基于搅拌主机电流反馈的混凝土质量控制方法

周浩

（中铁二十四局集团上海铁建工程有限公司 上海 200070）

0 引言

按照国家规范的要求，混凝土搅拌站通常按施工配合比进行混凝土生产，而实际生产过程中，由于受骨料含水率的波动及混凝土原材料组分的不稳定因素影响，仅通过有限次数的含水率测定无法真实的反映骨料的含水状态，按其换算得到的施工配合比来指导混凝土的生产具有较大的局限性，这种方法并不能保证出厂混凝土的稳定性。在混凝土拌制过程中，主机反馈的电流值反映了搅拌机消耗功率的变化，按规定的搅拌时间达到的相对稳定电流区间与混凝土的状态具有一定的相关性，笔者通过参与某公路特大桥施工，在试生产阶段采用试验验证的方法制定了电流控制方案，并具体以立柱及预制梁混凝土的出厂控制为例，对方案的可靠性进行了验证。

1 试验方案

1.1 原材料

水泥采用淮安海螺水泥有限责任公司生产的P.O.42.5级水泥，符合GB 175—2007国家标准要求，具体的化学成分组成见表1；粉煤灰采用江苏吕电粉煤灰有限公司生产的F类Ⅰ级粉煤灰；细骨料采用徐州骆马湖中砂，细度模数为2.6；粗骨料采用安徽慈山五矿采石场生产的5～25mm连续二级配碎石；外加剂选用江苏苏博特新材料股份有限公司公司生产的JM-PCA聚羧酸高性能减水剂，掺量为1.2%；拌合用水为自来水。

表1 水泥的化学成分

1.2 混凝土配合比

该公路特大桥立柱混凝土设计强度等级为C30，预制梁混凝土设计强度等级为C50，具体配合比见表2。

表2 混凝土配合比

1.3 试验方法及设施

试验主要对搅拌主机电流值与混凝土状态相关的规律性进行探索，因此对非混凝土状态相关的其它影响因素应作充分考虑。搅拌主机的电流值与搅拌过程中搅拌机轴消耗的功率有关，主要受搅拌机自身技术状况、混凝土黏度及干稀状态、单盘搅拌数量及大电网电压波动的影响[1]。为便于结果分析，规定单盘混凝土按搅拌机公称容量进行拌制，投料顺序为：先投入骨料，再投入粉料并搅拌均匀，最后加水及外加剂进行搅拌。对搅拌主机采集的电流值按公式（1）、公式（2）[2]进行处理：

式中：I′——消除了电压波动影响的电流值（A）；

U——搅拌主机实际采集的电压值（V）；

I——搅拌主机实际采集的电流值（A）。

混凝土的匀质性按《混凝土搅拌机》（GB/T 9142—2000）进行测试，混凝土的相关拌合性能及后期的强度按《公路工程水泥及水泥混凝土试验规程》（JTG E30—2005）进行测试。

混凝土的生产使用HZS90工程混凝土搅拌站，搅拌主机型号为JS1500双卧轴强制式搅拌机，主电机额定功率为60kW，电流、电压采集装置按每六个月为周期进行校准。在生产过程中，当主机的空载电流与良好技术状况下的空载电流偏差较大时，应按要求对搅拌机进行维护保养。混凝土拌合性能采用坍落度测定仪及HC7L型直读式混凝土含气量测定仪进行测定，后期抗压强度采用TSY-2000型压力试验机进行测定。

