周浩

（中鐵二十四局集團(tuán)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(jìn)行混凝土生產(chǎn)，而實(shí)際生產(chǎn)過程中，由于受骨料含水率的波動(dòng)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(shí)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(dǎo)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(jī)反饋的電流值反映了攪拌機(jī)消耗功率的變化，按規(guī)定的攪拌時(shí)間達(dá)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(guān)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(yàn)驗(yàn)證的方法制定了電流控制方案，并具體以立柱及預(yù)制梁混凝土的出廠控制為例，對方案的可靠性進(jìn)行了驗(yàn)證。

1 試驗(yàn)方案

1.1 原材料

水泥采用淮安海螺水泥有限責(zé)任公司生產(chǎn)的P.O.42.5級水泥，符合GB 175—2007國家標(biāo)準(zhǔn)要求，具體的化學(xué)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(xì)骨料采用徐州駱馬湖中砂，細(xì)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(xué)成分

1.2 混凝土配合比

該公路特大橋立柱混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級為C30，預(yù)制梁混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)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(yàn)方法及設(shè)施

試驗(yàn)主要對攪拌主機(jī)電流值與混凝土狀態(tài)相關(guān)的規(guī)律性進(jìn)行探索，因此對非混凝土狀態(tài)相關(guān)的其它影響因素應(yīng)作充分考慮。攪拌主機(jī)的電流值與攪拌過程中攪拌機(jī)軸消耗的功率有關(guān)，主要受攪拌機(jī)自身技術(shù)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(dòng)的影響[1]。為便于結(jié)果分析，規(guī)定單盤混凝土按攪拌機(jī)公稱容量進(jìn)行拌制，投料順序?yàn)椋合韧度牍橇?，再投入粉料并攪拌均勻，最后加水及外加劑進(jìn)行攪拌。對攪拌主機(jī)采集的電流值按公式（1）、公式（2）[2]進(jìn)行處理：

式中：I′——消除了電壓波動(dòng)影響的電流值（A）；

U——攪拌主機(jī)實(shí)際采集的電壓值（V）；

I——攪拌主機(jī)實(shí)際采集的電流值（A）。

混凝土的勻質(zhì)性按《混凝土攪拌機(jī)》（GB/T 9142—2000）進(jìn)行測試，混凝土的相關(guān)拌合性能及后期的強(qiáng)度按《公路工程水泥及水泥混凝土試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E30—2005）進(jìn)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(jī)型號為JS1500雙臥軸強(qiáng)制式攪拌機(jī)，主電機(jī)額定功率為60kW，電流、電壓采集裝置按每六個(gè)月為周期進(jìn)行校準(zhǔn)。在生產(chǎn)過程中，當(dāng)主機(jī)的空載電流與良好技術(shù)狀況下的空載電流偏差較大時(shí)，應(yīng)按要求對攪拌機(jī)進(jìn)行維護(hù)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(jìn)行測定，后期抗壓強(qiáng)度采用TSY-2000型壓力試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行測定。

2 結(jié)果分析與討論

2.1 混凝土最佳攪拌時(shí)間的確定

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

圖1 單盤混凝土拌制時(shí)主機(jī)電流隨時(shí)間變化曲線

按照圖1的結(jié)果進(jìn)行分析，攪拌初期電流相對恒定的階段為攪拌機(jī)空載運(yùn)行階段，在圖中時(shí)間約20s位置，攪拌機(jī)開始投料并強(qiáng)制拌和，此時(shí)電流瞬間變大，最大電流達(dá)到110A左右，隨后電流大幅波動(dòng)，此時(shí)由于各種材料未充分混合而處于分散狀態(tài)，強(qiáng)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(jī)電流值增大。對于C30混凝土，在圖中時(shí)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(jī)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(shí)間約75s（C50混凝土為約100s）之后，主機(jī)電流值緩緩下降，最終處于一個(gè)相對穩(wěn)定的區(qū)間。

單盤混凝土所需的攪拌時(shí)間往往是由混凝土的勻質(zhì)性試驗(yàn)結(jié)果決定的[3]。當(dāng)達(dá)到一定的拌和時(shí)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(shí)間對混凝土的勻質(zhì)性等相關(guān)拌合性能指標(biāo)進(jìn)行檢測，具體結(jié)果見表3。

