（机械设计及理论专业论文）混凝土双速搅拌工艺的试验研究.pdf

摘要 混凝土的强度破坏往往发生在水泥浆与集料的界面，主要原因是砂石表面形 成了一层自由水膜，集料与水泥砂浆接触界面有原生性的微细裂隙，削弱了两者 问的粘结，使水泥浆体的作用未能完全发挥。通过改变搅拌工艺，采用二次投料 法来提高水泥混凝土性能，与传统的一次投料法相比，在混凝土性能、环保、降 低成本等方面具有明显优势。二次投料法按投料顺序不同主要可分为：预拌砂浆 法、预拌净浆法、水泥裹砂法、水泥裹砂石法和净浆裹砂石法五种。酌两种工艺 一般需另配专用高速搅拌机，因而设备较复杂、整机成本增加；后三种工艺单机 可以实现，但搅拌周期较长，生产率受限制。本文针对二次投料法的这些缺点， 设计用双卧轴双速搅拌机进行了二次投料搅拌工艺的试验研究，本文称之为双速 搅拌工艺。 论文在双速搅拌理论分析的基础上，选择了双卧轴搅拌机工作装置的最佳参 数，对试验样机的动力进行了计算并选型，采用变频调速减速电机驱动。应用正 交试验设计，对双速搅拌工艺各参数进行了综合优化。提出了在分次投料的不同 时段，优化水泥砂浆和混凝土搅拌速度、搅拌时间、第一次加水百分量，通过高 速搅拌活化水泥浆体和调控骨料界面水灰比来完善搅拌过程的新思路；并与传统 的一次投料搅拌进行了对比。试验结果表明：在相同搅拌时间内，先拌砂浆法搅 拌的混凝土2 8 d 平均强度比一次投料法提高了2 6 5 ；水泥裹砂法搅拌的混凝土 2 8 d 平均强度比一次投料法提高了2 7 8 ，而且双速搅拌工艺制备的混凝士综合 性能好，宏观和微观均匀度均高于一次投料法 关键词：双速搅拌工艺先拌砂浆法水泥裹砂法 t a b s t r a c t i n t e n s i t yd e s t r o yo fc o n c r e t eo f t e no c c u r so nt h ei n t e r f a c eb e t w e e ng r a v e la n d m o r t a r t h em a i nr e a s o ni st h a tt h e r ee x i s to r i g i n a lw e ec r a n n i e sb e t w e e nt h et w o m a t e r i a l sa n dt h et h i nl a y e ro fw a t e rt h a tf o r m so nt h es u r f a c eo fg r a v e ld e c r e a s et h e i r j o i n ts t r e n g t h c o m p a r i n g 谢t l lt h et r a d i t i o n a lm i x i n gm e t h o d ，t h et w o s t e pm i x i n g t e c h n i q u es h o w sr e m a r k a b l ea d v a n t a g e s i nc o n c r e t ep e r f o r m a n c e ，e n v i r o n m e n t p r o t e c t i n g ，c o s tr e d u c i n g ，e t e t h en e wt e c h n i q u ec o u l db ef u r t h e rc l a s s i f i e di n t of i v e c a t e g o r i e s ：p r i m a r ym i x i n go fm o r t a r , p r i m a r ym i x i n go fg r o u t , s a n de n v e l o p ew i t h c e m e n t ( s e c ) ，g r a v e le n v e l o p ew i t hc e m e n t ，g r a v e le n v e l o p ew i t hg r o u t t h ef i r s t t w oa r em o r ec o m p l e xa n dc o s t l yt h a nt h el a t t e rt h r e eb e c a u s et h e yn e e da ne x t r ah i g h s p e e dm i x e r t h e l a t t e rt h r e ec a l lb ea p p l i e dw i t hs i n g l em i x e rb u t h a st h e d i s a d v a n t a g eo fl o n g e rm i x i n gp e r i o d t oo v e r c o m et h ed i s a d v a n t a g e so ft w o s t e p m i x i n gt e c h n i q u em e n t i o n e da b o v e ，e x p e r i m e n t so nt h et w o - s t e pm i x i n gt e c h