攪拌工藝對石屑混凝土性能影響的試驗研究

譚世霖 蔣雪琴 楊醫博 周啟源

（1 中國鐵建港航局集團有限公司；2 華南理工大學土木工程系)

(3 華南理工大學亞熱帶建筑科學國家重點實驗室）

0 引言

混凝土是由粗集料、細集料、水、外加劑等原材料按一定比例攪拌而成的混合料。混凝土的質量直接影響建設產品的壽命，混凝土的攪拌工藝又直接影響混凝土的質量[1-2]，因此合理選擇攪拌工藝，加強混凝土生產過程控制，具有重要的意義[3-4]。目前，國內外很多學者對混凝土的攪拌工藝進行了研究[5-7]，研究結果認為：二次攪拌改善了混凝土界面的微觀勻質性；減少了水泥顆粒的團聚現象，提高了水化程度；改善了混凝土界面區的水化物分布狀態，綜合提高了混凝土各項性能[8]。

石屑是生產碎石過程中篩出的副產品，是河砂的替代品之一；與河砂相比，石屑具有表面粗糙、棱角尖銳、石粉含量多、需水率高的特點。為了研究石屑混凝土的制備方法，本課題組在對石屑的特性[9]以及石屑混凝土配合比設計研究[10-11]的基礎上，對石屑混凝土生產工藝進行研究，就攪拌工藝對混凝土工作性能以及強度的影響進行了試驗研究，本文介紹相關的試驗成果。

1 原材料

水泥：江門海螺牌，P·O42.5，普通硅酸鹽水泥；粉煤灰：湖南華潤，二級粉煤灰；碎石：新會兆安石場，5mm～25mm 連續級配；石屑：新會云豐石場，顆粒級配Ⅱ級、細度模數3.1，石粉含量10.8%；減水劑：華南理工大學，HG97A 聚羧酸高性能減水劑；水：飲用水。

2 試驗方案

參考《水運工程混凝土試驗規程》（JTJ 270-98）和《混凝土質量控制手冊(第二版)》[4]，試驗設計五種攪拌工藝，制備混凝土檢測拌合物的工作性能，并測定混凝土7d 和28d 的強度。

2.1 試驗方法

全部用石屑代替河砂按不同的投料順序，依據GB/T50080—2016《普通混凝土拌合物性能試驗方法標準》 對混凝土拌合物性能進行試驗研究。依據GB/T50081—2002《普通混凝土力學性能試驗方法標準》成型150mm 立方體試件、養護試件，并進行抗壓強度測試。

2.2 攪拌設備

采用單臥軌強制式混凝土攪拌機，型號：SJD-60，生產廠家：上海東星建材試驗設備有限公司，料倉容積：60L。

2.3 配合比

石屑混凝土配合比見表1，混凝土拌合用量為25L。

2.4 攪拌工藝

表1 石屑混凝土配合比

圖1 混凝土攪拌工藝流程圖

共采用五種攪拌工藝進行對比，攪拌工藝見圖1，石屑加水攪拌和減水劑攪拌時間見表2。

表2 石屑加水攪拌和減水劑攪拌時間

2.4.1 水規投料法

水規投料法是參考《水運工程混凝土試驗規程》（JTJ 270-98）規定進行設計，其投料順序為：加碎石→膠凝材→石屑→干拌30s→加入水和減水劑→攪拌150s→出料。

2.4.2 先拌砂漿法

先拌砂漿法的投料順序為：加入膠凝材→石屑→水和減水劑→攪拌90s 形成水泥砂漿→加入碎石→攪拌90s→出料。

2.4.3 先拌水泥凈漿法

先拌水泥凈漿法的投料順序為：加入膠凝材→水和減水劑→攪拌90s 形成水泥凈漿→加入石屑→碎石→攪拌90s→出料。

2.4.4 水泥裹砂石法

水泥裹砂石法的投料順序為：加入碎石和石屑→加入1/3 的拌合水→攪拌30s 使骨料濕潤→加入膠凝材→攪拌30s→加入剩余的拌合水和減水劑→攪拌120s→出料。

2.4.5 水泥裹砂法

水泥裹砂法的投料順序為：加入石屑→加部分拌合水30s（能使石屑含水率達到15%～20%）→投入碎石→攪拌30s→投入膠凝材→攪拌30s→加入剩余的拌合水和減水劑→攪拌90s→出料。

3 試驗結果與分析

3.1 試驗結果

采用相同的石屑混凝土配合比，相同的原材料，按上述五種方法拌合混凝土，比較不同投料順序制備的石屑混凝土的工作性能和抗壓強度。

工作性能主要檢測坍落度、倒坍落度流出時間、T500 流動度、擴展度、粘聚性、保水性等七項指標。

石屑混凝土試驗結果見表3。

3.2 試驗結果分析

3.2.1 工作性能結果分析

從圖2 可知，五種方法制備的混凝土的坍落度、擴展度和倒坍落度時間的變化具有一定規律性，即坍落度大，擴展度大，倒坍落度時間短。

表3 石屑混凝土性能統計

圖2 不同攪拌方法混凝土坍落度、擴展度和倒坍落度時間趨勢圖

從表3 可知F2、F4 的流動性、粘聚性和保水性均優于F1，F1 的流動性、粘聚性和保水性又優于F3 和F5；比較五種方法的流動性、粘聚性和保水性可知，F2 制備的混凝土的工作性能最優。

