翁軍良，楊 鵬，張 旭，潘旭磊

(長安大學 道路施工技術與裝備教育部重點實驗室，陜西 西安 710064)

長期以來，我國現場施工現澆混凝土基本為普通混凝土。但是，隨著我國基礎設施建設的快速發(fā)展，特別是橋梁、高層建筑、港口等大量現代化土木工程項目的實施，對結構強度高、剛度大的高強混凝土的需求量也越來越大。高強混凝土是指采用常規(guī)的水泥、砂石為原材料，使用一般的制作工藝，通過添加高效減水劑或同時添加一定數量的活性礦物材料，使新拌混凝土擁有良好的工作性，并在硬化后具有高強高密實性能的水泥混凝土[1]。一般認為，強度等級≥C50的混凝土即為高強混凝土[2]?，F有高強混凝土攪拌技術是攪拌機通過常規(guī)攪拌工藝攪拌低水灰質量比的混凝土，由于高強混凝土水灰質量比小，細顆粒總量較多，拌合物內聚性較大，普通的自落式攪拌設備難以拌合均勻，一般采用強制式攪拌機[3]。雙臥軸攪拌機作為強制式攪拌機中的一種，以攪拌效率高、攪拌質量好的優(yōu)勢已成為當前攪拌設備中的主導機型，研究雙臥軸攪拌機對高強混凝土的攪拌性能非常重要。

1 雙臥軸攪拌機

1.1 結構與參數

采用JS100型雙臥軸混凝土攪拌機為試驗樣機，其攪拌電機型號為Y112M-4，額定功率為4 kW，輸出轉速為1 440 r/min；減速器減速比為20，攪拌軸輸出轉速為72 r/min，攪拌機的容量為100 L。試驗過程中，通過改變攪拌速度來實現高、低速攪拌，攪拌速度的變化通過變頻器調節(jié)攪拌電機的輸出轉速來實現，對應關系如表1所示。其中，攪拌速度是指攪拌葉片外端部的攪拌線速度。

表1 變頻器調節(jié)頻率與攪拌速度的對應關系

試驗樣機的結構如圖1所示，主要由攪拌電機、滾子鏈聯(lián)軸器、渦輪蝸桿減速器、攪拌機構、攪拌筒體等組成。其傳動方案為：兩攪拌電機輸出動力由兩渦輪蝸桿減速器分別驅動兩攪拌機構進行旋轉攪拌，其中兩渦輪蝸桿減速器之間由滾子鏈聯(lián)軸器強制兩攪拌機構同步按相反的方向旋轉。

1.2 工作原理

圖1 試驗用雙臥軸攪拌機

攪拌機構工作簡圖如圖2所示。攪拌機構是由水平安置在攪拌筒體上的兩根按相反方向轉動的攪拌軸、攪拌葉片及臂組成。攪拌臂沿軸向均勻布置，攪拌葉片固定在相應的攪拌臂外端，并且相對攪拌軸中心線成一定安裝角度，各攪拌葉片及臂前后上下都錯開了一定的空間，形成了間斷的螺旋結構，沿軸向和徑向產生了三維攪拌空間。工作時，兩攪拌軸帶動攪拌葉片及臂由內向外旋轉，強迫物料產生如圖2所示的圍流大循環(huán)運動和軸間小循環(huán)運動。圍流大循環(huán)是主要運動，能夠帶動物料在整個攪拌筒空間內大范圍的運動，消除投料時帶來的原始不均勻性，實現物料在攪拌筒內的均勻分布；軸間小循環(huán)是輔助運動，能夠使兩軸間的物料產生強烈的逆流運動，增大物料顆粒間的碰撞和揉搓，強化攪拌效果[4]。這種強制攪拌使物料在劇烈地相對運動中得到良好拌合。

圖2 攪拌機構工作簡圖

2 攪拌試驗

2.1 試驗材料

試驗混凝土采用同一配合比，設計強度等級為C70，水泥采用52.5硅酸鹽水泥，細骨料選擇級配良好(Ⅱ區(qū))的中砂，粗骨料為粒徑5～25 mm連續(xù)級配的石灰?guī)r碎石，礦粉采復合礦渣超微細粉，選擇UNF-5高效減水劑，其配合比為：m(水)：m(水泥)：m(礦粉)：m(砂)：m(碎石)=15.7:406:174:658:1 075,減水劑為水泥質量的1%左右。試驗樣機的容積為100 L，可得C70混凝土各組成材料的實際用量為：15.7 kg水，40.6 kg水泥，17.4 kg礦粉，65.8 kg砂，107.5 kg碎石，4.1 kg減水劑。