n i q u e a r ec a r r i e do u tw i t l lan e w l yd e s i g n e dd o u b l e - s p e e dm i x e r a n dt h ew a yo fd o i n g t w o s t e pm i x i n g 埘t l lad o u b l e s p e e dm i x e ri sn a m e d a sd o u b l e s p e e dm i x i n ga r th e r e b a s e do nt h et h e o r e t i c a la n a l y s i so fd o u b l e s p e e dm i x i n g ，t h eb e s tp a r a m e t e r so f m i x e ra r ed e t e r m i n e d t h ed r i v ep o w e ri sc a l c u l a t e da n dc a r e f u l l yc h o s e n an e wi d e a i sp r o p o s e dt oi m p r o v em i x i n gp e r f o r m a n c e ，w h i c ha c t i v a t e sg r o u ti nh i g hs p e e d ， c o n t r o l sw cr a t i oo ng r a v e li n t e r f a c e ，a n du s e so r t h o g o n a lt e s td e s i g nt oo p t i m i z ea l l t h eo p e r a t i n gp a r a m e t e r so ft h en e wa r t e x p e r i m e n tr e s u l t si n d i c a t et h a tc o m p a r i n g w i t ht h et r a d i t i o n a lm e t h o d ，p r i m a r ym i x i n go fm o r t a rc a ni n c r e a s et h ea v e r a g e i n t e n s i t yo f2 8 dc o n c r e t eb y2 6 5 t h es e c c a ni n c r e a s et h ea v e r a g ei n t e n s i t yb y 2 7 8 i ng e n e r a l t h ec o n c r e t ep r e p a r e db yd o u b l e s p e e dm i x i n ga r ti sb e t t e rt h a nt h a t p r e p a r e db yt r a d i t i o n a lt e c h n i q u e k e yw o r d s ：a r to f d o u b l e - s p e e dm i x i n gp r i m a r ym i x i n go f m o r t a r s a n de n v e l o p ew i t hc e m e n t 论文独创性声明 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行 研究工作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的 研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本论 文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表的成 果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：獬肥 2 6 年乡月抽日 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归 属学校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请 专利等权利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的 学术论文或成果时，署名单位仍然为长安大学。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：秀帆妒占年月。日 导师签名： 冯巴 晶如6 年3 殷d 日 第一章综述 1 1 混凝土基本概念 1 1 1 混凝土组成及结构 混凝土是由胶凝材料将矿质混合料胶结而成的固体复合材料，是现代土木工 程中用量最大宗的建筑材料之一，广泛应用于工业、农业、交通、国防、水利、 市政和民用等基础建设工程中，在国民经济中占有重要地位i l l 。根据胶凝材料的 不同，混凝土分为水泥混凝土、沥青混凝土等，水泥混凝土在建筑工程中用量最 大，沥青混凝土主要作为高等级公路的路面材料。 