泥裹砂石法： 将砂、 石和一部分水第一批先加入 搅拌桶内搅拌成砂石浆， 然后加入水泥搅拌一段时间， 最后 加入剩余的水搅拌成混凝土。 本试验是一个 5因素 4 水平 的试验， 可以采用正交表 L ( 4 ) 来设计， 如表 3 所示。 表 2 先拌水泥砂浆法试验安排 试验 1 试验 2 试验 3 试验 4 试验 5 试验 6 试验 7 试验 8 试 验 9 试验 1 O 试验 1 1 试验 l 2 试验 l 3 试验 1 4 试验 1 5 试验 1 6 2 O 2 0 2 O 2 O 25 25 25 25 3 O 3 0 3 O 3 0 3 5 3 5 3 5 35 3 O 3 5 40 45 3O 35 4 0 4 5 3 0 3 5 4 0 4 5 3 0 3 5 40 4 5 20 2 5 3 0 3 5 2 5 2 0 3 5 3 O 3 0 3 5 20 25 35 3 0 2 5 2 0 2 试验数据及分析 在材料相同和混凝土配合比相同的情况下分别进行 一 次投料法、 先拌水泥砂浆法和水泥裹砂石法 3 种投料顺 序的混凝土搅拌试验， 通过改变搅拌时间、 搅拌速度以及 第一次加水量测得混凝土的含气量( ) ， 并通过计算得出 7 d 抗压强度平均值( M P a ) 、 粗骨料质量相对误差 G ( ) 和砂浆密度相对误差 ( ) 进行对 比。 试验数据如表 4 6 1 5 7 踟 舳 踟 4 D O 4 6 O 8 6 4 6 4 0 8 2 1 2 1 1 2l 1 1 L 所示 。 2 1 含 气量 图4 是不同工艺下混凝土含气量的概率分布图， 从图4 中可以看出， 采用不同搅拌工艺时， 随着搅拌时间和搅拌速 度的变化， 混凝土含气量的变化不大， 大体维持在 2 0 2 6 之间， 说明搅拌工艺对混凝土的含气量影响不明显。 黄恩福、 李辉等指出， 延长搅拌时间， 混凝土含气量无明显变化阎 ， 这与本试验的结果相吻合。 而李兴翠 等指出： 含气量与水 灰比和砂率都是成正比关系， 即水灰比越高含气量越大， 砂 率越高含气量越大。 因此 ， 本试验中含气量是混凝土配合 比 表 4 一次投料法试验数据 试验顺序 平均含气量 7 d 抗压强度平均值 , M P a 抗压强度离差系数 砂浆密度相对误差 A 粗骨料质量相对误差 G 1 5 8 售 气量 ， 图 4 不同搅拌工艺的混凝土含气量概率分布图 综合影响的结果， 这与本试验的结果也是相吻合的。 此外从 图中还可以看出， 在配合比相同的情况下 ， 采用先拌水泥 砂浆 法搅 拌出的混凝土含气量要优于一次投料法和水 泥 裹砂石法搅拌出的混凝土含气量。 2 2一 次 投 料 法 图5 6 是采用一次投料法搅拌 C 6 0 混凝土时， 不同搅 拌速度下搅拌总时间分别与 7 d 抗压强度平均值、 粗骨料 质量相对误差之间的关系。 从图中可以看出， 当搅拌速度 为 1 6 m s 时 ， 混凝土的抗压强度和粗骨料质量相对误差均 明显优于其他两种搅拌速度， 且当搅拌总时间为 9 0 S 时， 混凝土的抗压强度最高 ， 粗 骨料质量相对误差最小 ， 此时 ， 搅拌出的混凝土具有很好的均匀性。 搅拌总时间 s 图 5 不同速度下搅拌时间与抗压强度平均值的关系 ， U 9 1 ) l l U 搅拌总时间 s 图 6 不 同速度下搅拌时间与粗骨料相对误差 G的关系 2 3二 次搅 拌 工 艺 在本试验中， 采用二次搅拌工艺搅拌高强混凝土时， 所考虑的试验因素较多， 如第一次加水量、 各阶段搅拌时 间等， 若在结果分析中一一考虑这些因素 ， 将会使分析过 程极为繁琐。 而研究指出， 搅拌时间是影响混凝土增强效果 的重要因素 ， 直接决定物料在搅拌机内受各种搅拌总用的 持续时间， 不同类型的搅拌机 、 不同的搅拌工艺和不同 坍落度的混凝土有着不同的最佳搅拌时间 1 l 】 ， 因此， 根据 现有的试验结论 ， 3 种搅拌结果和一些初步试验 ， 本研究 以 搅拌总时间为主要 考虑 的水平影 响因素 ， 研究不同搅拌速 度下， 双螺旋搅拌机对高强混凝土的性能影响。 图7 是采用先拌水泥砂浆法搅拌 C 6 0 混凝土时， 不同 搅拌速度下搅拌总时间分别与 7 d 抗压强度平均值、 粗骨料 质量相对误差之间的关系。 从图中可以看出， 适 当的增加搅 拌速度和搅拌时间， 能够有效的提高混凝土的抗压强度， 而 当搅拌速度高于 1 8 m s ， 搅拌时间大于 9 5 S 时， 随着搅拌时 间的增加， 混凝土的抗压强度有所下降， 原因是高速度长时 间的搅拌造成了混凝土的离析， 同时增加水挥发， 破坏添加 剂的工作性， 增大坍落度， 从而降低了混凝土的强度。 