（机械设计及理论专业论文）混凝土多步搅拌工艺的研究.pdf

摘要 混凝土多步搅拌工艺与传统搅拌工艺相比，具有在相同的配合比条件下， 改善混凝土强度；在同等混凝土的强度条件下，节约水泥用量等优点。它不仅 适用于普通混凝土的搅拌，尤其适用于高速客运铁路、高等级公路等大跨度混 凝土结构中高性能混凝土的搅拌。 本文对混凝土多步搅拌工艺的机理进行分析，根据多步搅拌工艺特点确立 了对原混凝土搅拌设备改造的方案。t 对原混凝土搅拌设备的机械部分进行了改 造设计，以适应多步搅拌工艺，提高混凝土的搅拌质量和效率为主要目的；根据 理论分析和不同物料的材料与配比特性确定了各物料独立称量的骨料配料系 统、粉料配料系统、液体配料系统的结构形式及参数，确定了变速型混凝土搅拌 机的结构、驱动形式及相关零部件：对原混凝土搅拌设备的电气部分进行了分 析和研究，针对称量物料种类多、精度高、计量速度快的实际情况，采用了先进 的配料仪表和工控机相结合实现了物料的粗配和精配，建立了不同物料的分步、 顺序投料自动工艺流程，采用变频技术对混凝土搅拌机进行了变速控制。用模型 实验对工艺方法进行了研究，得出了多步投料的搅拌规律，验证了分析方法的 正确性。现场实验和模型实验都证实：混凝土的性能与其生产拌制的方法有一 定的对应关系，与混凝土各组分进入搅拌机的顺序有一定的对应关系。当同样 的材料采用同样的配合比和不同的搅拌工艺时，得到的混凝土拌和物的品质是 不一样的。与传统的一次投料搅拌工艺相比，混凝土多步搅拌工艺更适用于混 凝土的搅拌。 关键词：多步搅拌工艺高性能混凝土投料顺序变速搅拌机模型实验 r e s e a r c ho nc o n c r e t em u l t i s t e pm i x i n gt e c h n o l o g y a b s t r a c t ：c o m p a r e dw i t ht r a d i t i o n a lm i x i n gt e c h n o l o g y , c o n c r e t em u l t i s t e pm i x i n g t e c h n 0 1 0 9 yh a v ei m p r o v e dt h ec o n c r e t ei n t e n s i t yb yal a r g em a r g i nu n d e r t h es a m e h a r d n e s st e 吼s a n ds a v e dc e m e n tc o n s u m p t i o nu n d e rt h ei n t e n s i t yc o n d i t i o no ft h e e q u a lc o n c r e t ee t c i ti sn o tm e r e l ys u i t a b l ef o rt h em i x i n go ft h eo r d i n a r yc o n c r e t e ， e s p e c i a l l y s u i t a b l ef o rt h em i x i n go fh i g h p e r f o r m a n c ec o n c r e t e i nt h ec o n c r e t e s t r u c t u r eo fl a r g e s p a n s u c h a st h eh i g h - s p e e dp a s s e n g e r t r a f f i cr a i l w a y s u p e r h i g h w a y e t c t h i sp a p e ra n a i y z et h ep r i n c i p l eo fc o n c r e t em u l t i s t e pm i x i n gt e c h n o l o g y , a n d e s t a b l i s ht h er e c o n s t r u c t i v eb l u ep r i n to fp r i o rc o n c r e t em i x i n ge q u i p m e n ta c c o r d m g t oc h a r a c t e r i s t i co fm u l t i s t e pm i x i n gt e c h n o l o g y r e c o n s t r u c t i v et h em e c h a n i c a lp a r t o ft h ep r i o rc o n c r e t em i x i n ge q u i p m e n ti no r d e r t ob es u i t a b l ef o rm u l t i s t e pm i x i n g t e c h n 0 1 0 9 ya n di m p r o v i n gt h em i x i n gq u a l i t ya n de f f i c i e n c y c o n f i r m t h es