水泥混凝土，常简称为混凝土，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2 。硬化前的混凝土称为新拌混凝土，或 混凝土拌和物。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。 混凝土是一种非匀质多相复合材料从宏观结构看，混凝土是由骨料和水泥 石组成的二相复合材料( 见图1 1 ) ；从亚微观上来看，混凝土是由粗骨料、细骨 料、水泥水化产物、毛细孔、气孔、微裂纹( 因水化热、干缩等使水泥石歼裂) 、 界面微裂纹( 因干缩、泌水等所致) 及界面过渡层等组成。搅拌匀质的混凝土中， 水泥浆将砂包裹成为砂浆，砂浆又将石子包裹，并填满石子间空隙，经成型密实 和养护，水泥浆硬化后就将粗、细集料牢固胶结为具有一定强度和其他许多重要 特性的整体1 3 1 0 图卜1 混凝土宏观结构 1 1 ，2 混凝土的基本要求和特性 工程上应用的混凝土，在合理使用和节约原材料的原则下，般需满足和易 性、强度、耐久性和经济性等基本要求。 混凝土性能的形成是从混凝土的拌制、浇筑和硬化开始的，新拌混凝土首先 要满足易于施工、并能获得均匀密实结构的性质，称为工作性，也称和易性或工 作度。对工作性( 或称和易性) 这一术语的含义，虽然目前仍有争议，但通常认 为主要包含“流动性”、“可塑性”、“稳定性”和“易密性”等内容1 2 1 优质新拌 混凝土应该具有：满足输送和浇捣要求的流动性；不为外力作用产生脆断的可塑 性；不产生分层、泌水的稳定性和易于浇捣成型的易密性。 流动性指混凝土拌和料在重力或机械振动力作用下，易于产生流动、易于运 输、易于充满混凝土模板的性质。一定的流动性可保证混凝土构件或结构的形状 与尺寸以及混凝土结构的密实性。粘聚性指混凝土拌和料各组成材料具有一定的 粘聚力，在施工过程中保持整体均匀一致的能力。粘聚性差的混凝土拌和料在运 输、浇注、成型等过程中，易产生离析、分层现象，造成混凝土内部结构不均匀。 保水性指混凝土拌和料在施工过程中保持水分的能力。保水性好可使混凝土拌和 料在运输、成型和硬化过程中避免发生大的或严重的泌水现象1 1 1 新拌混凝土的工作性是项综合指标，所包含的一些要求，在不同场合下存 在矛盾性。如，稳定性要求混合料应具有较高的内聚性，以便减少粗集料的下沉 和泌水；而易密性则要求混合料有较小的内聚力和内摩擦以便易于密实成型。因 此，对于混合料的工作性应根据不同场合提出不同要求4 。 混凝土结构主要承受各种载荷或抵抗各种作用力。强度是混凝土最重要的力 学性质1 4 1 在特定情况下，还要求混凝土具有其他性能，如不透水性和抗冻性等， 并且，这些性能往往与混凝土强度密不可分。因此，通常用混凝土强度评价和控 制混凝土质量。 混凝土强度通常包括抗压、抗拉、抗折、剪切和粘结强度等。混凝土的抗压 强度较高，因此，在各种混凝土结构中，主要用其承受各种压力。同时，其他力 学强度都与抗压强度相关，在结构设计中，均可通过抗压强度折算。因此，水泥 混凝土的强度往往以抗压强度作为基准，强度等级按立方体抗压强度标准值划 分，相关规定见混凝土强度检验与评定标准( g b j l 0 7 8 7 ) ，相关试验方法见 普通混凝土力学性能试验方法( g b j 8 1 8 5 ) 。混凝土抗拉强度较低，约为抗压 强度的7 1 4 ，在混凝土结构中一般不承受拉应力。对于承受弯曲作用的结构， 混凝土抗弯折强度尤为重要，如道路路面、机场道面，此时，通常采用抗弯折强 度作为主要强度指标，抗压强度作为强度参考指标。 影响混凝上强度的主要因素如下”1 ： 1 原材料的质量：水泥、添加剂、骨料等的质量； 2 配合比：水灰比、含气量等： 3 施工方法：搅拌方法、浇筑方法、捣固程度； 4 养护方法( 温度、湿度等) 与龄期； 5 试验方法：试件尺寸、形状及加载速度等。 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，界面是混凝土结构中最为薄弱的环节嵋。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。通过同一配合比不同搅 拌条件的对比试验发现，若混凝土骨料与水泥石结合良好，则骨料发生粉碎性破 坏或贯穿性破坏，此时抗压强度较高；若混凝土骨料与水泥石结合不佳，则破坏 发生在骨料界面，抗压强度较低。图卜2 是对比试验观察结果，图( a ) 对应的混 凝土试块抗压强度为2 9 4 5 m p a ，图( c ) 对应的混凝土试块抗压强度仅为2 3 7 6 m p a 。 ( a ) 骨料贯穿性破坏 ( b ) 骨料粉碎性破坏 ( c ) 骨料界面首先破坏 图i - 2 混凝土破坏情况对比 在各种工程结构，特别是在道路与桥梁工程中，混凝土除了要满足前述的强 度要求外，还要求具有优良的耐久性。如果混凝土结构遭受冻融循环作用，可导 致其强度降低甚至破坏，此时，耐久性首先强调抗冻性；对道路工程混凝土，频 繁遭受车胎作用，其耐久性则强调耐磨性。此外，在各种混凝土工程中，应该考 虑经济性，使混凝土各组分达到合理配比，尽量节约水泥，以降低整体成本 1 2 混凝土搅拌工艺及现状 从1 8 2 4 年发明硅酸盐水泥开始，混凝土科学与工程经历了四个发展阶段： 混凝土材料科学探索时期、干硬性混凝土和预应力及预制混凝土时期、外加剂使 用和流动性混凝士时代、高强和高性能混凝土时代。