基于攪拌主機電流反饋的混凝土質量控制方法

周浩

（中鐵二十四局集團上海鐵建工程有限公司 上海 200070）

0 引言

按照國家規(guī)范的要求，混凝土攪拌站通常按施工配合比進行混凝土生產(chǎn)，而實際生產(chǎn)過程中，由于受骨料含水率的波動及混凝土原材料組分的不穩(wěn)定因素影響，僅通過有限次數(shù)的含水率測定無法真實的反映骨料的含水狀態(tài)，按其換算得到的施工配合比來指導混凝土的生產(chǎn)具有較大的局限性，這種方法并不能保證出廠混凝土的穩(wěn)定性。在混凝土拌制過程中，主機反饋的電流值反映了攪拌機消耗功率的變化，按規(guī)定的攪拌時間達到的相對穩(wěn)定電流區(qū)間與混凝土的狀態(tài)具有一定的相關性，筆者通過參與某公路特大橋施工，在試生產(chǎn)階段采用試驗驗證的方法制定了電流控制方案，并具體以立柱及預制梁混凝土的出廠控制為例，對方案的可靠性進行了驗證。

1 試驗方案

1.1 原材料

水泥采用淮安海螺水泥有限責任公司生產(chǎn)的P.O.42.5級水泥，符合GB 175—2007國家標準要求，具體的化學成分組成見表1；粉煤灰采用江蘇呂電粉煤灰有限公司生產(chǎn)的F類Ⅰ級粉煤灰；細骨料采用徐州駱馬湖中砂，細度模數(shù)為2.6；粗骨料采用安徽慈山五礦采石場生產(chǎn)的5～25mm連續(xù)二級配碎石；外加劑選用江蘇蘇博特新材料股份有限公司公司生產(chǎn)的JM-PCA聚羧酸高性能減水劑，摻量為1.2%；拌合用水為自來水。

表1 水泥的化學成分

1.2 混凝土配合比

該公路特大橋立柱混凝土設計強度等級為C30，預制梁混凝土設計強度等級為C50，具體配合比見表2。

表2 混凝土配合比

1.3 試驗方法及設施

試驗主要對攪拌主機電流值與混凝土狀態(tài)相關的規(guī)律性進行探索，因此對非混凝土狀態(tài)相關的其它影響因素應作充分考慮。攪拌主機的電流值與攪拌過程中攪拌機軸消耗的功率有關，主要受攪拌機自身技術狀況、混凝土黏度及干稀狀態(tài)、單盤攪拌數(shù)量及大電網(wǎng)電壓波動的影響[1]。為便于結果分析，規(guī)定單盤混凝土按攪拌機公稱容量進行拌制，投料順序為：先投入骨料，再投入粉料并攪拌均勻，最后加水及外加劑進行攪拌。對攪拌主機采集的電流值按公式（1）、公式（2）[2]進行處理：

式中：I′——消除了電壓波動影響的電流值（A）；

U——攪拌主機實際采集的電壓值（V）；

I——攪拌主機實際采集的電流值（A）。

混凝土的勻質性按《混凝土攪拌機》（GB/T 9142—2000）進行測試，混凝土的相關拌合性能及后期的強度按《公路工程水泥及水泥混凝土試驗規(guī)程》（JTG E30—2005）進行測試。

混凝土的生產(chǎn)使用HZS90工程混凝土攪拌站，攪拌主機型號為JS1500雙臥軸強制式攪拌機，主電機額定功率為60kW，電流、電壓采集裝置按每六個月為周期進行校準。在生產(chǎn)過程中，當主機的空載電流與良好技術狀況下的空載電流偏差較大時，應按要求對攪拌機進行維護保養(yǎng)?；炷涟韬闲阅懿捎锰涠葴y定儀及HC7L型直讀式混凝土含氣量測定儀進行測定，后期抗壓強度采用TSY-2000型壓力試驗機進行測定。

2 結果分析與討論

2.1 混凝土最佳攪拌時間的確定

在混凝土試生產(chǎn)階段，按照表2的配合比進行混凝土的拌制，自攪拌機空載運行階段至一盤混凝土完成攪拌，由攪拌主機對電流數(shù)據(jù)進行采集，結果見圖1。

