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(guò)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(duì)混凝土試件強(qiáng)度、拌合物勻質(zhì)性等性能的影響。考慮不同地理區(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(lè)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(dòng)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(chǎng)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(gòu)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(chǎng)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(guò)多,混凝土拌合不均勻引起混凝土強(qiáng)度偏差過(guò)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(jí)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(duì)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(cāng)往中儲(chǔ)倉(cāng)上料順序 即機(jī)制砂、大小石料倉(cāng)下面?zhèn)魉蛶?dòng)順序;③投料順序 包含中儲(chǔ)倉(cāng)砂石向攪拌鍋中投料的順序,即一次投放完成或二次開(kāi)中儲(chǔ)倉(cāng)門(mén)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(chǔ)倉(cāng)是由試驗(yàn)確定的,即砂石料倉(cāng)往中儲(chǔ)倉(cāng)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(chǔ)倉(cāng),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(chǔ)倉(cāng)。方案1-4投料順序中,7 s關(guān)閉中儲(chǔ)倉(cāng)由試驗(yàn)確定,即砂石料倉(cāng)向中儲(chǔ)倉(cāng)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(chǔ)倉(cāng),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(chǔ)倉(cāng)。

1.2 配合比選擇和成型試件問(wèn)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(guò)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(guò)程中的偏差,成型試件所有混凝土在同一車(chē)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(wèn)題

為減少由于試驗(yàn)操作不規(guī)范導(dǎo)致的誤差,提前對(duì)相關(guān)人員做好針對(duì)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(hào)、拆模、入庫(kù)、抗壓試驗(yàn)、資料整理工作,1號(hào)試驗(yàn)員獨(dú)立負(fù)責(zé)混凝土拌合物勻質(zhì)性測(cè)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(hào)、入庫(kù)、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?？箟涸囼?yàn)前測(cè)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(cè)量、抗壓試驗(yàn)操作由1號(hào)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(guò)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(duì)比分析金仁桐4號(hào)混凝土拌合站與南川1號(hào)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(cāng)往中儲(chǔ)倉(cāng)的最優(yōu)上料順序?yàn)榇笏槭槭鷻C(jī)制砂。在中儲(chǔ)倉(cāng)中先投大小碎石,再快速關(guān)門(mén),20 s時(shí)中儲(chǔ)倉(cāng)二次開(kāi)門(mén)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(méi)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(duì)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(duì)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(duì)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(cāng)往中儲(chǔ)倉(cāng)的上料順序 即河砂、大小石料倉(cāng)下面的傳送帶啟動(dòng)順序;③投料順序 中儲(chǔ)倉(cāng)砂石向攪拌鍋中的投料順序是一次投放完或二次開(kāi)中儲(chǔ)倉(cāng)門(mén)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(chǔ)倉(cāng)由試驗(yàn)確定,即砂石料倉(cāng)往中儲(chǔ)倉(cāng)的投料順序?yàn)? s河砂→20 s小碎石→40 s大碎石,進(jìn)入中儲(chǔ)倉(cāng)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(chǔ)倉(cāng)。方案2-3投料順序中的11 s關(guān)閉中儲(chǔ)倉(cāng)由試驗(yàn)確定,即砂石料倉(cāng)往中儲(chǔ)倉(cāng)的上料順序?yàn)? s大碎石→20 s小碎石→40 s河砂,進(jìn)入中儲(chǔ)倉(cāng)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(chǔ)倉(cāng)。

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(guò)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(guò)程中的偏差,所有混凝土在同一車(chē)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(duì)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?gòu)陌碚摲治?非砂漿包石優(yōu)于砂漿包石;②砂石料倉(cāng)往中儲(chǔ)倉(cāng)的最優(yōu)上料順序?yàn)榇笏槭∷槭由?③方案2-3中儲(chǔ)倉(cāng)中先投大小碎石,然后快速關(guān)門(mén),20 s時(shí)中儲(chǔ)倉(cāng)二次開(kāi)門(mén)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(duì)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(duì)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(duì)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(jí)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(duì)混凝土砂漿強(qiáng)度的影響研究

檢測(cè)金仁桐項(xiàng)目4號(hào)混凝土拌合站、南川項(xiàng)目1號(hào)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(duì)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(hào)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(hào)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(guò)程中的偏差,成型試件所有混凝土在同一車(chē)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(duì)比分析金仁桐項(xiàng)目4號(hào)混凝土拌合站、南川項(xiàng)目1號(hào)混凝土拌合站方案發(fā)現(xiàn),1-4方案的砂漿密度相對(duì)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(duì)混凝土砂漿強(qiáng)度的影響研究

檢測(cè)連宿項(xiàng)目1號(hào)混凝土拌合站、靜興項(xiàng)目2號(hào)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(duì)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(hào)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(hào)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(duì)比分析連宿項(xiàng)目1號(hào)拌合站、靜興項(xiàng)目2號(hào)拌合站方案發(fā)現(xiàn),方案2-3的砂漿密度相對(duì)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(shuō)明方案2-3的攪拌工藝參數(shù)設(shè)置更合理。

4 結(jié)語(yǔ)

1)針對(duì)西南區(qū)域石粉含量相對(duì)較高的機(jī)制砂,尤其是高強(qiáng)度等級(jí)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(cāng)往中儲(chǔ)倉(cāng)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(chǔ)倉(cāng)大小碎石→7 s時(shí)關(guān)閉中儲(chǔ)倉(cāng)門(mén)→20 s時(shí)中儲(chǔ)倉(cāng)二次開(kāi)門(mén)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(chǔ)倉(cāng)內(nèi)的砂石應(yīng)先投放碎石,20 s后二次開(kāi)倉(cāng)門(mén)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(cāng)往中儲(chǔ)倉(cāng)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(chǔ)倉(cāng)大小碎石→11 s時(shí)關(guān)閉中儲(chǔ)倉(cāng)→20 s時(shí)中儲(chǔ)倉(cāng)二次開(kāi)門(mén)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(chǔ)倉(cāng)內(nèi)的砂石應(yīng)先投放碎石,20 s后二次開(kāi)倉(cāng)門(mén)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(hào)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(hào)、原材料差異,通過(guò)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(duì)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(duì)性的混凝土拌合站攪拌工藝參數(shù)最佳設(shè)置方案。