2.2 檢驗指標

σ的計算式為

式中 n為混凝土取樣的個數； fi為第i個試樣的強度，MPa。

2.3 試驗內容及結果分析

試驗采用同一配合比、相同試驗材料，研究雙臥軸攪拌機在不同攪拌工藝、不同攪拌參數下對高強混凝土的攪拌勻質性的影響。采用一次投料法(常規(guī)攪拌工藝)和預拌水泥砂漿法(新型攪拌工藝)對高強混凝土進行攪拌試驗，分別得出兩種攪拌工藝下的合理攪拌參數，并分析各攪拌參數對高強混凝土攪拌勻質性的影響，給出普通雙臥軸攪拌機攪拌高強混凝土的合理攪拌工藝和攪拌參數。

1)一次投料法

將砂、石、水泥、礦粉、水和減水劑一起加入攪拌筒內進行攪拌，采用人工投料方式，攪拌機開啟后，采用砂—水泥—石子—水的投料順序進行投料，其中水泥中已摻入礦粉，水中已融入減水劑。對3個不同攪拌速度(1.4，1.6，1.8 m/s)和攪拌時間(80，100，120 s)進行全部組合試驗，9組試驗結果如表2所示。其中，攪拌速度是指攪拌葉片外端部的攪拌線速度；攪拌時間是指從混合干料中所有粗骨料全部投入攪拌機開始，到開始卸料為止的時間。

表2 一次投料法試驗測試結果

由表2可知，9組試驗下的ΔM、ΔG都滿足標準要求，即宏觀上都已達到攪拌均勻。將表2中7 d平均抗壓強度和強度標準差擬合成曲線，如圖3、4所示。由圖3可知，雙臥軸攪拌機在攪拌速度為1.6 m/s時攪拌出的混凝土抗壓強度高于在其余2種攪拌速度，這說明雙臥軸攪拌機在攪拌速度為1.6 m/s時攪拌高強混凝土的效果最好，速度太高易產生攪拌離析，太低造成攪拌不均勻。在攪拌速度為1.6 m/s時，攪拌時間為100 和120 s的混凝土抗壓強度幾乎相等并且最高，但由圖4可知，攪拌時間為120 s時的混凝土強度標準差高于攪拌時間為100 s，這是因為攪拌時間過長時會產生過攪拌現象，使得混凝土的勻質性變差，強度標準差增大。用雙臥軸攪拌機一次投料法攪拌高強混凝土時，合理的攪拌參數為：攪拌速度為1.6 m/s，攪拌時間為100 s，此時混凝土7 d平均抗壓強度為63.12 MPa，強度標準差為0.77 MPa。

圖3 不同攪拌參數下的抗壓強度 圖4 不同攪拌參數下的強度標準差

2)預拌水泥砂漿法

預拌水泥砂漿法是一種新型攪拌工藝，屬于二次攪拌工藝。二次攪拌是指在考慮混凝土組分中各物料相互均勻混合作用的基礎上，利用投料、攪拌順序對混凝土內部結構形成的影響，綜合提高混凝土性能的工藝方法[7]。預拌水泥砂漿法是把所有砂、水泥、礦粉和部分水先攪拌，再放入全部石子和剩余水繼續(xù)攪拌，其工藝流程如圖5所示，其中，水泥為水泥和礦料摻合在一起的混合物，ψ1(水)為第一次加水占全部加水量的比例，ψ2(水)為融入了高效減水劑的剩余加水占全部加水的比例，t1為水泥砂漿攪拌時間，t2為混凝土攪拌時間。

