搅拌工艺对混凝土强度及氯离子渗透性影响实验研究.docx

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搅拌工艺对混凝土强度及氯离子渗透性影响实验研究

搅拌工艺对混凝土强度及氯离子

渗透性影响实验研究

蔡瑞环,欧阳东,黄华县,范圆圆

（暨南大学力学与土木工程系,广东广州510632

摘要:

针对传统混凝土搅拌工艺中存在的问题,研究了先拌水泥砂浆法、先拌水泥净浆法、水泥裹砂法、水泥裹石法、粗细骨料全造壳法等二次搅拌工艺,测定其3d,28d的抗压强度和氯离子扩散系数,并与传统搅拌工艺进行了对比实验。

实验结果表明:

二次搅拌工艺能够提高混凝土的强度和氯离子抗渗性能,尤其是水泥裹砂法和粗细骨料全造壳法对改善混凝土的强度和氯离子抗渗性能的效果最为显著。

关键词:

混凝土;二次搅拌工艺;氯离子扩散系数;耐久性;NEL法中图分类号:

TU528.06

文献标志码:

B

文章编号:

1002-4972（200803-0009-05

ExperimentalStudyonInfluenceofChlorideIon'sPermeabilityandStrengthofConcreteby

DifferentMixingTechnologies

CAIRui-huan,OUYANGDong,HUANGHua-xian,FANYuan-yuan

（DepartmentofMechanicsandCivilEngineeringofJinanUniversity,Guangzhou510632,China

Abstract:

Tocountertheexistingproblemsintheprocessoftraditionalcementmixing,secondarymixing

techniques,suchaspre-mixcementmortar,pre-mixcementpaste,sandenvelopedwithcementpaste,coarseaggregateenvelopedwithcementpasteandaggregateenvelopedwithcementpaste,arestudied.Thestrengthofcompressionanddiffusingparametersofchlorideionintermsof3daysand28daysaremeasuredrespectively,andtheexperimentalresultshavebeencomparedwiththeresultsobtainedbythetraditionalmixingprocess.Theresultsshowthatthestrengthofcompressionanddiffusingparametersofchlorideioncouldbeincreasedbythosesecondarymixingtechniques,amongwhichthesandenvelopedwithcementpasteandaggregateenvelopedwithcementpastearemosteffective.

Keywords:

concrete;secondarymixing;chlorideiondiffusioncoefficient;durability;NELmethod

收稿日期:

2007-08-20

作者简介:

蔡瑞环（1985—,男,硕士研究生,主要研究方向为混凝土材料及结构耐久性。

一百多年来,混凝土搅拌工艺追求的目标是“匀质性”。

最具代表性的观点是英国著名混凝土学者A.M.Neville于1963年在PropertiesofConcrete一书中所称:

“搅拌的目的是使全部骨料颗粒的表面都被水泥浆包裹,使混凝土各组分混合成一种均匀的物质;而且,由搅拌机往外卸料的过程中这种匀质性也要保持不破坏”。

在这个理论指导

下,出现了各种不同的所谓的“二次投料”混凝土搅拌工艺,比较典型的是先拌水泥砂浆法、先拌水泥净浆法、水泥裹砂法、水泥裹石法、粗细骨料全造壳法（又称裹砂石法等“分次投料”搅拌工艺。

20世纪80年代中期,我国也先后出现了先拌净浆法、先拌砂浆法、水泥裹砂法、净浆裹石法、粗细骨料全造壳法等“分次投料”搅拌工

2008年3月

第3期总第413期

Mar.2008

No.3SerialNo.413

水运工程

Port&Waterway

Engineering

2008年・・水运工程

艺。

其中,由于先拌净浆法、先拌砂浆法和水泥裹砂法没有进行系统的实验研究,效果不稳定,强度离散大,未能在工程中加以推广应用。

20世纪80年代,齐齐哈尔市3个试点单位及铁道部建筑总公司的应用情况表明,粗细骨料全造壳法具有明显的技术经济效益。

20世纪90年代初,铁道部十五局在裹砂石法的基础上研制成功了“HFW型混凝土分次投料微机通用控制器”,实现了该工艺的自动控制,为提高该工艺增强效果的稳定性提供了切实保证。

二次投料混凝土搅拌工艺在不增加原材料,不延长搅拌时间的基础上,可以有效提高混凝土的工作性能、力学性能、氯离子抗渗性能、减少水泥的用量,因此具有重要实用价值与研究的意义。