百多年来，混凝土搅拌工 艺追求的目标是“匀质性”，搅拌的目的是“使全部骨料颗粒的表面都被水泥浆 包裹，使混凝土各组分混合成一种均匀的物质 “，并通过搅拌机械的研制和改 良、搅拌时间和速度匹配、以及# t - ；b n n 选择等方面，来接近和实现这一目标。 近年来，水泥混凝土搅拌设备在技术性能和操纵控制方面已近乎完美，同时 随着商品混凝土的普及，以及建筑规模的大型化、复杂化、高层化和可持续发展 要求，对混凝土质量不断提出更高的要求，而传统的搅拌工艺即使通过延长搅拌 时间，也不能使搅拌质量达到质的飞跃，因此，要使混合料达到完全均匀，必须 采用其它的辅助方式或新的搅拌工艺。 从2 0 世纪中期开始，德、美、日等国把目光投注到传统搅拌工艺的改进方 面，二次搅拌法得到了较大的发展。所谓二次搅拌法，是指在考虑混凝- t - 缍i 分中 各物料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，其特点是分批投入混合料各组分进行 搅拌，从而提高水泥分散性，使水化反应更加充分，改善相界面结构，提高混凝 土性能。 我国对二次搅拌工艺的认识是从日本发明的水泥裹砂法即s e c ( s a n d e n v e l o p ew i t hc e m e n t ) 工艺开始的，它通过两阶段加水来制各混凝土，即将砂 与部分水搅拌时间t 。后，然后加水泥搅拌时间t ：，再加石子与剩余水搅拌时l 日j t 。后出料：美国采用高能搅拌法，即先用高速搅拌制备水泥与水的拌和物，然后 与骨料拌和成混凝土；德国、英国相类似，采用二步搅拌工艺法，用两台搅拌机 或一台搅拌机操作，将水泥、水和砂置于快速搅拌机中高速搅拌，在预拌时间完 图1 _ 3 一种双层立轴涡桨式搅拌机 成后，速度降到正常范围，再将稀浆与粗骨料拌和： 步搅拌工艺，先在第一个拌筒中搅拌水和水泥， 然后在第二个拌筒中加砂搅拌，最后移入普通搅 拌机与粗骨料一起搅拌。德、美、日等国己研制 成功双层搅拌机，如图i - 3 所示，这种搅拌机具 有上下两个相互独立的拌筒，将原来的一次搅拌 出料改为两次搅拌出料口】，上层为立轴式搅浆 机，下层为立轴式强制混凝土搅拌机。目前国内 有些国家，如波兰采用的三 有厂家为适应混凝土拌和楼大批量生产混凝土 图卜4 二次搅拌混凝土搅拌楼 同时提高混凝土质量、节省成本的需求，在其基础上做了部分改进，将原本一体 化的设备设计为两个独立的搅拌设备，如图卜4 所示。既实现了二次搅拌工艺， 又可以尽量利用原有设备，减少投资。 总的来说，国内外的混凝土二次搅拌新工艺可归为五种，分别是先拌砂浆法、 先拌净浆法、水泥裹砂法、净浆裹石法、水泥裹砂石法，按搅拌步骤可分为二步 搅拌和三步搅拌，具体分类及每种工艺步骤见图卜5 所示其中，先拌砂浆法和 次 搅 拌 工 艺 型嵩 三步搅拌 水泥裹砂法 净浆裹石法 水泥裹砂石法 守匝e 丕王卜主l 恒王蛩且圃 守匦匹弘虬匡夏玉p 叫圃 守区五户岖 叫互五睁圆 守圃互丑叫司鸟恒玉p 圃 守匝互玉p _ 匝固匝p 恒囵 。 图1 _ 5 二次搅拌工艺分类 先拌净浆法需要配专用高速搅拌机，高速搅拌可以提高水泥颗粒分散效果和增塑 作用，从而提高混合物的流动性和质量稳定性，减少了骨料在搅拌机内停留时间， 降低磨耗，缩短分批投料的搅拌时间，据资料9 1 介绍，可提高混凝土强度l o 2 5 ，但因设备结构复杂，增加了制造和维护成本，限制了规模化发展和应用； 水泥裹砂法是将控制了含水量的砂子与水先搅拌均匀，再加入全部水泥，使湿砂 子的表面裹上一层低水灰比的坚实致密的水泥浆壳体，最后加入剩余水和石子搅 拌成混凝土，可制得流动性较好又不离析的混凝土混合物，且匀质性好，不增加 设备，操作简单；水泥裹砂石法，不需增加设备，操作简单，混凝土质量有一定 提高并相对稳定，但总的搅拌时间与常规一次投料法相近：净浆裹石法，据资料 9 1 介绍，用硅酸盐水泥配制c 2 0 混凝土可提高强度8 6 4 4 7 ，节约水泥5 6 2 2 6 ，缺点是历时过长，生产率低下。 1 3 课题提出及研究意义 1 3 1 课题背景 二次搅拌工艺主要研究投料次序、搅拌方式对混凝土质量的影响。国内外虽 然有不少学者进行过研究，但受到当时生产条件的影响，以及把提高混凝土搅拌 质量的重点放在了原材料选择和配合比设计上，从而限制了对工艺机理的进一步 研究。 无论是改变投料次序还是现有设备的改造，均需要一定的技改投入。8 0 年 代国内曾掀起过一阵二次搅拌热潮，但因无详细资料和经验可供借鉴，并且盲目 认为只要分次投料就可以产生效益，导致搅拌质量不稳定；二次搅拌工艺应用在 高强混凝土上效果显著，而当时国内高强屁凝土用量相对较少，其工艺价值未破 充分认识。因而未能推广应用。 建设节约型社会最主要的一环就是节约利用资源，在制备同样性能混凝土的 前提下，二次搅拌工艺比传统搅拌工艺能节约外加剂和水泥等不可再生的资源。 1 3 2 双速搅拌工艺课题的提出 双速搅拌工艺属于二次搅拌工艺的一种，特点是：利用一个混凝土搅拌机实 现两种转速，高速搅拌制备低水灰比的水泥砂浆或水泥净浆，投入粗骨料后改由 低速( 普通速度) 搅拌，旨在改善水泥浆体性能和各相界面结构，使混凝土性能 趋于匀质。 