双卧轴搅拌机对高强混凝土的搅拌试验研究

翁军良，杨 鹏，张 旭，潘旭磊

(长安大学 道路施工技术与装备教育部重点实验室，陕西 西安 710064)

长期以来，我国现场施工现浇混凝土基本为普通混凝土。但是，随着我国基础设施建设的快速发展，特别是桥梁、高层建筑、港口等大量现代化土木工程项目的实施，对结构强度高、刚度大的高强混凝土的需求量也越来越大。高强混凝土是指采用常规的水泥、砂石为原材料，使用一般的制作工艺，通过添加高效减水剂或同时添加一定数量的活性矿物材料，使新拌混凝土拥有良好的工作性，并在硬化后具有高强高密实性能的水泥混凝土[1]。一般认为，强度等级≥C50的混凝土即为高强混凝土[2]。现有高强混凝土搅拌技术是搅拌机通过常规搅拌工艺搅拌低水灰质量比的混凝土，由于高强混凝土水灰质量比小，细颗粒总量较多，拌合物内聚性较大，普通的自落式搅拌设备难以拌合均匀，一般采用强制式搅拌机[3]。双卧轴搅拌机作为强制式搅拌机中的一种，以搅拌效率高、搅拌质量好的优势已成为当前搅拌设备中的主导机型，研究双卧轴搅拌机对高强混凝土的搅拌性能非常重要。

1 双卧轴搅拌机

1.1 结构与参数

采用JS100型双卧轴混凝土搅拌机为试验样机，其搅拌电机型号为Y112M-4，额定功率为4 kW，输出转速为1 440 r/min；减速器减速比为20，搅拌轴输出转速为72 r/min，搅拌机的容量为100 L。试验过程中，通过改变搅拌速度来实现高、低速搅拌，搅拌速度的变化通过变频器调节搅拌电机的输出转速来实现，对应关系如表1所示。其中，搅拌速度是指搅拌叶片外端部的搅拌线速度。

表1 变频器调节频率与搅拌速度的对应关系

试验样机的结构如图1所示，主要由搅拌电机、滚子链联轴器、涡轮蜗杆减速器、搅拌机构、搅拌筒体等组成。其传动方案为：两搅拌电机输出动力由两涡轮蜗杆减速器分别驱动两搅拌机构进行旋转搅拌，其中两涡轮蜗杆减速器之间由滚子链联轴器强制两搅拌机构同步按相反的方向旋转。

1.2 工作原理

图1 试验用双卧轴搅拌机

搅拌机构工作简图如图2所示。搅拌机构是由水平安置在搅拌筒体上的两根按相反方向转动的搅拌轴、搅拌叶片及臂组成。搅拌臂沿轴向均匀布置，搅拌叶片固定在相应的搅拌臂外端，并且相对搅拌轴中心线成一定安装角度，各搅拌叶片及臂前后上下都错开了一定的空间，形成了间断的螺旋结构，沿轴向和径向产生了三维搅拌空间。工作时，两搅拌轴带动搅拌叶片及臂由内向外旋转，强迫物料产生如图2所示的围流大循环运动和轴间小循环运动。围流大循环是主要运动，能够带动物料在整个搅拌筒空间内大范围的运动，消除投料时带来的原始不均匀性，实现物料在搅拌筒内的均匀分布；轴间小循环是辅助运动，能够使两轴间的物料产生强烈的逆流运动，增大物料颗粒间的碰撞和揉搓，强化搅拌效果[4]。这种强制搅拌使物料在剧烈地相对运动中得到良好拌合。

图2 搅拌机构工作简图

2 搅拌试验

2.1 试验材料

试验混凝土采用同一配合比，设计强度等级为C70，水泥采用52.5硅酸盐水泥，细骨料选择级配良好(Ⅱ区)的中砂，粗骨料为粒径5～25 mm连续级配的石灰岩碎石，矿粉采复合矿渣超微细粉，选择UNF-5高效减水剂，其配合比为：m(水)：m(水泥)：m(矿粉)：m(砂)：m(碎石)=15.7:406:174:658:1 075,减水剂为水泥质量的1%左右。试验样机的容积为100 L，可得C70混凝土各组成材料的实际用量为：15.7 kg水，40.6 kg水泥，17.4 kg矿粉，65.8 kg砂，107.5 kg碎石，4.1 kg减水剂。

2.2 检验指标

σ的计算式为

式中 n为混凝土取样的个数； fi为第i个试样的强度，MPa。

2.3 试验内容及结果分析

试验采用同一配合比、相同试验材料，研究双卧轴搅拌机在不同搅拌工艺、不同搅拌参数下对高强混凝土的搅拌匀质性的影响。采用一次投料法(常规搅拌工艺)和预拌水泥砂浆法(新型搅拌工艺)对高强混凝土进行搅拌试验，分别得出两种搅拌工艺下的合理搅拌参数，并分析各搅拌参数对高强混凝土搅拌匀质性的影响，给出普通双卧轴搅拌机搅拌高强混凝土的合理搅拌工艺和搅拌参数。

