投料攪拌工藝對嵌鎖密實水泥混凝土性能的影響分析*

馬 骉 張文靜 秦 昉 李笑盈

(長安大學特殊地區(qū)公路工程教育部重點實驗室1) 西安 710064) (長安大學環(huán)境科學與工程學院2) 西安 710054)

投料攪拌工藝對嵌鎖密實水泥混凝土性能的影響分析*

馬 骉1)張文靜1)秦 昉2)李笑盈1)

(長安大學特殊地區(qū)公路工程教育部重點實驗室1)西安 710064) (長安大學環(huán)境科學與工程學院2)西安 710054)

通過4種投料攪拌工藝拌制的普通水泥混凝土與嵌鎖密實水泥混凝土的勻質(zhì)性、強度與耐磨性試驗，分析了投料攪拌工藝對混凝土性能的影響.研究得出：分次投料攪拌工藝可提高普通水泥混凝土的勻質(zhì)性、強度與耐磨性，其中凈漿裹石法的提高效果最為顯著，水泥裹砂石法次之；而對于嵌鎖密實水泥混凝土，先拌砂漿法可顯著提高勻質(zhì)性、強度與耐磨性，凈漿裹石法與水泥裹砂石法會降低其性能.根據(jù)研究結(jié)果，推薦采用先拌砂漿法拌制嵌鎖密實水泥混凝土.

水泥混凝土；投料攪拌工藝；勻質(zhì)性；強度性能；耐磨性

0 引 言

隨著水泥混凝土技術(shù)的不斷發(fā)展和工程對混凝土要求的不斷提高，水泥混凝土開始向高性能、長壽命方向發(fā)展.目前主要采用增加水泥用量、使用外加劑或摻合料等措施提高混凝土性能，基本上都是基于水泥石理論，對占混凝土體積70%以上的粗集料的重視程度不足，且不利于環(huán)保與資源合理利用[1].隨著對水泥混凝土粗集料骨架作用重視程度的提高，眾多學者先后提出了“骨架嵌擠混凝土”“架構(gòu)混凝土”“粗集料骨架結(jié)構(gòu)”等概念[2-3].馬骉等[4-6]基于此提出了嵌鎖密實水泥混凝土，通過確定粗集料嵌鎖骨架結(jié)構(gòu)，再利用砂填充粗集料振實剩余空隙，最后用水泥凈漿潤滑和填充粗集料與砂的混合料的剩余空隙，平衡了粗集料和水泥石的貢獻.

投料攪拌工藝是水泥混凝土施工的主要環(huán)節(jié)，也是影響其性能的主要因素之一.自1992年日本提出水泥裹砂攪拌法(sand enveloped with cement， SEC)以來，研究人員開展了混凝土二次投料攪拌工藝及其對混凝土性能影響的相關(guān)研究[7-13].研究表明，投料攪拌影響水泥混凝土中水泥的水化反應及水泥-集料界面粘結(jié)層的形成，從而影響混凝土的性能；采用二次投料攪拌工藝可以在水泥混凝土骨料表面形成水泥漿殼，在界面過渡區(qū)漿體內(nèi)形成的水灰比梯度使固有強度梯度趨于平緩，微觀均勻性提高；漿殼硬化后強度較其他部位水泥石強度高，且堵塞了自由水分向骨料界面集中的通道，減緩了水分向骨料界面遷移的速度，從而避免了混凝土分層現(xiàn)象的發(fā)生；避免或減少了水泥團粒的形成，增加了水泥的分散度，提高了水泥顆粒的水化程度；增強了漿體與骨料界面的粘結(jié)強度，從而顯著提高混凝土的密實性和強度；凈漿裹石法與水泥裹砂石法均能顯著提高普通水泥混凝土的均勻性、密實性和強度.

