關于高性能混凝土攪拌理論的研究
2006-08-30 00:00
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[關鍵詞] 高性能混凝土；攪拌理論；工藝
1 引言
混凝土的攪拌是混凝土生產中必不可少的一道工序，混凝土攪拌的質量直接影響著混凝土的性能。因此，對混凝土攪拌理論的研究具有重要的經濟意義和現實意義。
眾所周知，在混凝土攪拌過程中，拌合料的狀態(tài)、結構、性能都發(fā)生著變化。由于這一過程的復雜性，長期以來對其難以進行數學描述，致使攪拌的概念模糊，許多問題有待研究。混凝土攪拌是攪拌機械與拌合料相互作用的動態(tài)過程，它涉及機械工程和建筑材料兩門學科，只有將兩者結合起來，才可能找到深入研究的突破口?；诨炷两Y構—流變特性的理論分析和試驗研究，馮忠緒認為，完善的攪拌過程應由循環(huán)流動與擴散運動良好地配合來完成，這樣才能保證混凝土在宏觀及微觀上的均勻性。
混凝土攪拌時，拌合料的狀態(tài)和結構既發(fā)生了量（總容積）的變化，又發(fā)生了質的變化。這種變化既可以看成是隨機的過程，又可以認為是確定的，有一定規(guī)律性的。多年來，國內外學者試圖將這一過程的模擬過程定量化，并做了不少工作，但都未取得令人信服的應用結果。利用機械方法來強化混凝土的拌和過程，也是各國學者多年來努力研究的方向。本文在總結國內外試驗研究成果的基礎上，對混凝土攪拌工藝理論進行了初步探討，分析了解決問題的思路和方法，這不僅對完善混凝土的施工工藝有指導意義，而且對研究混凝土攪拌機械的機構與介質之間的相互作用也有參考價值。
2 現有攪拌機的不足之處
目前常用的攪拌機有自落式攪拌機和強制式攪拌機。自落式攪拌機拌和方式是靠葉片對拌合料進行反復的分割提升和撒落，從而使拌合料的相互位置不斷進行重新分布，而撒落時的沖擊加強了這種拌和作用。相對而言，這種攪拌作用強度還是不夠的，它只適合于普通混凝土的拌和，對于低水膠比混凝土和輕骨料混凝土不能產生良好的攪拌效果。強制式攪拌機拌和是強制拌合料按預定軌跡運動，對塑性及低水膠比混凝土都可進行有效的拌和，但是這種攪拌機工作機構的轉速很低，所以攪拌時間較長，生產效率較低。
實踐證明，用上述兩類攪拌機攪拌的混凝土，一般在較短的時間內就可達到宏觀上的均勻。但對這種拌合料仔細觀察時發(fā)現，預拌混凝土中有些骨料表面是干燥的，此外還有一些干的小水泥團。如果把攪拌后宏觀上均勻的混凝土中的水泥漿體放在顯微鏡下，還會發(fā)現水泥顆粒并沒有均勻地分散在水中，有10% ～30% 的水泥顆粒相互團聚在一起，形成微小的水泥團，水泥的這種團聚現象影響著混凝土的和易性和強度的提高。由于水泥的水化作用只在水泥顆粒的表面進行，如果水泥顆粒聚團，則水化作用的面積減小，使混凝土具有強度的水化生成物減少，所以必須把聚團的水泥顆粒分開，使其盡可能接近理想分布狀態(tài)。
因此，僅僅依靠機械攪拌作用，難以使拌合料達到完全均勻，必須采用其他的輔助方法或新的攪拌原理，來提高混合料的均勻度。
3 新的攪拌概念
混凝土攪拌過程中，同時存在著拌和與分離兩種現象，是一個動態(tài)發(fā)展和變化的過程，這可用曲線來定性描述（見圖1）。
開始階段的拌和主要靠拌合料的循環(huán)流動來實現（I段）。此時攪拌過程在宏觀水平進行，各組分間的相界面小，因此各組分間的擴散現象不明顯，分離現象的影響也較小，攪拌過程的發(fā)展速度主要取決于攪拌機中拌合料流的運動特點。
自tk 時刻起，各組分在攪拌機工作容積內的擴散運動加快，循環(huán)流動與擴散運動在拌和過程中起的作用趨于相近。此時各組分包括粘性組分的重新分布已在微觀水平上進行，并且從某一時刻起擴散運動起主要作用（Ⅱ段），與此同時，粘結在一起的各組分再分離開來的過程也加快。拌和與分離這兩種相反的過程從某時刻tm 起基本上達到動態(tài)平衡。此后攪拌的意義不大，因為均勻度變化很?。á蠖危瑐€別情況均勻度還會降低（Ⅲ段曲線2）。在Ⅱ段和Ⅲ段，拌合料顆粒重新分布的速度不僅取決于拌合料的運動特點，而且取決于拌合料的結構—流變特性，即顆粒的大小、各相間表面積的大小及粘結力的值等。