其中，高速搅拌目的在于快速分散水泥颗粒，活化水泥浆体，其对象是水泥、 砂、水或水泥、水，因此，并非1 2 所述五种新工艺的投料方式都适合双速搅 拌。首先，水泥裹砂石法的整个搅拌过程都包含有粗骨料，所以不适合高速搅拌； 其次，由于先拌净浆法和净浆裹砂石法，其高速段拌合物仅为水泥和部分水，一 方面搅拌机充盈率极低，能耗浪费较大：另一方面净浆比较稀易泄漏，且相当比 例的净浆会粘附于搅拌轴、搅拌叶片和搅拌机衬板上，待二次投入骨料后，一部 分净浆仍粘附于搅拌轴和叶片背面，并不能与骨料混合搅拌，影响了混凝土实际 配合比，因此，高速搅拌不适宜搅拌净浆，而搅拌砂浆则相对较为理想。所以确 定先拌砂浆法和水泥裹砂法作为双速搅拌工艺研究的两种投料方式，而工艺中影 响混凝土搅拌质量的因素还有各批物科的搅拌时间、搅拌线速度、第一次加水百 分量等，如何使各参数得到优化和匹配是本文研究的主要内容。 1 3 3 课题研究意义 水泥混凝土发展至现阶段，主要遵循复合化，高强化、高性能化三条技术路 线。高性能化的发展道路决定着水泥生产，决定着混凝土工艺的发展。 作为一种原材料或一种产业，节约资源、能源也是为了本身能够持续存在和 发展。水泥混凝土作为最大宗的人造材料，到2 0 0 0 年世界水泥已超过1 5 亿t ， 混凝土超过5 0 亿时( 1 2 0 亿t ) ，对资源、能源的需求和对环境的影响十分巨大。 中央提出“十五”期间进一步统筹协调经济社会发展与资源、环境的关系，加快 建设节约型社会，在生产、建设、流通、消费各领域节约资源，提高资源利用效 率，减少损失浪费，以尽可能少的资源消耗，创造尽可能大的经济社会效益。因 此，混凝土能否长期维持作为最主要的建筑结构材料，关键在于能否成为绿色材 料，“绿色高性能混凝土( g h p c ) ”，是混凝土的发展方向，是混凝土的未 来。g h p c 最主要两点着眼于3 ：( 1 ) 更多地节约熟料水泥，减少环境污染。 作为混凝土主要原料的水泥实是一种不可持续发展产品。( 2 ) 更大地发挥高性能 的优势，减少水泥与混凝土用量。例如，利用高强度减小结构截面积、减轻自重： 提高耐久性，保证或延长安全使用期，更能获得最大的经济与坏境效益而改 善传统混凝土搅拌工艺是实现混凝土高性能化的十分有效的途径之一。 双速搅拌工艺，通过改变投料顺序和搅拌速度，使水泥充分水化降低骨料 界面水灰比提高骨料界面粘接性能，可提高混凝土的强度1 0 3 5 。仅就生产水 泥混凝土时可节约水泥这一单向指标来说，我国2 0 0 4 年的水泥产量为9 7 亿吨， “若3 0 用于水泥混凝土则需水泥约2 9 l 亿吨。二次混凝土搅拌，可保证混凝土 强度不变的情况下节约水泥1 0 ，则可节约水泥o 2 9 1 亿吨，市场价每公斤o 3 5 元，每年节约水泥价值约人民币1 0 1 5 亿元。与其它二次搅拌工艺相比，双速搅 拌工艺只需对现有搅拌机进行简单改造即可实现，易于推广应用。 综上所述，双速搅拌工艺应用潜力巨大，符合可持续性发展的要求，具有良 好的经济和社会效益。 。 1 4 本文研究内容及方法 为了改善现有二次搅拌工艺的搅拌性能，针对双速搅拌工艺参数优化及其试 验研究问题，本文提出以下研究内容： ( 1 ) 双速搅拌工艺参数优化分析； ( 2 ) 双速搅拌机构的设计； ( 3 ) 双速搅拌工艺的试验研究与结果分析； ( 4 ) 双速搅拌工艺的工业应用。 为了达到本课题研究的目的，及采用双速搅拌法后在生产率、能耗、搅拌所 得混凝土技术性能等各项性能指标所产生的提高要求，完成双速搅拌工艺各参数 的匹配和优化，本文采用理论分析和试验研究相互结合，互为补充的方法。一方 面，通过理论分析，针对双速搅拌工艺特点和新拌混凝土结构及流变特性，提出 双速搅拌实现方案，完成双速搅拌机驱动机构的设计，为试验研究提供理论依据 和试验基础：另一方面，利用双速搅拌机进行试验研究，测定样机所生产混凝土 的质量及它的各项| 生能，尤其是搅拌过程中的功率消耗，庙过分析试验结果，壳 成对理论分析的检验，得出整机参数优化和匹配结论，为双速搅拌机的系列化设 计和生产奠定坚实的基础。 第二章双速搅拌工艺 2 1混凝土微观结构及其增强途径 充分水化的水泥浆体组成为：c s h 凝胶约占7 0 ，c a ( o h ) ：结晶体约占 2 0 ，其他占1 0 。c s h 凝胶是水泥水化的主要水化产物，有复杂的内部孔结 构，c s h 凝胶粒子尺寸极小，长度均小于1 2pm ，分散度极大，所以具有极 大的比表面积，饱水状态的c s h 比表面积约为7 0 0m l g ，比未水化水泥的比表 面积( 约0 3m g ) 大得多，从而增大了与骨料间的接触面积，提高了水泥凝胶 与骨料间的粘结力。c a ( o h ) ：具有层状结构、六方晶胞，颗粒的尺寸比c s h 颗 粒大两至三个数量级，可达o 1 m m ，c a ( o h ) 2 晶体i 日j 的结合微弱，氢键力可以忽 略，因此常常会有滑动或开裂，成为水泥石开裂时的发源地。