混凝土多步搅拌工艺及其机理探析

2012-08-15杨金龙

科技视界 2012年27期

关键词：水泥石水化骨料

杨金龙

（宁夏煤炭基本建设公司宁夏石嘴山 753000）

0 引言

一般认为混凝土搅拌的主要任务是：

1）各组分均匀分布，达到宏观及微观上的均质;

2）破坏水泥粒子团聚现象，使其各颗粒表面被水浸润，促使弥散现象的发展;

3）破坏水泥粒子表面的初始水化物薄膜包裹层;

4）由于集料表面常覆盖着一薄层灰尘和粘土，有碍界面结合物的形成，故应使物料颗粒间多次碰撞和互相摩擦，以减小灰尘薄膜的影响;

5）提高混合料各单元体参与运动的次数和运动轨迹的交叉频率，以加速达到均质化。

1 混凝土的破坏现象

在对搅拌装置参数优化研究时发现：硬化混凝土受力前在粗骨料和砂浆界面上存在很多微裂缝，称界面裂缝。这是由于水泥水化反应产生收缩，硬化后干燥收缩在骨料界面上产生拉应力导致界面裂缝。此外水分的迁移受到粗骨料阻止，从而水分向界面集中形成水膜，也是界面裂缝的根源。混凝土受力后，石子和砂浆变形不一致又导致这种原生裂缝开展。此时石子的弹性模量大于砂子的弹性模量，骨料粒子处于软基体内，在纵向压力下砂浆横向变形（内聚力）大于石子，从而在石子上下部位产生压应力，边侧产生拉应力，界面有脱离的倾向（粘附力破坏）。

2 混凝土的强化机理

一般认为，水泥石是由凝胶、晶体、水与孔组成的聚集体。根据现代混凝土强度理论，水泥石内聚力主要取决于水泥石基材的孔隙率、孔分布、孔级配、孔形状等孔结构参数。所以水泥石从形成、发展直到破坏均与孔的发生和发展密切相关。但孔隙率不是影响混凝土强度的唯一因素，在孔隙率相同情况下，不同孔结构水泥石性能也不同。平均孔径小的强度高，0.1μm以上的毛细孔微缝对强度和耐久性不利，0.05μm以下的孔对强度及性能无影响，Mehta证明，大于1000A的孔存在是强度和抗渗性下降的原因。将大孔改变为小于500A的孔则可提高强度和抗渗性。由此可见，存在着调整孔级配来提高水泥石强度和耐久性的可能性。由此可见，我们可采用分次投料工艺措施，调整孔结构，提高强度。

界面微观结构性质早已引起国内外学者的极大重视。研究表明，骨料和水泥石之间存在约几十微米的界面层，它是由水化粗骨料表面，首先形成水膜层逐渐被新生产物填充而来。如水灰比大或泌水均会使水膜层厚度增加，在过渡层会留下薄弱环节，所以只有减薄水膜层才能强化界面层。

在传统的搅拌方法中，所有固相材料几乎同时倒入搅拌机，此时砂、石、水泥混合物中主要是固一气界面。在加水搅拌过程中，水必然要浸润所有的固相材料表面而形成固-液界面，同时产生气-液界面，亦即在搅拌过程中有相当数量的气相残留在液、固相的包围之中。

在新的搅拌工艺中，大部分水优先与砂石表面接触形成固-液界面，骨料湿润后形成液-气界面，基本上消失了固-气界面。当水泥投入时，立即粘附在骨料表面的水膜层上，强化了水泥的水化历程，使首先生成的水化铝酸盐覆盖在骨料表面限制Ca（OH）2晶体扩散而强化了界面层。同时，残留的气体也必然少于传统工艺。

