搅拌设备设计讲座（第十六讲）--增强混凝土界面粘结强度的措施（续完）.pdf

酾 嗡 绷 每 6 局 j 。 _ 00 l 茸程挑 _ 0 0 00 嘲懒蛸鳓呦嘲 搅拌设备设计讲座( 第十六讲) 增 强 混 凝土 界 面 粘 结强 度的 措 施 长安大学 冯忠绪王卫中 张晓波江建卫 摘要： 界面是混凝土结构中最为薄弱的环节。提出用振动搅拌或二次投料搅拌工艺 来增强混凝土的界面强度。介绍振动搅拌和二次投料搅拌工艺的机理、 试验装置及其试验 结果。理论分析与试验研究证明， 这两种方法是提高混凝土界面粘结强度及其他性质的有 效途径 。 关键词 ： 混凝土 界面粘结强度 振动搅拌 二次投料工艺 水泥混凝土是由水泥、砂、石和水按设计配合 比， 经搅拌、 成型、 养护而得到的一种人造石材。 其中 水和水泥组成水泥浆， 硬化后称为水泥石 ， 占混凝土 总体积的 2 0 3 0 ， 起胶凝作用； 砂、 石起骨架填 充作用 ，故称为骨料，占混凝土总体积的 7 0 8 0 ， 能提高混凝土的强度和耐久性 ； 此外， 在混凝 土中还含有少量气孔。 就混凝土的强度而言， 由于骨 料的强度一般均高于水泥石的强度，因而普通混凝 土的强度主要取决于水泥石的强度和界面粘结强度 ( 或界面过渡层的强度) ，而界面粘结强度又取决于 骨料的表面状况 、凝结硬化条件及混凝土拌和物的 泌水性等。 研究证明， 界面是混凝土结构中最为薄弱 的环 ” 。因此， 改善界面过渡层的结构或界面粘结 强度是提高混凝土强度及其他性质的重要途径。本 文将介绍笔者及课题组通过强化搅拌过程或搅拌工 艺来增强混凝土界面粘结强度的部分研究工作。 1 振动搅拌 振动搅拌就是在搅拌的同时加以振动作用 ， 使 水泥颗粒处于颤动状态， 从而破坏水泥凝聚团， 使水 泥颗粒均匀分布。同时振动搅拌使混合料颗粒的运 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。 此外， 还可净化集料表面， 增加水泥和集料间的粘结 力。因此 ， 振动搅拌可增强混凝土表面的粘结强度 ， 提高搅拌质量和效率，使新拌混凝土的流动性也有 所改善。 图 1 为课题组研制的周期式振动搅拌机结构简 基金项 目： 国家自然科学基金项 目( 5 0 6 7 8 0 2 6 ) 4 1 搅拌叶片驱动机构 2 激振器驱动轴 3 进料 口 4 搅拌筒 5 搅拌叶片 6 深度激振器 7 出料口 图 1 立轴式振动搅拌机结构示意 图 图， 表 1 为试验样机的主要性能参数。 它由搅拌叶片 驱动机构 1 、 激振器驱动轴 2 、 进料口3 、 搅拌筒 4 、 搅 拌叶片 5 、 深度激振器 6 和出料口7 等组成。 当机构 1 驱动搅拌叶片 5 旋转时，将物料推向位于搅拌室 中心的激振器壳体 ，它 的最大振动强度在 2 0 g左 右， 壳体四周混合料的黏性受振动作用而下跌， 为高 效节能地拌匀混合料创造了条件。 在振动作用下， 不 断推向激振器壳体的物料形成了循环 ， 使物料的对 流运动和扩散运动都在极为有利的条件下完成， 在 较短的时间内可拌出均匀而致密的混凝土。 为了比较振动搅拌与普通强制搅拌对改善混凝 土的界面粘结强度的影响， 在混凝土配合比、 搅拌时 间、 试验方法等相同， 而搅拌条件不同的情况下， 通 过测定混凝土拌和物砂浆密度的相对误差 、 粗 骨料质量 的相对误差 G 冈 ， 混凝土抗压强度 的平均 值 ， 强度的标准差 或离差系数 c 来比较。不同 一 61 维普资讯 http:/ 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 搦辫 的主要性能参数 第 3 9 眷2 蠛 _ 一| ， 蟛 礁 冀 小； 当混凝土强度不变时， 大约可节约水泥百分之二 十； 另外， 搅拌时间还可缩短近一半， 生产效率也明 显提高。 2 二次投料搅拌工艺 现有的搅拌设备， 水泥、 砂石、 水、 外加剂都是一 次投入拌筒内搅拌 ， 称之为一次搅拌工艺。 在实际应 M P a 图 2不同搅 拌条件 时混凝土强度的概率分布 曲线 用中发现 ， 混凝土的劣化或破坏往往出现在界面处。 