c a ( o h ) ：往往在水 所填充的颗粒间隙中析晶长大，也可以在毛细孔中生长，并且会围绕或包裹一些 部分水化的颗粒；当没有水和析晶空间存在时，处于胶体尺寸的c a ( o h ) ：或微晶 c a ( o h ) 2 就不能长大，这类c a ( 0 h ) 2 和c s h 混在一起，无法区分( 3 1 1 。 根据p o w e r s 的结构理论，认为硬化波特兰水泥浆体的物理结构和性能主要 取决于原始水灰比和水化程度。p o w e r s 提出硬化波特兰水泥浆体的强度公式为： 弘o o n 6 8 师3 2 m + ( w o c 如( 2 - 1 ) 式中叮为抗压强度，k l p a ；为当浆体孔隙率为0 时的抗压强度，m p a ；m 为 水泥水化程度；甄，c 为原始水灰比。显然水化程度越高，水灰比越低，强度越 高。6 1 普遍认为降低水灰比能提高混凝土强度与耐久性。混凝土各相界面处水灰比 越小，孔隙率也越小，故在比较致密的环境中c a ( o h ) ：越不易沉积。因此，降低 界面过渡区的水灰比可以改善界面过渡区的结构和性质，显然，通过宏观的手段 调节界面结构，方可在一定程度上控制混凝土的性能另外，传统搅拌工艺所导 致的未水化水泥的后期水化将对已硬化混凝土造成损害3 ，原因是在几乎没有毛 细7 l 的密实硬化水泥浆体内，后期水化产物得不到可供扩展进入的孔体积，导致 内压力增大而产生微裂缝，因此，加速水泥早期水化反应也是提高混凝土性能的 一种重要途径。 2 2 双速搅拌机理 双速搅拌增强的本质在于充分活化水泥浆体、在骨料表面“造壳”( 使各相 界面过渡层水狄比小于平均水狄比) ，从而改善界面过渡层的孔结构，使毛细孔 变细，泌水与渗水通道明显减少，浆体与骨料的粘接力提高3 。 2 2 1界面过渡区浆体水灰比梯度对混凝土性能的影响 界面过渡区水泥浆体的水灰比与搅拌过程密切相关。由于受搅拌方式及工艺 限制，混凝土内部实际水反比与设计水灰比并不一致。传统搅拌工艺中将所有组 份一次性投入搅拌机内进行搅拌，水分直接湿润骨料，由于骨料的亲水性，使其 表面吸附一层较厚的水膜，因此，骨料表面水灰比往往低于设计水灰比，水泥颗 粒距离骨料界面较远，在骨料界面处生成的c s h 凝胶数量偏少，与骨料没有足 够的吸附作用，因此骨料界面过渡区成为混凝土的薄弱环节，传统工艺砼内水灰 骨 料 浆壳。 褥浆 ：浆壳 呼磊：沁 、宴际水灰比 骨 科 ( a ) 传统工艺 ( b ) 二次搅拌工艺 图2 - 1 砼内水灰比分布图 比分布见图2 1 ( a ) 。而双速搅拌的目标之一就是要在骨料表面形成一个低水灰 比的浆壳，造成骨料之问水泥浆稀稠的不均匀，使过渡区浆体的水灰比以距骨料 表面的距离为自变量有规律地不均匀，如图2 1 ( b ) 所示，而双速搅拌工艺参数 的确定都是以保证实现这种“有规律的不均匀”为原则的，而造成这种细观结构 的不均匀又是以保证宏观性能的均匀为目的的。用双速搅拌工艺拌制的混凝土 块，其硬化强度将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，即界面过渡区弱，增强之；水泥浆体本体强，稍减弱之，综合效果将使界 面过渡区的固有强度梯度趋于平缓，也即微观均匀性大大提高钉。 2 2 2 水分向界面集中的程度对混凝土性能的影响 常规搅拌工艺过程中，骨料表面吸附着一层较厚的水膜。在混凝土成型过程 中以及在凝固的静置期中| 1 1 固、气、液三相很难保持其稳定性，出现外分层( 如 图2 2 ) ，粗骨料下沉，水分和气泡向上迁移，遇到粗糙的碎石后，将聚集在骨 科的下表面形成大小不均的水囊和空穴，而骨料的侧面将成为水分向上迁移所受 阻力较小的通道，界面处水泥颗粒浓度很低，水泥水化生成的c s h 凝胶数量很 少。随着水分一步步地集中于粗骨料的下表面，出现了内分层( 如图2 - 3 ) ，其 圈2 - 2 混凝土外分层示意图 成分也发生了很大变化，即水分中含有大量的钙粒子和其他粒子，在水泥不断水 化的条件下，骨料界面处的水分逐渐减少，而钙离子聚集程度增高，并较快地达 图2 0z i m b e i m a n n 模型 到饱和和过饱和，以c a ( o h ) ，形 式结晶析出由于有足够的空 间，c a ( o h ) ：沿骨料表面铺展长 大，形成厚度约为3 0 6 0 pi n 的 水泥石薄层，定向排列在骨料表 面。c a ( o h ) 2 晶体比表面积小， 与骨料的吸附作用弱，使得界面 、过渡层成为混凝土中最疏松的区域，如图2 4 所示t 1 7 1 ，疏松的界面过渡层是导 致混凝土抗渗性、强度与耐久性下降的主要原因，削弱了水泥浆与集料的粘结。 双速搅拌工艺，由于粗细骨料分次搅拌，骨料表面的壳浆水灰比较小，它们 像无数个“海绵体”，造成了稀浆中水分外逸的“屏障”，外泌的水分还没有逸出 到拌合物表面，就已被那些“海绵体”吸收了简言之，泌水这样个体系内外 的水分迁移过程，被体系内部的运输( 均化，水厌比梯度减小) 过程取代了t 1 5 1 t 1 2 并且，在稀浆中的水分向壳浆渗透以及壳浆中水泥粒子向稀浆扩散过程中( 即在 固一液两相的迁移过程中) ，气孔被分割而细化，从而改善了混凝土内气孔孔径分 白，减少了原始裂缝的数量并减小了裂缝半长度c 。g r i f f i t h 断裂理论认为混凝土 的强度主要取决于界面能力及材料中的裂缝半长度c ，即：盯= 2 印r c c ，式 中e 为材料的弹性模量，为材料的单位面积表面能蝤1 ，泌水愈严重，c 必然愈 大，导致断裂强度。