t r u c t u r e f o 瑚a n dp a r a m e t e r so ft h ea g g r e g a t eb a t c h i n gs y s t e m s ，p o w e rb a t c h i n gs y s t e m s ， l i q u i db a t c h i n gs y s t e ma c c o r d i n gt o t h et h e o r ya n a l y s i sa n dd i f f e r e n t m a t e r i a l e s t a b l i s ht h es h i f tc o n c r e t em i x e r 、s t r u c t u r e ，d r i v i n gm o d e la n d r e f e r e n c es p a r ep a r t s ； a d o p ta d v a n c e db a t c h i n gi n s t r u m e n tc o m b i n e w i t hw o r k e r sa c c u s i n go fm a c h l n et o r e a l i z es u p p l i e st h i c kt om i xa n dn o tp r e c i s et ob u y , t h es t e pb ys t e p ，o r d e ro ts e t t m g u dd i 腩r e n ts u p p l i e sf e e d i n gt h ea u t o m a t i ct e c h n o l o g i c a lp r o c e s so fm a t e r i a l ，a d o p t t h et e c h n o l o g yo ff r e q u e n c yc o n v e r s i o nt oc h a n g es p e e dt o c o n t r o lt h ec o n c r e t e m i x e ro nt h eb a s i so fc a r r y i n go na n a l y s i s a n dr e s e a r c hi n t ot h ee l e c t r i cp a r to f c o n c r e t em i x i n ge q u i p m e n t s ，e s p e c i a l l yv a r i o u si ns t y l e ，w i t hh i g hp r e c i s i o n ，m e a s u r e a n df a s tt ow e i g h i n gt h es u p p l i e se t c o b t a i n e dt h em i x i n g r u l eo ff e e d i n gb ym a n y s t e p st ov e r i f yt h ee x a c t n e s so f t h ea n a l y t i c a lm e t h o db yc a r r y i n go nr e s e a r c hi n t ot h e t e c h n 0 1 0 9 vm e t h o dw i t ht h em o d e le x p e r i m e n t ，t h eo n - t h e 。s p o t e x p e r i m e n t sa i l d m o d e le x p e r i m e n ta l lv e r i f y ：t h ep e r f o r m a n c eo ft h e c o n c r e t eh a sc o l t e s p o n d l n g r e l a t i o nw i t hi t sp r o d u c i n ga n dm i x i n gt h em e t h o d ，h a v e c e r t a i nc o l t e s p o r i d i n g r e l a t i o nt oe n t e rt h eo r d e ro ft h em i x e rw i t hc o n c r e t ee a c hc o m p o n e n t ，t h es a m e m a t e r i a la d o p t st h es a m em a t c hr a t i o ，d i f f e r e n tm i x i n gt e c h n o l o g y s ，t h eq u a l i t y o f c o n c r e t em i x i n gm a _ t t e ri sd i f f e r e n t c o n c r e t em u l t i s t e pm i x i n gt e c h n o l o g y i sm o r e