分析認為，投料攪拌工藝對嵌鎖密實水泥混凝土性能的影響也應該在于造“殼”運動，但由于嵌鎖密實水泥混凝土的集料級配組成偏粗，較大粒徑粗集料顆粒較多，不同投料攪拌工藝下粗集料表面形成的“殼”和界面過渡區(qū)會有所不同，影響程度也會與普通水泥混凝土有所不同.為此，本研究通過一次投料攪拌、先拌砂漿、凈漿裹石、水泥裹砂石等4種不同投料攪拌工藝拌制的混凝土勻質(zhì)性、強度和耐磨性試驗，分析投料攪拌工藝對普通混凝土和嵌鎖密實混凝土的影響，優(yōu)選確定嵌鎖密實水泥混凝土的適宜投料攪拌工藝，為完善嵌鎖密實水泥混凝土設計與施工提供依據(jù).

1 試驗材料與方法

1.1 原材料

本研究采用秦嶺P·O42.5普通硅酸鹽水泥，其主要物理及力學性能指標均符合《公路水泥混凝土路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F30-2003)要求.

1.2 試驗配合比

水泥混凝土配合比設計抗壓強度等級為C40，坍落度為10～30 mm，根據(jù)原材料試驗結(jié)果，設計得出普通水泥混凝土和嵌鎖密實水泥混凝土配合比見表1.

表1 水泥混凝土試驗配合比

普通水泥混凝土粗集料組成質(zhì)量比為：20～30∶10～20∶5～10∶3～5=0.47∶0.37∶0.09∶0.07；嵌鎖密實水泥混凝土粗集料組成比例為：20～30∶10～20∶5～10∶3～5=0.582∶0.388∶0.02∶0.01.

1) 水泥混凝土拌合物的勻質(zhì)性 采用單位體積水泥混凝土拌合物中粗骨料質(zhì)量的相對誤差表示混凝土拌合物的宏觀勻質(zhì)性.在測定混凝土拌合物勻質(zhì)性時，應在出料堆前后的1/4和3/4處各取一份試樣，分別測得試樣的質(zhì)量W1和W2以及留存在5mm篩網(wǎng)上粗骨料干態(tài)時的質(zhì)量WG1和WG2，則單位體積混凝土拌合物粗骨料的質(zhì)量G(kg/L)按照式(1)計算.

(1)

式中：i取1或2；V為取樣容器的容積.

前后部位2部分試樣單位體積混凝土拌合物中粗骨料質(zhì)量G1,G2分別求出后，再按式(2)計算混凝土拌合物中粗骨料質(zhì)量的相對誤差ΔG.

(2)

按照《混凝土攪拌機械》(GB/T9142-2000)規(guī)定，當滿足粗骨料質(zhì)量相對誤差ΔG小于5%時認為達到攪拌均勻；ΔG值越小，拌合物均勻性越好.

2) 抗彎拉強度、抗彎拉彈性模量和抗壓強度、耐磨性試驗 試驗分別依據(jù)《公路工程水泥及水泥混凝土試驗規(guī)程》(JTGE30-2005)中T0558-2005抗彎拉強度、T0559-2005抗彎拉模量、T0562-2005抗壓強度、T0567-2005耐磨性試驗規(guī)定進行，水泥混凝土抗彎拉強度試件尺寸為150mm×150mm×550mm的梁試件.

3) 拌和方法 在相同原材料與配合比條件下，對比分析一次投料攪拌工藝及先拌砂漿法、凈漿裹石法與水泥裹砂石法3種分次(二次)投料攪拌工藝.具體拌制方法如下：一次投料攪拌法，將砂、水泥和碎石投入攪拌機內(nèi)干拌60s使其均勻后，加入攪拌水繼續(xù)拌和120s，出料后測試坍落度，制成試塊;先拌砂漿法,將砂、水泥投入攪拌機內(nèi)干拌30s使其均勻形成水泥沙，加入攪拌水與水泥砂繼續(xù)攪拌60s形成水泥砂漿，最后放入碎石繼續(xù)攪拌90s.凈漿裹石法：將部分攪拌水與水泥攪拌30s形成水泥凈漿，撒入碎石繼續(xù)攪拌60s，最后加入砂和剩余攪拌水攪拌90s;水泥裹砂石法.采用部分攪拌水潤濕砂和碎石，攪拌30s后放入水泥繼續(xù)攪拌60s，最后放入其余的水繼續(xù)攪拌90s.

