搅拌工艺对石屑混凝土性能影响的试验研究

谭世霖 蒋雪琴 杨医博 周启源

（1 中国铁建港航局集团有限公司；2 华南理工大学土木工程系)

(3 华南理工大学亚热带建筑科学国家重点实验室）

0 引言

混凝土是由粗集料、细集料、水、外加剂等原材料按一定比例搅拌而成的混合料。混凝土的质量直接影响建设产品的寿命，混凝土的搅拌工艺又直接影响混凝土的质量[1-2]，因此合理选择搅拌工艺，加强混凝土生产过程控制，具有重要的意义[3-4]。目前，国内外很多学者对混凝土的搅拌工艺进行了研究[5-7]，研究结果认为：二次搅拌改善了混凝土界面的微观匀质性；减少了水泥颗粒的团聚现象，提高了水化程度；改善了混凝土界面区的水化物分布状态，综合提高了混凝土各项性能[8]。

石屑是生产碎石过程中筛出的副产品，是河砂的替代品之一；与河砂相比，石屑具有表面粗糙、棱角尖锐、石粉含量多、需水率高的特点。为了研究石屑混凝土的制备方法，本课题组在对石屑的特性[9]以及石屑混凝土配合比设计研究[10-11]的基础上，对石屑混凝土生产工艺进行研究，就搅拌工艺对混凝土工作性能以及强度的影响进行了试验研究，本文介绍相关的试验成果。

1 原材料

水泥：江门海螺牌，P·O42.5，普通硅酸盐水泥；粉煤灰：湖南华润，二级粉煤灰；碎石：新会兆安石场，5mm～25mm 连续级配；石屑：新会云丰石场，颗粒级配Ⅱ级、细度模数3.1，石粉含量10.8%；减水剂：华南理工大学，HG97A 聚羧酸高性能减水剂；水：饮用水。

2 试验方案

参考《水运工程混凝土试验规程》（JTJ 270-98）和《混凝土质量控制手册(第二版)》[4]，试验设计五种搅拌工艺，制备混凝土检测拌合物的工作性能，并测定混凝土7d 和28d 的强度。

2.1 试验方法

全部用石屑代替河砂按不同的投料顺序，依据GB/T50080—2016《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》 对混凝土拌合物性能进行试验研究。依据GB/T50081—2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》成型150mm 立方体试件、养护试件，并进行抗压强度测试。

2.2 搅拌设备

采用单卧轨强制式混凝土搅拌机，型号：SJD-60，生产厂家：上海东星建材试验设备有限公司，料仓容积：60L。

2.3 配合比

石屑混凝土配合比见表1，混凝土拌合用量为25L。

2.4 搅拌工艺

表1 石屑混凝土配合比

图1 混凝土搅拌工艺流程图

共采用五种搅拌工艺进行对比，搅拌工艺见图1，石屑加水搅拌和减水剂搅拌时间见表2。

表2 石屑加水搅拌和减水剂搅拌时间

2.4.1 水规投料法

水规投料法是参考《水运工程混凝土试验规程》（JTJ 270-98）规定进行设计，其投料顺序为：加碎石→胶凝材→石屑→干拌30s→加入水和减水剂→搅拌150s→出料。

2.4.2 先拌砂浆法

先拌砂浆法的投料顺序为：加入胶凝材→石屑→水和减水剂→搅拌90s 形成水泥砂浆→加入碎石→搅拌90s→出料。

2.4.3 先拌水泥净浆法

先拌水泥净浆法的投料顺序为：加入胶凝材→水和减水剂→搅拌90s 形成水泥净浆→加入石屑→碎石→搅拌90s→出料。

2.4.4 水泥裹砂石法

水泥裹砂石法的投料顺序为：加入碎石和石屑→加入1/3 的拌合水→搅拌30s 使骨料湿润→加入胶凝材→搅拌30s→加入剩余的拌合水和减水剂→搅拌120s→出料。

2.4.5 水泥裹砂法

水泥裹砂法的投料顺序为：加入石屑→加部分拌合水30s（能使石屑含水率达到15%～20%）→投入碎石→搅拌30s→投入胶凝材→搅拌30s→加入剩余的拌合水和减水剂→搅拌90s→出料。

3 试验结果与分析

3.1 试验结果

采用相同的石屑混凝土配合比，相同的原材料，按上述五种方法拌合混凝土，比较不同投料顺序制备的石屑混凝土的工作性能和抗压强度。

工作性能主要检测坍落度、倒坍落度流出时间、T500 流动度、扩展度、粘聚性、保水性等七项指标。

石屑混凝土试验结果见表3。

3.2 试验结果分析

3.2.1 工作性能结果分析

从图2 可知，五种方法制备的混凝土的坍落度、扩展度和倒坍落度时间的变化具有一定规律性，即坍落度大，扩展度大，倒坍落度时间短。

表3 石屑混凝土性能统计

图2 不同搅拌方法混凝土坍落度、扩展度和倒坍落度时间趋势图

从表3 可知F2、F4 的流动性、粘聚性和保水性均优于F1，F1 的流动性、粘聚性和保水性又优于F3 和F5；比较五种方法的流动性、粘聚性和保水性可知，F2 制备的混凝土的工作性能最优。

