雙臥軸攪拌機(jī)對高強(qiáng)混凝土的攪拌試驗(yàn)研究

翁軍良，楊 鵬，張 旭，潘旭磊

(長安大學(xué) 道路施工技術(shù)與裝備教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710064)

長期以來，我國現(xiàn)場施工現(xiàn)澆混凝土基本為普通混凝土。但是，隨著我國基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的快速發(fā)展，特別是橋梁、高層建筑、港口等大量現(xiàn)代化土木工程項(xiàng)目的實(shí)施，對結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高、剛度大的高強(qiáng)混凝土的需求量也越來越大。高強(qiáng)混凝土是指采用常規(guī)的水泥、砂石為原材料，使用一般的制作工藝，通過添加高效減水劑或同時(shí)添加一定數(shù)量的活性礦物材料，使新拌混凝土擁有良好的工作性，并在硬化后具有高強(qiáng)高密實(shí)性能的水泥混凝土[1]。一般認(rèn)為，強(qiáng)度等級≥C50的混凝土即為高強(qiáng)混凝土[2]。現(xiàn)有高強(qiáng)混凝土攪拌技術(shù)是攪拌機(jī)通過常規(guī)攪拌工藝攪拌低水灰質(zhì)量比的混凝土，由于高強(qiáng)混凝土水灰質(zhì)量比小，細(xì)顆粒總量較多，拌合物內(nèi)聚性較大，普通的自落式攪拌設(shè)備難以拌合均勻，一般采用強(qiáng)制式攪拌機(jī)[3]。雙臥軸攪拌機(jī)作為強(qiáng)制式攪拌機(jī)中的一種，以攪拌效率高、攪拌質(zhì)量好的優(yōu)勢已成為當(dāng)前攪拌設(shè)備中的主導(dǎo)機(jī)型，研究雙臥軸攪拌機(jī)對高強(qiáng)混凝土的攪拌性能非常重要。

1 雙臥軸攪拌機(jī)

1.1 結(jié)構(gòu)與參數(shù)

采用JS100型雙臥軸混凝土攪拌機(jī)為試驗(yàn)樣機(jī)，其攪拌電機(jī)型號為Y112M-4，額定功率為4 kW，輸出轉(zhuǎn)速為1 440 r/min；減速器減速比為20，攪拌軸輸出轉(zhuǎn)速為72 r/min，攪拌機(jī)的容量為100 L。試驗(yàn)過程中，通過改變攪拌速度來實(shí)現(xiàn)高、低速攪拌，攪拌速度的變化通過變頻器調(diào)節(jié)攪拌電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速來實(shí)現(xiàn)，對應(yīng)關(guān)系如表1所示。其中，攪拌速度是指攪拌葉片外端部的攪拌線速度。

表1 變頻器調(diào)節(jié)頻率與攪拌速度的對應(yīng)關(guān)系

試驗(yàn)樣機(jī)的結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由攪拌電機(jī)、滾子鏈聯(lián)軸器、渦輪蝸桿減速器、攪拌機(jī)構(gòu)、攪拌筒體等組成。其傳動(dòng)方案為：兩攪拌電機(jī)輸出動(dòng)力由兩渦輪蝸桿減速器分別驅(qū)動(dòng)兩攪拌機(jī)構(gòu)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)攪拌，其中兩渦輪蝸桿減速器之間由滾子鏈聯(lián)軸器強(qiáng)制兩攪拌機(jī)構(gòu)同步按相反的方向旋轉(zhuǎn)。

1.2 工作原理

圖1 試驗(yàn)用雙臥軸攪拌機(jī)