1)一次投料法

将砂、石、水泥、矿粉、水和减水剂一起加入搅拌筒内进行搅拌，采用人工投料方式，搅拌机开启后，采用砂—水泥—石子—水的投料顺序进行投料，其中水泥中已掺入矿粉，水中已融入减水剂。对3个不同搅拌速度(1.4，1.6，1.8 m/s)和搅拌时间(80，100，120 s)进行全部组合试验，9组试验结果如表2所示。其中，搅拌速度是指搅拌叶片外端部的搅拌线速度；搅拌时间是指从混合干料中所有粗骨料全部投入搅拌机开始，到开始卸料为止的时间。

表2 一次投料法试验测试结果

由表2可知，9组试验下的ΔM、ΔG都满足标准要求，即宏观上都已达到搅拌均匀。将表2中7 d平均抗压强度和强度标准差拟合成曲线，如图3、4所示。由图3可知，双卧轴搅拌机在搅拌速度为1.6 m/s时搅拌出的混凝土抗压强度高于在其余2种搅拌速度，这说明双卧轴搅拌机在搅拌速度为1.6 m/s时搅拌高强混凝土的效果最好，速度太高易产生搅拌离析，太低造成搅拌不均匀。在搅拌速度为1.6 m/s时，搅拌时间为100 和120 s的混凝土抗压强度几乎相等并且最高，但由图4可知，搅拌时间为120 s时的混凝土强度标准差高于搅拌时间为100 s，这是因为搅拌时间过长时会产生过搅拌现象，使得混凝土的匀质性变差，强度标准差增大。用双卧轴搅拌机一次投料法搅拌高强混凝土时，合理的搅拌参数为：搅拌速度为1.6 m/s，搅拌时间为100 s，此时混凝土7 d平均抗压强度为63.12 MPa，强度标准差为0.77 MPa。

图3 不同搅拌参数下的抗压强度 图4 不同搅拌参数下的强度标准差

2)预拌水泥砂浆法

预拌水泥砂浆法是一种新型搅拌工艺，属于二次搅拌工艺。二次搅拌是指在考虑混凝土组分中各物料相互均匀混合作用的基础上，利用投料、搅拌顺序对混凝土内部结构形成的影响，综合提高混凝土性能的工艺方法[7]。预拌水泥砂浆法是把所有砂、水泥、矿粉和部分水先搅拌，再放入全部石子和剩余水继续搅拌，其工艺流程如图5所示，其中，水泥为水泥和矿料掺合在一起的混合物，ψ1(水)为第一次加水占全部加水量的比例，ψ2(水)为融入了高效减水剂的剩余加水占全部加水的比例，t1为水泥砂浆搅拌时间，t2为混凝土搅拌时间。

实际中影响水泥混凝土搅拌匀质性的因素很多，全面试验工作量大、周期长，为避免全面试验带来的不便，选取正交试验。根据搅拌工艺确定本试验的主要因素有水泥砂浆搅拌时间A(20，30，40，50 s)，混凝土搅拌时间B(40，50，60，70 s)，搅拌速度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%)，每个因素下4个水平，因而，本试验属于4因素4水平的正交试验，采用正交表L16(45)来设计，试验测试结果如表3所示。

图5 水泥砂浆法流程图

从表3可知，所有试验下的ΔM、ΔG都满足标准要求，即认为在所选各因素水平下，采用预拌水泥砂浆法搅拌C70高强混凝土，宏观上都能达到搅拌均匀。然后对表征混凝土微观匀质性的2个测试指标——平均抗压强度和强度标准差进行极差分析，极差分析结果如表4、5和图6、7所示。其中表4中ki为表3中各因素第i个水平的所有平均抗压强度，MPa，例如因素A下的k1则为表3中水泥砂浆搅拌时间为20 s的所有4个7 d平均抗压强度；表5中的中ki为表3中各因素第i个水平下的所有强度标准差的平均值，MPa。由表4可知，4种因素中因素A对7 d抗压强度的影响最大，后面依次是因素D、C和B；由表5可知，4种因素中因素A对7 d抗压强度标准差的影响仍最大，其后依次为因素C、B和D。由图6可知，对混凝土7 d抗压强度最有利的搅拌参数组合为A4B3C4D4；由图7可知，对混凝土7 d抗压强度标准差最优的搅拌参数组合为A3B4C4D3。

极差分析虽然简单明了，但是不能区分试验结果的差异究竟是由于因素水平不同还是由于试验误差引起的，无法估计试验误差的大小。此外，各因素对试验结果的影响无法给出精确的数量估计，不能提出判断考察因素作用是否显著的标准。为了弥补极差分析的缺陷，采用方差分析对上述2种不同最佳搅拌参数进行筛选，分析结果如表6、7所示。

