馬 骉 張文靜 秦 昉 李笑盈

(長安大學(xué)特殊地區(qū)公路工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室1) 西安 710064) (長安大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院2) 西安 710054)

投料攪拌工藝對(duì)嵌鎖密實(shí)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(xué)特殊地區(qū)公路工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室1)西安 710064) (長安大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)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(shí)水泥混凝土的勻質(zhì)性、強(qiáng)度與耐磨性試驗(yàn)，分析了投料攪拌工藝對(duì)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(qiáng)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(duì)于嵌鎖密實(shí)水泥混凝土，先拌砂漿法可顯著提高勻質(zhì)性、強(qiáng)度與耐磨性，凈漿裹石法與水泥裹砂石法會(huì)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(shí)水泥混凝土.

水泥混凝土；投料攪拌工藝；勻質(zhì)性；強(qiáng)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(duì)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(duì)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(duì)水泥混凝土粗集料骨架作用重視程度的提高，眾多學(xué)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(shí)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(shí)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(xiàn).

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(duì)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(yīng)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(qiáng)度梯度趨于平緩，微觀均勻性提高；漿殼硬化后強(qiáng)度較其他部位水泥石強(qiáng)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(tuán)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(qiáng)了漿體與骨料界面的粘結(jié)強(qiáng)度，從而顯著提高混凝土的密實(shí)性和強(qiáng)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(shí)性和強(qiáng)度.

分析認(rèn)為，投料攪拌工藝對(duì)嵌鎖密實(shí)水泥混凝土性能的影響也應(yīng)該在于造“殼”運(yùn)動(dòng)，但由于嵌鎖密實(shí)水泥混凝土的集料級(jí)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(huì)有所不同，影響程度也會(huì)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(qiáng)度和耐磨性試驗(yàn)，分析投料攪拌工藝對(duì)普通混凝土和嵌鎖密實(shí)混凝土的影響，優(yōu)選確定嵌鎖密實(shí)水泥混凝土的適宜投料攪拌工藝，為完善嵌鎖密實(shí)水泥混凝土設(shè)計(jì)與施工提供依據(jù).

1 試驗(yàn)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(xué)性能指標(biāo)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(yàn)配合比

水泥混凝土配合比設(shè)計(jì)抗壓強(qiáng)度等級(jí)為C40，坍落度為10～30 mm，根據(jù)原材料試驗(yàn)結(jié)果，設(shè)計(jì)得出普通水泥混凝土和嵌鎖密實(shí)水泥混凝土配合比見表1.

表1 水泥混凝土試驗(yàn)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(shí)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(duì)誤差表示混凝土拌合物的宏觀勻質(zhì)性.在測(cè)定混凝土拌合物勻質(zhì)性時(shí)，應(yīng)在出料堆前后的1/4和3/4處各取一份試樣，分別測(cè)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(shí)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(jì)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(jì)算混凝土拌合物中粗骨料質(zhì)量的相對(duì)誤差ΔG.

(2)

按照《混凝土攪拌機(jī)械》(GB/T9142-2000)規(guī)定，當(dāng)滿足粗骨料質(zhì)量相對(duì)誤差ΔG小于5%時(shí)認(rèn)為達(dá)到攪拌均勻；ΔG值越小，拌合物均勻性越好.

2) 抗彎拉強(qiáng)度、抗彎拉彈性模量和抗壓強(qiáng)度、耐磨性試驗(yàn) 試驗(yàn)分別依據(jù)《公路工程水泥及水泥混凝土試驗(yàn)規(guī)程》(JTGE30-2005)中T0558-2005抗彎拉強(qiáng)度、T0559-2005抗彎拉模量、T0562-2005抗壓強(qiáng)度、T0567-2005耐磨性試驗(yàn)規(guī)定進(jìn)行，水泥混凝土抗彎拉強(qiáng)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(duì)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(jī)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(cè)試坍落度，制成試塊;先拌砂漿法,將砂、水泥投入攪拌機(jī)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?jǐn)嚢杷c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?dāng)嚢?0s;水泥裹砂石法.采用部分?jǐn)嚢杷疂櫇裆昂退槭?，攪?0s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(yàn)分析

對(duì)普通水泥混凝土和嵌鎖密實(shí)混凝土采用四種拌和工藝拌制的混凝土進(jìn)行勻質(zhì)性試驗(yàn)，每個(gè)工藝分別進(jìn)行3組平行試驗(yàn)，共24組，測(cè)定其粗骨料質(zhì)量相對(duì)誤差ΔG，以評(píng)價(jià)4種拌和工藝的攪拌效果，試驗(yàn)結(jié)果見表2.