圖1 單盤混凝土拌制時主機電流隨時間變化曲線

按照圖1的結果進行分析，攪拌初期電流相對恒定的階段為攪拌機空載運行階段，在圖中時間約20s位置，攪拌機開始投料并強制拌和，此時電流瞬間變大，最大電流達到110A左右，隨后電流大幅波動，此時由于各種材料未充分混合而處于分散狀態(tài)，強制拌和需要耗用較大的功率，而電壓維持在相對穩(wěn)定的階段，所以投料后攪拌主機電流值增大。對于C30混凝土，在圖中時間約40s至約75s（C50混凝土為約40s至約100s）階段，電流值呈現(xiàn)較快的下降速度，該階段各種材料充分混合，水泥漿逐步形成，攪拌的阻力逐步減小，攪拌機消耗功率也隨之減小，所以出現(xiàn)了電流的較快下降。圖中時間約75s（C50混凝土為約100s）之后，主機電流值緩緩下降，最終處于一個相對穩(wěn)定的區(qū)間。

單盤混凝土所需的攪拌時間往往是由混凝土的勻質性試驗結果決定的[3]。當達到一定的拌和時間后，后續(xù)的攪拌對混凝土的性能改善效果并不明顯。因此，在攪拌站混凝土試生產(chǎn)階段按不同的攪拌時間對混凝土的勻質性等相關拌合性能指標進行檢測，具體結果見表3。

表3 不同攪拌時間（自投料全部結束后開始計時）下混凝土拌合物的勻質性試驗結果

通過表3可以發(fā)現(xiàn)，隨著攪拌時間的延長，混凝土的坍落度及含氣量逐漸增大，混凝土均勻性得以提高。對于C30混凝土，當攪拌時間為70s時，其拌合性能趨于相對穩(wěn)定的狀態(tài)且能達到設計及國家規(guī)范的要求，同時結合經(jīng)濟性的要求，C30混凝土的最佳攪拌時間確定為70s，此時主機電流在43.4～45.9A之間波動。對于C50混凝土，其拌合性能隨攪拌時間的變化與C30混凝土具有類似的規(guī)律性，所不同的是，C50混凝土需要更長的攪拌時間才能達到其拌合性能的要求，這主要是由于C50混凝土具有較低的水膠比，且單方用水量低，膠凝材料用量高，攪拌形成的水泥漿較為粘稠，需要通過延長攪拌時間來達到各種材料間的充分混合，從而滿足勻質性等拌合性能的各項要求。按照表3的試驗結果，C50混凝土的最佳攪拌時間可確定為100s，此時主機電流在54.1～57.4A之間波動。

2.2 主機電流與混凝土坍落度及強度的相關性

在試生產(chǎn)階段，C30混凝土按70s（C50混凝土為100s）的攪拌時間，通過改變混凝土單方用水量，由主機采集相對穩(wěn)定區(qū)間的電流值，并對新拌混凝土的坍落度及28d標養(yǎng)抗壓強度進行測定，為消除電壓波動及攪拌機技術狀況對電流的不利影響，對實際采集的電流值按公式（1）、（2）進行修正，得到有效電流值。具體結果見表4、表5。

表4 C30混凝土用水量變化時相關分析指標的變化

表5 C50混凝土用水量變化時相關分析指標的變化

根據(jù)表4、表5的結果可以發(fā)現(xiàn)，隨著單方用水量的增加，主機負載相對穩(wěn)定區(qū)間的電流最小值及有效電流值均有減小的趨勢，同時新拌混凝土的坍落度增大，28d標養(yǎng)抗壓強度降低。

攪拌主機有效電流值的降低說明了攪拌機葉片克服混凝土摩阻力消耗的功率在下降，按照新拌混凝土流變性能的賓漢姆體模型，混凝土的流變方程[4]為：

式中：τ（f，h，v）——混凝土的剪切應力（MPa）；

f——混凝土的屈服剪應力（MPa）；

a——系數(shù)，1＜a＜2（MPa/m2/s）；

h——混凝土的坍落度（cm）；

v——攪拌機葉片運動線速度（m/s）；

當用水量增大時，混凝土的坍落度增大，黏度降低，其屈服剪應力下降，從而混凝土的剪切應力變小，攪拌機消耗的功率降低。

通過比較可以發(fā)現(xiàn)，當單方用水量在理論配合比的基礎上出現(xiàn)2kg的變化時，下限電流將發(fā)生0.4～0.5A（C50混凝土為0.3～0.5A）的變動，這個變動顯然是容易被發(fā)現(xiàn)的，說明電流隨用水量的變化具有較高的敏感性，這利于機臺操作人員及時采取干預措施。根據(jù)表2的配合比，通過計算可以發(fā)現(xiàn)2kg用水量的變化相當于細骨料含水率發(fā)生了0.3%的變動，從料倉材料管理的角度來看，這種偏差是被允許的較為理想的狀況，說明用電流判斷的方法來實施用水量的調整可以達到較高的控制精度。

