“二次投料”生產(chǎn)C 30混凝土的試驗(yàn)研究

王威，張作旺，高建洋，付東

（1. 河南海華工程建設(shè)管理股份有限公司，河南 鄭州 450000；2. 河南五建混凝土有限公司，河南 鄭州 450000）

0 引言

“一次投料”是將所有的原材料裝入攪拌機(jī)一起攪拌，常常是水包裹了石子。“二次投料”是先將除石子以外的材料攪拌成均勻的砂漿，投入石子后再攪拌，形成漿包石子，籍以提高混凝土抗壓強(qiáng)度，改善和易性。

“二次投料”生產(chǎn)混凝土技術(shù)運(yùn)用始于上世紀(jì)中葉美國(guó)，混凝土強(qiáng)度提高 8% 以上，改善了和易性，提高了耐久性。很快在發(fā)達(dá)國(guó)家流行起來。我國(guó)是在改革開放初期在各地運(yùn)用起來的，現(xiàn)在這項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)很成熟了。

“二次投料”有兩種方法：一種是先攪拌水泥漿，再將其余材料投入拌合成混凝土；第二種是先將石子除外的材料攪拌成水泥砂漿，再將石子投入拌合成混凝土。攪拌效果后者優(yōu)于前者。

本次試驗(yàn)研究的內(nèi)容包括：確定既經(jīng)濟(jì)又合理的C30 混凝土總攪拌時(shí)間 t；恰當(dāng)分配第一次攪拌時(shí)間 t1和第二次攪拌時(shí)間 t2，使混凝土性能達(dá)到最佳狀態(tài)。

1 試驗(yàn)方案

1.1 試驗(yàn)原材料及配合比

試驗(yàn)采用：鄭州天瑞 P·O42.5 水泥；濟(jì)源國(guó)泰 S95級(jí)礦粉；洛陽電廠 Ⅰ 級(jí)粉煤灰：鄭州賈峪 0～5mm 機(jī)制砂；鄭州賈峪 5～20mm 碎石；新鄉(xiāng)科之杰 Point-400高效減水劑；自來水。

C30 混凝土初次試驗(yàn)配合比采用河南五建近期生產(chǎn)使用的 C30 混凝土配合比，符合 JGJ 55—2011《普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》[1]，詳見表 1。

表1 C 30 混凝土配合比 k g/m3

1.2 總攪拌時(shí)間的確定

GB 50666—2011《混凝土結(jié)構(gòu)工程施工規(guī)范》[2]規(guī)定最短攪拌時(shí)間為 60s，在此基礎(chǔ)上增加了 5s 為 65s。

1.3 第一次與第二次攪拌時(shí)間選定

通過系統(tǒng)性試驗(yàn)，選定第一次攪拌時(shí)間 t1和第二次攪拌時(shí)間 t2。t1為 15s、20s、25s、30s、35s，相對(duì)應(yīng)的t2為 50s、45s、40s、35s、30s。

1.4 攪拌設(shè)備

選擇生產(chǎn)用 MA06750/4500SDYHB 型強(qiáng)制式攪拌機(jī)進(jìn)行生產(chǎn)性試驗(yàn)，這是為了避免先在試驗(yàn)室的攪拌機(jī)中做試驗(yàn)，再到生產(chǎn)用的攪拌機(jī)做驗(yàn)證性試驗(yàn)。一次完成試驗(yàn)，節(jié)省時(shí)間。

1.5 確定試件數(shù)量

C30 混凝土做了 6 批試驗(yàn)，每批 10 組。其中“一次投料”1 批，“二次投料”5 批。求出在配合比相同條件下“二次投料”與“一次投料”相比 28d 混凝土抗壓強(qiáng)度提高的比例。

2 “二次投料”兩次攪拌時(shí)間的確定

2.1 兩種攪拌方式 C 30 混凝土抗壓強(qiáng)度對(duì)比

6 批試驗(yàn) 28d 混凝土抗壓強(qiáng)度平均值見表 2。

表2 28 d 混凝土抗壓強(qiáng)度平均值 MP a

2.2 第一次攪拌時(shí)間的確定

將 6 批試驗(yàn)，每批混凝土的 7d、14d 和 28d 平均抗壓強(qiáng)度與對(duì)應(yīng)的第一次攪拌時(shí)間的關(guān)系繪制成曲線，見圖 1。圖中 t1=0 的 f 值是“一次投料”所得的混凝土抗壓強(qiáng)度。

圖1 f—t1 曲線圖

由圖 1 可知：

（1）t1在 15～35s 范圍內(nèi)變化時(shí)，曲線起伏平緩且對(duì)稱。

（2）t1在 25s 時(shí)，各齡期抗壓強(qiáng)度均達(dá)到最大值。

（3）f 達(dá)到最大值時(shí)，t1和 t2的比值是 0.625，接近黃金比例 0.618，偏差為 1.13%。

不同齡期“二次投料”與“一次投料”混凝土強(qiáng)度對(duì)比圖見圖 2，通過計(jì)算可得，使用“二次投料”生產(chǎn)方式，混凝土抗壓強(qiáng)度均提高了 8.0% 以上。

圖2 兩種投料方式混凝土強(qiáng)度對(duì)比圖

在總攪拌時(shí)間 t 確定后，第一次砂漿攪拌時(shí)間 t1從短到長(zhǎng)是砂漿均勻性提高的過程。最佳的點(diǎn)位即混凝土強(qiáng)度達(dá)到最大值時(shí)，砂漿的均勻性雖未達(dá)到極致，但是材料組合的、綜合的性能達(dá)到了極致，即砂漿包裹石子的均勻性達(dá)到了最佳狀態(tài)。這種特性是由于混凝土是多組分材料決定的。

