水泥作为混凝土的主要组成部分, 其在生产过程中会排出大量的粉尘和有害气体, 严重污染环境^[1]。传统的水泥混凝土投料搅拌是按照配合比把计量后的水泥、掺和料、细集料、粗集料、水、外加剂混在一起搅拌的^[2]。但这种搅拌工艺存在如下缺点: (1) 胶凝材料加水后容易形成小胶凝团粒, 导致胶凝材料不能充分水化, 各组成材料之间也易形成大量气泡, 成为强度较薄弱环节, 影响混凝土的工作性、强度和耐久性, 同时还增加了拌锅内衬板和叶片的磨损;水胶比越小, 这些情况越严重^[3,4]。 (2) 由于集料表面具有亲水性, 在搅拌过程中会吸附大量水, 从而在粗集料表面形成高水胶比的净浆壳, 降低了与粗集料的黏结力^[5]。同时, 呈流塑状态时的混凝土中的粗、细集料会因密度大而向下移动, 水分、气泡等会因密度小而向上移动, 导致混凝土的匀质性与整体性较差^[6]。 (3) 以减水剂为主要外加剂的混凝土, 由于一次投料搅拌工艺同时掺加所有原材料, 一是水泥混合砂浆中的水分会快速渗入到集料孔隙中, 从而造成外加剂被集料吸收^[7];同时, 胶凝材料中的铝酸三钙等矿物组分会吸附一部分外加剂, 造成外加剂的浓度快速降低, 外加剂中起相互排斥、分散作用的减水组分和减缓混凝土坍落度损失的缓凝组分在胶凝材料中的比例相应下降, 减弱了对混凝土工作性、强度、耐久性影响大的外加剂在混凝土中的作用。经实践检验, 混凝土三次投料搅拌技术可以通过改变投料程序, 结合胶凝材料裹砂石法和滞水掺外加剂法, 减少外加剂在搅拌过程中被集料吸收或被胶凝材料吸附造成的浪费, 同时减少水泥用量, 在节约成本的同时也达到了保护生态环境的目的。

混凝土三次投料搅拌技术使用的主要材料包括水泥、掺和料、砂、石、水和以减水剂为主要成分的外加剂等。主要设备为实际工程中使用的混凝土生产设备, 包括搅拌机、装载机、混凝土运输车等。搅拌机要能设定搅拌时间及下料顺序并带有相应的能自动称量的粉料料仓、集料料斗、外加剂及水储存设施等。

在原有混凝土搅拌技术的基础上, 对投料程序进行调整, 采取混凝土三次投料搅拌技术, 具体操作如下: (1) 第1次投料搅拌将全部的胶凝材料、细集料以及60%~80%的配合比用水投入拌锅中搅拌成砂浆, 此时, 细集料会充分吸收水分至饱和状态, 防止后期投入的外加剂渗入到细集料的空隙中造成浪费。同时, 细集料吸水过程中, 胶凝材料会充分分散在细集料表面, 防止胶凝材料团聚成颗粒, 影响混凝土强度。 (2) 第2次投料搅拌将粗集料和剩余的水投入拌锅中搅拌, 细集料表面浆壳在投入剩余的拌合用水后变稀, 从而形成水灰比梯度。同时粗集料会吸收包裹在表面稀砂浆中的部分水, 从而降低界面浆体的水灰比, 即在粗集料界面过渡区形成了水灰比梯度。 (3) 第3次投料搅拌投入外加剂搅拌, 集料内的水分与胶凝材料浆体内部的水分及外加剂无法相互渗透结合, 胶凝材料颗粒表面形成的水膜会减弱铝酸三钙等矿物组分对滞后于水添加的外加剂的吸附, 提高外加剂对水泥等胶凝材料的适应性。 (4) 搅拌时间总搅拌时间宜在45~180s。三次投料搅拌时间的比例优选为:第1次投料搅拌时间∶第2次投料搅拌时间∶第3次投料搅拌时间=1∶2∶2。第1次投料搅拌时间宜取9~36s;第2次投料搅拌时间宜取18~72s;第3次投料搅拌时间宜取18~72s。 (5) 其他注意事项为使搅拌效果更好, 如果搅拌时间和设备条件允许, 第1次投料可以再细分为2步:第1步先把细集料、部分配合比用水投入搅拌, 湿润细集料表面;第2步再投入胶凝材料, 搅拌成砂浆。