s u i t a b l ef o rt h em i x i n go fc o n c r e t e k e yw o r d s ：m u l t i s t e pm i x i n gt e c h n o l o g y s h i f tm i x e rm o d e lt e s t h i g h p e r f o r m a n c ec o n c r e t e f e e d i n gs e q u e n c e i i 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：j 气孑艮7 年j 月，le t 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。 论文作者签名：j 圭l 良h 吟年了月忆e t 导师签名： 踢磐弓万 7 竹，局2 日 长安人学t 程碗l 学位论立 第一章绪论 1 1 引言 11 1 混凝土的概念 一般而言，混凝土泛指采用各种骨料和粘合剂按一定配合比经混合均匀后入 模振实固化形成的物体“1 。理想的混凝土粗骨料的空隙由中细骨料填充，它们之 问的空隙由小骨料和细骨料填充，余留的空隙由粘合剂填充并结合成一个整体， 如图卜1 所示，这种方式形成的固化物可以采用最少的粘台剂达到预定的强度。 混凝土的拌和料一般为水泥和砂、 石等骨料。加水按一定的比例配台而 成。拌和料中的粘结剂一般为水和水泥 混合而成的水泥胶质。水泥胶质在混凝 土未凝固前，使混凝土有一定的和易性 ( 也就是流塑性) ，在混凝土硬化后 它把粗细骨料胶结在一起，使混凝土具 脑卜1 混凝土的成型固化鞫 t d 水泥袋 + e 扎 有一定的强度和其他重要性能。所以水泥胶质决定着混凝土的工艺性能和物理力 学性能。从图卜l 可以看出，组成优质混凝土的重要原则之一，就是尽可能的减 少水泥胶质的用量，使之充满骨料自j 的全部间隙即可。这样做不仅优质而且经济。 但是，胶质量少，混凝士过于干硬，很难搅拌均匀和振捣密实，从而难于做成没 有缺陷的构件。正是这种矛盾推动着混凝土、混凝土工艺及其机械的发展。 1 1 2 高性能混凝土的发展 随着建筑技术的不断发展和混凝土添加剂技术的迅猛发展，高性能混凝土应 运而生。所谓高性能混凝土( h i g hp e r f o r m a n c ec o n c r e t e ，简称h p c ) 是在大幅 度提高常规混凝土性能的基础上采用现代混凝土技术，选用优质的原材料，除水 泥、水、集料外必须掺加足够数量的活性掺合料和高性能外加荆的一种新型高 技术混凝土删。其主要特性为： 其一，硬化后强度在5 0 m p a 以上，采用优质硅酸盐水泥，目前国内已采用 第一争绪论 5 2 5 和6 2 5 含碱量低的水泥制成c 6 0 - - - c 8 0 高强度混凝土；采用我国发明和生产 的第三系列水泥( 硫铝酸盐、铁铝酸盐) 配置高强度混凝土有许多应用实例。强 度3 0 5 0 m p a 混凝土已大量使用，i o o m p a 混凝土正开始用于实际工程。 其二，具有良好的施工性能，即流动性高，粘聚性好以及填充性、可泵性、 匀质性、安全性均佳等特点。目前国内采用高效减水剂减水率在2 0 - - , 3 0 以上， 使混凝土水狄比( 即水的质量水泥的质量，w c ，不存在添加剂时理论上的水灰 比为0 4 ) 降到了0 3 , - 一0 2 ，同时获得良好的流动性和扩散性。 其三，耐久性高以及混凝土固化后具有良好的体积稳定性。普通混凝土使用 期在5 0 1 0 0 年，严酷环境仅有2 0 - 3 0 年，现在需要提高到2 0 0 年甚至更高。 采用良好的活性矿物掺合料如：硅灰，细磨粉煤厌、细磨天然沸石、火山石、稻 壳灰等，它们在混凝土中的合理级配对提高抗渗性、保护钢筋、提高混凝土寿命、 提高后期强度、减少早期水化热、减少后期收缩量具有颇为明显的效果。 目前国内外业内人士为了提高混凝土的性能采取了多种途径。但总起来说， 通常采用的技术途径归纳为：优质水泥+ 高效减水剂+ 活性矿物掺合料+ 合理级 配+ 严格混凝土制备和施工工艺2 3 1 。 在诸多影响混凝土性能的因素中，混凝土的性能与其生产拌制方式有很大 的关系 2 4 0 过去国内建筑施工混凝土的拌制多以小型搅拌机为主体，也有在施 工现场，配置砂石配料机和搅拌机构成小型搅拌站。这样配制的混凝土级配精度 有限，性能质量不易保证，且生产施工环境污染严重。在大中型建筑施工中更多 的采用混凝土集中搅拌的方式，各种原材料经严格配比后再搅拌成均质的新拌混 凝土( 通常也称预拌混凝土) ，它可以在施工现场集中搅拌，也可以作为商品混 凝土运送到施工地点 2 5 1 。 1 2 混凝土的搅拌工艺 1 。2 1 混凝土的搅拌工艺 混凝土的搅拌是将组成混凝土的各组分按设计配合比进行计量后投入搅拌 设备中搅拌成成品混凝土的过程。不论那种方式的搅拌工艺大体都遵循下列工艺 流程，如图1 - 2 所示。 1 2 2 混凝土的手工搅拌工艺 2 k 宜人学丁程硕l ：学位论义 _ 一一 一百多年以前，世界上的混凝土搅拌都是人工用简单的工具进行搅拌。