表3 不同攪拌時(shí)間（自投料全部結(jié)束后開始計(jì)時(shí)）下混凝土拌合物的勻質(zhì)性試驗(yàn)結(jié)果

通過表3可以發(fā)現(xiàn)，隨著攪拌時(shí)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(dāng)攪拌時(shí)間為70s時(shí)，其拌合性能趨于相對穩(wěn)定的狀態(tài)且能達(dá)到設(shè)計(jì)及國家規(guī)范的要求，同時(shí)結(jié)合經(jīng)濟(jì)性的要求，C30混凝土的最佳攪拌時(shí)間確定為70s，此時(shí)主機(jī)電流在43.4～45.9A之間波動(dòng)。對于C50混凝土，其拌合性能隨攪拌時(shí)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(shí)間才能達(dá)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(shí)間來達(dá)到各種材料間的充分混合，從而滿足勻質(zhì)性等拌合性能的各項(xiàng)要求。按照表3的試驗(yàn)結(jié)果，C50混凝土的最佳攪拌時(shí)間可確定為100s，此時(shí)主機(jī)電流在54.1～57.4A之間波動(dòng)。

2.2 主機(jī)電流與混凝土坍落度及強(qiáng)度的相關(guān)性

在試生產(chǎn)階段，C30混凝土按70s（C50混凝土為100s）的攪拌時(shí)間，通過改變混凝土單方用水量，由主機(jī)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(biāo)養(yǎng)抗壓強(qiáng)度進(jìn)行測定，為消除電壓波動(dòng)及攪拌機(jī)技術(shù)狀況對電流的不利影響，對實(shí)際采集的電流值按公式（1）、（2）進(jìn)行修正，得到有效電流值。具體結(jié)果見表4、表5。

表4 C30混凝土用水量變化時(shí)相關(guān)分析指標(biāo)的變化

表5 C50混凝土用水量變化時(shí)相關(guān)分析指標(biāo)的變化

根據(jù)表4、表5的結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，隨著單方用水量的增加，主機(jī)負(fù)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(shí)新拌混凝土的坍落度增大，28d標(biāo)養(yǎng)抗壓強(qiáng)度降低。

攪拌主機(jī)有效電流值的降低說明了攪拌機(jī)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(yīng)力（MPa）；

f——混凝土的屈服剪應(yīng)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(jī)葉片運(yùn)動(dòng)線速度（m/s）；

當(dāng)用水量增大時(shí)，混凝土的坍落度增大，黏度降低，其屈服剪應(yīng)力下降，從而混凝土的剪切應(yīng)力變小，攪拌機(jī)消耗的功率降低。

通過比較可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)單方用水量在理論配合比的基礎(chǔ)上出現(xiàn)2kg的變化時(shí)，下限電流將發(fā)生0.4～0.5A（C50混凝土為0.3～0.5A）的變動(dòng)，這個(gè)變動(dòng)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(jī)臺操作人員及時(shí)采取干預(yù)措施。根據(jù)表2的配合比，通過計(jì)算可以發(fā)現(xiàn)2kg用水量的變化相當(dāng)于細(xì)骨料含水率發(fā)生了0.3%的變動(dòng)，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(shí)施用水量的調(diào)整可以達(dá)到較高的控制精度。

從表4、表5中電流與28d標(biāo)養(yǎng)抗壓強(qiáng)度變化關(guān)系可以看出，當(dāng)單方加水量為20kg（C50混凝土為24kg）時(shí)，混凝土28d標(biāo)養(yǎng)抗壓強(qiáng)度為30.8MPa（C50混凝土為51.4MPa），從強(qiáng)度控制的角度其對應(yīng)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(fēng)險(xiǎn)增大。按表2混凝土配合比進(jìn)行計(jì)算，20kg用水量的變動(dòng)相當(dāng)于細(xì)骨料含水率發(fā)生了2.6%的變動(dòng)（C50混凝土24kg用水量變動(dòng)相當(dāng)于細(xì)骨料含水率發(fā)生3.5%的變動(dòng)），由此可見，當(dāng)骨料的含水率不穩(wěn)定而出現(xiàn)較大的波動(dòng)時(shí)，如果不及時(shí)采取干預(yù)措施，不僅會(huì)使坍落度發(fā)生較大的變動(dòng)，強(qiáng)度的離散性將變大，同時(shí)將加大不合格的風(fēng)險(xiǎn)。