2 结果分析与讨论

2.1 混凝土最佳搅拌时间的确定

在混凝土试生产阶段，按照表2的配合比进行混凝土的拌制，自搅拌机空载运行阶段至一盘混凝土完成搅拌，由搅拌主机对电流数据进行采集，结果见图1。

图1 单盘混凝土拌制时主机电流随时间变化曲线

按照图1的结果进行分析，搅拌初期电流相对恒定的阶段为搅拌机空载运行阶段，在图中时间约20s位置，搅拌机开始投料并强制拌和，此时电流瞬间变大，最大电流达到110A左右，随后电流大幅波动，此时由于各种材料未充分混合而处于分散状态，强制拌和需要耗用较大的功率，而电压维持在相对稳定的阶段，所以投料后搅拌主机电流值增大。对于C30混凝土，在图中时间约40s至约75s（C50混凝土为约40s至约100s）阶段，电流值呈现较快的下降速度，该阶段各种材料充分混合，水泥浆逐步形成，搅拌的阻力逐步减小，搅拌机消耗功率也随之减小，所以出现了电流的较快下降。图中时间约75s（C50混凝土为约100s）之后，主机电流值缓缓下降，最终处于一个相对稳定的区间。

单盘混凝土所需的搅拌时间往往是由混凝土的匀质性试验结果决定的[3]。当达到一定的拌和时间后，后续的搅拌对混凝土的性能改善效果并不明显。因此，在搅拌站混凝土试生产阶段按不同的搅拌时间对混凝土的匀质性等相关拌合性能指标进行检测，具体结果见表3。

表3 不同搅拌时间（自投料全部结束后开始计时）下混凝土拌合物的匀质性试验结果

通过表3可以发现，随着搅拌时间的延长，混凝土的坍落度及含气量逐渐增大，混凝土均匀性得以提高。对于C30混凝土，当搅拌时间为70s时，其拌合性能趋于相对稳定的状态且能达到设计及国家规范的要求，同时结合经济性的要求，C30混凝土的最佳搅拌时间确定为70s，此时主机电流在43.4～45.9A之间波动。对于C50混凝土，其拌合性能随搅拌时间的变化与C30混凝土具有类似的规律性，所不同的是，C50混凝土需要更长的搅拌时间才能达到其拌合性能的要求，这主要是由于C50混凝土具有较低的水胶比，且单方用水量低，胶凝材料用量高，搅拌形成的水泥浆较为粘稠，需要通过延长搅拌时间来达到各种材料间的充分混合，从而满足匀质性等拌合性能的各项要求。按照表3的试验结果，C50混凝土的最佳搅拌时间可确定为100s，此时主机电流在54.1～57.4A之间波动。

2.2 主机电流与混凝土坍落度及强度的相关性

在试生产阶段，C30混凝土按70s（C50混凝土为100s）的搅拌时间，通过改变混凝土单方用水量，由主机采集相对稳定区间的电流值，并对新拌混凝土的坍落度及28d标养抗压强度进行测定，为消除电压波动及搅拌机技术状况对电流的不利影响，对实际采集的电流值按公式（1）、（2）进行修正，得到有效电流值。具体结果见表4、表5。

表4 C30混凝土用水量变化时相关分析指标的变化

表5 C50混凝土用水量变化时相关分析指标的变化

根据表4、表5的结果可以发现，随着单方用水量的增加，主机负载相对稳定区间的电流最小值及有效电流值均有减小的趋势，同时新拌混凝土的坍落度增大，28d标养抗压强度降低。

搅拌主机有效电流值的降低说明了搅拌机叶片克服混凝土摩阻力消耗的功率在下降，按照新拌混凝土流变性能的宾汉姆体模型，混凝土的流变方程[4]为：

式中：τ（f，h，v）——混凝土的剪切应力（MPa）；

f——混凝土的屈服剪应力（MPa）；

a——系数，1＜a＜2（MPa/m2/s）；

h——混凝土的坍落度（cm）；

v——搅拌机叶片运动线速度（m/s）；

当用水量增大时，混凝土的坍落度增大，黏度降低，其屈服剪应力下降，从而混凝土的剪切应力变小，搅拌机消耗的功率降低。

通过比较可以发现，当单方用水量在理论配合比的基础上出现2kg的变化时，下限电流将发生0.4～0.5A（C50混凝土为0.3～0.5A）的变动，这个变动显然是容易被发现的，说明电流随用水量的变化具有较高的敏感性，这利于机台操作人员及时采取干预措施。根据表2的配合比，通过计算可以发现2kg用水量的变化相当于细骨料含水率发生了0.3%的变动，从料仓材料管理的角度来看，这种偏差是被允许的较为理想的状况，说明用电流判断的方法来实施用水量的调整可以达到较高的控制精度。