實際中影響水泥混凝土攪拌勻質性的因素很多，全面試驗工作量大、周期長，為避免全面試驗帶來的不便，選取正交試驗。根據攪拌工藝確定本試驗的主要因素有水泥砂漿攪拌時間A(20，30，40，50 s)，混凝土攪拌時間B(40，50，60，70 s)，攪拌速度C(1.4，1.6，1.8，2.0 m/s)，第一次加水占全部加水量的比例D(50%，60%，70%，80%)，每個因素下4個水平，因而，本試驗屬于4因素4水平的正交試驗，采用正交表L16(45)來設計，試驗測試結果如表3所示。

圖5 水泥砂漿法流程圖

從表3可知，所有試驗下的ΔM、ΔG都滿足標準要求，即認為在所選各因素水平下，采用預拌水泥砂漿法攪拌C70高強混凝土，宏觀上都能達到攪拌均勻。然后對表征混凝土微觀勻質性的2個測試指標——平均抗壓強度和強度標準差進行極差分析，極差分析結果如表4、5和圖6、7所示。其中表4中ki為表3中各因素第i個水平的所有平均抗壓強度，MPa，例如因素A下的k1則為表3中水泥砂漿攪拌時間為20 s的所有4個7 d平均抗壓強度；表5中的中ki為表3中各因素第i個水平下的所有強度標準差的平均值，MPa。由表4可知，4種因素中因素A對7 d抗壓強度的影響最大，后面依次是因素D、C和B；由表5可知，4種因素中因素A對7 d抗壓強度標準差的影響仍最大，其后依次為因素C、B和D。由圖6可知，對混凝土7 d抗壓強度最有利的攪拌參數組合為A4B3C4D4；由圖7可知，對混凝土7 d抗壓強度標準差最優(yōu)的攪拌參數組合為A3B4C4D3。

極差分析雖然簡單明了，但是不能區(qū)分試驗結果的差異究竟是由于因素水平不同還是由于試驗誤差引起的，無法估計試驗誤差的大小。此外，各因素對試驗結果的影響無法給出精確的數量估計，不能提出判斷考察因素作用是否顯著的標準。為了彌補極差分析的缺陷，采用方差分析對上述2種不同最佳攪拌參數進行篩選，分析結果如表6、7所示。

表3 預拌水泥砂漿試驗測試結果

表4 平均抗壓強度的極差分析 MPa

表5 強度標準差的極差分析 MPa

圖6 抗壓強度影響因素與水平的關系 圖7 強度標準差影響因素與水平的關系

方差分析中顯著水平α表示在作出某種判斷時犯錯誤的概率，用1-α表示對某種判斷正確的把握。對不同的α，設置了不同的F分布表。按α=0.10,0.05,0.01定出3個顯著水平，根據因素的自由度3、實驗誤差的自由度3查出F0.1(3,3)=5.39、F0.05(3,3)=9.28、F0.01(3,3)=29.5，再將實際F與臨界Fα作比較以評價對指標影響的顯著性[8]。評價方案為：①F0.01(3,3)時，稱這個因素有高度顯著影響，記作“***”。

表6 平均抗壓強度的方差分析

表7 強度標準差的方差分析

由表6，7可知，因素A對7 d抗壓強度有高度顯著影響，因素C、D對7 d抗壓強度有顯著影響，因素B對7 d抗壓強度則無顯著影響；由表7可知，所選各因素都對強度標準差無顯著影響。

由極差分析和方差分析可知，所選4種因素都對強度標準差無顯著影響，而其中3種因素對混凝土7 d抗壓強度有顯著或高度顯著影響，故而在選擇合理攪拌參數時可以優(yōu)先考慮影響抗壓強度的最佳攪拌參數組合，認為雙臥軸攪拌機采用預拌水泥砂漿法攪拌高強混凝土的合理攪拌參數為A4B3C4D4，即：水泥砂漿攪拌時間為50 s，混凝土的攪拌時間為60 s，攪拌速度為2.0 m/s，第一次加水量為全部加水量的比例為80%。選取最佳攪拌參數進行一組驗證試驗，試驗結果是7 d 抗壓強度為71.33 MPa，強度標準差為1.71 MPa，證明選取的攪拌參數合理正確。

3)結果討論

由表2，3可知，采用預拌水泥砂漿法拌出的高強混凝土抗壓強度普遍高于一次投料法，且在各自最佳攪拌參數下，預拌水泥砂漿法拌出的混凝土抗壓強度比一次投料法大約提高13%。