2 拌合物勻質(zhì)性試驗分析

對普通水泥混凝土和嵌鎖密實混凝土采用四種拌和工藝拌制的混凝土進行勻質(zhì)性試驗，每個工藝分別進行3組平行試驗，共24組，測定其粗骨料質(zhì)量相對誤差ΔG，以評價4種拌和工藝的攪拌效果，試驗結(jié)果見表2.

表2 投料攪拌工藝對水泥混凝土勻質(zhì)性的影響

由表2可見，對普通水泥混凝土，分次投料攪拌法可顯著提高拌合物的勻質(zhì)性，其中凈漿裹石法與水泥裹砂石法的提高效果尤為明顯.對于嵌鎖密實水泥混凝土，先拌砂漿法能夠提高拌合物的勻質(zhì)性，而凈漿裹石法與水泥裹砂石法反而會降低拌合物的勻質(zhì)性.

拌合物勻質(zhì)性影響水泥混凝土的穩(wěn)定性，勻質(zhì)性越差的水泥混凝土，質(zhì)量越不穩(wěn)定，利用式(3)和式(4)計算普通水泥混凝土28d抗壓強度的標準差σ和離差系數(shù)CV，并在0.05的顯著性水平下進行相關(guān)性分析.

(3)

(4)

式中：n為試件的組數(shù)；fi為第i組試件的強度值，MPa；f為水泥混凝土強度的均值，MPa.

表3 水泥混凝土勻質(zhì)性ΔG與抗壓強度標準差σ和離差系數(shù)CV相關(guān)分析

由表3可見，普通水泥混凝土ΔCVG與σ的相關(guān)系數(shù)為0.967，ΔCVG與CV的相關(guān)系數(shù)為0.959，顯著性雙側(cè)均小于0.05，說明在統(tǒng)計學角度ΔCVG，σ及CV具有良好的相關(guān)性.通過分析，進一步驗證了采用ΔCVG評價普通水泥混凝土拌合質(zhì)量穩(wěn)定性是合理的，因此在水泥混凝土拌合過程中有必要控制其勻質(zhì)性.

對比嵌鎖密實水泥混凝土ΔCVG與其28d抗壓強度的標準差與離差系數(shù)，其勻質(zhì)性相關(guān)性分析結(jié)果見表3，可知ΔCVG與σ的相關(guān)系數(shù)為0.959，ΔCVG與CV的相關(guān)系數(shù)為0.963，顯著性雙側(cè)均小于0.05，說明在統(tǒng)計學角度也具有良好的相關(guān)性.由此可知，ΔCVG越大拌合物勻質(zhì)性越差，即對應嵌鎖密實水泥混凝土的質(zhì)量越不穩(wěn)定.

對比分析可知，對于普通水泥混凝土，各分次投料攪拌方法均能提高其拌合物勻質(zhì)性；對于嵌鎖密實水泥混凝土，只有先拌砂漿法提高了其拌合物的勻質(zhì)性，凈漿裹石和水泥裹砂石法均降低了拌合物勻質(zhì)性.

3 路用性能試驗分析

3.1 普通水泥混凝土

分別采用一次投料攪拌、先拌砂漿法、凈漿裹石法和水泥裹砂石法拌制普通水泥混凝土，其中，凈漿裹石法和水泥裹砂石法第一次加水量分別為總用水量的70%和74%.每個工藝分別進行3組平行試驗，共12組，進行混凝土28d抗彎拉強度、抗壓強度、抗彎拉彈性模量和耐磨性試驗,結(jié)果見表4.