这种 搅拌方式目前已经很少能看得到，在中国仅用于一些小型的维修工程或普通家庭 部分工程中使用。其优点是简单，不需要专用的机械和有专门技术的人员来完成。 其缺点一是混凝土质量差，受人员因素影响较大，无法进行作业过程的控制，造 成混凝土配比的不严格，从而给工程的质量留下了隐患；二是搅拌过程中产生的 粉尘对环境造成了严重污染。因此，随着技术的进步和人们对环保认识的不断提 高，这种方式已逐渐完成了其历史使命 2 2 , 2 e l 。 1 2 3 混凝土的传统搅拌工艺 传统的混凝土搅拌工艺是用配料设备将水泥、砂、石、水以及各种状态的添 加剂分别经过计量后一次投入搅拌设备中进行搅拌2 l 伽。自1 9 0 3 年德国建造了 第一座预拌混凝土工厂以来，混凝土的机械集中搅拌方式就开始在全球迅猛发展 起来伽。在欧美、日本等国，这种集中搅拌的预拌混凝土工厂已经发展成为一 个独立的工业部门，其服务范围很广，包括住宅建筑、工商业建筑、道路、桥梁、 港口、码头以及新农村建设等等 3 0 1 。在城市中，小型分散的现场搅拌已逐步为 大型的集中搅拌所代替。早期形成的传统搅拌工艺摒弃了小型现场搅拌时效率 低、质量不易控制和对环境污染严重等缺点，而发展成为一种工厂化的操作模式， 使混凝土生产过程的每一环节都在某种程度上摆脱了人为因素的影响，从而提高 了混凝土的质量，降低了对环境的污染 3 1 1 。 1 2 4 混凝土的多步搅拌工艺 所谓多步搅拌工艺，是指在考虑混凝土组分中各物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。 1 3 课题的提出及其意义 1 3 1 课题提出的背景 目前，水泥混凝土搅拌设备在技 术性能和操纵控制方面都已达到较高 的程度 3 2 1 0 德国、美国和日本等国开 始把注意力放在对传统搅拌工艺的改 图1 3 一种双层立轴涡桨式搅拌机 进方面 3 3 | 0 它们几乎同时研制成功双层搅拌机，如图1 - 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“1 ，不过 由于立式搅拌机的固有局限性，难以实现大批量生产混凝土，因此推广应用受到 了限制。目前国内个别厂家为适应混凝土拌和楼大批量生产混凝土同时提高混凝 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1 - 4 所示。上层为立轴式搅浆机，下层为普通双卧 轴搅拌机，既实现了多步搅拌工艺，又可以尽 量利用原有设备，减少投资似。有些生产厂家 依据多步搅拌理论，先后开发研制出恒功率搅 拌机和双速搅拌机，使两次搅拌工艺能在一个 拌筒中完成，收到异曲同工的效果“1 。 任何一项工艺的改革，均离不开现实情况 及产生的经济效益，必须综合考虑机械、工艺 与成本三者的关系 3 5 1 0 国内外虽然有不少学者 图1 _ 4 二次搅拌混凝土搅拌楼 对多步搅拌工艺进行过研究，但受到当时落后生产方式的影响( 单机现场搅拌， 4 长安人学r t 程硕i ：学位论文 拌和楼、站还没有兴起，对混凝土质量要求不高等) ，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，从而限制了对该工艺机理的进一步 研究和推广应用m 1 。就目前我国使用的设备而言，无论是自落式或强制式搅拌 设备，其转速太低，通过延长搅拌时间，对塑性混凝土来说，易产生分层离析现 象，因而很难达到提高水泥分散性的目的，水泥水化反应不充分，导致混凝土质 量下降1 ：1 7 1 随着高强混凝土的普遍应用，一次搅拌工艺只有延长搅拌时间才能 满足混凝土的质量要求，导致生产效率降低阳1 。 另据国内外的资料来看：同样材料采用同样的配合比，而用不同的搅拌工艺， 得到的混凝土拌和物的品质是不一样的3 。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6 1 。但是，目前关于搅拌顺序对混 凝土性能的影响还没有人进行过系统的研究。 基于上述原因，本文提出一种多步搅拌新工艺，分析这种新工艺的发展现状 及其对混凝土质量的影响，并与传统搅拌工艺进行对比。以便能对传统搅拌工艺 改革及现有设备的改造提供一些思路。 1 3 2 研究的现实意义 据“十一五”投资规划，2 0 0 6 一- - 2 0 1 0 年的5 年间，我国客运专线建设总投 资将达到1 2 5 0 0 亿元人民币，将建设9 条长度达到3 1 3 9 k m 的客运专线，修建桥 梁达到1 11 9 k m ，设计时速达3 5 0 k m 们。基础设施按满足列车开行速度至少为 2 0 0 k m h 、预留2 5 0 k m h 及进一步提速条件标准建设，主要结构物要满足1 0 0 年 使用期要求；又碴轨道路基填料及压实标准高，路基工后沉降及桥梁主体结构 铺轨后的残余变形要求严格：桥梁结构类型多，采用的新型结构多，科技含量高 等全新的课题一一摆在了我国铁路工程建设者的面f j “。作为高速铁路桥梁基 础建设中的重要设备的水泥混凝土搅拌站，追求其高性能、高质量成为设备施工 单位采购时的首选1 4 2 1 。 