而对 于粗骨料质量相对误差 G来说 ， 从 图中可 以看出， 所有拌 合物的粗骨料相对误差都能满足单位体积混凝土中粗骨料 含量两次测值的相对误差不应大于 5 的要求 。 随着搅拌速 度与搅拌时间的增加 ， 粗骨料质量相对误差呈逐渐增大的 趋势。 由此可以得出结论， 当采用先拌水泥砂浆法搅拌 C 6 0 混凝土时， 宜选择的搅拌速度为 1 6 1 8 m s ， 搅拌总时间为 8 5 9 5 s ， 此时混凝土的均匀性最好 ， 能满足生产的需求。 搅拌总时间， s 搅拌 总时 I司 s ( b ) 粗 骨 料质 量 相对 误 差 图 7 先拌水泥砂浆法 图8 是采用水泥裹砂石法搅拌 C 6 0 混凝土时， 不同搅 拌速度下搅拌总时间分别与7 d 抗压强度平均值、 粗骨料质 量相对误差之间的关系。 从图8中可以看出， 在不同的搅拌 速度下， 随着搅拌时间的增加， 抗压强度先是逐渐提升， 在 8 0 S 处达到最大值， 然后逐步下降且变化平缓。 此外 ， 从 图中还可 以看出抗压强度高低 的顺序为 2 0 m s 1 8 m s 1 6 m s 1 4 m s ， 说明在双螺旋搅拌机拌合高强混凝土时， 随着搅拌速度的增加 ， 能有效减少水泥颗粒的团聚现象 ， 改 善水泥颗粒的分散性， 提高水化程度， 进而提高混凝土的 强度。 而对于粗骨料相对误差来说， 从图中可以看出， 在不 同搅拌速度下 ， 呈现出先逐步增加， 然后缓慢减小的趋势， 在 1 0 0 s 时达到最小值， 且在不同搅拌速度下， 粗骨料相对 误差大小的变化趋势为 2 0 m s 1 4 m s 1 6 m s 1 8 m s ， 说明搅拌速度过高或过低均会对混凝土的粗骨料相对误 差造成一定的影响。 由此可以得出结论， 当采用水泥裹砂石 法搅拌 C 6 0 混凝土时， 宜选择搅拌速度为 1 8 2 0 m s ， 搅拌 】 5 9 值 一 一 一 一 一 一 厂 一 1 1 l 1 l 0 0 O 0 、 日 苌 罂咖 龚啦 靼 搅拌总时间， s f a 1 抗压 强度 平均 值 搅拌 总时同 s ( b ) 粗 骨 料 质量 相 对误 差 图 8 水泥裹砂石法 总时间为 1 0 0 s 左右。 图 9 为不 同搅拌工艺的混凝 土概率分布 图， 从 图中可 以看 出， 采用先拌水 泥砂浆法 ， 不仅混凝土 的强度显著提 高， 而且强度的标准差小， 强度概率分布曲线窄而高， 离散 程度较小 ， 相对于一次投料法和水泥裹砂石法来说均具有 很大的优势。 这是因为采用水泥砂浆法搅拌工艺 ， 石子表面 呈干燥状态 ， 当投入已拌 和均匀 的水泥砂浆 中搅拌时， 它的 表面就被水泥浆包裹， 其表面将吸附水泥浆而形成了一个 低水灰 比的“ 壳 ” 。 这既提高 了水泥石与集料的界面强度 ， 也对粗骨料与外界水分 的进一步接触起 到了“ 屏蔽作用” ， 堵塞 了自由水分向骨料界面的通道 ； 避免 了混凝土分层现 象 的发生 ， 减少 了水泥石与骨料界面的裂缝数量和孔径尺 寸 ， 从而提高了混凝土的密实度与强度。 同时 ， 根据之前 的 分析 ， 还可 以对 比得出 ， 在减少搅拌 时间 ， 降低搅拌时的功 率消耗， 提高生产率等方面， 先拌水泥砂浆法同样具有一 定 的优越性。 强度 MP a 图 9 不同搅拌工艺的混凝土强度概率分布图 3结 语 ( 1 ) 使用双螺旋混凝土搅拌机搅拌 C 6 0 高强混凝土时， 在混凝 土的原材料 、 配合 比、 成型方式及 养护方 式一定 的 条件下 ， 采用先拌水泥砂浆法能有效的破坏水泥团粒 、 促进 水泥充分分散和水化 ， 并且降低骨料界面水灰比， 提高骨 料界面黏结性能 ， 从而提高混凝土的质量和性能 。 ( 2 ) 采用先拌水泥砂浆法搅拌 C 6 0 高强混凝土时， 搅 拌时间应选择 8 5 9 5 s ， 搅拌速度选择 1 6 1 8 m s ， 与其他 搅拌工艺相比， 能有效的提高搅拌效率 ， 降低搅拌时的功 率消耗 。 ( 3 ) 不同搅拌工艺对混凝土含气量的影响不大 ， 其大 体维持在 2 0 2 6 之间。 