基于新型搅拌控制参数的混凝土强度发展规律研究

翁智财 胡建伟 何龙 谢永江 刘子科 王月华 李康 蒋睿

1.中国铁道科学研究院集团有限公司 铁道建筑研究所， 北京 100081；2.中国铁道科学研究院集团有限公司 高速铁路轨道系统全国重点实验室， 北京 100081

铁路线路是条带状结构，其工程主要在交通不便，远离市区的区域建设，通常线路覆盖几百甚至上千公里，工程材料需要远距离运输。沿线工程材料质量波动大，尤其是混凝土材料。为保障铁路工程建设质量，我国铁路工程用混凝土基本上采用自建混凝土搅拌站的模式供应，以显著缩短混凝土运输距离，提高混凝土质量稳定性和生产效率［1-4］。但是，实际生产过程中，由于受到原材料质量波动影响，混凝土拌和物的稳定性能极易发生变化［5-7］，致使生产人员须要对混凝土状态人为干预与调整［8-9］。

目前，在搅拌站生产混凝土时通常采用监测搅拌机电流值或者固定搅拌时间的方式控制混凝土搅拌质量［10-11］。通过电流值判断混凝土搅拌状态对操作人员的经验要求极高，且判断混凝土状态缺少数据支撑［12-13］。固定搅拌时间基本可以保障混凝土的搅拌质量，但是混凝土原材料存在计量偏差等不确定因素［14］。这些因素会导致混凝土搅拌不足或过度搅拌，严重影响搅拌站混凝土的生产效率和生产质量。

基于搅拌机结构特点和混凝土拌和物状态监测方法的适用性。本文提出采用搅拌机主轴转矩和湿度传感器分别对混凝土搅拌状态进行监测，探明主轴转矩和湿度对混凝土搅拌状态的响应关系，分析搅拌时间与搅拌速度对混凝土强度的影响，探究混凝土状态的自动搅拌调控方法，为高效精确判断混凝土状态提供技术支撑。

1 试验方法

1.1 原材料与配合比

采用武汉华新水泥有限公司生产的P·O 42.5 水泥，比表面积为346 m2/kg；掺和料为湖北能源集团鄂州发电有限公司生产的F类Ⅰ级粉煤灰和武汉武新新型建材股份有限公司生产的S105级矿渣粉。水泥、粉煤灰和矿渣粉的化学组成见表1。细骨料采用武汉存冠建材有限公司生产的河砂，细度模数2.67。粗骨料采用大治市文启新型建材有限公司生产的5 ～ 20 mm的连续级配石灰岩碎石，粒径5 ～ 10 mm 碎石和10 ～20 mm 碎石按照4∶6 的质量比进行混合，空隙率为38%。减水剂为武汉源锦建材科技有限公司生产的聚羧酸高性能减水剂，减水率为25%。

表1 水泥、粉煤灰和矿渣粉的化学组成

本文采用不同强度等级的典型铁路结构混凝土，配合比见表2。

表2 典型铁路结构混凝土配合比kg·m-3

1.2 试验仪器

试验搅拌机是在可变频调整转速的立轴行星式搅拌机的基础上进行改装，见图1。在常规工控参数（电流值、输出功率）的基础上增加了判断混凝土均质化状态的新型搅拌控制参数（主轴转矩和湿度）。在搅拌机底部安装Hydronix 公司生产的HM-08 型湿度传感器，基于微波测试原理进行混凝土湿度测试。在搅拌机的电机和减速机之间通过扭矩传感器进行连接，电机工作时通过无线接收器进行数据采集，将实际输出扭矩通过控制系统进行输出，达到数据收集的效果。

图1 试验搅拌机及测试装置

1.3 测试方法

按GB/ T 50081—2019《混凝土物理力学性能试验方法标准》测试混凝土试件抗压强度，试件为边长10 cm的立方体。

考虑到混凝土拌和物中的水泥与水会发生反应，在加热情况下两者反应速度将大幅提升，难以用烘干法及时准确测量出与传感器接触的混凝土拌和物的湿度（或含水量）。这样就不能将湿度传感器测得的湿度信号测量值与混凝土拌和物的湿度通过标定建立关联。因此，本文直接采用湿度传感器测得的湿度信号非标定测量值来表征混凝土拌和物的湿度。