攪拌機(jī)構(gòu)工作簡圖如圖2所示。攪拌機(jī)構(gòu)是由水平安置在攪拌筒體上的兩根按相反方向轉(zhuǎn)動(dòng)的攪拌軸、攪拌葉片及臂組成。攪拌臂沿軸向均勻布置，攪拌葉片固定在相應(yīng)的攪拌臂外端，并且相對攪拌軸中心線成一定安裝角度，各攪拌葉片及臂前后上下都錯(cuò)開了一定的空間，形成了間斷的螺旋結(jié)構(gòu)，沿軸向和徑向產(chǎn)生了三維攪拌空間。工作時(shí)，兩攪拌軸帶動(dòng)攪拌葉片及臂由內(nèi)向外旋轉(zhuǎn)，強(qiáng)迫物料產(chǎn)生如圖2所示的圍流大循環(huán)運(yùn)動(dòng)和軸間小循環(huán)運(yùn)動(dòng)。圍流大循環(huán)是主要運(yùn)動(dòng)，能夠帶動(dòng)物料在整個(gè)攪拌筒空間內(nèi)大范圍的運(yùn)動(dòng)，消除投料時(shí)帶來的原始不均勻性，實(shí)現(xiàn)物料在攪拌筒內(nèi)的均勻分布；軸間小循環(huán)是輔助運(yùn)動(dòng)，能夠使兩軸間的物料產(chǎn)生強(qiáng)烈的逆流運(yùn)動(dòng)，增大物料顆粒間的碰撞和揉搓，強(qiáng)化攪拌效果[4]。這種強(qiáng)制攪拌使物料在劇烈地相對運(yùn)動(dòng)中得到良好拌合。

圖2 攪拌機(jī)構(gòu)工作簡圖

2 攪拌試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)混凝土采用同一配合比，設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級為C70，水泥采用52.5硅酸鹽水泥，細(xì)骨料選擇級配良好(Ⅱ區(qū))的中砂，粗骨料為粒徑5～25 mm連續(xù)級配的石灰?guī)r碎石，礦粉采復(fù)合礦渣超微細(xì)粉，選擇UNF-5高效減水劑，其配合比為：m(水)：m(水泥)：m(礦粉)：m(砂)：m(碎石)=15.7:406:174:658:1 075,減水劑為水泥質(zhì)量的1%左右。試驗(yàn)樣機(jī)的容積為100 L，可得C70混凝土各組成材料的實(shí)際用量為：15.7 kg水，40.6 kg水泥，17.4 kg礦粉，65.8 kg砂，107.5 kg碎石，4.1 kg減水劑。

2.2 檢驗(yàn)指標(biāo)

σ的計(jì)算式為

式中 n為混凝土取樣的個(gè)數(shù)； fi為第i個(gè)試樣的強(qiáng)度，MPa。

2.3 試驗(yàn)內(nèi)容及結(jié)果分析

試驗(yàn)采用同一配合比、相同試驗(yàn)材料，研究雙臥軸攪拌機(jī)在不同攪拌工藝、不同攪拌參數(shù)下對高強(qiáng)混凝土的攪拌勻質(zhì)性的影響。采用一次投料法(常規(guī)攪拌工藝)和預(yù)拌水泥砂漿法(新型攪拌工藝)對高強(qiáng)混凝土進(jìn)行攪拌試驗(yàn)，分別得出兩種攪拌工藝下的合理攪拌參數(shù)，并分析各攪拌參數(shù)對高強(qiáng)混凝土攪拌勻質(zhì)性的影響，給出普通雙臥軸攪拌機(jī)攪拌高強(qiáng)混凝土的合理攪拌工藝和攪拌參數(shù)。

1)一次投料法

將砂、石、水泥、礦粉、水和減水劑一起加入攪拌筒內(nèi)進(jìn)行攪拌，采用人工投料方式，攪拌機(jī)開啟后，采用砂—水泥—石子—水的投料順序進(jìn)行投料，其中水泥中已摻入礦粉，水中已融入減水劑。對3個(gè)不同攪拌速度(1.4，1.6，1.8 m/s)和攪拌時(shí)間(80，100，120 s)進(jìn)行全部組合試驗(yàn)，9組試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。其中，攪拌速度是指攪拌葉片外端部的攪拌線速度；攪拌時(shí)間是指從混合干料中所有粗骨料全部投入攪拌機(jī)開始，到開始卸料為止的時(shí)間。