混凝土各組分的尺寸從0.001m m ～0.030 m m 或更大，它是極具分散性的多相混合物。在攪拌過程中，各組分間不僅存在著物理作用，而且存在著化學作用；不僅拌合料總容積發(fā)生了量的變化，而且其狀態(tài)和性能也發(fā)生了質的變化。各相表面間不僅存在著物理吸附作用，還存在著水化反應等作用?；炷潦欠稚⒌慕橘|分子的水化物薄膜層粘結各相顆粒而形成的膠凝結構。這種結構是具有高的剪切強度、粘性、彈性模量、內應力釋放等物理—力學性能的空間結構。前兩者使得拌合料各組分均勻分散的攪拌過程變得特別困難。理想的狀態(tài)是：當所有組分均勻分布時，拌合料的膠凝結構才是最穩(wěn)定的。這樣的結構消除了混凝土內部的宏觀及微觀缺陷，凝固之后才會具有最大強度。攪拌的目的應在于此。
為了達到上述目的，攪拌過程中拌合料的位移必須由兩種運動來實現。第一種稱為對流運動，各組分在宏觀上的均勻分布，必須由攪拌室內的循環(huán)流動來保證。這種運動在攪拌過程中是最主要的，也是最基本的，特別是在攪拌開始階段。傳統(tǒng)的攪拌機械主要就是按這種要求來設計工作機構的。但是，只有這種運動還不夠。為使各組分表面間良好結合，達到微觀上的均勻分布，主要是粘性組分（水泥、摻合料和水）的均勻分布，相間還必須形成較快的擴散運動。簡言之，第一種運動是為了拌勻，第二種運動則是為了拌透；第一種運動主要是拌合料的宏觀運動，第二種運動則主要是局部的擴散運動；第一種運動能保證混凝土使用的基本要求，第二種運動則能改善混凝土性能。比較完善的攪拌過程，拌合料的位移必須由良好配合的對流運動和擴散運動來完成，這是馮忠緒提出的新的攪拌概念。這個概念的提出，主要基于對混凝土性能及其結構形成過程、攪拌機工作機理與拌合物間相互作用關系的研究。但實際運用中也存在一些矛盾和問題，要求人們用新的概念來解釋。
4 攪拌過程的模擬方法
從上述混凝土攪拌過程的動態(tài)分析可知，可用確定的或隨機的方程來描述（模擬）混凝土的攪拌過程。
4.1 用確定的描述方程描述攪拌過程
一般地，確定的描述方程有擴散的、區(qū)間的和復合的三種模型。
4.1.1 擴散模型
擴散方程可從熱傳導方程得到。熱傳導方程是描述熱的傳導過程、分子的擴散過程等物理規(guī)律的。
考慮縱向和橫向攪拌作用，對于具有圓柱形殼體的攪拌機，擴散模型可由下面的方程表示：
 式中，W 為拌和物單元體中某關鍵成分的含量，t為攪拌時間，v 為拌合物流x 方向運動的平均速度；b11，b┴分別為縱向和橫向攪拌作用系數；x 為沿圓柱體中心線方向的坐標；r為攪拌室的徑向坐標。
擴散模型可以描述所有具有圓柱形殼體的攪拌機的攪拌過程。
4.1.2 區(qū)間模型
區(qū)間模型可用一階的第i個線性微分方程描述：
 式中：Tn 為拌合物顆粒處在第1 個到第i個區(qū)間的平均時間，m為常數，表示攪拌速率；W 為拌和物單元體中某關鍵成分的含量；W i-1、W i分別為第（i-1）區(qū)間和第i區(qū)間單元體中某關鍵成分的含量，t為攪拌時間。
線性方程（2）的數量等于區(qū)間的數量，在區(qū)間中分散著所有的攪拌物。假設拌合料流順次穿過劃分的各區(qū)間，在區(qū)間的界限范圍內，拌合物各組分得到了理想的攪拌，區(qū)間模型可用來模擬連續(xù)式攪拌機中松散拌合料的攪拌過程。
4.1.3 復合模型
復合的方法適用于拌和料顆粒具有多種不同移動形式（分路流動、循環(huán)流動和滯流）的攪拌機。與此相應，攪拌室工作容積劃分成帶，順次相連的流動帶是平行的，具有假設移動的物流帶、拌和的物流帶和顆粒間擴散混合的物流帶。此時，攪拌過程可用描述各個帶的模擬方程組合起來描述。用復合的方法描述攪拌過程很復雜，不易模擬實際的攪拌過程。
