混凝土多步攪拌工藝及其機理探析

楊金龍

（寧夏煤炭基本建設公司 寧夏 石嘴山 753000）

0 引言

一般認為混凝土攪拌的主要任務是：

1）各組分均勻分布，達到宏觀及微觀上的均質;

2）破壞水泥粒子團聚現象，使其各顆粒表面被水浸潤，促使彌散現象的發展;

3）破壞水泥粒子表面的初始水化物薄膜包裹層;

4）由于集料表面常覆蓋著一薄層灰塵和粘土，有礙界面結合物的形成，故應使物料顆粒間多次碰撞和互相摩擦，以減小灰塵薄膜的影響;

5）提高混合料各單元體參與運動的次數和運動軌跡的交叉頻率，以加速達到均質化。

1 混凝土的破壞現象

在對攪拌裝置參數優化研究時發現：硬化混凝土受力前在粗骨料和砂漿界面上存在很多微裂縫，稱界面裂縫。這是由于水泥水化反應產生收縮，硬化后干燥收縮在骨料界面上產生拉應力導致界面裂縫。此外水分的遷移受到粗骨料阻止，從而水分向界面集中形成水膜，也是界面裂縫的根源。混凝土受力后，石子和砂漿變形不一致又導致這種原生裂縫開展。此時石子的彈性模量大于砂子的彈性模量，骨料粒子處于軟基體內，在縱向壓力下砂漿橫向變形（內聚力）大于石子，從而在石子上下部位產生壓應力，邊側產生拉應力，界面有脫離的傾向（粘附力破壞）。

2 混凝土的強化機理

一般認為，水泥石是由凝膠、晶體、水與孔組成的聚集體。根據現代混凝土強度理論，水泥石內聚力主要取決于水泥石基材的孔隙率、孔分布、孔級配、孔形狀等孔結構參數。所以水泥石從形成、發展直到破壞均與孔的發生和發展密切相關。但孔隙率不是影響混凝土強度的唯一因素，在孔隙率相同情況下，不同孔結構水泥石性能也不同。平均孔徑小的強度高，0.1μm以上的毛細孔微縫對強度和耐久性不利，0.05μm以下的孔對強度及性能無影響，Mehta證明，大于1000A的孔存在是強度和抗滲性下降的原因。將大孔改變為小于500A的孔則可提高強度和抗滲性。由此可見，存在著調整孔級配來提高水泥石強度和耐久性的可能性。由此可見，我們可采用分次投料工藝措施，調整孔結構，提高強度。

界面微觀結構性質早已引起國內外學者的極大重視。研究表明，骨料和水泥石之間存在約幾十微米的界面層，它是由水化粗骨料表面，首先形成水膜層逐漸被新生產物填充而來。如水灰比大或泌水均會使水膜層厚度增加，在過渡層會留下薄弱環節，所以只有減薄水膜層才能強化界面層。

在傳統的攪拌方法中，所有固相材料幾乎同時倒入攪拌機，此時砂、石、水泥混合物中主要是固一氣界面。在加水攪拌過程中，水必然要浸潤所有的固相材料表面而形成固-液界面，同時產生氣-液界面，亦即在攪拌過程中有相當數量的氣相殘留在液、固相的包圍之中。

在新的攪拌工藝中，大部分水優先與砂石表面接觸形成固-液界面，骨料濕潤后形成液-氣界面，基本上消失了固-氣界面。當水泥投入時，立即粘附在骨料表面的水膜層上，強化了水泥的水化歷程，使首先生成的水化鋁酸鹽覆蓋在骨料表面限制Ca（OH）2晶體擴散而強化了界面層。同時，殘留的氣體也必然少于傳統工藝。

3 混凝土多步攪拌工藝的宏觀機理

攪拌是使混凝土混合料趨于勻質化的過程，普通混凝土攪拌機充分利用對流、剪切和擴散機理，一般在較短時間就可以使混合料達到宏觀勻質，但對這種拌和料仔細觀察時，發現預拌水泥混凝土中有些骨料表面是干燥的，另外還有一些干的小水泥團。如果把攪拌后宏觀上均勻的混凝土中的水泥漿放在顯微鏡下，會發現仍有15%-30%的水泥呈團粒狀態。這是因為，傳統攪拌工藝中混凝土各組成材料一次性投入攪拌機內，遇水后很快形成大小不等的水泥團粒，攪拌過程中由于骨料間的摩擦、撞擊作用使得部分水泥團粒被分解破壞，而處于粗骨料背后的那部分水泥團粒則不易破壞，另外，處于攪拌葉片背面的水泥團粒也不易破壞，此時粗骨料和葉片起“屏障”作用。待硬化后粘附在粗骨料上和骨料間隙中的這些未被水化的水泥團粒將成為混凝土中最薄弱的環節。