3 混凝土多步搅拌工艺的宏观机理

搅拌是使混凝土混合料趋于匀质化的过程，普通混凝土搅拌机充分利用对流、剪切和扩散机理，一般在较短时间就可以使混合料达到宏观匀质，但对这种拌和料仔细观察时，发现预拌水泥混凝土中有些骨料表面是干燥的，另外还有一些干的小水泥团。如果把搅拌后宏观上均匀的混凝土中的水泥浆放在显微镜下，会发现仍有15%-30%的水泥呈团粒状态。这是因为，传统搅拌工艺中混凝土各组成材料一次性投入搅拌机内，遇水后很快形成大小不等的水泥团粒，搅拌过程中由于骨料间的摩擦、撞击作用使得部分水泥团粒被分解破坏，而处于粗骨料背后的那部分水泥团粒则不易破坏，另外，处于搅拌叶片背面的水泥团粒也不易破坏，此时粗骨料和叶片起“屏障”作用。待硬化后粘附在粗骨料上和骨料间隙中的这些未被水化的水泥团粒将成为混凝土中最薄弱的环节。

多步搅拌工艺的基本原理正是建立在改善水泥的分散性，提高水泥活性的基础上，进而不同程度地提高混凝土强度。显然，材料不同，搅拌速度必然不同，搅拌砂浆或水泥浆时，速度必然要比搅拌混凝土高。一方面是这些材料粒径较均匀，不存在严重的离析现象；另一方面是高速搅拌可明显消除水泥聚团现象，并提高生产率。多步搅拌工艺（如先拌砂浆），砂子、水泥及水一起高速搅拌，由于砂子粒径相对于水泥团块比较小，不但起不到屏障作用，反而在高速运动过程中极易将水泥团粒击碎，使水泥充分水化，并均匀地粘附在砂粒表面，使接下来与粗骨料的多步搅拌更易混合均匀。

4 混凝土多步搅拌工艺的微观机理

4.1 混凝土微观结构及其增强途径

材料的宏观行为取决于材料的组成和微观结构。混凝土材料学的基本观点认为：材料的形成过程，必然伴随着界面的产生、消失和转化，不同的界面演化过程必然引起材料形成过程的差异，这些差异导致了材料宏观性能方面的差异。从宏观尺度上看，混凝土是由水泥石和集料两相组成的复合材料；从细观尺度上看，水泥石又是各种水化物和未水化颗粒、水、气等的多相复合体。因此，混凝土搅拌过程中的混合料，不但有固相、液相和气相参加搅拌，而且各相之间还产生着物理化学的变化，并最终影响混凝土材料的强度。

4.2 传统工艺的缺陷

现有的混凝土搅拌装置在搅拌过程中，水泥、砂石、水、外加剂都是经计量后一次投入搅拌筒进行搅拌，若干时间后出料形成混凝土拌和物。在实际应用过程中发现：混凝土的劣化或破坏往往出现在界面处。一方面是因为水泥石和集料的弹性模量不同，当温度、湿度发生变化时，水泥石和集料变形不一致形成细微的裂缝；另外，现有的混凝土搅拌工艺使砂石表面形成了一层自由水膜，削弱了水泥浆与集料的粘结，使水泥浆体的作用远未发挥出来；此外，水泥颗粒被砂石夹裹，加水后易形成水泥小团粒，并包裹了很多拌和水，不易被破坏，降低了混凝土拌和物的和易性，且水灰比越小，这种现象越严重。水泥团粒吸附在骨料上，充填于骨料空隙中，致使包裹砂子的水泥颗粒相对减少，导致水泥不能充分水化，降低了混凝土的强度。显然，传统工艺不仅存在诸多不足之处，更无法平衡前面所一说的界面过渡区的强度梯度现象。

4.3 混凝土多步（二次）搅拌工艺的优点

在总结前人工作的基础上提出了新的混凝土多步（二次）搅拌工艺。所谓多次（二次）搅拌，是指在考虑混凝土组分中各物料均匀混合作用的基础上，利用物料投料、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，其具体实施方法比较灵活。但目标是一致的，即通过改善传统搅拌工艺进而改善混凝土界面的结构和性质，来提高硬化混凝土性能。