1 高速铁路用混凝土生产的特点及要求 ( 1 ) 应采用卧轴式、行星式或逆流式强制搅拌机搅拌混凝土，电子计量系 统计量原材料。搅拌时，宜先向搅拌机投入细骨料、水泥、矿物掺和料和外加剂， 搅拌均匀后，再加入所需用水量，待砂浆充分搅拌后投入粗骨料，并继续搅拌至 5 笫一章绪论 均匀为止。上述每一阶段的搅拌时间不少于3 0 s ，总搅拌时间2 3 m i n 。 ( 2 ) 冬季搅拌混凝土前，应先经过热工计算，并经试拌确定水和骨料需要 预热的最高温度，以保证混凝土的入模温度满足5 3 0 的规定。应优先采用加 热水的预热方法调整拌和物温度，但水的加热温度不宜高于8 0 。当加热水不 能满足要求或骨料中含有冰、雪等杂物时，也可先将骨料均匀地进行加热，其加 热温度不应高于6 0 c 。水泥、外加剂及矿物掺和料可在使用前运入暖棚进行自 然预热，但不得直接加热。 ( 3 ) 炎热季节搅拌混凝土时，宜控制水泥入搅拌机的温度不高于4 0 。在 骨料堆场搭设遮阳棚、采用低温水搅拌混凝土等措施降低混凝土拌和物的温度， 或尽可能在傍晚和晚上搅拌，以保证混凝土的入模温度满足5 3 0 的规定。 2 新工艺主要用途 为了适应高速客运专线的发展，市场迫切需要一种技术更先进、适应性更强 的搅拌工艺。这种新工艺主要用途是： 可实现高速客运专线高速公路等大型混凝土箱梁预制要求用标号c 5 0 等高 性能泵送混凝土。 可充分提高混凝土的质量，进而改善建筑质量。 节约建筑材料，建设节约型社会。 1 4 本文研究的主要内容 本文所设计的多步搅拌新工艺能通过改变物料投入搅拌机的顺序来提高混 凝土的强度，节约建筑材料。基于以上理由，确定了本文的主要研究内容如下： 1 通过对多步搅拌工艺的探讨，旨在改变传统的搅拌工艺，从而提高混 凝土的强度和质量。 2 通过对多步搅拌工艺的机理分析，从理论上说明多步搅拌工艺的先进 性和科学性。 3 通过对多步搅拌工艺的试验研究，从实践上证明多步搅拌工艺的合理 性及可推广性。 本文所设计的多步搅拌新工艺，是对混凝土搅拌工艺的一次革命性的改进， 具有重要的社会和经济意义。 6 长安人学t 程碗_ l 学位论女 第二章混凝土多步搅拌工艺的探讨 21 各国多步搅拌工艺的发展情况 我们知道，现有的混凝土搅拌装置在搅拌过程中，水泥、砂、石、水、外加 剂都是经计量后一次投入搅拌筒内进行搅拌。在实际应用过程中笈现，混凝土的 强度破坏往往发生在水泥石与骨料的界面h 1 ，如图2 - 1 所示。主要原因是现有 的混凝土搅拌工艺很难充分提高水泥分散性，水化 不充分造成的“”。另据国内外的资料来看：同样材 料采用同样的配合比，而用不同的搅拌工艺，得到 的混凝土拌和物的品质是不一样的哺1 。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 进入搅拌机的的顺序“。国内外很多专家对不同搅 拌工艺方法进行了综合分析后得知”棚：多步搅拌 圈2 1 混凝土界面破坏 工艺通过高速搅拌砂浆( 或者水泥浆) ，低速搅拌混凝土混合料，可以使水泥充 分水化，从而提高了混凝土强度，也节省水泥。通过对不同工艺方法下的混凝土 试块的抗压强度进行测试分析表明：与传统搅拌工艺相比，多步搅拌工艺可提高 混凝土强度1 0 左右；在减少水泥1 5 的情况下，多步搅拌法仍可使混凝土达 到合格强度。因此，世界各国都在努力致力于这方面的研究，寻找科学的工艺方 法来提高效率，节约建筑材料。 211 日本多步搅拌工艺的发展情况 为了通过搅拌工艺的改变提高搅拌质量，减少磨损降低成本，日本最早提 出了复式混凝土搅拌机帅1 。这种复式搅拌机的工艺特点是二次投料：多步搅拌 首先将水泥、砂、水依次投入，拌成灰浆，然后再投入石子进行搅拌，形成均质 的混凝土。同样，由日本i h i 株式会社提出了变速混凝土搅拌机，并成功地应用 于混凝土搅拌站( 楼) 中。这种变速搅拌机的特点为：用液压马达来实现无极变 速，一开始用普通运转速度的2 3 倍的高速来搅拌细骨料，这时投入的是砂、 水泥及少量水，使水泥粒子得到充分的扩散和拌和，由于水泥砂浆的质量约为总 质量的一半，且其拌和阻力小，因而负荷通常不大，高速搅拌效果也会好得多 第二帝混i 疑 i 多步搅拌t 岂的探讨 在完成这一工序后搅拌机会自行制动减速并投入另外部分的物料，直到完成搅 拌。采用这种搅拌机不仅在效率上能达到要求，而且能生产出均质、稳定、和易 性好的混凝土。在同一水灰比时，混凝土的塌落度可增大2 0 m m ，而且混凝土强 度有所提高，在配合比设计一定时可减少水泥用量。 2 1 2 美国多步搅拌工艺的发展情况 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 拌和成混凝土嘲。 2 1 3 德国、英国多步搅拌工艺的发展情况 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，在预拌时间完成后，速度降到正常 范围，再将稀浆与粗骨料拌和，经广泛试验表明，可在一台搅拌机中进行二步搅 拌作业e 。 2 1 4 其他国家多步搅拌工艺的发展情况 其他国家，如波兰等国多采用三步搅拌工艺，先在第一个拌筒中搅拌水和水 泥，然后在第二个拌简中加砂搅拌，最后移入普通搅拌机与粗骨料一起搅拌。 