攪拌工藝對(duì)石屑混凝土性能影響的試驗(yàn)研究

譚世霖 蔣雪琴 楊醫(yī)博 周啟源

（1 中國(guó)鐵建港航局集團(tuán)有限公司；2 華南理工大學(xué)土木工程系)

(3 華南理工大學(xué)亞熱帶建筑科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室）

0 引言

混凝土是由粗集料、細(xì)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(zhì)量直接影響建設(shè)產(chǎn)品的壽命，混凝土的攪拌工藝又直接影響混凝土的質(zhì)量[1-2]，因此合理選擇攪拌工藝，加強(qiáng)混凝土生產(chǎn)過(guò)程控制，具有重要的意義[3-4]。目前，國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者對(duì)混凝土的攪拌工藝進(jìn)行了研究[5-7]，研究結(jié)果認(rèn)為：二次攪拌改善了混凝土界面的微觀勻質(zhì)性；減少了水泥顆粒的團(tuán)聚現(xiàn)象，提高了水化程度；改善了混凝土界面區(qū)的水化物分布狀態(tài)，綜合提高了混凝土各項(xiàng)性能[8]。

石屑是生產(chǎn)碎石過(guò)程中篩出的副產(chǎn)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(diǎn)。為了研究石屑混凝土的制備方法，本課題組在對(duì)石屑的特性[9]以及石屑混凝土配合比設(shè)計(jì)研究[10-11]的基礎(chǔ)上，對(duì)石屑混凝土生產(chǎn)工藝進(jìn)行研究，就攪拌工藝對(duì)混凝土工作性能以及強(qiáng)度的影響進(jìn)行了試驗(yàn)研究，本文介紹相關(guān)的試驗(yàn)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(rùn)，二級(jí)粉煤灰；碎石：新會(huì)兆安石場(chǎng)，5mm～25mm 連續(xù)級(jí)配；石屑：新會(huì)云豐石場(chǎng)，顆粒級(jí)配Ⅱ級(jí)、細(xì)度模數(shù)3.1，石粉含量10.8%；減水劑：華南理工大學(xué)，HG97A 聚羧酸高性能減水劑；水：飲用水。

2 試驗(yàn)方案

參考《水運(yùn)工程混凝土試驗(yàn)規(guī)程》（JTJ 270-98）和《混凝土質(zhì)量控制手冊(cè)(第二版)》[4]，試驗(yàn)設(shè)計(jì)五種攪拌工藝，制備混凝土檢測(cè)拌合物的工作性能，并測(cè)定混凝土7d 和28d 的強(qiáng)度。

2.1 試驗(yàn)方法

全部用石屑代替河砂按不同的投料順序，依據(jù)GB/T50080—2016《普通混凝土拌合物性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》 對(duì)混凝土拌合物性能進(jìn)行試驗(yàn)研究。依據(jù)GB/T50081—2002《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》成型150mm 立方體試件、養(yǎng)護(hù)試件，并進(jìn)行抗壓強(qiáng)度測(cè)試。

2.2 攪拌設(shè)備

采用單臥軌強(qiáng)制式混凝土攪拌機(jī)，型號(hào)：SJD-60，生產(chǎn)廠家：上海東星建材試驗(yàn)設(shè)備有限公司，料倉(cāng)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(jìn)行對(duì)比，攪拌工藝見圖1，石屑加水?dāng)嚢韬蜏p水劑攪拌時(shí)間見表2。

表2 石屑加水?dāng)嚢韬蜏p水劑攪拌時(shí)間

2.4.1 水規(guī)投料法

水規(guī)投料法是參考《水運(yùn)工程混凝土試驗(yàn)規(guī)程》（JTJ 270-98）規(guī)定進(jìn)行設(shè)計(jì)，其投料順序?yàn)椋杭铀槭z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?yàn)椋杭尤肽z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?yàn)椋杭尤肽z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?yàn)椋杭尤胨槭褪肌尤?/3 的拌合水→攪拌30s 使骨料濕潤(rùn)→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?yàn)椋杭尤胧肌硬糠职韬纤?0s（能使石屑含水率達(dá)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(yàn)結(jié)果與分析

3.1 試驗(yàn)結(jié)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(qiáng)度。

工作性能主要檢測(cè)坍落度、倒坍落度流出時(shí)間、T500 流動(dòng)度、擴(kuò)展度、粘聚性、保水性等七項(xiàng)指標(biāo)。

石屑混凝土試驗(yàn)結(jié)果見表3。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.2.1 工作性能結(jié)果分析

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

表3 石屑混凝土性能統(tǒng)計(jì)

圖2 不同攪拌方法混凝土坍落度、擴(kuò)展度和倒坍落度時(shí)間趨勢(shì)圖

從表3 可知F2、F4 的流動(dòng)性、粘聚性和保水性均優(yōu)于F1，F(xiàn)1 的流動(dòng)性、粘聚性和保水性又優(yōu)于F3 和F5；比較五種方法的流動(dòng)性、粘聚性和保水性可知，F(xiàn)2 制備的混凝土的工作性能最優(yōu)。