造成試驗結果差異的原因可能有兩個方面：一是石屑加水后攪拌時間——影響石屑吸水率和石屑的分散；二是減水劑攪拌時間——影響減水效果發揮[12]。由于石屑的石粉含量為10.8%，且石屑的吸水率較大，較長的加水后攪拌時間有助于石屑充分吸水，并充分分散石屑中的石粉；此外，本試驗用的HG97 聚羧酸高性能減水劑除對石屑有較好的分散效果外，且具有較強的保坍作用，較長時間的攪拌有助于減水劑性能的發揮，提高流動性。

由于F2 的石屑加水后攪拌時間和減水劑的攪拌時間均為最長的180s，均高于F1 的150s，其膠凝材料以及石粉的分散效果最好、減水劑效果發揮最好，所以F2的工作性能最好。

F3 石屑加水后攪拌的時間為90s，只有F1 攪拌時間150s 的60%，但F3 減水劑攪拌為180s，比F1 攪拌時間150s 增長了33%，可能由于石屑未能充分吸水，且石粉未能充分分散，使得減水劑可能過量，導致工作性能差。

F4 石屑加水后攪拌時間為180s，比F1 石屑加水后攪拌時間150s 增長了33%，F4 減水劑攪拌時間為120s比F1 減水劑攪拌150S 縮短了33%，可能由于在時間相同的情況下石屑攪拌時間的影響超過減水劑攪拌時間的影響，而導致F4 的工作性能優于F1。

F5 石屑加水后攪拌時間180s 比F1 的150S 增長了33%， 但是F5 減水劑攪拌時間為90s 比F1 縮短了60%，由于減水劑攪拌時間過短影響了其效率發揮，從而導致F1 的工作性能優于F5。

綜合上述五種方法分析可見，得到良好工作性能混凝土的前提是石屑有足夠的加水攪拌時間（不低于150s），且減水劑攪拌時間不能過短（不低于120s）。

3.2.2 強度結果分析

由表3 可知，F2、F4 和F5 制備的7d 混凝土的強度分別為36.5 MPa，36.1 MPa 和37.0 MPa，均高于F1制備的7d 混凝土的強度（32.0 MPa），分別增長了14.1%，12.8%和15.6%；F3 制備的7d 混凝土強度為28.8 MPa，比F1 降低了10.0%。F2、F4 和F5 制備的28d混凝土的強度分別為48.0 MPa，48.2 MPa，47.3 MPa，均高于F1 制備的28d 混凝土的強度（42.4 MPa），分別提高了13.2%，13.7%，11.6%；F3 制備的28d 混凝土強度為38.2 MPa，比F1 降低了9.9%。

造成這種結果的原因是由于不同的攪拌工藝改變了骨料與水泥石界面的粘結。F2、F4 和F5 通過“造殼”攪拌工藝，提高了水泥顆粒在單位時間內的水化程度，增強了骨料與水泥石界面的粘結[2，8]，從而改善了混凝土的性能，提高了混凝土強度。F2、F4 和F5 的7d 強度比F1 的7d 強度提高了12.8%～15.6%；F2、F4 和F5的28d 強度比F1 的28d 強度提高了11.6%～13.7%，“造殼”提高強度的規律與文獻[1]報道的一致，提高的幅度有一定的差距。F3 的7d 和28d 強度均低于F1 的原因是由于F3 工作性能較差，混凝土內部的結構不夠密實，骨料與水泥石界面的粘結比較差所致。

3.2.3 強度發展趨勢分析

從圖3 可知，在0～7d 階段，F2、F4 和F5 三種工藝制備的混凝土的發展速度均快于F1，F3 混凝土的發展速度落后于F1；在7～28d 階段，五條曲線的斜率接近，說明強度發展的速度比較接近。這是由于F2、F4、F5 石屑加水后攪拌時間長，減少了石屑中石粉的團聚現象，改善了工作性能，所以三者的工作性能均比F1 好。F2、F4、F5 三條曲線接近重疊，說明通過“造殼”攪拌工藝，在配合比相同的情況下，強度的發展速率接近，28d 強度也比較接近，最低的28d 強度是最高強度的98.1%，相差在2%以內。

圖3 混凝土強度發展趨勢

3.2.4 工作性能與強度關系

流動性、粘聚性和保水性是混凝土拌合物工作性的評價指標，流動性、粘聚性和保水性好，則拌合物的工作性能就好。從表3 可知，F2 和F4 制備的混凝土的工作性能與強度比較接近，F3 的工作性能與強度均劣于其他四種。所以，從表3 可知，石屑混凝土的工作性能與強度的關系呈現正向的規律性：工作性能好，混凝土的強度就高。這是由于混凝土工作性能好，混凝土內部均勻性和密實度比較好，混凝土的強度較高。

4 結論

⑴石屑混凝土拌合物的工作性能與石屑攪拌時間和減水劑攪拌時間有關，得到良好工作性能混凝土的前提是石屑有足夠的加水攪拌時間（不低于150s），且減水劑攪拌時間不能過短（不低于120s）。

⑵石屑混凝土的工作性能與強度有正向的規律性，工作性能好的混凝土，強度較高。

⑶先拌砂漿法、水泥裹砂石法和水泥裹砂法三種方法優于水規投料法，先拌水泥凈漿法劣于水規投料法。

⑷先拌砂漿法配制的石屑混凝土的工作性能最好，水泥裹砂石法配制的石屑混凝土的強度最高，綜合工作性能和強度因素，水泥裹砂石法最為理想。