表2 一次投料法試驗(yàn)測試結(jié)果

由表2可知，9組試驗(yàn)下的ΔM、ΔG都滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，即宏觀上都已達(dá)到攪拌均勻。將表2中7 d平均抗壓強(qiáng)度和強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)差擬合成曲線，如圖3、4所示。由圖3可知，雙臥軸攪拌機(jī)在攪拌速度為1.6 m/s時(shí)攪拌出的混凝土抗壓強(qiáng)度高于在其余2種攪拌速度，這說明雙臥軸攪拌機(jī)在攪拌速度為1.6 m/s時(shí)攪拌高強(qiáng)混凝土的效果最好，速度太高易產(chǎn)生攪拌離析，太低造成攪拌不均勻。在攪拌速度為1.6 m/s時(shí)，攪拌時(shí)間為100 和120 s的混凝土抗壓強(qiáng)度幾乎相等并且最高，但由圖4可知，攪拌時(shí)間為120 s時(shí)的混凝土強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)差高于攪拌時(shí)間為100 s，這是因?yàn)閿嚢钑r(shí)間過長時(shí)會(huì)產(chǎn)生過攪拌現(xiàn)象，使得混凝土的勻質(zhì)性變差，強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)差增大。用雙臥軸攪拌機(jī)一次投料法攪拌高強(qiáng)混凝土?xí)r，合理的攪拌參數(shù)為：攪拌速度為1.6 m/s，攪拌時(shí)間為100 s，此時(shí)混凝土7 d平均抗壓強(qiáng)度為63.12 MPa，強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)差為0.77 MPa。

圖3 不同攪拌參數(shù)下的抗壓強(qiáng)度 圖4 不同攪拌參數(shù)下的強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)差

2)預(yù)拌水泥砂漿法

預(yù)拌水泥砂漿法是一種新型攪拌工藝，屬于二次攪拌工藝。二次攪拌是指在考慮混凝土組分中各物料相互均勻混合作用的基礎(chǔ)上，利用投料、攪拌順序?qū)炷羶?nèi)部結(jié)構(gòu)形成的影響，綜合提高混凝土性能的工藝方法[7]。預(yù)拌水泥砂漿法是把所有砂、水泥、礦粉和部分水先攪拌，再放入全部石子和剩余水繼續(xù)攪拌，其工藝流程如圖5所示，其中，水泥為水泥和礦料摻合在一起的混合物，ψ1(水)為第一次加水占全部加水量的比例，ψ2(水)為融入了高效減水劑的剩余加水占全部加水的比例，t1為水泥砂漿攪拌時(shí)間，t2為混凝土攪拌時(shí)間。

實(shí)際中影響水泥混凝土攪拌勻質(zhì)性的因素很多，全面試驗(yàn)工作量大、周期長，為避免全面試驗(yàn)帶來的不便，選取正交試驗(yàn)。根據(jù)攪拌工藝確定本試驗(yàn)的主要因素有水泥砂漿攪拌時(shí)間A(20，30，40，50 s)，混凝土攪拌時(shí)間B(40，50，60，70 s)，攪拌速度C(1.4，1.6，1.8，2.0 m/s)，第一次加水占全部加水量的比例D(50%，60%，70%，80%)，每個(gè)因素下4個(gè)水平，因而，本試驗(yàn)屬于4因素4水平的正交試驗(yàn)，采用正交表L16(45)來設(shè)計(jì)，試驗(yàn)測試結(jié)果如表3所示。

