翁智財(cái) 胡建偉 何龍 謝永江 劉子科 王月華 李康 蔣睿

1.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 鐵道建筑研究所， 北京 100081；2.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 高速鐵路軌道系統(tǒng)全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京 100081

鐵路線(xiàn)路是條帶狀結(jié)構(gòu)，其工程主要在交通不便，遠(yuǎn)離市區(qū)的區(qū)域建設(shè)，通常線(xiàn)路覆蓋幾百甚至上千公里，工程材料需要遠(yuǎn)距離運(yùn)輸。沿線(xiàn)工程材料質(zhì)量波動(dòng)大，尤其是混凝土材料。為保障鐵路工程建設(shè)質(zhì)量，我國(guó)鐵路工程用混凝土基本上采用自建混凝土攪拌站的模式供應(yīng)，以顯著縮短混凝土運(yùn)輸距離，提高混凝土質(zhì)量穩(wěn)定性和生產(chǎn)效率［1-4］。但是，實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，由于受到原材料質(zhì)量波動(dòng)影響，混凝土拌和物的穩(wěn)定性能極易發(fā)生變化［5-7］，致使生產(chǎn)人員須要對(duì)混凝土狀態(tài)人為干預(yù)與調(diào)整［8-9］。

目前，在攪拌站生產(chǎn)混凝土?xí)r通常采用監(jiān)測(cè)攪拌機(jī)電流值或者固定攪拌時(shí)間的方式控制混凝土攪拌質(zhì)量［10-11］。通過(guò)電流值判斷混凝土攪拌狀態(tài)對(duì)操作人員的經(jīng)驗(yàn)要求極高，且判斷混凝土狀態(tài)缺少數(shù)據(jù)支撐［12-13］。固定攪拌時(shí)間基本可以保障混凝土的攪拌質(zhì)量，但是混凝土原材料存在計(jì)量偏差等不確定因素［14］。這些因素會(huì)導(dǎo)致混凝土攪拌不足或過(guò)度攪拌，嚴(yán)重影響攪拌站混凝土的生產(chǎn)效率和生產(chǎn)質(zhì)量。

基于攪拌機(jī)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和混凝土拌和物狀態(tài)監(jiān)測(cè)方法的適用性。本文提出采用攪拌機(jī)主軸轉(zhuǎn)矩和濕度傳感器分別對(duì)混凝土攪拌狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，探明主軸轉(zhuǎn)矩和濕度對(duì)混凝土攪拌狀態(tài)的響應(yīng)關(guān)系，分析攪拌時(shí)間與攪拌速度對(duì)混凝土強(qiáng)度的影響，探究混凝土狀態(tài)的自動(dòng)攪拌調(diào)控方法，為高效精確判斷混凝土狀態(tài)提供技術(shù)支撐。

1 試驗(yàn)方法

1.1 原材料與配合比

采用武漢華新水泥有限公司生產(chǎn)的P·O 42.5 水泥，比表面積為346 m2/kg；摻和料為湖北能源集團(tuán)鄂州發(fā)電有限公司生產(chǎn)的F類(lèi)Ⅰ級(jí)粉煤灰和武漢武新新型建材股份有限公司生產(chǎn)的S105級(jí)礦渣粉。水泥、粉煤灰和礦渣粉的化學(xué)組成見(jiàn)表1。細(xì)骨料采用武漢存冠建材有限公司生產(chǎn)的河砂，細(xì)度模數(shù)2.67。粗骨料采用大治市文啟新型建材有限公司生產(chǎn)的5 ～ 20 mm的連續(xù)級(jí)配石灰?guī)r碎石，粒徑5 ～ 10 mm 碎石和10 ～20 mm 碎石按照4∶6 的質(zhì)量比進(jìn)行混合，空隙率為38%。減水劑為武漢源錦建材科技有限公司生產(chǎn)的聚羧酸高性能減水劑，減水率為25%。

表1 水泥、粉煤灰和礦渣粉的化學(xué)組成

本文采用不同強(qiáng)度等級(jí)的典型鐵路結(jié)構(gòu)混凝土，配合比見(jiàn)表2。

表2 典型鐵路結(jié)構(gòu)混凝土配合比kg·m-3

1.2 試驗(yàn)儀器

試驗(yàn)攪拌機(jī)是在可變頻調(diào)整轉(zhuǎn)速的立軸行星式攪拌機(jī)的基礎(chǔ)上進(jìn)行改裝，見(jiàn)圖1。在常規(guī)工控參數(shù)（電流值、輸出功率）的基礎(chǔ)上增加了判斷混凝土均質(zhì)化狀態(tài)的新型攪拌控制參數(shù)（主軸轉(zhuǎn)矩和濕度）。在攪拌機(jī)底部安裝Hydronix 公司生產(chǎn)的HM-08 型濕度傳感器，基于微波測(cè)試原理進(jìn)行混凝土濕度測(cè)試。在攪拌機(jī)的電機(jī)和減速機(jī)之間通過(guò)扭矩傳感器進(jìn)行連接，電機(jī)工作時(shí)通過(guò)無(wú)線(xiàn)接收器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，將實(shí)際輸出扭矩通過(guò)控制系統(tǒng)進(jìn)行輸出，達(dá)到數(shù)據(jù)收集的效果。