表3 预拌水泥砂浆试验测试结果

表4 平均抗压强度的极差分析 MPa

表5 强度标准差的极差分析 MPa

图6 抗压强度影响因素与水平的关系 图7 强度标准差影响因素与水平的关系

方差分析中显著水平α表示在作出某种判断时犯错误的概率，用1-α表示对某种判断正确的把握。对不同的α，设置了不同的F分布表。按α=0.10,0.05,0.01定出3个显著水平，根据因素的自由度3、实验误差的自由度3查出F0.1(3,3)=5.39、F0.05(3,3)=9.28、F0.01(3,3)=29.5，再将实际F与临界Fα作比较以评价对指标影响的显著性[8]。评价方案为：①F0.01(3,3)时，称这个因素有高度显著影响，记作“***”。

表6 平均抗压强度的方差分析

表7 强度标准差的方差分析

由表6，7可知，因素A对7 d抗压强度有高度显著影响，因素C、D对7 d抗压强度有显著影响，因素B对7 d抗压强度则无显著影响；由表7可知，所选各因素都对强度标准差无显著影响。

由极差分析和方差分析可知，所选4种因素都对强度标准差无显著影响，而其中3种因素对混凝土7 d抗压强度有显著或高度显著影响，故而在选择合理搅拌参数时可以优先考虑影响抗压强度的最佳搅拌参数组合，认为双卧轴搅拌机采用预拌水泥砂浆法搅拌高强混凝土的合理搅拌参数为A4B3C4D4，即：水泥砂浆搅拌时间为50 s，混凝土的搅拌时间为60 s，搅拌速度为2.0 m/s，第一次加水量为全部加水量的比例为80%。选取最佳搅拌参数进行一组验证试验，试验结果是7 d 抗压强度为71.33 MPa，强度标准差为1.71 MPa，证明选取的搅拌参数合理正确。

3)结果讨论

由表2，3可知，采用预拌水泥砂浆法拌出的高强混凝土抗压强度普遍高于一次投料法，且在各自最佳搅拌参数下，预拌水泥砂浆法拌出的混凝土抗压强度比一次投料法大约提高13%。

图8 混凝土试块受压破坏断面

混凝土试块受压破坏的断面如图8所示。由图8可知，水泥混凝土受到破坏时，破坏的是连接界面，并不是粗骨料承受不了压力被压碎而导致混凝土破坏。要提高混凝土的抗压强度，需要提高混凝土的界面连接强度。预拌水泥砂浆法搅拌出的混凝土抗压强度普遍高于一次投料法，这是由于预拌水泥砂浆法先搅拌形成了水泥砂浆，减少甚至避免了水泥颗粒团聚现象，提高了水泥颗粒的分散度，增强了水泥颗粒的水化程度；当干燥石子投入已拌好的水泥砂浆时，其表面形成一层包着石子的低水灰质量比的壳，提高了水泥石与集料的界面连接强度，细化了界面裂缝尺寸，改善了混凝土过渡区的微观结构，故而有效提高了混凝土的密实度与抗压强度。

由预拌水泥砂浆试验的极差分析和方差分析可知，水泥砂浆搅拌时间是对预拌水泥砂浆法搅拌出的混凝土的微观匀质性影响最大的因素，具有高度显著影响；搅拌速度和第一次加水量为全部加水量的比例则对混凝土微观匀质性具有显著影响。即首先需要保证水泥砂浆搅拌时间充足，其次使用较高的搅拌速度和充足的第一次加水量为全部加水量的比例，水泥砂浆搅拌越均匀，水泥分散度越高，水泥颗粒的水化程度越高，有效改善了混凝土过渡区的微观结构，提高了混凝土的抗压强度。

对于预拌水泥砂浆法来说，水泥砂浆的搅拌均匀性是影响混凝土抗压强度的关键因素，但应当注意，高速搅拌时水泥混凝土搅拌时间不应过长，否则会造成混凝土的搅拌匀质性变差，混凝土的抗压强度变低。

3 结语

1)使用普通双卧轴搅拌机采用一次投料法和预拌水泥砂浆法搅拌高强混凝土时，合理搅拌参数各不相同，其中一次投料法是的搅拌速度为1.6 m/s，搅拌时间为100 s；而预拌水泥砂浆法的水泥砂浆搅拌时间为50 s，混凝土的搅拌时间为60 s，搅拌速度为2.0 m/s，第一次加水量占部全加水量的比例为80%。

2)预拌水泥砂浆法拌出的高强混凝土抗压强度普遍高于一次投料法，且在各自最佳搅拌参数下，预拌水泥砂浆法拌出的高强混凝土抗压强度比一次投料法大约提高13%。预拌水泥砂浆法这种新型搅拌工艺比常规搅拌工艺更能有效地改善混凝土连接界面的微观机构，提高混凝土的抗压强度。

3)水泥砂浆搅拌均匀性是高品质混凝土的关键影响因素，而其中水泥砂浆搅拌时间则是首要因素，搅拌速度和一级加水量也是重要影响因素，只有合理选择组合参数才能获得高质量的搅拌混凝土。

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