并据有关资料介绍,采用二次投料混凝土搅拌工艺,对混凝土的性能有较大的影响[1-3]。

目前,有关搅拌工艺对混凝土强度影响的文献较多,但很少有搅拌工艺对混凝土氯离子渗透性能影响的研究报道,更没有对5种不同混凝土二次搅拌工艺做系统的研究的文献报道。

鉴于此,本文比较系统地研究对比了6种不同搅拌工艺对混凝土工作性能、强度和氯离子扩散系数的影响,探讨了其作用机理。

并重点探讨了粗细骨料全造壳法显著改善混凝土强度和耐久性的机理。

氯离子渗透性能反映了混凝土的密实程度以及抵抗外部介质向混凝土内部侵入的能力,是评价混凝土耐久性的重要手段之一,具体评价标准见表1所示。

1实验材料、仪器与方法

1.1实验材料

水泥为金羊牌PⅡ42.5硅酸盐水泥;砂为广州西江河砂,Mx=2.86,中砂级配Ⅱ区;石料为碎石,5￣25mm连续粒径分布;减水剂采用高效缓凝减水剂WH-Ⅱ-A;采用天津市化学试剂一厂的NaCl（分析纯。

1.2实验主要仪器

搅拌机为浙江上虞市胜飞试验机械厂制造的60LSJD60型单卧轴强制试验搅拌机;压力机为上海华龙测试仪器有限公司生产的全自动WEY-3000微机液压压力实验机;混凝土渗透性电测仪为清华大学研制,北京耐尔科技有限公司生产的NEL-PDR型快速混凝土渗透性电测仪。

1.3实验方法

本实验采用混凝土传统搅拌工艺和二次投料[2]搅拌工艺,以其3d,28d的抗压强度和氯离子扩散系数为评价标准来评定各种搅拌工艺的优劣。

所谓传统混凝土搅拌工艺是指将砂、石、水泥、水、减水剂等所有原材料一次性投入混凝土搅拌机,搅拌数分钟后再出料;二次投料搅拌工艺是在考虑混凝土中各组分相互均匀混合作用的基础上,利用投料、搅拌顺序对混凝土内部结构形成的影响,综合提高其性能的工艺方法[4]。

具体搅拌方法见表2所示。

本实验采用6种不同搅拌工艺（编号分别为A1,A2,A3,A4、A5,A6,同一配比,搅拌时间4min,仅改变投料的顺序,详细配合比如表3所示,并测定新拌混凝土的坍落度（表4。

混凝土抗压强度实验采用100mm×100mm×100mm试件,测出混凝土强度再乘折减系数0.95;混凝土氯离子扩散系数试验采用!

100mm×50mm的圆柱体试件,NaCl溶液配为4mol/L。

试件总共24组,

表1NEL评价混凝土渗透性标准

水灰比28d强度/

MPa

Cl-扩散系数

/（10-10cm2.s-1

渗透性等级渗透性评价

>0.6<30>1000Ⅰ很高0.45￣0.630￣40500￣1000Ⅱ高0.4￣0.4540￣60100￣500Ⅲ中0.35￣0.460￣8050￣100Ⅳ低0.3￣0.3580￣1005￣50Ⅴ很低0.2￣0.3100￣2005￣10Ⅵ极低<0.2>200<5Ⅶ可忽略

表2不同搅拌工艺具体搅拌方法

搅拌工艺具体搅拌方法

传统搅拌工艺（A1水泥,石,砂,水,减水剂（4min→出料

先拌水泥砂浆法

（A2

水泥,一半水,砂,减水剂（2min→

另一半水,石（2min→出料

先拌水泥净浆法

（A3

水泥,水,,减水剂（1min→

砂,石（3min→出料

水泥裹砂法（A4

砂,一半水（1min→水泥（1.5min→

另一半水,石,减水剂（1.5min→出料水泥裹石法（A5

水泥,一半水（1min→石（1.5min→

另一半水,减水剂,砂（1.5min→出料粗细骨料全

造壳法（A6

一半水,砂,石（1min→水泥（1.5min→

另一半水,减水剂（1.5min→出料

10

・・

第3期表3

混凝土配合比

W/CW/（kg・m-3C/（kg・m-3S/（kg・m-3G/（kg・m-3Sd/%减水剂/%0.55

187

340740113339.51.5

表4

不同搅拌工艺混凝土工作性

编号A1A2A3A4A5A6坍落度/mm190165170175180175是否泌水轻微否否否否否是否离析

轻微

否

否

否

否

否

抗压强度试验和氯离子扩散试验各12组,每组为

3块,放在标准养护室中养护,分别测其3d、28d

抗压强度和氯离子扩散系数。

氯离子扩散系数的测定采用NEL法,是清华大学路新瀛根据Nernst-Einstein方程建立的混凝土渗透性快速测定法,基于测量饱盐混凝土电导率,从而计算混凝土的氯离子扩散系数来评价混凝土的渗透性的新方法。