圖5 水泥砂漿法流程圖

從表3可知，所有試驗(yàn)下的ΔM、ΔG都滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，即認(rèn)為在所選各因素水平下，采用預(yù)拌水泥砂漿法攪拌C70高強(qiáng)混凝土，宏觀上都能達(dá)到攪拌均勻。然后對表征混凝土微觀勻質(zhì)性的2個(gè)測試指標(biāo)——平均抗壓強(qiáng)度和強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)差進(jìn)行極差分析，極差分析結(jié)果如表4、5和圖6、7所示。其中表4中ki為表3中各因素第i個(gè)水平的所有平均抗壓強(qiáng)度，MPa，例如因素A下的k1則為表3中水泥砂漿攪拌時(shí)間為20 s的所有4個(gè)7 d平均抗壓強(qiáng)度；表5中的中ki為表3中各因素第i個(gè)水平下的所有強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)差的平均值，MPa。由表4可知，4種因素中因素A對7 d抗壓強(qiáng)度的影響最大，后面依次是因素D、C和B；由表5可知，4種因素中因素A對7 d抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)差的影響仍最大，其后依次為因素C、B和D。由圖6可知，對混凝土7 d抗壓強(qiáng)度最有利的攪拌參數(shù)組合為A4B3C4D4；由圖7可知，對混凝土7 d抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)差最優(yōu)的攪拌參數(shù)組合為A3B4C4D3。

極差分析雖然簡單明了，但是不能區(qū)分試驗(yàn)結(jié)果的差異究竟是由于因素水平不同還是由于試驗(yàn)誤差引起的，無法估計(jì)試驗(yàn)誤差的大小。此外，各因素對試驗(yàn)結(jié)果的影響無法給出精確的數(shù)量估計(jì)，不能提出判斷考察因素作用是否顯著的標(biāo)準(zhǔn)。為了彌補(bǔ)極差分析的缺陷，采用方差分析對上述2種不同最佳攪拌參數(shù)進(jìn)行篩選，分析結(jié)果如表6、7所示。

表3 預(yù)拌水泥砂漿試驗(yàn)測試結(jié)果

表4 平均抗壓強(qiáng)度的極差分析 MPa

表5 強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)差的極差分析 MPa

圖6 抗壓強(qiáng)度影響因素與水平的關(guān)系 圖7 強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)差影響因素與水平的關(guān)系

方差分析中顯著水平α表示在作出某種判斷時(shí)犯錯(cuò)誤的概率，用1-α表示對某種判斷正確的把握。對不同的α，設(shè)置了不同的F分布表。按α=0.10,0.05,0.01定出3個(gè)顯著水平，根據(jù)因素的自由度3、實(shí)驗(yàn)誤差的自由度3查出F0.1(3,3)=5.39、F0.05(3,3)=9.28、F0.01(3,3)=29.5，再將實(shí)際F與臨界Fα作比較以評價(jià)對指標(biāo)影響的顯著性[8]。評價(jià)方案為：①F0.01(3,3)時(shí)，稱這個(gè)因素有高度顯著影響，記作“***”。

表6 平均抗壓強(qiáng)度的方差分析

表7 強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)差的方差分析

由表6，7可知，因素A對7 d抗壓強(qiáng)度有高度顯著影響，因素C、D對7 d抗壓強(qiáng)度有顯著影響，因素B對7 d抗壓強(qiáng)度則無顯著影響；由表7可知，所選各因素都對強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)差無顯著影響。

由極差分析和方差分析可知，所選4種因素都對強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)差無顯著影響，而其中3種因素對混凝土7 d抗壓強(qiáng)度有顯著或高度顯著影響，故而在選擇合理攪拌參數(shù)時(shí)可以優(yōu)先考慮影響抗壓強(qiáng)度的最佳攪拌參數(shù)組合，認(rèn)為雙臥軸攪拌機(jī)采用預(yù)拌水泥砂漿法攪拌高強(qiáng)混凝土的合理攪拌參數(shù)為A4B3C4D4，即：水泥砂漿攪拌時(shí)間為50 s，混凝土的攪拌時(shí)間為60 s，攪拌速度為2.0 m/s，第一次加水量為全部加水量的比例為80%。選取最佳攪拌參數(shù)進(jìn)行一組驗(yàn)證試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果是7 d 抗壓強(qiáng)度為71.33 MPa，強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)差為1.71 MPa，證明選取的攪拌參數(shù)合理正確。

3)結(jié)果討論

由表2，3可知，采用預(yù)拌水泥砂漿法拌出的高強(qiáng)混凝土抗壓強(qiáng)度普遍高于一次投料法，且在各自最佳攪拌參數(shù)下，預(yù)拌水泥砂漿法拌出的混凝土抗壓強(qiáng)度比一次投料法大約提高13%。