一 方面是水泥石和集料的弹性模量不同， 当温度 、 湿 度等 自然条件变化时，水泥石和集料变形不一致形 成细微的裂缝； 另外， 现有的一次搅拌工艺使砂石表 面形成了一层 自由水膜 ，削弱了水泥浆与集料 的粘 结， 使水泥浆体的作用远未发挥出来； 此外， 水泥颗 粒被砂石夹裹， 加水后形成水泥小团粒， 并包裹了很 多拌和水， 不易被破坏， 降低了混凝土拌和物的和易 表 2振动搅 拌与普通搅拌 的对 比试验结果 搅拌 搅拌时间 混凝土拌和物匀质性 7 d 硬化混凝土试块抗压强度 条件 s A M G f M P a M P a C v ( 1 ) 3 8 0 _ 3 5 1 5 8 1 7 9 6 0 6 4 0 0 3 6 ( 2 ) 3 8 0 3 4 1 5 2 1 4 6 4 0 6 0 0 O 4 1 ( 3 ) 6 8 0 _ 4 2 1 7 8 1 2 9 4 3 7 2 0 2 9 0 ( 4 ) 6 8 0 6 8 1 6 0 1 4 8 0 1 1 5 0 0 7 8 62 维普资讯 http:/ 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第3 l9 卷2 O 年6 月 j 工 搦 | 性， 且水灰比越小， 这种现象越严重。水泥团粒吸附 在骨料上， 充填于骨料空隙中， 致使包裹砂子的水泥 颗粒相对减少， 导致水泥不能充分水化， 降低了混凝 土的强度。法 、 美和俄等国学者研究表明， 在距骨料 表面约 1 0 m 以内的界面过渡 区确实存在着强度 梯度 ， 如 图 3所示 。在这一范围内， 显微硬度呈现很 大的差异， 水泥浆体本体较强， 而过渡区成为混凝土 中最薄弱的环节。因此， 一次搅拌工艺固然简单， 但 它存在许多不足之处，且无法平衡界面过渡区的强 度梯度现象。 二次投料搅拌工艺 ，是指在考虑混凝土 中各物 一 步 先拌水泥砂浆法 一 粗细骨 料造壳法 图 3混 凝 土 结构 料相互均匀混合作用的基础上利用物料投料、搅拌 顺序对混凝土内部结构形成的影响，综合提高混凝 土性能的工艺方法。实现该工艺的主要途径见图 4 所列。 图 4 二次 土搅 拌 工艺 流 程 二次搅拌工艺通过先搅拌水泥浆( 或水泥砂浆) 促使其水泥颗料的分散来提高水化程度的同时， 使 过渡区浆体的水灰比在骨料之间以距离骨料表面的 距离为 自变量有规律变化， 如图 5所示 ， 使其硬化后 强度产生与传统工艺混凝土界面过渡区固有的强度 梯度相反的一个趋势 ， 界面过渡区弱 ， 增强之 ； 水泥 浆体本体强，稍减弱之，最终实现微观与宏观的均 匀。 二次搅拌工艺还可以减少水泥颗粒的团聚现象， 改善水泥颗料的分散性 ， 提高水化程度。另外 ， 二次 搅拌工艺在一定程度上堵塞 了自由水分向骨料界面 集中的通道 ，改善混凝土界面区的水化产物分布形 态 ， 综合地提高 了混凝土各项性能嘲 。 骨 料 ( a ) -次搅拌工艺( b ) 传统工艺 图 5 过渡区水灰 变化 在二次搅拌机理分析的基础上，我们重点对图 4 列出的工艺流程中的前 4 种方案进行了试验研究 问 ，为此设计 了一 台双卧轴试验样机， 如图 6 所示。 利 用试验样机 ，对 4种工艺方案分别进行参数优化的 正交试验。 在对不同投料方案优化参数基础上， 又进 一 步进行了横 向对比试验 ， 结果如表 3所示。 结果表明： 采用先拌砂浆法搅拌 4 0 s 的混凝土 强度比传统工艺搅拌 4 0 s 、 5 0 s 、 6 8 s 时分别提高了 2 4 、 1 6 和 4 ；采用水泥裹石法搅拌 5 0 s 的混凝 土强度比传统工艺搅拌 5 0 s 、 6 8 s 时分别提高 了 1 6 8 、 4- 4 。 实际使用中，先拌砂浆法和水泥裹石法适用的 搅拌机型不同。先拌砂浆法宜于采用转速可自动调 节的双卧轴搅拌机来实现。搅拌速度可根据负荷变 化调节， 节省能耗。 缺点是高速搅拌砂浆时易出现甩 浆 、 粘锅 ； 而水泥裹石法宜于采 用复式搅拌机 ， 两台 搅拌机可同时搅拌不同骨料，搅拌时问的重叠使搅 拌周期大大缩短， 效率提高。 