2 试验结果与讨论

2.1 混凝土搅拌状态在线监测方法及控制参数

混凝土从原材料投料到加水拌和过程是水泥、矿物掺和料、砂石骨料、水等多种原材料的物理混合均匀化过程，其混合均匀程度对混凝土拌和物的物理力学性能有着直接影响。为及时获取、表征混凝土在搅拌过程中的均匀化状态，通常采用基于搅拌机电流的传统搅拌控制参数的监测方法，本文采用基于搅拌机主轴转矩和混凝土湿度信号的新型搅拌控制参数的监测方法。传统、新型搅拌控制参数监测曲线分别见图2、图3。

图2 传统搅拌控制参数监测曲线

图3 新型搅拌控制参数监测曲线

由图2可知，随搅拌时间延长，搅拌机电流先增大然后趋于平缓。这是因为刚开始搅拌时，混凝土中各物料混合不均匀，搅拌阻力大，因而电流有一个逐渐升高的过程，之后随着混凝土不断均匀化，搅拌阻力降低，电流降低并处于稳定状态。然而，由于电流自身属性，在搅拌过程中电流呈锯齿状波动，致使对最终搅拌状态的判定比较困难。

从图3（a）可知，C30 和C40 混凝土的主轴转矩呈倒V 形变化，主轴转矩达到最大值后迅速降低，然后逐渐趋于稳定。C50、C60-1 和C60-2 三组混凝土的主轴转矩先迅速达到最大值，之后C50、C60-1 混凝土主轴转矩缓缓降低，然后逐渐趋于稳定，C60-2 混凝土主轴转矩一直在最大值附近波动，最终C60-2 混凝土主轴转矩明显高于其他混凝土。

由图3（b）可知，加水搅拌初期C30（水胶比为0.45）和C40（水胶比为0.38）混凝土的湿度明显增长，达到最大值后一直稳定在最大值附近。这是因为C30和C40混凝土水胶比较高，更容易搅拌均匀，混凝土拌和物湿度更快稳定。与之相反，加水搅拌初期C50（水胶比为0.30）和C60-1（水胶比为0.30）混凝土拌和物的湿度波动较明显。这是因为水胶比较低时混凝土搅拌阻力大，难以搅拌均匀。C60-2（水胶比为0.27）混凝土水胶比进一步降低，由于用水量明显降低，混凝土整体湿度反而能够在较短时间内稳定。

2.2 搅拌参数对混凝土抗压强度的影响

1）固定搅拌速度、调整搅拌时间

搅拌机控制器频率为50 Hz 时，搅拌机公转转速为21 r/min，自转转速为45 r/min。不同搅拌时间制备的混凝土抗压强度见图4。可知：①C30、C40、C50 和C60四个强度等级混凝土的抗压强度发展规律基本一致，3 ～ 56 d 龄期搅拌时间达到4 ～ 5 min 时混凝土3 ～56 d 龄期抗压强度达到最大值，继续搅拌并不会进一步提高混凝土抗压强度。②随龄期延长，搅拌时间对混凝土抗压强度的影响越来越小。值得注意的是，不同强度等级下搅拌时间为2 min 的混凝土抗压强度均比同龄期其他搅拌时间的混凝土抗压强度低，表明搅拌时间短不利于混凝土早期抗压强度增长。

图4 不同搅拌时间下混凝土的抗压强度

2）调整搅拌速度和搅拌时间

通过设置控制器频率来调整搅拌机转速，频率为30 Hz 时，搅拌机的公转速度为12.6 r/min，自转速度为27 r/min；频率为50 Hz 时，搅拌机的公转速度为21 r/min，自转速度为45 r/min；频率为70 Hz 时，搅拌机公转速度为29.4 r/min，自转速度为63 r/min。

不同频率和搅拌时间下C40 和C60-1 混凝土的抗压强度对比分别见图5和图6。

图5 不同频率和搅拌时间下C40混凝土的抗压强度

图6 不同频率和搅拌时间下C60-1混凝土的抗压强度

由图5 可知：①30、50、70 Hz 三种频率下C40 混凝土抗压强度发展规律基本一致，搅拌4 ～ 5 min 时混凝土3 ～ 56 d 龄期抗压强度达到最大值，继续搅拌并不会进一步提高混凝土抗压强度。②随龄期延长，搅拌时间对混凝土抗压强度的影响越来越小。