圖8 混凝土試塊受壓破壞斷面

混凝土試塊受壓破壞的斷面如圖8所示。由圖8可知，水泥混凝土受到破壞時(shí)，破壞的是連接界面，并不是粗骨料承受不了壓力被壓碎而導(dǎo)致混凝土破壞。要提高混凝土的抗壓強(qiáng)度，需要提高混凝土的界面連接強(qiáng)度。預(yù)拌水泥砂漿法攪拌出的混凝土抗壓強(qiáng)度普遍高于一次投料法，這是由于預(yù)拌水泥砂漿法先攪拌形成了水泥砂漿，減少甚至避免了水泥顆粒團(tuán)聚現(xiàn)象，提高了水泥顆粒的分散度，增強(qiáng)了水泥顆粒的水化程度；當(dāng)干燥石子投入已拌好的水泥砂漿時(shí)，其表面形成一層包著石子的低水灰質(zhì)量比的殼，提高了水泥石與集料的界面連接強(qiáng)度，細(xì)化了界面裂縫尺寸，改善了混凝土過渡區(qū)的微觀結(jié)構(gòu)，故而有效提高了混凝土的密實(shí)度與抗壓強(qiáng)度。

由預(yù)拌水泥砂漿試驗(yàn)的極差分析和方差分析可知，水泥砂漿攪拌時(shí)間是對預(yù)拌水泥砂漿法攪拌出的混凝土的微觀勻質(zhì)性影響最大的因素，具有高度顯著影響；攪拌速度和第一次加水量為全部加水量的比例則對混凝土微觀勻質(zhì)性具有顯著影響。即首先需要保證水泥砂漿攪拌時(shí)間充足，其次使用較高的攪拌速度和充足的第一次加水量為全部加水量的比例，水泥砂漿攪拌越均勻，水泥分散度越高，水泥顆粒的水化程度越高，有效改善了混凝土過渡區(qū)的微觀結(jié)構(gòu)，提高了混凝土的抗壓強(qiáng)度。

對于預(yù)拌水泥砂漿法來說，水泥砂漿的攪拌均勻性是影響混凝土抗壓強(qiáng)度的關(guān)鍵因素，但應(yīng)當(dāng)注意，高速攪拌時(shí)水泥混凝土攪拌時(shí)間不應(yīng)過長，否則會(huì)造成混凝土的攪拌勻質(zhì)性變差，混凝土的抗壓強(qiáng)度變低。

3 結(jié)語

1)使用普通雙臥軸攪拌機(jī)采用一次投料法和預(yù)拌水泥砂漿法攪拌高強(qiáng)混凝土?xí)r，合理攪拌參數(shù)各不相同，其中一次投料法是的攪拌速度為1.6 m/s，攪拌時(shí)間為100 s；而預(yù)拌水泥砂漿法的水泥砂漿攪拌時(shí)間為50 s，混凝土的攪拌時(shí)間為60 s，攪拌速度為2.0 m/s，第一次加水量占部全加水量的比例為80%。

2)預(yù)拌水泥砂漿法拌出的高強(qiáng)混凝土抗壓強(qiáng)度普遍高于一次投料法，且在各自最佳攪拌參數(shù)下，預(yù)拌水泥砂漿法拌出的高強(qiáng)混凝土抗壓強(qiáng)度比一次投料法大約提高13%。預(yù)拌水泥砂漿法這種新型攪拌工藝比常規(guī)攪拌工藝更能有效地改善混凝土連接界面的微觀機(jī)構(gòu)，提高混凝土的抗壓強(qiáng)度。

3)水泥砂漿攪拌均勻性是高品質(zhì)混凝土的關(guān)鍵影響因素，而其中水泥砂漿攪拌時(shí)間則是首要因素，攪拌速度和一級加水量也是重要影響因素，只有合理選擇組合參數(shù)才能獲得高質(zhì)量的攪拌混凝土。

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