造成试验结果差异的原因可能有两个方面：一是石屑加水后搅拌时间——影响石屑吸水率和石屑的分散；二是减水剂搅拌时间——影响减水效果发挥[12]。由于石屑的石粉含量为10.8%，且石屑的吸水率较大，较长的加水后搅拌时间有助于石屑充分吸水，并充分分散石屑中的石粉；此外，本试验用的HG97 聚羧酸高性能减水剂除对石屑有较好的分散效果外，且具有较强的保坍作用，较长时间的搅拌有助于减水剂性能的发挥，提高流动性。

由于F2 的石屑加水后搅拌时间和减水剂的搅拌时间均为最长的180s，均高于F1 的150s，其胶凝材料以及石粉的分散效果最好、减水剂效果发挥最好，所以F2的工作性能最好。

F3 石屑加水后搅拌的时间为90s，只有F1 搅拌时间150s 的60%，但F3 减水剂搅拌为180s，比F1 搅拌时间150s 增长了33%，可能由于石屑未能充分吸水，且石粉未能充分分散，使得减水剂可能过量，导致工作性能差。

F4 石屑加水后搅拌时间为180s，比F1 石屑加水后搅拌时间150s 增长了33%，F4 减水剂搅拌时间为120s比F1 减水剂搅拌150S 缩短了33%，可能由于在时间相同的情况下石屑搅拌时间的影响超过减水剂搅拌时间的影响，而导致F4 的工作性能优于F1。

F5 石屑加水后搅拌时间180s 比F1 的150S 增长了33%， 但是F5 减水剂搅拌时间为90s 比F1 缩短了60%，由于减水剂搅拌时间过短影响了其效率发挥，从而导致F1 的工作性能优于F5。

综合上述五种方法分析可见，得到良好工作性能混凝土的前提是石屑有足够的加水搅拌时间（不低于150s），且减水剂搅拌时间不能过短（不低于120s）。

3.2.2 强度结果分析

由表3 可知，F2、F4 和F5 制备的7d 混凝土的强度分别为36.5 MPa，36.1 MPa 和37.0 MPa，均高于F1制备的7d 混凝土的强度（32.0 MPa），分别增长了14.1%，12.8%和15.6%；F3 制备的7d 混凝土强度为28.8 MPa，比F1 降低了10.0%。F2、F4 和F5 制备的28d混凝土的强度分别为48.0 MPa，48.2 MPa，47.3 MPa，均高于F1 制备的28d 混凝土的强度（42.4 MPa），分别提高了13.2%，13.7%，11.6%；F3 制备的28d 混凝土强度为38.2 MPa，比F1 降低了9.9%。

造成这种结果的原因是由于不同的搅拌工艺改变了骨料与水泥石界面的粘结。F2、F4 和F5 通过“造壳”搅拌工艺，提高了水泥颗粒在单位时间内的水化程度，增强了骨料与水泥石界面的粘结[2，8]，从而改善了混凝土的性能，提高了混凝土强度。F2、F4 和F5 的7d 强度比F1 的7d 强度提高了12.8%～15.6%；F2、F4 和F5的28d 强度比F1 的28d 强度提高了11.6%～13.7%，“造壳”提高强度的规律与文献[1]报道的一致，提高的幅度有一定的差距。F3 的7d 和28d 强度均低于F1 的原因是由于F3 工作性能较差，混凝土内部的结构不够密实，骨料与水泥石界面的粘结比较差所致。

3.2.3 强度发展趋势分析

从图3 可知，在0～7d 阶段，F2、F4 和F5 三种工艺制备的混凝土的发展速度均快于F1，F3 混凝土的发展速度落后于F1；在7～28d 阶段，五条曲线的斜率接近，说明强度发展的速度比较接近。这是由于F2、F4、F5 石屑加水后搅拌时间长，减少了石屑中石粉的团聚现象，改善了工作性能，所以三者的工作性能均比F1 好。F2、F4、F5 三条曲线接近重叠，说明通过“造壳”搅拌工艺，在配合比相同的情况下，强度的发展速率接近，28d 强度也比较接近，最低的28d 强度是最高强度的98.1%，相差在2%以内。

图3 混凝土强度发展趋势

3.2.4 工作性能与强度关系

流动性、粘聚性和保水性是混凝土拌合物工作性的评价指标，流动性、粘聚性和保水性好，则拌合物的工作性能就好。从表3 可知，F2 和F4 制备的混凝土的工作性能与强度比较接近，F3 的工作性能与强度均劣于其他四种。所以，从表3 可知，石屑混凝土的工作性能与强度的关系呈现正向的规律性：工作性能好，混凝土的强度就高。这是由于混凝土工作性能好，混凝土内部均匀性和密实度比较好，混凝土的强度较高。

4 结论

⑴石屑混凝土拌合物的工作性能与石屑搅拌时间和减水剂搅拌时间有关，得到良好工作性能混凝土的前提是石屑有足够的加水搅拌时间（不低于150s），且减水剂搅拌时间不能过短（不低于120s）。

⑵石屑混凝土的工作性能与强度有正向的规律性，工作性能好的混凝土，强度较高。

⑶先拌砂浆法、水泥裹砂石法和水泥裹砂法三种方法优于水规投料法，先拌水泥净浆法劣于水规投料法。

⑷先拌砂浆法配制的石屑混凝土的工作性能最好，水泥裹砂石法配制的石屑混凝土的强度最高，综合工作性能和强度因素，水泥裹砂石法最为理想。