缺点是结构复杂。 针对 目前市场上普通双卧轴搅拌机 普遍采用机械传动 只能实现单速搅拌的特点， 笔者提出了新的方案， 即 在保证不出现甩料、粘锅的前提下使两次搅拌的速 度保持相同， 且高于传统搅拌速度。 表 4 为采用先拌 一 6 3 维普资讯 http:/ 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m l 一 嘲 J - l l a 眭 一 地 j 互 f 越 巾 儒 - 叽 l 盛蔷蔷 I ， j 、 目 豳 1 埋 ， 一 U U 图 6搅 拌 机 主 体 结 构 图 表 3不 同投料方案横向对比试 验结果 破坏力 k N 2 8 d抗压强度 P a 工艺方法 l 2 3 l 2 3 o r f C v 先拌砂浆法 5 8 2 1 6 5 9 5 7 4 5 9 9 1 4 2 5 8 7 2 6 4 8 2 6 6 3 0 3 9 9 2 2 6 - 3 3 0 0 1 5 2 水泥裹砂法 6 0 8 1 9 5 9 5 7 4 5 6 8 5 8 2 7 0 3 2 6 4 8 2 5 2 7 0 9 0 02 2 6 2 6 0 0 3 4 3 先拌水泥净浆法 5 5 3 2 3 5 7 5 1 3 5 4 2 8 5 2 4 5 9 2 5 5 6 2 4 1 3 0 7 3 24 2 4 7 6 0 0 2 9 6 水泥裹石法 6 0 4 8 0 5 9 4 6 l 5 8 4 4 3 2 6 8 8 2 6 4 3 2 5 9 7 0 4 5 2 7 2 6 4 3 0 0 1 7 l 传统搅拌 4 0 s 4 8 3 7 5 4 5 5 0 o 4 9 3 2 1 2 1 5 0 2 0 2 2 2 1 9 2 0 8 8 4 4 2 1 2 1 0 O 4 1 7 传统搅拌 5 0 s 5 l 7 4 9 4 8 8 9 6 5 2 0 3 l 2 3 0 0 2 1 7 3 2 3 1 2 0 7 7 0 8 2 2 6 2 0 0 3 4l 传统搅拌 6 8 s 5 3 3 6 3 5 7 3 9 8 6 0 0 5 0 2 3 7 2 2 5 5 l 2 6 6 9 1 4 9 6 5 2 5 - 3 l 0 0 5 9 l 表 4 结合机型的综合对比试验结果 破坏力 kN 28d抗压强度 MPa 翦 上乙力 l 2 3 l 2 3 or f Cv 单速 30 s 62545 62946 6o007 2780 2798 2667 0708 3 2748 0025 8 双速 4 0 s 5 8 2 1 6 5 9 5 7 4 5 9 9 1 4 2 5 8 7 2 6 4 8 2 6 6 3 0 3 9 9 2 2 6 - 3 3 0 0 1 5 2 传统 5 0 s 4 8 3 7 5 4 5 5 0 0 4 9 3 2 1 2 1 5 0 2 0 2 2 2 1 9 2 0 8 8 44 2 1 2 l 0 0 4 1 7 霆 颦涣 时堕 谏 一 槠袢 、双谏 一 槠袢 与传 统槠 袢 看 采 用 一次 槠袢 一 制各 的混凝 十试 缺 的破 坏一 的对比试验结果。 结果表明： 单速二次搅拌 3 0 s 的混凝土强度比 双速二次搅拌 4 0 s 和传统工艺搅拌 4 0 s 时分别提 高 4 4 、 2 9 6 。另外，从抗压强度的测试情况来 - 6 4- - 般是水泥石与粗骨料整体的粉碎性破坏，或者是骨 料贯穿性破坏， 如图7 。 说明混凝土界面过渡区的粘 结强度得到了改善， 混凝土整体性能得到提升。 ( a ) 传统工艺 ( b ) -次搅拌工艺 图 7混凝土界面破 坏 维普资讯 http:/ 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 一 6 5 维普资讯 http:/ 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m