从表4、表5中电流与28d标养抗压强度变化关系可以看出，当单方加水量为20kg（C50混凝土为24kg）时，混凝土28d标养抗压强度为30.8MPa（C50混凝土为51.4MPa），从强度控制的角度其对应的电流区间可确定为下限电流区间，在生产过程中如果电流区间的最小值继续下探，将使不合格风险增大。按表2混凝土配合比进行计算，20kg用水量的变动相当于细骨料含水率发生了2.6%的变动（C50混凝土24kg用水量变动相当于细骨料含水率发生3.5%的变动），由此可见，当骨料的含水率不稳定而出现较大的波动时，如果不及时采取干预措施，不仅会使坍落度发生较大的变动，强度的离散性将变大，同时将加大不合格的风险。

2.3 电流控制的方法在混凝土生产中的应用

根据表4、表5的相关测定结果，对坍落度、强度与有效电流的关系曲线进行拟合，建立控制基准，见图2、图3。结合施工中混凝土的实际运距及季节气候的影响，为满足施工中对混凝土坍落度的要求，并考虑不同批次原材料质量波动可能对混凝土强度的不利影响，在实际生产中C30混凝土取[]=[42.5，46.5]作为控制电流区间。对于 C50 混凝土，考虑到预制梁张拉的强度要求，实际生产中取[]=[52.9，58.5]作为控制电流区间。当生产中搅拌主机电流突破控制电流区间的上限或下限时，由机台操作人员及时采取干预措施。值得注意的是，该电流区间是以380V的额定电压为基准换算得到的，实际生产过程中搅拌主机的电压通常在（100±5）%额定电压的范围内波动，生产技术人员应以主机显示的电压值按公式（2）进行反算，得到实际控制电流区间，图2、图3分别为某公路特大桥53根立柱及196片预制梁的混凝土质量控制曲线。

根据图2、图3坍落度的分布情况，坍落度沿曲线两侧以一定的偏差大体呈对称分布，说明生产控制中主机电流随坍落度的变化具有较好的规律性，分布的偏差主要由测定试验的偏差导致。根据图2、图3强度的分布情况，强度沿曲线两侧的分布具有不对称性，更多的强度数据低于控制基准，这种系统性偏差主要是由原材料品质的下降导致的，说明后续进场的原材料质量低于生产前期进场质量。

3 结论

（1）在混凝土拌制过程中，随着搅拌时间的延长，主机电流经过初期的大幅波动后逐步下降，搅拌到一定的时间后，主机电流逐步稳定在一定的范围内波动，此时对应的混凝土具有较好的匀质性，后续搅拌时间的延长并不能明显改善混凝土的拌合性能。

（2）在试生产阶段，按确定的最佳搅拌时间，通过改变单方用水量拌制混凝土，并测试混凝土的坍落度和后期强度，分析其相关性并建立了控制基准。结果显示，主机电流对用水量变化具有较高的敏感性，依据主机反馈的电流来及时调整混凝土用水量可达到较高的控制精度。相关性分析结果表明，有效电流与混凝土坍落度、强度之间具有较好的相关性。

（3）通过建立控制基准，确定了可行的电流控制方案，对混凝土出厂坍落度及后期强度进行检测并对结果进行统计分析。结果表明，在混凝土出厂前，应用电流分析的方法实施对混凝土质量控制可以达到较为理想的效果。

由于混凝土的质量受众多因素的影响，在生产过程中，技术人员应综合考虑季节气候、原材料质量波动情况等主要因素的变化，做好原材料的进场质量管理及混凝土性能的跟踪检测，根据各项反馈结果对电流控制方案实施动态调整，提高其适应性，从而更有效的保障混凝土的出厂质量。

图2 C30立柱混凝土坍落度及强度控制

图3 C50预制梁混凝土坍落度及强度控制