圖1 試驗(yàn)攪拌機(jī)及測(cè)試裝置

1.3 測(cè)試方法

按GB/ T 50081—2019《混凝土物理力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》測(cè)試混凝土試件抗壓強(qiáng)度，試件為邊長(zhǎng)10 cm的立方體。

考慮到混凝土拌和物中的水泥與水會(huì)發(fā)生反應(yīng)，在加熱情況下兩者反應(yīng)速度將大幅提升，難以用烘干法及時(shí)準(zhǔn)確測(cè)量出與傳感器接觸的混凝土拌和物的濕度（或含水量）。這樣就不能將濕度傳感器測(cè)得的濕度信號(hào)測(cè)量值與混凝土拌和物的濕度通過(guò)標(biāo)定建立關(guān)聯(lián)。因此，本文直接采用濕度傳感器測(cè)得的濕度信號(hào)非標(biāo)定測(cè)量值來(lái)表征混凝土拌和物的濕度。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 混凝土攪拌狀態(tài)在線(xiàn)監(jiān)測(cè)方法及控制參數(shù)

混凝土從原材料投料到加水拌和過(guò)程是水泥、礦物摻和料、砂石骨料、水等多種原材料的物理混合均勻化過(guò)程，其混合均勻程度對(duì)混凝土拌和物的物理力學(xué)性能有著直接影響。為及時(shí)獲取、表征混凝土在攪拌過(guò)程中的均勻化狀態(tài)，通常采用基于攪拌機(jī)電流的傳統(tǒng)攪拌控制參數(shù)的監(jiān)測(cè)方法，本文采用基于攪拌機(jī)主軸轉(zhuǎn)矩和混凝土濕度信號(hào)的新型攪拌控制參數(shù)的監(jiān)測(cè)方法。傳統(tǒng)、新型攪拌控制參數(shù)監(jiān)測(cè)曲線(xiàn)分別見(jiàn)圖2、圖3。

圖2 傳統(tǒng)攪拌控制參數(shù)監(jiān)測(cè)曲線(xiàn)

圖3 新型攪拌控制參數(shù)監(jiān)測(cè)曲線(xiàn)

由圖2可知，隨攪拌時(shí)間延長(zhǎng)，攪拌機(jī)電流先增大然后趨于平緩。這是因?yàn)閯傞_(kāi)始攪拌時(shí)，混凝土中各物料混合不均勻，攪拌阻力大，因而電流有一個(gè)逐漸升高的過(guò)程，之后隨著混凝土不斷均勻化，攪拌阻力降低，電流降低并處于穩(wěn)定狀態(tài)。然而，由于電流自身屬性，在攪拌過(guò)程中電流呈鋸齒狀波動(dòng)，致使對(duì)最終攪拌狀態(tài)的判定比較困難。

從圖3（a）可知，C30 和C40 混凝土的主軸轉(zhuǎn)矩呈倒V 形變化，主軸轉(zhuǎn)矩達(dá)到最大值后迅速降低，然后逐漸趨于穩(wěn)定。C50、C60-1 和C60-2 三組混凝土的主軸轉(zhuǎn)矩先迅速達(dá)到最大值，之后C50、C60-1 混凝土主軸轉(zhuǎn)矩緩緩降低，然后逐漸趨于穩(wěn)定，C60-2 混凝土主軸轉(zhuǎn)矩一直在最大值附近波動(dòng)，最終C60-2 混凝土主軸轉(zhuǎn)矩明顯高于其他混凝土。

由圖3（b）可知，加水?dāng)嚢璩跗贑30（水膠比為0.45）和C40（水膠比為0.38）混凝土的濕度明顯增長(zhǎng)，達(dá)到最大值后一直穩(wěn)定在最大值附近。這是因?yàn)镃30和C40混凝土水膠比較高，更容易攪拌均勻，混凝土拌和物濕度更快穩(wěn)定。與之相反，加水?dāng)嚢璩跗贑50（水膠比為0.30）和C60-1（水膠比為0.30）混凝土拌和物的濕度波動(dòng)較明顯。這是因?yàn)樗z比較低時(shí)混凝土攪拌阻力大，難以攪拌均勻。C60-2（水膠比為0.27）混凝土水膠比進(jìn)一步降低，由于用水量明顯降低，混凝土整體濕度反而能夠在較短時(shí)間內(nèi)穩(wěn)定。