参考文献 ： 1赵利军 搅拌低搅拌区及其消除方法的研究 D 西安： 长安大学， 2 0 05 【 2 C HA NG P i n g k u n， P EN G Ya w n a J 1 ， I n f l u e n c e o f mi x i n g t e c h n i q u e s o n p r o p e i e s o f h i g h p e r f o r m a n c e c o n c r e t e J C e m e n t a n d c o n c r e t e r e s e a r c h 3 1， 2 0 01： 8 7 95 3 3庞强特 混凝土制品工艺学 M 武汉： 武汉工业大学出版社， 1 9 9 0 4 】R E J E B S K I mp r o v i n g c o mp r e s s i v e s t r e n g t h o f c o n c r e t e b y a t w o s t e p m i x i n g m e t h o d J C e m e n t a n d c o n c r e t e R e s e a r c h ， 1 9 9 6 ， 2 6 ( 4 ) ： 5 8 5 -5 9 2 5 】B EI T Z E L H A s s e s s me n t a n d c l a s s i f i c a t i o n o f p e r f o r ma n c e mi x e r s J M a t e r i a l s a n d S t r u c t u r e s ， 2 0 0 3 3 6 ( 2 5 8 ) ： 2 5 0 2 6 4 6 】张晓波 混凝土的双速搅拌工艺的试验研究【 D 1 西安： 长安大学， 2 0 0 5 【 7 】尹志府混凝土搅拌新工艺介绍 建工技术， 1 9 9 4 ， ( 3 ) ； 4 9 8 黄恩福 ， 李辉 拌合时间对碾压混凝土性能的影响试验研究【 c 】 贵州 ： 2 0 0 4全国R C C D筑坝技术交流会议论文集 ， 2 0 0 4 ， 1 0 ： 1 02 1 0 9 【 9 李兴 ， 邓德华 ， 何富强 混凝土中含气量影响因素的研究【 J J _低 温建筑技术 ， 2 0 0 8 ( 1 ) ： 1 7 1 9 1 O 1 V A N D A N J O N P 0， e t a 1 H o m o g e n i s a t i o n o f c o n c r e t e i n a b a t c h p l a n t ： Th e i n f l u e n c e o f mi x i n g t i me a nd me t h o d o n t h e i n t r o d u c t i o n of mi n e r a l a d mi x t u r e s J 】 Ma g a z i n e o f C o n c r e t e Re s e arc h ， 2 0 0 3 5 5 ( 2 ) ： 1 0 5 1 1 6 1 1 C H A R 0 N N A T Y， B E I T Z E L HR e p o rt： E ffic i e n c y o f c o n c r e t e m i x - e r s t o wa r ds qu a l i f i c a t i o n of mi x e r s ， Ma t e r i a l s a n d S t r u c t u r e s， 1 9 97 ( 3 O ) ： 2 8 3 2 作者简介： 杨鹏( 1 9 8 7 一 ) ， 男 ， 硕士研究生 ， 研究方向： 主要从事高 强混凝土性能及搅拌工艺研究。 联 系地址： 陕西省西安市南二环中段 长安大学校本部道路施工 技术与装备教育部重点实验室E 2 0 1 室( 7 1 o o 6 1 ) 联 系电话： 1 5 9 9 1 7 5 0 2 6 6 _ 藿 叠 圃 新 加 坡 力 促 混 凝 土 废 料 再 利 用 自2 0 1 1 年起， 新加坡政府开始允许建筑开发商使用再生混凝土骨料来建造不超过 2 0 的建筑物结构。自此， 新加坡 许多新的商业及工业建筑项目就开始使用这种新的循环建筑材料。此举不仅可以让建筑过程更加环保， 而且还提高了新 加坡建筑材料的自给自足能力。与此同时， 新加坡建设局还规定， 任何一个建筑项 目如果希望使用超出目前 2 0 限额的 混凝土再生材料， 那么所使用的混凝土质量必须达到该局的要求标准。( 中国网) 1 6 0 O 8 6 4 2 0 8 6 4 2 0 2 1 1 1 1 1 0 0 O O 、 靛罂蜘 龚 啦彝