表4 普通水泥混凝土路用性能試驗結(jié)果

由試驗結(jié)果可得，采用分次投料攪拌工藝所制普通水泥混凝土的強度和抗磨耗性能總體有所提高.其中凈漿裹石法的效果最顯著，28d抗彎拉強度比一次投料攪拌混凝土提高約22%，抗壓強度提高約13%，抗彎拉彈性模量提高約7%，單位面積磨損量減小約14%.水泥裹砂石法拌制的混凝土抗壓強度與先拌砂漿法混凝土基本相同，抗彎拉彈性模量有所減小，但抗彎拉強度和抗磨耗性能優(yōu)于先拌砂漿法混凝土.

投料攪拌工藝對普通水泥混凝土強度、模量和抗磨耗性能的影響，與混凝土拌合物勻質(zhì)性試驗結(jié)果一致，說明采用凈漿裹石法和水泥裹砂石法工藝，不但可提高混凝土的勻質(zhì)性，且可改善其路用性能.

3.2 嵌鎖密實水泥混凝土

采用4種不同投料攪拌工藝拌制嵌鎖密實水泥混凝土，每個工藝分別進行3組平行試驗，共12組，進行路用性能試驗.在不同齡期下的路用性能試驗結(jié)果見表5，其中凈漿裹石法和水泥裹砂石法的第一次加水量分別為總用水量的72%和77%.

表5 嵌鎖密實水泥混凝土路用性能試驗結(jié)果

1) 抗彎拉強度試驗分析 圖1為不同工藝拌制嵌鎖密實水泥混凝土的抗彎拉強度與齡期關(guān)系.

圖1 不同工藝拌制嵌鎖密實水泥混凝土的 抗彎拉強度與齡期關(guān)系

由圖1可見，對比不同投料攪拌工藝拌制的嵌鎖密實水泥混凝土的抗彎拉強度可得，嵌鎖密實水泥混凝土的抗彎拉強度均隨著齡期的延長而增大，7d前混凝土的抗彎拉強度形成較快，之后明顯減緩.

4種投料攪拌工藝對嵌鎖密實水泥混凝土28d抗彎拉強度的影響，與普通水泥混凝土明顯不同，但與拌合物勻質(zhì)性分析結(jié)果一致.先拌砂漿法拌制的混凝土抗彎拉強度明顯高于其他工藝拌制的混凝土，7d和28d抗彎拉強度比一次投料攪拌法提高約6%；水泥裹砂石法拌制的混凝土抗彎拉強度最小，一次投料攪拌和凈漿裹石法拌制的混凝土3d抗彎拉強度差異很小，但一次投料攪拌法混凝土的后期抗彎拉強度高于凈漿裹石法.

2) 抗壓強度試驗分析 圖2為不同工藝拌制嵌鎖密實水泥混凝土的抗壓強度與齡期關(guān)系.

圖2 不同工藝拌制嵌鎖密實水泥混凝土的 抗壓強度與齡期關(guān)系

由圖2可見，4種投料攪拌工藝對嵌鎖密實水泥混凝土抗壓強度的影響與抗彎拉強度類似，先拌砂漿法拌制混凝土的抗壓強度最大，28d抗壓強度比一次投料攪拌法提高約10%，水泥裹砂石法拌制混凝土的抗壓強度最小.

3) 抗彎拉彈性模量試驗分析 圖3為不同工藝拌制嵌鎖密實水泥混凝土的抗彎拉彈性模量與齡期關(guān)系.

圖3 不同工藝拌制嵌鎖密實水泥混凝土的 抗彎拉彈性模量與齡期關(guān)系

由圖3可見，不同工藝拌制的嵌鎖密實水泥混凝土抗彎拉彈性模量均隨著齡期的延長而不斷增大.先拌砂漿法和水泥裹砂石法拌制的混凝土抗彎拉彈性模量基本接近，一次投料攪拌和凈漿裹石法拌制的混凝土基本接近.先拌砂漿法混凝土的28d抗彎拉彈性模量比一次投料攪拌法提高約12%.