的降低，即混凝土抵抗断裂的能力降低。 2 2 3 水泥颗粒分散程度对混凝土性能的影响 常规混凝土搅拌过程中，石子、砂子、水泥一同投入搅拌机预拌后加入全部 水，在预拌过程中，由于部分水泥颗粒、砂粒填充了骨料的空隙，加水后易形成 水泥小团粒，并包裹了很多拌和水，搅拌过程中，部分水泥颗粒由于受到物料及 搅拌装置问的揉搓、挤压及剪切作用而破坏，分散度增加：另一部分尤其是处于 粗骨料运行方向背面的那部分絮凝结构，即使在搅拌结束后也仍存在，并得不到 充分水化，降低了混凝土拌合物的和易性。当水灰比越小及石子颗粒越大时，就 越严重，且不易被破坏。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，降低了混凝土的强度 1 6 1 。 双速搅拌工艺先以高速搅拌( 约为普通混凝土搅拌速度的3 倍) 细颗粒物料 和水，由于桨材在搅拌机内受到高速、剧烈的混合和冲击作用，促进了水泥颗粒 最大限度地弥散，提高了水泥颗粒在单位时间内的水化程度，使水泥充分发挥了 作用。 2 2 4 双速搅拌工艺的增强机理 双速搅拌工艺提高混凝土性能的原因主要有以下两方面： 第一，高速搅拌活化水泥浆体。经高速搅拌的水泥浆体的粘度和凝聚力较 普通搅拌机制备的浆体明显降低，稳定性和流动性得到良好改善，这是因为水泥 浆体中颗粒常以絮凝体形式悬浮于体系之中，浆体浓度越大这种群体形式越甚， 机械分散颗粒群是通过对颗粒团的剪切作用而实现的，制浆时机械剪切作用愈 大，颗粒愈分散，水泥水化越充分，消耗了更多的多余水分，析水率降低，从而 提高水泥石的性能。图2 5 所示是先拌砂浆法经过高速( 叶片线速度4 5 m s ) 搅拌1 s s 后得到的低水灰比砂浆，水泥充分分散、湿润、均匀，而图2 - 6 所示则 是先拌砂浆法经低速( 叶片线速度1 5 m s ) 搅拌1 5 s 后得到的同样水灰比的砂 图2 5 高速搅拌砂浆水泥充分分散 图2 - 6 低速搅拌水泥颗粒团聚 第二，分次投料人为控制了骨料表面的 k ，一 淼，震黧淼妻曩主；磊徽圜j ( 、图 水灰比，使骨料界面过渡区形成了相对低水聊，i、。树 灰比的浆壳( “壳”的位置见图2 - 7 所示) ， | 一1d d 卜。 从而改善了界面结构，有效强化骨料界面的 + 、l 矗一一! q4 一釜a ， 粘接。 a 骨料：b - 过渡l ： 对于双速搅拌工艺中的先拌砂浆法和水 图2 - 7 “壳一的位置 泥裹砂法，具体增强机理见图2 - 8 。按图2 - 8 ( a ) 所示，先拌砂浆法的整个搅拌 ( a ) 先拌砂浆法 ( b ) 水泥裹砂法 图2 8 双速搅拌工艺增强机理示意图 过程分为两步：第一步( 即高速段) ，先投入水泥、砂与部分水以高速搅拌，由 于强烈的机械作用，增大了水泥与水接触的表面，并且砂粒与水泥胶粒的激烈碰 撞，便水泥颗粒表面的新生成物撞落而露出水泥新表面，大大增加了水泥水化程 1 4 一。 - 一 ， 。一 一_ _ _ _ _ - _ _ _ - _ - 度，制成均匀的低水灰比的水泥砂浆，c s h 凝胶大量生成；第二步( 即低速段) ， 依次加入粗骨科、二次用水以普通速度搅拌，低水灰比的水泥砂浆裹覆在粗骨料 表面形成浆壳，而二次水对水泥浆体进行了糊化稀释，在糊化过程中，壳内的水 泥粒子向壳外扩散，二次水向壳内渗透，水厌比梯度减少，只要控制二次加水后 的搅拌时间在合理范围内，骨科界面过渡区可以保持理想的水灰比梯度。 按图2 8 ( b ) 所示，水泥裹砂法分三步搅拌：第一步投入全部砂子和适量水 以低速搅拌，目的在于湿润砂子表面；第二步投入全部水泥以高速搅拌对细骨料 进行“造壳”( 第一次造壳) ，由于水和水泥颗粒间的亲合力，水泥粒子粘附在湿 砂表面形成一层坚固密实的水泥“壳”，这样不仅使细骨料界面水灰比大大低于 设计水灰比，而且使水泥充分分散粘附于湿砂表面，不易团聚成水泥颗粒；第三 步依次加入二次用水、粗骨料以低速搅拌对粗骨料进行“造壳”( 第二次造壳) ， 二次水对低水灰比砂浆进行渗透糊化形成了砂浆体，细骨料表面浆壳随着搅拌进 程而变稀形成水灰比梯度，而表干的粗骨料在吸附了界面水泥稀浆中的部分水 后，降低了界面浆体的水灰比，形同裹上一层低水灰比浆壳，即在粗骨料界面过 渡区形成了水灰比梯度。 2 3 双速搅拌参数优化 优化设计的目的就是要寻求合理的参数组合，使新工艺制备的混凝土达到 最优的综合性能。因此，双速搅拌工艺参数优化的目标为：在最短的时i 日j 内保证 搅拌质量达到要求。 本文研究内容针对搅拌工艺各参数对混凝土搅拌质量的影响，所以搅拌机都 采用统一的结构( 包括搅拌臂布置形式、搅拌叶片安装角、叶片形状、问距、搅 拌机长宽比等等) ，除了确定投料顺序，需要优化的参数主要有第一次加水量、 各批料搅拌时间、各批料搅拌线速度。 ( 一) 第一次加水量分析 混凝土各相界面处水灰比越小，孔隙率也越小，故在比较致密的环境中 c a ( o h ) ，越不易沉积。因此，降低界面过渡区的水灰比可以改善界面过渡区的结 构和性质。由于骨料的亲水性，当所有组份一次性投入，则其表面会吸附一层较 薄的水膜，而水泥没有足够的水与其充分水化反应。 