造成試驗(yàn)結(jié)果差異的原因可能有兩個(gè)方面：一是石屑加水后攪拌時(shí)間——影響石屑吸水率和石屑的分散；二是減水劑攪拌時(shí)間——影響減水效果發(fā)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(zhǎng)的加水后攪拌時(shí)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(yàn)用的HG97 聚羧酸高性能減水劑除對(duì)石屑有較好的分散效果外，且具有較強(qiáng)的保坍作用，較長(zhǎng)時(shí)間的攪拌有助于減水劑性能的發(fā)揮，提高流動(dòng)性。

由于F2 的石屑加水后攪拌時(shí)間和減水劑的攪拌時(shí)間均為最長(zhǎng)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(fā)揮最好，所以F2的工作性能最好。

F3 石屑加水后攪拌的時(shí)間為90s，只有F1 攪拌時(shí)間150s 的60%，但F3 減水劑攪拌為180s，比F1 攪拌時(shí)間150s 增長(zhǎng)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(guò)量，導(dǎo)致工作性能差。

F4 石屑加水后攪拌時(shí)間為180s，比F1 石屑加水后攪拌時(shí)間150s 增長(zhǎng)了33%，F(xiàn)4 減水劑攪拌時(shí)間為120s比F1 減水劑攪拌150S 縮短了33%，可能由于在時(shí)間相同的情況下石屑攪拌時(shí)間的影響超過(guò)減水劑攪拌時(shí)間的影響，而導(dǎo)致F4 的工作性能優(yōu)于F1。

F5 石屑加水后攪拌時(shí)間180s 比F1 的150S 增長(zhǎng)了33%， 但是F5 減水劑攪拌時(shí)間為90s 比F1 縮短了60%，由于減水劑攪拌時(shí)間過(guò)短影響了其效率發(fā)揮，從而導(dǎo)致F1 的工作性能優(yōu)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?dāng)嚢钑r(shí)間（不低于150s），且減水劑攪拌時(shí)間不能過(guò)短（不低于120s）。

3.2.2 強(qiáng)度結(jié)果分析

由表3 可知，F(xiàn)2、F4 和F5 制備的7d 混凝土的強(qiáng)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(qiáng)度（32.0 MPa），分別增長(zhǎng)了14.1%，12.8%和15.6%；F3 制備的7d 混凝土強(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)度（42.4 MPa），分別提高了13.2%，13.7%，11.6%；F3 制備的28d 混凝土強(qiáng)度為38.2 MPa，比F1 降低了9.9%。

造成這種結(jié)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(jié)。F2、F4 和F5 通過(guò)“造殼”攪拌工藝，提高了水泥顆粒在單位時(shí)間內(nèi)的水化程度，增強(qiáng)了骨料與水泥石界面的粘結(jié)[2，8]，從而改善了混凝土的性能，提高了混凝土強(qiáng)度。F2、F4 和F5 的7d 強(qiáng)度比F1 的7d 強(qiáng)度提高了12.8%～15.6%；F2、F4 和F5的28d 強(qiáng)度比F1 的28d 強(qiáng)度提高了11.6%～13.7%，“造殼”提高強(qiáng)度的規(guī)律與文獻(xiàn)[1]報(bào)道的一致，提高的幅度有一定的差距。F3 的7d 和28d 強(qiáng)度均低于F1 的原因是由于F3 工作性能較差，混凝土內(nèi)部的結(jié)構(gòu)不夠密實(shí)，骨料與水泥石界面的粘結(jié)比較差所致。

3.2.3 強(qiáng)度發(fā)展趨勢(shì)分析

從圖3 可知，在0～7d 階段，F(xiàn)2、F4 和F5 三種工藝制備的混凝土的發(fā)展速度均快于F1，F(xiàn)3 混凝土的發(fā)展速度落后于F1；在7～28d 階段，五條曲線的斜率接近，說(shuō)明強(qiáng)度發(fā)展的速度比較接近。這是由于F2、F4、F5 石屑加水后攪拌時(shí)間長(zhǎng)，減少了石屑中石粉的團(tuán)聚現(xiàn)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(shuō)明通過(guò)“造殼”攪拌工藝，在配合比相同的情況下，強(qiáng)度的發(fā)展速率接近，28d 強(qiáng)度也比較接近，最低的28d 強(qiáng)度是最高強(qiáng)度的98.1%，相差在2%以內(nèi)。

圖3 混凝土強(qiáng)度發(fā)展趨勢(shì)

3.2.4 工作性能與強(qiáng)度關(guān)系

流動(dòng)性、粘聚性和保水性是混凝土拌合物工作性的評(píng)價(jià)指標(biāo)，流動(dòng)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，F(xiàn)2 和F4 制備的混凝土的工作性能與強(qiáng)度比較接近，F(xiàn)3 的工作性能與強(qiáng)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(qiáng)度的關(guān)系呈現(xiàn)正向的規(guī)律性：工作性能好，混凝土的強(qiáng)度就高。這是由于混凝土工作性能好，混凝土內(nèi)部均勻性和密實(shí)度比較好，混凝土的強(qiáng)度較高。

4 結(jié)論

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

⑵石屑混凝土的工作性能與強(qiáng)度有正向的規(guī)律性，工作性能好的混凝土，強(qiáng)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(yōu)于水規(guī)投料法，先拌水泥凈漿法劣于水規(guī)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(qiáng)度最高，綜合工作性能和強(qiáng)度因素，水泥裹砂石法最為理想。