從表4、表5中電流與28d標養(yǎng)抗壓強度變化關系可以看出，當單方加水量為20kg（C50混凝土為24kg）時，混凝土28d標養(yǎng)抗壓強度為30.8MPa（C50混凝土為51.4MPa），從強度控制的角度其對應的電流區(qū)間可確定為下限電流區(qū)間，在生產(chǎn)過程中如果電流區(qū)間的最小值繼續(xù)下探，將使不合格風險增大。按表2混凝土配合比進行計算，20kg用水量的變動相當于細骨料含水率發(fā)生了2.6%的變動（C50混凝土24kg用水量變動相當于細骨料含水率發(fā)生3.5%的變動），由此可見，當骨料的含水率不穩(wěn)定而出現(xiàn)較大的波動時，如果不及時采取干預措施，不僅會使坍落度發(fā)生較大的變動，強度的離散性將變大，同時將加大不合格的風險。

2.3 電流控制的方法在混凝土生產(chǎn)中的應用

根據(jù)表4、表5的相關測定結果，對坍落度、強度與有效電流的關系曲線進行擬合，建立控制基準，見圖2、圖3。結合施工中混凝土的實際運距及季節(jié)氣候的影響，為滿足施工中對混凝土坍落度的要求，并考慮不同批次原材料質量波動可能對混凝土強度的不利影響，在實際生產(chǎn)中C30混凝土取[]=[42.5，46.5]作為控制電流區(qū)間。對于 C50 混凝土，考慮到預制梁張拉的強度要求，實際生產(chǎn)中取[]=[52.9，58.5]作為控制電流區(qū)間。當生產(chǎn)中攪拌主機電流突破控制電流區(qū)間的上限或下限時，由機臺操作人員及時采取干預措施。值得注意的是，該電流區(qū)間是以380V的額定電壓為基準換算得到的，實際生產(chǎn)過程中攪拌主機的電壓通常在（100±5）%額定電壓的范圍內波動，生產(chǎn)技術人員應以主機顯示的電壓值按公式（2）進行反算，得到實際控制電流區(qū)間，圖2、圖3分別為某公路特大橋53根立柱及196片預制梁的混凝土質量控制曲線。

根據(jù)圖2、圖3坍落度的分布情況，坍落度沿曲線兩側以一定的偏差大體呈對稱分布，說明生產(chǎn)控制中主機電流隨坍落度的變化具有較好的規(guī)律性，分布的偏差主要由測定試驗的偏差導致。根據(jù)圖2、圖3強度的分布情況，強度沿曲線兩側的分布具有不對稱性，更多的強度數(shù)據(jù)低于控制基準，這種系統(tǒng)性偏差主要是由原材料品質的下降導致的，說明后續(xù)進場的原材料質量低于生產(chǎn)前期進場質量。

3 結論

（1）在混凝土拌制過程中，隨著攪拌時間的延長，主機電流經(jīng)過初期的大幅波動后逐步下降，攪拌到一定的時間后，主機電流逐步穩(wěn)定在一定的范圍內波動，此時對應的混凝土具有較好的勻質性，后續(xù)攪拌時間的延長并不能明顯改善混凝土的拌合性能。

（2）在試生產(chǎn)階段，按確定的最佳攪拌時間，通過改變單方用水量拌制混凝土，并測試混凝土的坍落度和后期強度，分析其相關性并建立了控制基準。結果顯示，主機電流對用水量變化具有較高的敏感性，依據(jù)主機反饋的電流來及時調整混凝土用水量可達到較高的控制精度。相關性分析結果表明，有效電流與混凝土坍落度、強度之間具有較好的相關性。

（3）通過建立控制基準，確定了可行的電流控制方案，對混凝土出廠坍落度及后期強度進行檢測并對結果進行統(tǒng)計分析。結果表明，在混凝土出廠前，應用電流分析的方法實施對混凝土質量控制可以達到較為理想的效果。

由于混凝土的質量受眾多因素的影響，在生產(chǎn)過程中，技術人員應綜合考慮季節(jié)氣候、原材料質量波動情況等主要因素的變化，做好原材料的進場質量管理及混凝土性能的跟蹤檢測，根據(jù)各項反饋結果對電流控制方案實施動態(tài)調整，提高其適應性，從而更有效的保障混凝土的出廠質量。

圖2 C30立柱混凝土坍落度及強度控制

圖3 C50預制梁混凝土坍落度及強度控制