在先拌砂浆法中，第一次加水用于与水泥、砂搅拌并使水泥充分水化，从而 使已搅拌均匀的水泥砂浆裹覆在二次加入的粗骨料表面。在水泥裹砂法中，第一 次加水用于湿润砂子，从而使水泥吸附包裹在湿砂表面，形成一层致密的水泥壳， 加第二次水时，砂子表面的水泥外壳与二次水充分混合，形成分散性良好的水泥 浆填充在集料空隙之日j 。 。 因此，第一次加水量选取对上述两种工艺来说不尽相同，先拌砂浆法的第一 次加水量主要用于充分分散水泥颗粒；水泥裹砂法的第一次加水量则要湿润砂子 表面，若砂子太干，造壳水灰比也很小，壳浆不能形成连续体系，不能有效地包 裹于骨料表面，故壳不结实，易被第二次加水后搅拌时冲刷破坏，砂予太湿，则 壳浆很稀，它与骨料表面的粘结力极弱，二次水加入后很容易将其冲刷破坏，而 且，即使未被冲刷下来，由于该壳浆水灰比很大，界面增强作用也不明显。两种 方法有两个共同点：第一，二次加水主要用来糊化浆体；第二，因为二次加水量 有限，粗骨料表面不容易聚集较多水份。 。 ( 二) 搅拌时间 搅拌时间是指从第一批物料投入搅拌筒时起至混凝土混合料开始卸出时为 止所经历的时间。它直接决定物料在搅拌机 内受各种搅拌作用的持续时间，是影响搅拌 质量的重要因素，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 3 3 1 搅拌时间的长短首先应 保证混合料被完全拌和成符合质量要求的混 凝土拌和物，保证混凝土拌和物达到要求的 一 嵋 被 籍 搅拌时闻 + 图2 - 9 搅拌时间特性曲线 坍落度、含气量和密度，保证硬化后达到规定的强度，同时满足生产率和经济性 的要求。所以，搅拌时间的选取应在保证搅拌质量的前提下，尽可能的短。从图 2 9 所示的传统工艺搅拌时间特性曲线中可看出，混凝土的搅拌存在着最短和最 长搅拌时b j ，搅拌时间的选取要结合实际情况综合考虑。 双速搅拌工艺中，先拌砂浆法为二步搅拌，水泥裹砂法三步搅拌，所以不仅 需要控制总搅拌时间，还要确定每一步最佳的搅拌时间。对于先拌砂浆法，t 。 是低水灰比水泥砂浆的高速搅拌时间。水泥是一种水硬性胶凝材料，如果在水化 1 6 ，一一 一一_ 一、。 ， r _ r 一 。“_ _ _ p _ _ _ - “ 过程中，连续搅动时间过长，水化产物将没有机会形成凝胶和晶体网状结构，或 者形成的凝胶和晶体网状结构遭到破坏，就再很难形成孥硬的水泥结石，成为不 凝的疏松状膏体，因此t 不能太长。t ：是砂浆裹石、糊化的低速搅拌时l a j 。t ， 过长，则混凝土的离析加重，粗骨料被挤碎的概率增加，从而使混凝土质量变差， 而且浪费电能，磨损设备：t 疫短，会降低混凝土拌和物的匀质性，继而降低混 凝土的强度，影响混凝土的质量。对于水泥裹砂法，t ，就是细骨料表面均匀湿涧 的最短时f a j ，t ：是水泥裹砂时问。t 。太短，水泥不会均匀而结实地粘附于细骨科 表面，因为在过程中砂粒之间的相互碰撞会使壳浆与细骨料越粘越紧。但在总搅 拌时间不变的情况下，如果t ：太长，t 。势必很短，砂浆糊化搅拌时加入的二次用 水不足以充分向细骨料壳浆内渗透，就会导致壳浆之间稀浆水灰比太大、砂浆与 粗骨料拌合不均匀等现象t 3 9 1 。 本次试验研究中，不仅要分析工艺中每一步的最佳搅拌时间，还要便于试验 结果的纵向比较。常规搅拌试验选取搅拌时间为干拌8 s ，湿拌6 0 s 。混凝土匀质 性较好，2 8 d 平均强度达到国标要求。新工艺分次投料，混凝土可以相对快速达 到宏观和微观均匀。在搅拌质量相当时，如果总搅拌时间小于6 8 s ，则本工艺效 果显著，更具实用意义。 ( 三) 叶片线速度 搅拌轴转速是影响搅拌质量的重要参数，它主要通过叶片线速度v 来控 制即v = c o o r ，此处r 为搅拌叶片的安装半径。叶片线速度作为双速搅拌工艺 的重要技术参数，不仅影响混凝土的搅拌质量和工作过程中的能耗，而且还制约 着整套设备的生产能力。确定合理的叶片线速度对于充分发挥搅拌机的作用，具 有很大意义。 图2 一l o 所示为强制式搅拌机叶片线速度与相对强度及离差系数的关系曲 线，图中以最低转速下搅拌6 0 s 的强度为1 0 0 2 7 1 。由图可见，搅拌速度慢时， 离差系数虽然小，但搅拌时间相对较长，势必降低生产率。但搅拌速度过快时， 强度较低，离差系数也较大，效果也不好，这是由于离心力较大，物料易发生离 析造成的。试验证明，当提高叶片线速度，在搅拌机衬板和叶片端部的间隙中会 产生过多的碎石楔住现象，从而增大功率消耗、加剧叶片和衬板磨损以及增加骨 料二次破碎的概率1 2 5 1 。因此，搅拌叶片的线速度应有一个合理的取值范围，线 速度过高，混凝土会产生离析；线速度过低，混凝土不易搅拌均匀。确定合理的 叶片线速度对于充分发挥搅拌机的作用，具有很大意义1 2 8 1 。 v 链 蹬 蟛 蟋 靛 罂 r ： i7 、l， t ? 3 褂。4 1 i ：| 0 搅拌时间( s ) 图2 - 1 0 叶片线速度与相对强度及离羞系数的关系 1 0 6 m s2 - 1 3 1 1 l s3 - 1 8 m s4 - 2 3 n v s ； 目前，国内确定普通双卧轴搅拌机叶片线速度的方法主要有两种，一是根据 国外经验数据和实际使用经验，将搅拌叶片线速度范围控制在