表2 投料攪拌工藝對(duì)水泥混凝土勻質(zhì)性的影響

由表2可見，對(duì)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(duì)于嵌鎖密實(shí)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(huì)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(jì)算普通水泥混凝土28d抗壓強(qiáng)度的標(biāo)準(zhǔn)差σ和離差系數(shù)CV，并在0.05的顯著性水平下進(jìn)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(qiáng)度值，MPa；f為水泥混凝土強(qiáng)度的均值，MPa.

表3 水泥混凝土勻質(zhì)性ΔG與抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)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(jì)學(xué)角度ΔCVG，σ及CV具有良好的相關(guān)性.通過分析，進(jìn)一步驗(yàn)證了采用ΔCVG評(píng)價(jià)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(duì)比嵌鎖密實(shí)水泥混凝土ΔCVG與其28d抗壓強(qiáng)度的標(biāo)準(zhǔn)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(jì)學(xué)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(duì)應(yīng)嵌鎖密實(shí)水泥混凝土的質(zhì)量越不穩(wěn)定.

對(duì)比分析可知，對(duì)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(duì)于嵌鎖密實(shí)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(yàn)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(gè)工藝分別進(jìn)行3組平行試驗(yàn)，共12組，進(jìn)行混凝土28d抗彎拉強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度、抗彎拉彈性模量和耐磨性試驗(yàn),結(jié)果見表4.

表4 普通水泥混凝土路用性能試驗(yàn)結(jié)果

由試驗(yàn)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(qiáng)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(qiáng)度比一次投料攪拌混凝土提高約22%，抗壓強(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)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(duì)普通水泥混凝土強(qiáng)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(yàn)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(shí)水泥混凝土

采用4種不同投料攪拌工藝拌制嵌鎖密實(shí)水泥混凝土，每個(gè)工藝分別進(jìn)行3組平行試驗(yàn)，共12組，進(jìn)行路用性能試驗(yàn).在不同齡期下的路用性能試驗(yàn)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(shí)水泥混凝土路用性能試驗(yàn)結(jié)果

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

圖1 不同工藝拌制嵌鎖密實(shí)水泥混凝土的 抗彎拉強(qiáng)度與齡期關(guān)系

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

4種投料攪拌工藝對(duì)嵌鎖密實(shí)水泥混凝土28d抗彎拉強(qiáng)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(qiáng)度明顯高于其他工藝拌制的混凝土，7d和28d抗彎拉強(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)度差異很小，但一次投料攪拌法混凝土的后期抗彎拉強(qiáng)度高于凈漿裹石法.

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

圖2 不同工藝拌制嵌鎖密實(shí)水泥混凝土的 抗壓強(qiáng)度與齡期關(guān)系

由圖2可見，4種投料攪拌工藝對(duì)嵌鎖密實(shí)水泥混凝土抗壓強(qiáng)度的影響與抗彎拉強(qiáng)度類似，先拌砂漿法拌制混凝土的抗壓強(qiáng)度最大，28d抗壓強(qiáng)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(qiáng)度最小.

3) 抗彎拉彈性模量試驗(yàn)分析 圖3為不同工藝拌制嵌鎖密實(shí)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(shí)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(shí)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(yàn)分析 由嵌鎖密實(shí)水泥混凝土28d齡期耐磨性試驗(yàn)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(shí)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(duì)嵌鎖密實(shí)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(qiáng)度、抗壓強(qiáng)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(huì)起到負(fù)面影響.

4 結(jié) 論

1) 勻質(zhì)性試驗(yàn)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(duì)嵌鎖密實(shí)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(huì)降低拌合物的勻質(zhì)性.

2) 投料攪拌工藝對(duì)水泥混凝土的強(qiáng)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(qiáng)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(shí)水泥混凝土的抗彎拉強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)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(shí)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(jì)劃(批準(zhǔn)號(hào)：2014BAG05B04)、交通運(yùn)輸部建設(shè)科技項(xiàng)目(批準(zhǔn)號(hào)：2013 318 490 010)資助

U414

10.3963/j.issn.2095-3844.2015.02.001

馬 骉(1972- )：男，工學(xué)博士，教授，主要研究領(lǐng)域?yàn)槁访娼Y(jié)構(gòu)與材料