为了将三次投料搅拌技术生产的混凝土性能与传统工艺生产的混凝土性能进行对比, 在相同条件下采用传统工艺与三次投料技术搅拌C20, C30混凝土制作12组标准试块进行试验^[8], 其中C20混凝土配合比 (质量比) 为水泥∶碎石∶砂∶水∶泵送剂=1∶3.75∶2.93∶0.59∶0.025, C30混凝土配合比 (质量比) 为水泥∶碎石∶砂∶水∶泵送剂=1∶3.22∶2.15∶0.50∶0.025, 试验结果如表1所示。由表1可知, 在相同条件下, 采用三次投料技术能够明显提高混凝土28d抗压强度;C20混凝土28d抗压强度提高约19.6%, C30混凝土28d抗压强度提高约16.1%。

为了分析不同水泥用量下, 传统工艺与三次投料搅拌技术的经济社会效益, 采用三次投料搅拌工艺制备未减水泥用量、单方减少20kg水泥用量和单方减少40kg水泥用量的C30水泥混凝土, 与传统工艺制备的混凝土性能进行对比, 试验结果如表2和表3所示。由表2可知, 采用三次投料技术 (不减水泥用量) 搅拌的混凝土强度比传统工艺搅拌的混凝土强度高约16%, 且强度标准差及变异系数均小于传统工艺搅拌的混凝土, 说明混凝土强度的匀质性有所提高, 分散性降低。由表3可知, 采用三次投料搅拌工艺制备的混凝土初始坍落度和1h坍落度均比传统工艺搅拌的混凝土大, 坍落度损失比传统工艺搅拌的混凝土小。

采用三次投料搅拌技术, 单方减少20kg水泥用量的混凝土强度仍比传统工艺高7%, 且强度标准差及变异系数均小于传统工艺搅拌的混凝土, 混凝土匀质性较好。此外, 采用三次投料搅拌技术, 单方减少20kg水泥用量制备的混凝土初始坍落度和1h坍落度比传统工艺搅拌的混凝土大, 坍落度损失比传统工艺搅拌的混凝土小。而单方减少40kg水泥用量时, 初始坍落度和1h坍落度比传统工艺搅拌的混凝土大, 坍落度损失比传统工艺搅拌的混凝土小, 混凝土强度比传统工艺低2%。综合考虑:混凝土三次投料搅拌技术能够节约原材料、提高混凝土力学性能, 具有良好的经济社会效益。

由于第1次投料过程中, 砂、水以及水泥的搅拌以砂为中心, 水泥浆会在砂表面形成结实的水泥浆壳, 水泥浆壳将稀水泥约束在水泥浆壳的空隙里, 约束了水的移动, 从而消除混凝土的析水现象。而在投入粗集料后, 粗集料表面容易被砂浆均匀包裹, 因此混凝土的流动性较好, 施工方便。

投料过程中电流的变化情况如图1所示。由图1可知, 三次投料与一次投料所用时间基本相同, 三次投料过程中消耗的电流值比相同情况下传统投料工艺消耗的电流值小, 使用三次投料搅拌技术比传统工艺在相同情况下节约电力, 特别是在大型工程中使用三次投料搅拌技术节约的电力成本相当大。

采用混凝土三次投料搅拌技术能够明显提高混凝土强度, 在同等强度、出机坍落度的情况下节约外加剂10%以上, 单方减少水泥用量20~40kg, 具有良好的经济效益。同时混凝土的出机坍落度适中、坍落度损失较小, 混凝土出机和易性和现场和易性好, 拌合物搅拌顺畅, 有利于混凝土施工和现场质量控制。此外, 由于开始搅拌时砂浆中无粗集料, 便于拌合, 投入粗集料后, 易被砂浆均匀包裹, 减少了粗集料对叶片和衬板的磨损。混凝土三次投料搅拌技术也达到了保护环境的目的, 具有良好的社会效益。