4.2 隨機描述的攪拌過程
攪拌過程中，從拌合料的狀態(tài)變化看，總伴隨著拌勻與離析兩種矛盾現象，因此，可將組分含量的變化場看作是隨機的馬爾柯夫過程。對于馬爾柯夫過程，在時刻t系統(tǒng)處于某一狀態(tài)的概率僅取決于初始時刻t。的狀態(tài)。此時，為了描述攪拌過程，或采用柯莫高洛夫（K olm ogrov）微分—差分方程：  式中，Pci（t）為隨機值cj取整數值ci的概率，即Pci（t）=P{cj（t）= ci}；cj為在時刻t攪拌室內某成分結合數量的隨機值；λci 為常數。
或采用擴散過程的柯莫高洛夫（K olm ogrov-Fokker-Planck）方程：
 式中，P（x0，t0；x，t）為隨機值X 在時刻t0 等于x0，在時刻t取值x<X <x+dx 的概率；或在時刻t0 時為x0，在時刻t處于給定區(qū)間（x，x+dx）的顆粒總質量的份額。
類似于方程（1），方程（4）描述了分散顆粒的擴散攪拌過程。此時，系數a（x，t）叫擴散系數，它描述了離散顆粒擴散運動的程度，主要取決于顆粒尺寸、拌合料的結構—流變特性等；系數b（x，t）是顆粒在外界影響下的攪拌速度。
式（4）中的概率函數代表離散顆粒含量，即被攪拌組分的含量。因此，不管是確定的物理方程，還是隨機模型，都可用來解決相同的實際任務。但是，在攪拌混凝土這種粘—塑性混合物時，因為攪拌葉片是不可少的工作元件，它的運動破壞了拌合料的連續(xù)性，應用上面的連續(xù)方程或區(qū)間連續(xù)方程就失去真實性。同時，在攪拌過程中，由于從離散（非連續(xù)的）狀態(tài)轉變?yōu)閿U散的連續(xù)狀態(tài)，混凝土的結構—流變特性發(fā)生了很大的變化。這時，試驗研究應起主要作用。
4.3 用流變曲線描述攪拌過程
一般認為，新拌混凝土基本上是一種賓漢姆體，因此可以用屈服應力t0 及塑性粘度μ 兩個參數來表示它的性質。
t= t0 + μ（dv/dt） （5）
式中，t為混凝土的實際剪應力；t0 為極限剪應力，或稱屈服極限；μ 為混凝土的塑性粘度；（dv/dt）為混凝土的剪切變形速率。
測定攪拌機的葉片轉速n 與不同轉速下的能耗，能耗除以葉片轉速則得驅動葉片轉動的轉矩T。試驗表明，所得轉矩T與轉速n 間的關系為：
T=g+hn （6）
式中：g，h 為兩個常數，相當于屈服應力τ0 及塑性粘度μ。
因此，對給定的混凝土，即g，h 為常數時，由試驗可估計攪拌機所需功率。
用賓漢姆流變曲線能描述新拌混凝土的性質己得到認可，但是，要描述攪拌過程卻是困難的。其原因是，不管式（5）或式（6）都是描述穩(wěn)定狀態(tài)的方程，即要求t0，μ 或g，h 是常數，而拌合料在攪拌過程中，從離散狀態(tài)轉變?yōu)檫B續(xù)的分散狀態(tài)是一個復雜的變化過程，顯然，式（5）和（6）都只能描述攪拌過程的結果，而不能描述這種復雜的過程。
4.4 綜合模擬的攪拌過程
利用相似理論，可以預先定性地從理論上分析和選擇要被確定的無量綱的準則關系。相似理論還是理論和試驗的聯(lián)系紐帶。試驗基于該理論進行，避開了并非總是適用的或無法求出的方程的求解，模型試驗結果可推廣到原型上去。因此，可以用相似理論和量綱分析法來研究混凝土的攪拌過程，這就是攪拌過程的綜合模擬法。
5 改善混凝土使用性能的強化方法
實踐中，為提高混凝土的性能指標，控制其復雜的結構形成過程，采用了各種強化方法。目前，在工程實際中改善混凝土使用性能的強化方法大體上可分為三類：機械強化方法、物理強化方法和化學強化方法。
5.1 機械方法
機械方法，如先將骨料與水泥一起干拌再加水濕拌，既節(jié)省拌合功率，又可保證均勻度；也可先將部分水與水泥拌合成漿體，再加骨料和部分水進行拌和等。但不理想的喂料和攪拌流程會影響拌合物的質量，達不到從微觀上使水泥顆粒均勻分布和較完全的水化反應的目的。