2 2 国内外主要多步搅拌工艺流程分析 2 2 1 国内主要多步搅拌工艺分析 我囤对多步搅拌工艺的认识是从日本发明的水泥裹砂法即s e c 工艺开始的， 它通过两阶段加水来制备混凝土，即将砂、石以及部分水搅拌时间t 后，然后加 水泥再搅拌时间t 。，再加剩余水搅拌时间t 。后出料。上世纪8 0 年代，我国许多 单位在研究s e c 工法新技术的基础上，开发应用了“混凝土分次投料搅拌工艺” 。其目的在于通过新的搅拌工艺，获得高质量的混合物，提高混凝土强度， 继而在满足原强度要求的前提下，节约水泥用量。根据大量的应用研究结果，各 种分次投料搅拌工艺均能不同程度地提高混凝土强度，其中裹砂石法和净浆裹石 法的增强效果最显著。由这些观念出发派生出多个工法，如由四j i i 省成都市新筑 路桥设备有限公司研制并获得专利的快速制浆法多步混凝土搅拌工艺就是其中 一种。其工艺流程是：粉料出料一水与粉料计量一灰浆搅拌一骨料计量一骨料搅 r 长安人学t 程硕1 二学位论文 拌一成品装车。而现有工艺没有灰浆搅拌工序。这一工艺能使混凝土中的结合料 得到充分的水化，其结合力得到充分发挥，从而提高了混凝土的强度。在满足强 度要求的情况下，可以节约水泥等结合料，有效地降低混凝土成本。同时，粉 料被搅拌成浆进入混凝土搅拌机，能够有效减少粉尘对空气的污染。另外还有路 面造壳工艺等，众所周知路面水泥混凝土通常是按砂、石、水泥、水一次投料的 搅拌工艺制备的，其质量容易波动。采用分次投料造壳搅拌工艺改变了我国水泥 混凝土路面传统的混凝土混合物搅拌工艺，将砂、石表面以水泥浆为外壳包起来 的造壳搅拌方法，可改善水泥的分散性，使混凝土的质量与耐久性得到显著提高。 2 2 2 国外的多步搅拌工艺 国外的多步搅拌工艺，不管是美国采用高能搅拌法，德国、英国的二步搅拌 工艺法，还是波兰等囤的三步搅拌工艺，大多采用多台搅拌机来分别对不同阶段 的不同物料进行搅拌，最后再与粗骨料进行混合后一起搅拌，从而达到最终的目 的。虽然在各阶段采用不同形式的搅拌机或同一形式不同搅拌参数的搅拌机，但 总体来说，由于在整个工艺过程中增加了一个或多个环节，会使整个搅拌过程耗 时过长，从而降低了生产率纰1 。 2 2 3 国内外主要的多步搅拌工艺 国内外的多步搅拌工艺归纳起来有以下几种搅拌工艺流程见图2 2 。 先拌水泥砂浆法 i 水泥、水- ( 减水剂) 、砂卜叫水、石卜- 二= 1 昆凝土i 先拌水泥净浆法 水泥裹砂法 l - - 一l - - - - - 一j l - - - - - - - j - _ 水泥裹石法 粗细骨料全造壳法 图2 - 2 多步搅拌工艺流程图 9 笫一：章混凝十：多步搅扦t 艺的 ；i 讨 显然，多步搅拌工艺在各国的实旌各有特点，使用的设备也不尽相同。但其 目标都是为了提高水泥颗粒的分散性，促进水化反应，最终提高混凝土的质量。 国外有关机构曾对用普通搅拌机和多步搅拌用高速搅拌机所搅拌的砂浆性能进 行了测试，结果如表2 - 1 所示。 表2 1 砂浆性能 水灰抗压强度标准偏差偏著系数 砂浆类耻水泥：砂沉降( ) 比( m p a )( m p a )( ) 0 4 01 ：2 0 11 6 54 3 4 31 0 02 3 0 0 4 5 1 ：1 9 72 8 53 8 4 11 4 1 3 。6 7 酱通搅拌机 0 5 01 ：1 9 23 6 43 5 7 10 9 12 5 4 0 4 01 ：2 0 1o 5 05 1 5 91 1 12 1 6 0 4 5l ：1 9 71 6 64 6 8 61 0 82 3 0 高速搅拌机 o 5 01 ：1 9 22 4 44 3 6 91 5 23 4 8 结果表明：普通搅拌机比用高速搅拌机搅拌砂浆的沉降量高3 2 2 9 - 6 9 6 9 ，并随水灰比的不同而变化，说明高速搅拌能增进水泥颗粒的水化程度 7 8 1 。 然而，任何一项工艺的改革，均离不开现实情况及产生的经济效益，必须综 合考虑机械、工艺与成本三者的关系。国内外虽然有不少学者对多步搅拌工艺进 行过研究，但受到当时落后生产方式的影响( 单机现场搅拌，拌和楼、站还没有 兴起，对混凝土质量要求不高等) ，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，从而限制了对该工艺机理的进一步研究和推广应用。 就目前我国使用的设备而言，无论是自落式或强制式搅拌设备，其转速太低，通 过延长搅拌时间，对塑性混凝土来说，又易产生分层离析，因而很难达到提高水 泥分散性的目的，水泥水化反应不充分，导致混凝土质量下降；随着高强混凝土 的普遍应用，一次搅拌工艺只有延长搅拌时间才能满足混凝土的质量要求，导致 生产效率降低。由于前面提到的几种多步搅拌工艺加了一个或多个环节，也使整 个搅拌过程耗时过长，从而不同程度地影响了工作效率。 为了解决这一矛盾，我们提出了一种新型的多步混凝土搅拌工艺。 2 3 一种新型的多步混凝土搅拌工艺 在近几年相继丌工的高速客运铁路专线和高速公路桥梁设计中，大体积、大 吨位的整孔预制箱梁是目前的主要形式和发展方向，如何提高大体积整孔预制箱 梁的制梁速度，缩短制梁周期，如何使整孔预制适应集中化、工厂化要求，直 l o 长安久学t 程硕。