2.3 電流控制的方法在混凝土生產(chǎn)中的應(yīng)用

根據(jù)表4、表5的相關(guān)測定結(jié)果，對坍落度、強(qiáng)度與有效電流的關(guān)系曲線進(jìn)行擬合，建立控制基準(zhǔn)，見圖2、圖3。結(jié)合施工中混凝土的實(shí)際運(yùn)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(zhì)量波動(dòng)可能對混凝土強(qiáng)度的不利影響，在實(shí)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(yù)制梁張拉的強(qiáng)度要求，實(shí)際生產(chǎn)中取[]=[52.9，58.5]作為控制電流區(qū)間。當(dāng)生產(chǎn)中攪拌主機(jī)電流突破控制電流區(qū)間的上限或下限時(shí)，由機(jī)臺操作人員及時(shí)采取干預(yù)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(zhǔn)換算得到的，實(shí)際生產(chǎn)過程中攪拌主機(jī)的電壓通常在（100±5）%額定電壓的范圍內(nèi)波動(dòng)，生產(chǎn)技術(shù)人員應(yīng)以主機(jī)顯示的電壓值按公式（2）進(jìn)行反算，得到實(shí)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(yù)制梁的混凝土質(zhì)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(cè)以一定的偏差大體呈對稱分布，說明生產(chǎn)控制中主機(jī)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(yàn)的偏差導(dǎo)致。根據(jù)圖2、圖3強(qiáng)度的分布情況，強(qiáng)度沿曲線兩側(cè)的分布具有不對稱性，更多的強(qiáng)度數(shù)據(jù)低于控制基準(zhǔn)，這種系統(tǒng)性偏差主要是由原材料品質(zhì)的下降導(dǎo)致的，說明后續(xù)進(jìn)場的原材料質(zhì)量低于生產(chǎn)前期進(jìn)場質(zhì)量。

3 結(jié)論

（1）在混凝土拌制過程中，隨著攪拌時(shí)間的延長，主機(jī)電流經(jīng)過初期的大幅波動(dòng)后逐步下降，攪拌到一定的時(shí)間后，主機(jī)電流逐步穩(wěn)定在一定的范圍內(nèi)波動(dòng)，此時(shí)對應(yīng)的混凝土具有較好的勻質(zhì)性，后續(xù)攪拌時(shí)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(shí)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(qiáng)度，分析其相關(guān)性并建立了控制基準(zhǔn)。結(jié)果顯示，主機(jī)電流對用水量變化具有較高的敏感性，依據(jù)主機(jī)反饋的電流來及時(shí)調(diào)整混凝土用水量可達(dá)到較高的控制精度。相關(guān)性分析結(jié)果表明，有效電流與混凝土坍落度、強(qiáng)度之間具有較好的相關(guān)性。

（3）通過建立控制基準(zhǔn)，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(qiáng)度進(jìn)行檢測并對結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。結(jié)果表明，在混凝土出廠前，應(yīng)用電流分析的方法實(shí)施對混凝土質(zhì)量控制可以達(dá)到較為理想的效果。

由于混凝土的質(zhì)量受眾多因素的影響，在生產(chǎn)過程中，技術(shù)人員應(yīng)綜合考慮季節(jié)氣候、原材料質(zhì)量波動(dòng)情況等主要因素的變化，做好原材料的進(jìn)場質(zhì)量管理及混凝土性能的跟蹤檢測，根據(jù)各項(xiàng)反饋結(jié)果對電流控制方案實(shí)施動(dòng)態(tài)調(diào)整，提高其適應(yīng)性，從而更有效的保障混凝土的出廠質(zhì)量。

圖2 C30立柱混凝土坍落度及強(qiáng)度控制

圖3 C50預(yù)制梁混凝土坍落度及強(qiáng)度控制