按照本次試驗(yàn) C30 混凝土采用的配合比，對(duì)于不同齡期，在總攪拌時(shí)間 t 確定后，“二次投料”兩次攪拌時(shí)間 t1和 t2最佳分配比例都是黃金比例。

t1可按下式求得：t1/t2= t1/(t-t1) =0.618，t1=0.382t。

3 “二次投料”生產(chǎn)的 C30 混凝土工作性能

觀察“二次投料”5 批混凝土工作性能試驗(yàn)，混凝土呈現(xiàn)的狀態(tài)是“既能立得住，又能坍得開”，有較好的流動(dòng)性，便于混凝土澆灌密實(shí)，有利于提高混凝土的耐久性。

現(xiàn)場(chǎng)所用二次投料生產(chǎn)的混凝土比較黏稠，未見泌水和離析。當(dāng)混凝土坍落度達(dá)到 210～230mm 時(shí)，對(duì)應(yīng)的擴(kuò)展度為 580～625mm，擴(kuò)展度與坍落度之比的平均值接近常數(shù) 2.7。

從施工現(xiàn)場(chǎng)澆灌混凝土的情況看，機(jī)制砂的含粉量對(duì)混凝土的和易性有明顯的影響，宜按國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) GB/T 14684—2011《建筑用砂》[3]中的規(guī)定減半控制。

4 “二次投料”改進(jìn)試驗(yàn)

“二次投料”能提高混凝土性能是確定無疑的，如何做到既滿足混凝土性能需求又能節(jié)省材料、降低能耗呢？下面繼續(xù)進(jìn)行改進(jìn)試驗(yàn)。

4.1 改進(jìn) 1

在混凝土配合比不變的情況下，減少總攪拌時(shí)間5s，做了 10 組試驗(yàn)。選取 t=60s、t1=23s、t2=37s，兩次攪拌時(shí)間仍保持黃金比例。28d 抗壓強(qiáng)度見表 3。

表3 改進(jìn) 1 混凝土 28 d 抗壓強(qiáng)度 MP a

平均強(qiáng)度為 44.3MPa，與表 2 中相對(duì)應(yīng)的 46.5MPa比，攪拌時(shí)間減少了 7.7%，混凝土強(qiáng)度降低了 4.7%。

4.2 改進(jìn) 2

總攪拌時(shí)間減少 5s；1m3 混凝土減少水泥用量15kg，調(diào)整后的混凝土配合比見表 4。選取 t=60s，t1=23s、t2=37s。28d 混凝土抗壓強(qiáng)度見表 5。

表4 調(diào)整后的配合比k g/m3

表5 改進(jìn) 2 混凝土抗壓強(qiáng)度 MP a

平均強(qiáng)度為 43.3MPa。與表 2 中相對(duì)應(yīng)的 46.5MPa比，攪拌時(shí)間減少 7.7%，水泥減少了 7.7%，混凝土強(qiáng)度降低了 6.9%。雖然混凝土強(qiáng)度降低了，但仍能滿足需求還有較大富余，富余比例為：

式中：1.15 為混凝土強(qiáng)度評(píng)定系數(shù)。

表5 中混凝土強(qiáng)度最低值 42.8MPa，其富余比例為24.1%，仍很充裕。

5 “二次投料”生產(chǎn)工藝經(jīng)濟(jì)效益分析

（1）在攪拌時(shí)間 60s、“二次投料”方式相同的前提下，原配合比與新配合比的材料費(fèi)詳見表 6。

由表 6 可知，新配合比 1m3 混凝土成本節(jié)省 4.05元，約占現(xiàn)有利潤(rùn)的 29%。

從本文第 4 部分可以看出，“二次投料”生產(chǎn)工藝仍有改進(jìn)的余地，成本可以進(jìn)一步降低。

（2）采用“二次投料”生產(chǎn)混凝土工藝，在攪拌機(jī)底盤、內(nèi)壁與石子之間有砂漿介質(zhì)，砂漿成為石子與底盤、內(nèi)壁摩擦的潤(rùn)滑劑，降低了底盤、內(nèi)壁的磨損，攪拌機(jī)使用壽命得以延長(zhǎng)。

（3）“一次投料”生產(chǎn)混凝土，電流強(qiáng)度峰值為158～162A?！岸瓮读稀鄙a(chǎn)混凝土，第一次攪拌砂漿的電流峰值為 130～140A，第二次攪拌混凝土的電流峰值為 140～148A，與“一次投料”比平均降低了10%，從而降低了電流對(duì)原器件的沖擊，延長(zhǎng)了配電設(shè)備的使用期。

（4）兩種投料方式對(duì)比，“二次投料”的耗電量和電費(fèi)略低。

表6 混凝土材料成本對(duì)比

6 總結(jié)

（1）“二次投料”生產(chǎn)混凝土提高了混凝土中砂漿和混凝土的均勻性，使混凝土中各種材料組合的、綜合的性能達(dá)到了最佳狀態(tài)。

（2）“二次投料”生產(chǎn)的 C30 混凝土 28d 抗壓強(qiáng)度比“一次投料”提高 8.0% 以上。

（3）“二次投料”生產(chǎn) C30 混凝土總攪拌時(shí)間65s 很恰當(dāng)，第一次攪拌時(shí)間 t1與第二次攪拌時(shí)間 t2的最佳比例是黃金比例，第一次攪拌時(shí)間 t1=0.382t。

（4）采用“二次投料”生產(chǎn)方式，混凝土的工作性能明顯提高。

（5）在原 1m3混凝土配合比中，水泥用量可以減少 5kg，單方成本得以節(jié)約，單方利潤(rùn)得以增加 29%，經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益顯著。

附注：該文圖、表中所有數(shù)據(jù)全部來自“河南五建混凝土有限公司”試驗(yàn)資料。