i ：学位论文 是国内外广大桥梁专家研究和探讨的主要课题。大体积、大吨位的整孔预制箱梁 的预制要求用标号c 5 0 以上的高性能泵送混凝土。这种高性能混凝土对材料和工 艺都有很高的要求。 1 对主要原材料的基本要求 1 1 水泥强度等级不低于4 2 5 级的低碱硅酸盐水泥或低碱普通硅酸盐水 泥，符合g b l 7 5 1 9 9 9 要求。 1 2 细骨料 天然洁净中粗河砂，细度模数2 6 3 0 ，产品符合t b l1 0 2 1 0 2 0 0 1 要求。 1 3 粗骨料 由5 l o m m ，l o - - - 一2 0 m m 碎石组成，产品符合t b l l 0 2 1 0 - 2 0 0 1 要求。 1 4 粉煤灰 采用i 级粉煤灰，产品符合g b l 5 9 6 - 2 0 0 5 要求。 1 5 矿渣粉 采用$ 9 5 级矿渣粉，产品符合g b t 1 8 7 3 6 2 0 0 2 要求。 1 6 减水剂 采用高效复合减水剂，要求减水率 2 0 ，塌落度经时损失小，与水泥具有 良好的相容性，产品符合g b t 8 0 7 6 1 9 9 7 要求。 1 7 水 要求p h 值 4 5 ，产品符合j g j 6 3 8 9 要求。 2 计量误差范围 粗、细骨料2 ，其余l ( 均以质量计) 。 3 对外加剂的要求 外加剂浓度比生产普通混凝土时浓度高，外加剂泵功率大( 2 2 k w ) ，输送管 径大( 2 寸) ，水泵要求可以泵送8 0 摄氏度的水。 4 搅拌方式的要求 要求采用砂浆裹石法以取得最佳搅拌效果，为此我们经过多方论证，提出一 种新型的多步混凝土搅拌工艺以及适应新工艺的现有设备的改造思路。具体工艺 刚见下图2 3 。 第二幸混凝十多步搅拌丁艺= 的探讨 图2 3 新型多步搅拌工艺流程图 目前的水泥混凝土搅拌设备能对千余种不同配合比的材料进行级配选择，而 这时的投料顺序、搅拌机作业参数、搅拌时间却都是相同的。搅拌轴转速是重要 的作业参数，它不仅关系到搅拌机的生产效率，而且关系到搅拌质量。严格地说， 即是在同一材料的搅拌过程中，搅拌速度也应该是不相同的 5 3 , 5 4 , 5 5 | 。因为随着搅 拌过程的深入，水泥浆均匀地分布在集料中间，水化反应逐渐充分，水泥混凝土 由“生”变“熟”，各组分间摩擦系数和粘性降低，当搅拌速度不变而搅拌过程 过长时，必然要越来越频繁的发生离析现象，搅拌机就向离心分离机转变，这是 绝对不允许的。对于水泥混凝土多步搅拌工艺，常常需要在拌水泥静浆和水泥砂 浆等不同阶段采用不同的搅拌轴转速，才更合理、更有效。另外，为了能实现 变速搅拌，我们对搅拌电机采取了变频控制，从而在上述不同的搅拌阶段实现其 相匹配的搅拌参数，以提高质量，节约时间和建筑材料。 长安人学t 程硕l ：学位论文 第三章混凝土多步搅拌工艺机理 3 1 搅拌的目的 一般认为混凝土搅拌的主要任务是9 1 ： 1 各组分均匀分布，达到宏观及微观上的均质： 2 破坏水泥粒子团聚现象，使其各颗粒表面被水浸润，促使弥散现象的发 展： 3 破坏水泥粒子表面的初始水化物薄膜包裹层： 4 由于集料表面常覆盖一薄层灰尘和粘土，有碍界面结合物的形成，故应使 物料颗粒间多次碰撞和互相摩檫，以减小灰尘薄膜的影响； 5 提高混合料各单元体参与运动的次数和运动轨迹的交叉频率，以加速达 到均质化。 为了达到上述目的，搅拌过程中的物料的位移必须由两种运动来完成嘲1 。 第一种称为对流运动，各组分在宏观上的均质，必须由搅拌室内的循环流动来保 证。这种运动在搅拌过程中是最重要的，也是最基本的，特别是在搅拌的开始阶 段。传统的搅拌机械及搅拌工艺主要就是按这种要求来设计的。但是，只有这种 运动是不够的。为使各相表面问良好的结合，达到微观上的分布，主要是粘性组 分( 水泥和水，或沥青等) 的分布，相问还必须形成较快的扩散运动。简言之， 第一种运动是为了拌匀，第二种运动是为了拌透；第一种是物料的宏观运动，第 二种则主要是局部的扩散运动；第一种运动能保证混凝土使用的基本要求，第二 种运动则能改善混凝土的性能。因此，比较完善的搅拌过程，应该是物料的位移 必须由良好配合的对流运动和扩散运动来完成的“7 1 。 3 2 混凝土的破坏现象 在对双卧轴搅拌装置参数优化u0 1 研究时发现：硬化混凝土受力前在粗骨 料和砂浆界面上存在很多微裂缝，称界面裂缝。这是由于水泥水化反应产生收缩， 硬化后干燥收缩在骨料界面上产生拉应力导致界面裂缝。此外水分的迁移受到粗 骨料阻止，从而水分向界面集中形成水膜，也是界面裂缝的根源。混凝土受力后， 石子和砂浆变形不一致又导致这种原生裂缝丌展，如图3 一l 所示。此时石子的 第一三章混凝十多步搅拌t 艺= 机理 弹性模量大于砂子的弹性模量，骨料粒子处于软基体内，在纵向压力下砂浆横向 变形( 内聚力) 大于石子，从而在石子上下部位产生压应力，边侧产生拉应力，界 面有脱离的倾向( 粘附力破坏) 。这 种由于两相变形不等产生的界面拉 应力使原生裂缝开展。可见裂缝的 发源地是界面，然后向砂浆中延伸， 最后贯穿试件，最终导致破坏1 1 2 1 0 界面在受力前存在隐患，成为裂缝 的发源地，界面拉应力的存在又为 裂缝开展提供条件。