2.2 攪拌參數(shù)對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度的影響

1）固定攪拌速度、調(diào)整攪拌時(shí)間

攪拌機(jī)控制器頻率為50 Hz 時(shí)，攪拌機(jī)公轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速為21 r/min，自轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速為45 r/min。不同攪拌時(shí)間制備的混凝土抗壓強(qiáng)度見(jiàn)圖4?？芍孩貱30、C40、C50 和C60四個(gè)強(qiáng)度等級(jí)混凝土的抗壓強(qiáng)度發(fā)展規(guī)律基本一致，3 ～ 56 d 齡期攪拌時(shí)間達(dá)到4 ～ 5 min 時(shí)混凝土3 ～56 d 齡期抗壓強(qiáng)度達(dá)到最大值，繼續(xù)攪拌并不會(huì)進(jìn)一步提高混凝土抗壓強(qiáng)度。②隨齡期延長(zhǎng)，攪拌時(shí)間對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度的影響越來(lái)越小。值得注意的是，不同強(qiáng)度等級(jí)下攪拌時(shí)間為2 min 的混凝土抗壓強(qiáng)度均比同齡期其他攪拌時(shí)間的混凝土抗壓強(qiáng)度低，表明攪拌時(shí)間短不利于混凝土早期抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)。

圖4 不同攪拌時(shí)間下混凝土的抗壓強(qiáng)度

2）調(diào)整攪拌速度和攪拌時(shí)間

通過(guò)設(shè)置控制器頻率來(lái)調(diào)整攪拌機(jī)轉(zhuǎn)速，頻率為30 Hz 時(shí)，攪拌機(jī)的公轉(zhuǎn)速度為12.6 r/min，自轉(zhuǎn)速度為27 r/min；頻率為50 Hz 時(shí)，攪拌機(jī)的公轉(zhuǎn)速度為21 r/min，自轉(zhuǎn)速度為45 r/min；頻率為70 Hz 時(shí)，攪拌機(jī)公轉(zhuǎn)速度為29.4 r/min，自轉(zhuǎn)速度為63 r/min。

不同頻率和攪拌時(shí)間下C40 和C60-1 混凝土的抗壓強(qiáng)度對(duì)比分別見(jiàn)圖5和圖6。

圖5 不同頻率和攪拌時(shí)間下C40混凝土的抗壓強(qiáng)度

圖6 不同頻率和攪拌時(shí)間下C60-1混凝土的抗壓強(qiáng)度

由圖5 可知：①30、50、70 Hz 三種頻率下C40 混凝土抗壓強(qiáng)度發(fā)展規(guī)律基本一致，攪拌4 ～ 5 min 時(shí)混凝土3 ～ 56 d 齡期抗壓強(qiáng)度達(dá)到最大值，繼續(xù)攪拌并不會(huì)進(jìn)一步提高混凝土抗壓強(qiáng)度。②隨齡期延長(zhǎng)，攪拌時(shí)間對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度的影響越來(lái)越小。

對(duì)比圖5 和圖6 可知：30、50、70 Hz 三種頻率下C60-1 混凝土抗壓強(qiáng)度發(fā)展規(guī)律與C40 混凝土基本一致。C60-1 混凝土3 ～ 56 d 齡期抗壓強(qiáng)度達(dá)到最大值時(shí)攪拌時(shí)間為3 ～ 4 min，比C40 混凝土攪拌時(shí)間縮短了。攪拌時(shí)間延長(zhǎng)，混凝土混合得更均勻，抗壓強(qiáng)度逐漸增大；但攪拌時(shí)間達(dá)到臨界值后，繼續(xù)延長(zhǎng)攪拌時(shí)間不會(huì)進(jìn)一步提高混凝土抗壓強(qiáng)度。C60-1 混凝土的水膠比比C40 混凝土低，達(dá)到最大抗壓強(qiáng)度的攪拌時(shí)間反而短，這說(shuō)明水膠比對(duì)C60-1 混凝土強(qiáng)度的影響大于攪拌時(shí)間的影響。

3 混凝土自動(dòng)攪拌調(diào)控試驗(yàn)

混凝土原材料性能波動(dòng)會(huì)導(dǎo)致拌和物狀態(tài)不穩(wěn)定。以砂子為例予以說(shuō)明。砂子含水率存在較大波動(dòng)時(shí)，混凝土的用水量或者減水劑用量難以準(zhǔn)確計(jì)量，這樣會(huì)導(dǎo)致混凝土拌和物工作性能偏小或者偏大，嚴(yán)重影響混凝土質(zhì)量穩(wěn)定性，且降低混凝土生產(chǎn)效率。鑒于此，首先獲取主軸轉(zhuǎn)矩和濕度對(duì)混凝土攪拌狀態(tài)的影響規(guī)律后，通過(guò)攪拌參數(shù)實(shí)測(cè)值（主軸轉(zhuǎn)矩或濕度）與設(shè)定目標(biāo)閾值的差值對(duì)混凝土狀態(tài)進(jìn)行判定，然后通過(guò)調(diào)整用水量或減水劑用量對(duì)混凝土拌和物狀態(tài)進(jìn)行調(diào)控。