对比图5 和图6 可知：30、50、70 Hz 三种频率下C60-1 混凝土抗压强度发展规律与C40 混凝土基本一致。C60-1 混凝土3 ～ 56 d 龄期抗压强度达到最大值时搅拌时间为3 ～ 4 min，比C40 混凝土搅拌时间缩短了。搅拌时间延长，混凝土混合得更均匀，抗压强度逐渐增大；但搅拌时间达到临界值后，继续延长搅拌时间不会进一步提高混凝土抗压强度。C60-1 混凝土的水胶比比C40 混凝土低，达到最大抗压强度的搅拌时间反而短，这说明水胶比对C60-1 混凝土强度的影响大于搅拌时间的影响。

3 混凝土自动搅拌调控试验

混凝土原材料性能波动会导致拌和物状态不稳定。以砂子为例予以说明。砂子含水率存在较大波动时，混凝土的用水量或者减水剂用量难以准确计量，这样会导致混凝土拌和物工作性能偏小或者偏大，严重影响混凝土质量稳定性，且降低混凝土生产效率。鉴于此，首先获取主轴转矩和湿度对混凝土搅拌状态的影响规律后，通过搅拌参数实测值（主轴转矩或湿度）与设定目标阈值的差值对混凝土状态进行判定，然后通过调整用水量或减水剂用量对混凝土拌和物状态进行调控。

采用表1 中C40 混凝土配合比进行混凝土自动搅拌调控试验，结果见图7。其中，固定模式是根据C40配合比，将称量好的材料一次性投入搅拌机按常规方式进行搅拌。自动模式（加水）是将主轴扭矩目标阈值设定为（15 ± 2）N·m 或将混凝土湿度的目标阈值设定为（16 200 ± 300）。通过自动分次加水对混凝土拌和物状态进行调控。具体步骤：首先根据配合比将各原材料和80%水计量好，投入搅拌机中进行搅拌，搅拌180 s 对拌和物状态做初次判定；第一次自动加10%水，继续搅拌30 s，二次判定；第二次自动加10%水，继续搅拌30 s，再次判定。自动模式（加减水剂）与自动模式（加水）的区别就是把水换为减水剂。

图7 混凝土自动搅拌调控试验结果

由图7（a）可知：一旦混凝土用水量低于配合比设计的用水量，自动模式（加水）主轴转矩明显比固定搅拌模式时大，说明混凝土搅拌阻力变大，状态不佳。判定主轴转矩未达到设定目标阈值后，通过二次加水或加减水剂，可以使混凝土主轴转矩与目标阈值相当。这说明通过二次加水或加减水剂可实现混凝土状态的自动调控，不过二次加水或加减水剂对混凝土主轴转矩的调控效果存在滞后性。与固定模式相比，达到相同混凝土拌和物状态，采用主轴转矩的自动调控模式会增加混凝土的搅拌时间。

由图7（b）中的自动模式（加减水剂）曲线可知，若是用水量与配合比设计的用水量一致时，即便外加剂用量有较大差异，自动模式与固定模式湿度曲线差异不大。由自动模式（加水）曲线可知，混凝土湿度信号原始测量值对混凝土用水量极其敏感，一旦混凝土用水量低于配合比设计的用水量，混凝土湿度明显降低，这可用来在搅拌初期对混凝土用水量进行快速判定。

4 结论

1） 与常规工控参数电流相比，新型搅拌控制参数主轴转矩可更精确判定C30、C40、C50 和C60 混凝土的搅拌状态。采用湿度判定混凝土拌和物状态的准确性与混凝土拌和用水量密切相关，通常情况下更适用于对高水胶比混凝土状态的判定。

2）混凝土抗压强度随搅拌时间延长先增大然后趋于稳定。相同搅拌速度下，搅拌时间越长，混凝土早期抗压强度提高越显著；搅拌时间达到临界值后，继续延长搅拌时间，混凝土抗压强度基本不变。龄期越长，搅拌时间对混凝土抗压强度的影响越小。

3）通过采用基于主轴转矩和湿度参数监测的分级加水或加减水剂的自动搅拌调控方法，可解决现有混凝土生产质量波动的问题，为自动化、精细化和智能化调控混凝土状态提供技术支撑。