4) 耐磨性試驗分析 由嵌鎖密實水泥混凝土28d齡期耐磨性試驗結(jié)果可得，先拌砂漿法拌制的混凝土單位面積磨損量最小，比一次投料攪拌混凝土減小約9%；一次投料攪拌混凝土次之，凈漿裹石法拌制的混凝土其次，水泥裹砂石法拌制混凝土最大.說明先拌砂漿法拌制的嵌鎖密實水泥混凝土的抗磨耗性能最好，凈漿裹石法和水泥裹砂石法拌制的混凝土抗磨耗性能低于一次投料攪拌混凝土.

綜上所述可知，投料攪拌工藝對嵌鎖密實水泥混凝土路用性能的影響明顯不同于普通水泥混凝土，先拌砂漿法可以明顯提高混凝土的抗彎拉強度、抗壓強度、抗彎拉彈性模量和抗磨耗性能，而二次投料工藝中的凈漿裹石法和水泥裹砂石法卻會起到負面影響.

4 結(jié) 論

1) 勻質(zhì)性試驗表明，分次投料攪拌法能夠提高普通水泥混凝土的拌和質(zhì)量與勻質(zhì)性，其中凈漿裹石法與水泥裹砂石法提高效果尤為明顯；對嵌鎖密實水泥混凝土，先拌砂漿法能夠提高拌合物的勻質(zhì)性，凈漿裹石法與水泥裹砂石法會降低拌合物的勻質(zhì)性.

2) 投料攪拌工藝對水泥混凝土的強度、模量和抗磨耗性能的影響，與拌合物勻質(zhì)性分析結(jié)果基本一致；分次投料攪拌工藝拌制的普通水泥混凝土的強度和抗磨耗性能總體有所提高，其中凈漿裹石法的效果最顯著；先拌砂漿法拌制的嵌鎖密實水泥混凝土的抗彎拉強度、抗壓強度最大，抗彎拉彈性模量較高，抗磨耗性能最好.

3) 基于拌合物勻質(zhì)性和路用性能，推薦采用先拌砂漿法拌制嵌鎖密實水泥混凝土，有利于提高混凝土的拌和質(zhì)量均勻性和路用性能.

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Impact of Composite Mixing Process on the Performance of Interlocking-dense Concrete

MA Biao1)ZHANG Wenjing1)QIN Fang2)LI Xiaoying1)

(KeyLaboratoryofSpecialAreaHighwayEngineeringofMinistryofEducation,Chang’anUniversity,Xi’an710064,China)1)(SchoolofEnvironmentalScienceandEngineering,Chang’anUniversity，Xi’an710054,China)2)

Composite mixing process has a significant impact on the structure and performance of normal cement concrete.Through experiments on the uniformity,strength and wear resistance of normal cement concrete and interlocking-dense cement concrete with four kinds of composite mixing process,it analyses the influence of composite mixing process on the performance of cement concrete.The study implies that secondary composite mixing techniques can improve the uniformity,strength and wear resistance of ordinary concrete,among which the performance of the coarse aggregates enveloped with cement paste is the best,and the cement wrapped sandstones followed;for interlocking-dense cement concrete,the primary mixing of mortar has especially significant effect on the uniformity,strength and wear resistance,the coarse aggregates enveloped with cement paste and the cement wrapped sandstones decrease its performance.According to the results of the study,it is recommended that the primary mixing of mortar for interlocking-dense cement concrete should be used.

cement concrete; composite mixing techniques; uniformity; strength; wear resistance

2014-07-27

*“十二五”國家科技支撐計劃(批準號：2014BAG05B04)、交通運輸部建設科技項目(批準號：2013 318 490 010)資助

U414

10.3963/j.issn.2095-3844.2015.02.001

馬 骉(1972- )：男，工學博士，教授，主要研究領(lǐng)域為路面結(jié)構(gòu)與材料