采用表1 中C40 混凝土配合比進(jìn)行混凝土自動(dòng)攪拌調(diào)控試驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)圖7。其中，固定模式是根據(jù)C40配合比，將稱(chēng)量好的材料一次性投入攪拌機(jī)按常規(guī)方式進(jìn)行攪拌。自動(dòng)模式（加水）是將主軸扭矩目標(biāo)閾值設(shè)定為（15 ± 2）N·m 或?qū)⒒炷翝穸鹊哪繕?biāo)閾值設(shè)定為（16 200 ± 300）。通過(guò)自動(dòng)分次加水對(duì)混凝土拌和物狀態(tài)進(jìn)行調(diào)控。具體步驟：首先根據(jù)配合比將各原材料和80%水計(jì)量好，投入攪拌機(jī)中進(jìn)行攪拌，攪拌180 s 對(duì)拌和物狀態(tài)做初次判定；第一次自動(dòng)加10%水，繼續(xù)攪拌30 s，二次判定；第二次自動(dòng)加10%水，繼續(xù)攪拌30 s，再次判定。自動(dòng)模式（加減水劑）與自動(dòng)模式（加水）的區(qū)別就是把水換為減水劑。

圖7 混凝土自動(dòng)攪拌調(diào)控試驗(yàn)結(jié)果

由圖7（a）可知：一旦混凝土用水量低于配合比設(shè)計(jì)的用水量，自動(dòng)模式（加水）主軸轉(zhuǎn)矩明顯比固定攪拌模式時(shí)大，說(shuō)明混凝土攪拌阻力變大，狀態(tài)不佳。判定主軸轉(zhuǎn)矩未達(dá)到設(shè)定目標(biāo)閾值后，通過(guò)二次加水或加減水劑，可以使混凝土主軸轉(zhuǎn)矩與目標(biāo)閾值相當(dāng)。這說(shuō)明通過(guò)二次加水或加減水劑可實(shí)現(xiàn)混凝土狀態(tài)的自動(dòng)調(diào)控，不過(guò)二次加水或加減水劑對(duì)混凝土主軸轉(zhuǎn)矩的調(diào)控效果存在滯后性。與固定模式相比，達(dá)到相同混凝土拌和物狀態(tài)，采用主軸轉(zhuǎn)矩的自動(dòng)調(diào)控模式會(huì)增加混凝土的攪拌時(shí)間。

由圖7（b）中的自動(dòng)模式（加減水劑）曲線(xiàn)可知，若是用水量與配合比設(shè)計(jì)的用水量一致時(shí)，即便外加劑用量有較大差異，自動(dòng)模式與固定模式濕度曲線(xiàn)差異不大。由自動(dòng)模式（加水）曲線(xiàn)可知，混凝土濕度信號(hào)原始測(cè)量值對(duì)混凝土用水量極其敏感，一旦混凝土用水量低于配合比設(shè)計(jì)的用水量，混凝土濕度明顯降低，這可用來(lái)在攪拌初期對(duì)混凝土用水量進(jìn)行快速判定。

4 結(jié)論

1） 與常規(guī)工控參數(shù)電流相比，新型攪拌控制參數(shù)主軸轉(zhuǎn)矩可更精確判定C30、C40、C50 和C60 混凝土的攪拌狀態(tài)。采用濕度判定混凝土拌和物狀態(tài)的準(zhǔn)確性與混凝土拌和用水量密切相關(guān)，通常情況下更適用于對(duì)高水膠比混凝土狀態(tài)的判定。

2）混凝土抗壓強(qiáng)度隨攪拌時(shí)間延長(zhǎng)先增大然后趨于穩(wěn)定。相同攪拌速度下，攪拌時(shí)間越長(zhǎng)，混凝土早期抗壓強(qiáng)度提高越顯著；攪拌時(shí)間達(dá)到臨界值后，繼續(xù)延長(zhǎng)攪拌時(shí)間，混凝土抗壓強(qiáng)度基本不變。齡期越長(zhǎng)，攪拌時(shí)間對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度的影響越小。

3）通過(guò)采用基于主軸轉(zhuǎn)矩和濕度參數(shù)監(jiān)測(cè)的分級(jí)加水或加減水劑的自動(dòng)攪拌調(diào)控方法，可解決現(xiàn)有混凝土生產(chǎn)質(zhì)量波動(dòng)的問(wèn)題，為自動(dòng)化、精細(xì)化和智能化調(diào)控混凝土狀態(tài)提供技術(shù)支撐。