無論采用何種攪拌流程，高性能混凝土都必須比普通混凝土延長攪拌時間，否則會使拌合物不均勻而影響質量。D.A.Abram s的試驗證明，平均抗壓強度隨攪拌時間的增加而提高（見圖2）。  改進和完善攪拌機械工作機構，是人們利用機械方法強化攪拌過程的常用方法。機械的強化方法主要指振動攪拌。振動攪拌就是在攪拌的同時加以振動作用，使水泥顆粒處于顫動狀態(tài)，從而破壞水泥凝聚團，使水泥顆粒均勻分布。同時，振動攪拌使水泥顆粒的運動速度加大，增加了有效碰撞次數，加速水泥顆粒表面水化生成物向液相擴散的速度，使水泥水化加速。此外，還可凈化骨料表面，增加水泥和骨料間的粘結力。因此，振動攪拌能有效地提高混凝土的強度，混凝土拌合料的流動性也有所改善。
5.2 物理方法
物理方法較多。在攪拌過程中，采用破碎強化的方法，將水泥顆粒進一步破碎，使其比表面積增大，新破碎的表面具有較高的表面活化能，這就使水泥水化反應加快，強度得到提高。比如攪拌過程中采用超聲波、電磁波作用等輔助手段。在添加改變和易性的外加劑的同時，采用超聲波或電磁波作用，可提高混凝土強度20% ～30% 。超聲波活化水泥砂漿，即先以超聲波發(fā)生器活化水泥砂漿，再用普通攪拌機將活化的水泥砂漿與粗骨料攪拌成混凝土。超聲活化作用主要是利用聲波在液體中傳播時引起液體的沖擊力，以及原來在水泥顆粒微裂縫中含有氣泡的快速外逸膨脹力等的作用下，使水泥顆粒破碎，加速水化反應。試驗表明，經1h超聲波作用，能使通過4800孔/cm 2 水泥的比表面積增加18% 。對于過期水泥，通過超聲活化后，比表面積可超過原新鮮水泥，水泥抗壓強度提高1 倍左右。調節(jié)混凝土生產時的溫度，可相應地控制拌和過程中混凝土結構形成時的物理—化學過程的速度。溫度值以及持續(xù)時間、載熱體的選擇，由制備混凝土的工藝特點等決定。
特別值得一提的是，K.W .Day認為，利用電極放電來活化拌和用水，可以使水泥充分水化，或者在保證混凝土的抗壓強度不變時，生產每立方米混凝土可節(jié)約70% ～80% 的水泥，而硬化時間縮短一半以上。
5.3 化學方法
化學方法主要指采用控制和調節(jié)高性能混凝土性能的各種外加劑。外加劑的普遍使用，已成為高性能混凝土的第五種組分，形成了水泥混凝土材料科學發(fā)展的新突破。高效減水劑以及多功能的復合外加劑可大大改善混凝土固化前的工作度，并使混凝土硬化過程中一系列性能得以事前加以控制。這些外加劑的摻用，不僅可以縮短工序，節(jié)約能源，并且可以預期地控制混凝土的凝結硬化速度。外加劑的摻用，還為改進混凝土工藝創(chuàng)造了條件。有機無機相結合的聚合物混凝土，特別是纖維增強混凝土等復合混凝土的出現，也是混凝土改性、特別是改脆性為韌性的有效措施。纖維增強混凝土主要用于道路路面、機場跑道以及橋梁橋面等，但使用的一個主要困難是不易拌勻且易成團。振動拌和有助于纖維的均勻分布，這是兩種強化方法聯(lián)合使用的例子，也可將上述三種強化方法聯(lián)合應用。
6 結語
混凝土的攪拌是混凝土生產中必不可少的一道工序，混凝土攪拌的質量將直接影響著混凝土的性能。為了使各組分表面間良好地結合，拌合料的位移必須由良好配合的對流運動和擴散運動來完成。
混凝土攪拌的動態(tài)過程可用確定的或隨機的方程來描述（模擬），使混凝土攪拌過程朝著定量化的方向發(fā)展，但與實際相吻合的混凝土攪拌過程的模擬方程還有待進一步研究。實踐中，為提高混凝土的性能指標，控制其復雜的結構形成過程，采用各種強化方法。目前，在工程實際中改善混凝土使用性能的強化方法大體上可分為機械強化方法、物理強化方法和化學強化方法三類。這些方法可以單獨使用，也可以聯(lián)合使用。 |
| 原作者： 曹紅葵 曹世暉 |
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