因此，只有增 强界面和提高砂浆强度才能阻止裂 缝丌展5 引。 3 3 混凝土的强化机理 图3 - 1 软基复合材料界面拉力 一般认为，水泥石是由凝胶、晶体、水与孔组成的聚集体。根据现代混凝土 强度理论，水泥石内聚力主要取决于水泥石基材的孔隙率、孔分布、孔级配、孔 形状等孔结构参数。所以水泥石从形成、发展直到破坏均与孔的发生和发展密切 相关。但孔隙率不是影响混凝土强度的唯一因素，在孔隙率相同情况下，不同孔 结构水泥石性能也不同。平均孔径小的强度高，0 1um 以上的毛细孔微缝对强 度和耐久性不利，0 0 5um 以下的孔对强度及性能无影响，m e h t a 证明，大于1 0 0 0 a 的孔存在是强度和抗渗性下降的原因。将大孔改变为小于5 0 0 a 的孔则可提高强 度和抗渗性。由此可见，存在着调整孔级配来提高水泥石强度和耐久性的可能性 如机0 由此可见，我们可采用分次投料工艺措施，调整孔结构，提高强度。 界面微观结构性质早已引起国内外学者的极大重视。研究表明，骨料和水泥 石之间存在约几十微米的界面层，它是由水化粗骨料表面，首先形成水膜层逐渐 被新生产物填充而来。如水灰比大或泌水均会使水膜层厚度增加，在过渡层会留 下薄弱环节，所以只有减薄水膜层才能强化界面层。 在传统的搅拌方法中，所有固相材料几乎同时倒入搅拌机，此时砂、石、水 泥混合物中主要是固一气界面。在加水搅拌过程中，水必然要浸润所有的固相材 1 4 k ：安人学t 程硕i j 学位论文 料表面而形成固一液界面，同时产生气一液界面，亦即在搅拌过程中有相当数量 的气相残留在液、固相的包围之中。 在新的搅拌工艺中，大部分水优先与砂石表面接触形成固一液界面，骨料湿 润后形成液一气界面，基本上消失了固一气界面。当水泥投入时，立即粘附在骨 料表面的水膜层上，强化了水泥的水化历程，使首先生成的水化铝酸盐复盖在骨 料表面限制c a ( o h ) 。晶体扩散而强化了界面层。同时，残留的气体也必然少于传 统工艺。 当水泥浆体作为粘附剂时，其粘附力大小首先决定于水对骨料表面的湿润效 应。新的搅拌工艺湿润本身说明水分子和骨料表面产生吸附作用( 即范德华力) ， 骨料表面的湿润效应可提供所有砂石骨料周界被水泥浆体包裹机会，骨料i 8 j 的孔 隙被水泥浆体全部填充。水泥浆对骨料湿润面积越大，粘附力越大，故亲水性好， 表面粗糙的石灰岩、石英岩使砼强度提高得更多“。 此外，全部水加入搅拌过程中，稀浆中的水分向壳膜中渗透，以及壳膜中的 水泥粒子向稀浆中扩散。这样，渗透和扩散过程使固一液相均化，气相细化，改 善了孔结构“钉。 3 4 混凝土多步搅拌工艺的宏观机理 搅拌是使混凝土混合料趋于匀质化的过程，普通混凝土搅拌机充分利用对 流、剪切和扩散机理，一般在较短时间就可以使混合料达到宏观匀质，但对这种 拌和料仔细观察时，发现预拌水泥混凝土中有些骨料表面是干燥的，另外还有一 些干的小水泥团。如果把搅拌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 5 - - 3 0 的水泥呈团粒状态，如图3 - 2 ( a ) 所示。这是因为，传统 一5- 兰乇了硭 ( ) 三j 一 三呸蕊 非囊 ( a ) 传统工艺 ( b ) 新工艺 图3 _ 2 水泥颗粒微观分布 搅拌工艺中混凝土各组成材料一次性投入搅拌机内，遇水后很快形成大小不等的 1 5 一攀爹 鍪一 笫! 帝混；疑f ：多步搅抖r 岂机理 水泥团粒，搅拌过程中由于骨料间的摩擦、撞击作用使得部分水泥团粒被分解破 坏，而处于粗骨料背后的那部分水泥团粒则不易破坏，另外，处于搅拌叶片背面 的水泥团粒也不易破坏，此时粗骨料和叶片起“屏障”作用。待硬化后粘附在粗 骨料上和骨料间隙中的这些未被水化的水泥团粒将成为混凝土中最薄弱的环节。 水泥的这种团聚现象影响着混凝土的和易性和强度的提高。因为水泥的水化 作用只在水泥颗粒的表面进行，如果水泥颗粒团聚，则水化作用面积减少，使混 凝土具有强度的水化生成物减少。所以，必须把团聚的水泥颗粒分散开来，使其 尽可能接近图3 2 ( b ) 所示的理想状态1 1 3 1 0 因此，搅拌过程中必须设法提高水 泥分散性，使水化更充分，以达到提高粗骨料与水泥石界面强度的目的。 多步搅拌工艺的基本原理正是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。显然，材料不同，搅拌速度必然不同， 搅拌砂浆或水泥浆时，速度必然要比搅拌混凝土高。一方面是这些材料粒径较均 匀，不存在严重的离析现象；另一方面是高速搅拌可明显消除水泥聚团现象，并 提高生产率。多步搅拌工艺( 如先拌砂浆) ，砂子、水泥及水一起高速搅拌，由 于砂子粒径相对于水泥团块比较小，不但起不到屏障作用，反而在高速运动过程 中极易将水泥团粒击碎，使水泥充分水化，并均匀地粘附在砂粒表面，使接下来 与粗骨料的多步搅拌更易混合均匀。多步搅拌工艺通过高速搅拌砂浆( 或水泥 浆) ，低速搅拌混凝土混合料使水泥充分水化，不但提高了混凝土强度，而且保 证了工作效率6 。 3 5 混凝土多步搅拌工艺的微观机理 3 5 1 混凝土微观结构及其增强途径 材料的宏观行为取决于材