多步攪拌工藝的基本原理正是建立在改善水泥的分散性，提高水泥活性的基礎上，進而不同程度地提高混凝土強度。顯然，材料不同，攪拌速度必然不同，攪拌砂漿或水泥漿時，速度必然要比攪拌混凝土高。一方面是這些材料粒徑較均勻，不存在嚴重的離析現象；另一方面是高速攪拌可明顯消除水泥聚團現象，并提高生產率。多步攪拌工藝（如先拌砂漿），砂子、水泥及水一起高速攪拌，由于砂子粒徑相對于水泥團塊比較小，不但起不到屏障作用，反而在高速運動過程中極易將水泥團粒擊碎，使水泥充分水化，并均勻地粘附在砂粒表面，使接下來與粗骨料的多步攪拌更易混合均勻。

4 混凝土多步攪拌工藝的微觀機理

4.1 混凝土微觀結構及其增強途徑

材料的宏觀行為取決于材料的組成和微觀結構。混凝土材料學的基本觀點認為：材料的形成過程，必然伴隨著界面的產生、消失和轉化，不同的界面演化過程必然引起材料形成過程的差異，這些差異導致了材料宏觀性能方面的差異。從宏觀尺度上看，混凝土是由水泥石和集料兩相組成的復合材料；從細觀尺度上看，水泥石又是各種水化物和未水化顆粒、水、氣等的多相復合體。因此，混凝土攪拌過程中的混合料，不但有固相、液相和氣相參加攪拌，而且各相之間還產生著物理化學的變化，并最終影響混凝土材料的強度。

4.2 傳統工藝的缺陷

現有的混凝土攪拌裝置在攪拌過程中，水泥、砂石、水、外加劑都是經計量后一次投入攪拌筒進行攪拌，若干時間后出料形成混凝土拌和物。在實際應用過程中發現：混凝土的劣化或破壞往往出現在界面處。一方面是因為水泥石和集料的彈性模量不同，當溫度、濕度發生變化時，水泥石和集料變形不一致形成細微的裂縫；另外，現有的混凝土攪拌工藝使砂石表面形成了一層自由水膜，削弱了水泥漿與集料的粘結，使水泥漿體的作用遠未發揮出來；此外，水泥顆粒被砂石夾裹，加水后易形成水泥小團粒，并包裹了很多拌和水，不易被破壞，降低了混凝土拌和物的和易性，且水灰比越小，這種現象越嚴重。水泥團粒吸附在骨料上，充填于骨料空隙中，致使包裹砂子的水泥顆粒相對減少，導致水泥不能充分水化，降低了混凝土的強度。顯然，傳統工藝不僅存在諸多不足之處，更無法平衡前面所一說的界面過渡區的強度梯度現象。

4.3 混凝土多步（二次）攪拌工藝的優點

在總結前人工作的基礎上提出了新的混凝土多步（二次）攪拌工藝。所謂多次（二次）攪拌，是指在考慮混凝土組分中各物料均勻混合作用的基礎上，利用物料投料、攪拌順序對混凝土內部結構形成的影響，綜合提高混凝土性能的工藝方法，其具體實施方法比較靈活。但目標是一致的，即通過改善傳統攪拌工藝進而改善混凝土界面的結構和性質，來提高硬化混凝土性能。

5 結束語

混凝土多步攪拌工藝不僅適用于普通混凝土的攪拌，尤其適用于高性能混凝土的攪拌。與混凝土常規攪拌工藝相比，在相同的硬件條件下，混凝土多步攪拌工藝能提高混凝土強度，在滿足混凝土強度條件下，可降低水泥的使用量。

［1］鄧愛民.商品混凝土機械[M].北京：人民交通出版社，2000.

［2］吳中偉.高性能混凝土[M].北京：中國鐵道出版社.1999，9.

［3］宋培建，譯.混凝土多步攪拌工藝[J].建工技術，1997，3.