圖8 混凝土試塊受壓破壞斷面

混凝土試塊受壓破壞的斷面如圖8所示。由圖8可知，水泥混凝土受到破壞時，破壞的是連接界面，并不是粗骨料承受不了壓力被壓碎而導致混凝土破壞。要提高混凝土的抗壓強度，需要提高混凝土的界面連接強度。預拌水泥砂漿法攪拌出的混凝土抗壓強度普遍高于一次投料法，這是由于預拌水泥砂漿法先攪拌形成了水泥砂漿，減少甚至避免了水泥顆粒團聚現象，提高了水泥顆粒的分散度，增強了水泥顆粒的水化程度；當干燥石子投入已拌好的水泥砂漿時，其表面形成一層包著石子的低水灰質量比的殼，提高了水泥石與集料的界面連接強度，細化了界面裂縫尺寸，改善了混凝土過渡區(qū)的微觀結構，故而有效提高了混凝土的密實度與抗壓強度。

由預拌水泥砂漿試驗的極差分析和方差分析可知，水泥砂漿攪拌時間是對預拌水泥砂漿法攪拌出的混凝土的微觀勻質性影響最大的因素，具有高度顯著影響；攪拌速度和第一次加水量為全部加水量的比例則對混凝土微觀勻質性具有顯著影響。即首先需要保證水泥砂漿攪拌時間充足，其次使用較高的攪拌速度和充足的第一次加水量為全部加水量的比例，水泥砂漿攪拌越均勻，水泥分散度越高，水泥顆粒的水化程度越高，有效改善了混凝土過渡區(qū)的微觀結構，提高了混凝土的抗壓強度。

對于預拌水泥砂漿法來說，水泥砂漿的攪拌均勻性是影響混凝土抗壓強度的關鍵因素，但應當注意，高速攪拌時水泥混凝土攪拌時間不應過長，否則會造成混凝土的攪拌勻質性變差，混凝土的抗壓強度變低。

3 結語

1)使用普通雙臥軸攪拌機采用一次投料法和預拌水泥砂漿法攪拌高強混凝土時，合理攪拌參數各不相同，其中一次投料法是的攪拌速度為1.6 m/s，攪拌時間為100 s；而預拌水泥砂漿法的水泥砂漿攪拌時間為50 s，混凝土的攪拌時間為60 s，攪拌速度為2.0 m/s，第一次加水量占部全加水量的比例為80%。

2)預拌水泥砂漿法拌出的高強混凝土抗壓強度普遍高于一次投料法，且在各自最佳攪拌參數下，預拌水泥砂漿法拌出的高強混凝土抗壓強度比一次投料法大約提高13%。預拌水泥砂漿法這種新型攪拌工藝比常規(guī)攪拌工藝更能有效地改善混凝土連接界面的微觀機構，提高混凝土的抗壓強度。

3)水泥砂漿攪拌均勻性是高品質混凝土的關鍵影響因素，而其中水泥砂漿攪拌時間則是首要因素，攪拌速度和一級加水量也是重要影響因素，只有合理選擇組合參數才能獲得高質量的攪拌混凝土。

參考文獻：

[1]吳義明，盧衍慶，何永嵩，等.C70混凝土的配制及其應用[J].混凝土,2001(5):47-50.

[2]李創(chuàng)團.高強混凝土技術現狀發(fā)展及應用前景[J].珠江現代建設,2000(2):14-16.

[3]潘忠仁，宋易莉，李曄.高強混凝土的應用分析[J].吉林交通科技,2004(2):21-23.

[4]趙利軍，馮忠緒，翁軍良，等.一種多返回葉片的雙臥軸攪拌裝置：中國，201220123718.6[P].2012-11-21.

[5]國家質量監(jiān)督檢驗檢疫總局.GB/T9142—2000 混凝土攪拌機[S].北京：中國標準出版社，2000.

[6]馮忠緒，姚錄廷.攪拌的新概念[J].工程機械,2005(1):64-66.

[7]王衛(wèi)中，馮忠緒，張曉波.混凝土二次攪拌工藝的探討[J].建筑機械,2008(5):89-91.

[8]程祖峰，孫秀娟，崔吉馨.混凝土腐蝕的正交試驗研究[J].吉林大學學報：地球科學版,2007,37(5):978-982.