优点是:

既适用于普通混凝土也适用于高性能混凝土、测试时间短、结果可靠性高、稳定性好。

该实验方法已经列入

2004中国土木工程学会标准CCES01-2004,作为

当前混凝土结构耐久性设计与施工中检测混凝土渗透性的先进方法推荐使用,并得到前工程院院士吴中伟教授的较高评价。

具体方法是将混凝土成型一定厚度的试件,养护一定龄期后,放入

NEL-VJ混凝土真空饱盐设备进行真空饱盐,饱盐

一定时间后测试其扩散系数,一般测试时间为一个试块6min。

2实验结果与分析2.1

实验结果

试验主要考查混凝土的抗压强度和氯离子渗

透性系数,实验结果见图1,图2,表5。

6种不同搅拌工艺新拌混凝土的工作性能见表4所示。

2.2传统搅拌工艺和二次搅拌工艺作用机理普通混凝土的破坏一般是发生在水泥浆与集

料的界面,主要是因为现有的混凝土传统搅拌工艺几乎是所有固相材料同时倒入搅拌机中,在加水搅拌过程中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,使水泥浆体的作用没有完全发挥出来。

此外,水泥颗粒被石子夹裹,加水后易形成水泥小团粒并包裹拌和水,不易被

搅拌均匀,导致水泥不能充分水化,降低了混凝土质量。

国内外资料显示:

相同条件下用不同搅拌工艺,得到的混凝土拌和物的品质是不一样的,

表5不同搅拌工艺混凝土强度及Cl-扩散系数

图2不同搅拌工艺混凝土氯离子扩散系数

图1

不同搅拌工艺混凝土抗压强度

蔡瑞环,等:

搅拌工艺对混凝土强度及氯离子渗透性影响试验研究

A230.1212.64.6959.4A328.556.84.7558.3A428.677.24.37515.6A526.51-0.94.7807.828

A139.182.661A239.611.12.4577.7A341.185.12.5344.8A441.395.62.4358.5A539.972.02.4268.8A6

44.23

12.9

2.315

13.0A629.209.24.23718.3

A126.745.185

3

龄期/d

编号

强度/

MPa

强度

提高/%Cl-扩散

系数/

（10-8

cm2・s-1Cl-扩散

系数减少/%11

2008年・・水运工程

因为混凝土的某些特性依赖于各组分进入搅拌机

的顺序[4-5]。

普通混凝土强度主要取决于骨料强度、水泥石强度以及水泥石和骨料界面过渡区的粘结强度。

大量研究表明,传统的一次搅拌形成的混凝土,在距骨料表面约100μm以内,有着明显的界面“过渡区”,在这一过渡区,存在水灰比梯度、密度梯度和强度梯度,水泥浆体本体结构致密,显微硬度较高,而过渡区结构疏松,显微硬度低,成为混凝土中最薄弱的环节,也成为有害离子最容易渗透的通道[6-7]。

采用二次投料混凝土搅拌工艺,当将搅拌均匀的砂浆、水泥净浆等与骨料再次搅拌时,其中的水是整个配比中的一部分,从而使骨料表面的水膜受到抑制或减少了水膜层的厚度,造成了相对较低的水胶比区,这样较为有效地克服或改善传统混凝土骨料界面这一薄弱环节。

采用SEM对两种不同搅拌工艺混凝土界面的形貌进行观察,可以发现:

采用一般搅拌工艺的混凝土,界面结构较为疏松,有较多大孔;而采用二次搅拌的混凝土界面结构较为密实,孔隙小,数量少。

仔细观察界面中的孔隙,一般工艺的混凝土在孔内充满大量定向排列的Ca（OH

2

晶体;而二次搅拌工艺混凝土的孔中主要是纤维状的水化产物,只有少

量小尺寸Ca（OH

2

晶体。

二次搅拌主要就是通过界面区微结构的改善来提高混凝土的强度和耐久性。

2.3试验结果分析

2.3.1二次搅拌工艺改善混凝土的工作性

从表4中可以看出采用二次投料搅拌工艺,新拌混凝土的坍落度都比采用传统搅拌工艺的混凝土坍落度有所减小,但保塑性能比传统搅拌工艺混凝土有所改善。

任何材料的宏观性能都是和它结构形成过程中的种种现象密切相关的,各种造壳搅拌工艺制得的拌和物都有一共同的特征,即泌水量大大减少。

产生这种现象的原因可以解释为:

骨料外的壳浆水灰比较小,它们像无数个“海绵体”,造成了稀浆中水分外逸的屏障,外泌的水分还没有逸出到拌和物表面,已被那些“海绵体”吸收了。

简言之,泌水这样一个体系内外的水分迁移过程被体系内部的运输（均化,水灰比梯度小过程取代了,因此工作性能也得到了改善[6]。

2.3.2二次搅拌工艺改善混凝土的强度和耐久性

从表5,图1,图2中都可以看出采用二次搅拌工艺,混凝土3d,28d强度都有不同幅度的提高,3d,28d强度提高的幅度最高分别达到12.6%和12.9%;对混凝土的耐久性也有所提高,3d,28d氯离子扩散系数减少最高分别达到18.3%和13%。

主要原因是因为传统的一次投料搅拌工艺使混合料中的水泥很难均匀地覆裹在砂石料表面,水泥易结团而不能充分水化利用,二次投料搅拌工艺刚好克服了这点,能够充分利用水,因此水泥水化相对更充分,搅拌得更加均匀,改善了过渡区胶料与集料界面的强度和密实性,因此提高了混凝土的抗压强度和耐久性。

二次搅拌工艺能够减小混凝土的孔隙率,更主要的是可使毛细孔变细,且对强度不利的孔的含量大为减少,使渗水通路变得更加迂回曲折,因此显著提高了混凝土的强度和抗渗能力[6]。

从实验结果可以看出,采用水泥裹砂法和粗细骨料全造壳法对改善混凝土的强度和氯离子抗渗性能的效果最为显著。

水泥裹砂法是因为水泥砂浆对石子的包围更加简单而易于均匀,从而极大地改善混凝土的过渡区界面,提高了混凝土强度和耐久性;而粗细骨料全造壳法可能是兼具有水泥裹砂法和水泥裹石法的优点,因此对改善混凝土的力学性能和耐久性方面是最显著的。

混凝土材料科学的基本观点认为,材料的形成过程必然伴随着界面的产生、消失和转化,而且材料的结构首先是键和界面的结合[8]。

因而,不同的界面演变过程必然引起材料形成过程的差异,也就决定了材料内部结构的区别。

现以传统搅拌方法和粗细骨料全造壳法（又称裹砂石法为例来说明界面演变过程的不同。

在传统搅拌方法中,所有的固相材料几乎同时倒入搅拌机,在水与固相材料接触之前,砂、石、水泥混合体中主要是固（s气（g界面。

在搅拌过程中,水必然要浸润所有的固相材料表面,从而形成固（s-液（l界面,但在此过程中,必然同时产生了气（g-液（l界面,而且不可避免地还保留一部分固（s-

12

・・第3期

气（g界面,即有相当数量的气相留在液体和固体的包围中。

因此搅拌后混凝土内部产生小气泡,降低了混凝土的强度和耐久性。

在粗细骨料全造壳法（又称裹砂石法中,当砂石与第一次加入的水W1接触后,主要形成固（S1-液（L1界面,还存在着液（L1-气（g界面;而固（S-气（g界面基本消失,气相减小;水泥投入后,又增加了固（S2-液（L1界面;加入第二次水（W2后,在水灰比梯度减小的过程中,水向水泥壳内渗透,而水泥粒子向稀浆中渗透,在此固液两相迁移过程中,改变了原有气相的几何形态,气孔被分割、细化,使孔径分布改善,进而改善了混凝土的力学性能和耐久性[9]。

3结论

1在本实验条件下,5种不同二次投料搅拌工艺都可以提高混凝土的工作性能、抗压强度和氯离子抗渗性能。

3d,28d强度都有不同幅度的提高,3d,28d强度提高的幅度最高分别达到12.6%和12.9%;对混凝土的耐久性也有所提高,3d,28d氯离子扩散系数减少最高分别达到18.3%和13%。

2在本实验条件下,水泥裹砂法和粗细骨料全造壳法对改善混凝土的强度和氯离子抗渗性能的效果最为显著。

3混凝土二次搅拌工艺主要是通过改善混凝土界面过渡区来改善混凝土的强度和耐久性的。

4对现代混凝土生产线而言,二次投料混凝土搅拌工艺简单易行。

这种工艺只是改变原材料的投料顺序,无需增加材料和专门设备和技术,不增加生产管理人员,不延长搅拌时间,就能够有效地改善混凝土的工作性能、力学性能和耐久性,具有很强的实用性,值得大力推广应用。

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（本文编辑武亚庆

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・消息・

河南省将计划投资两亿元开发内河航运

2008年,河南省将计划投资2亿元加快航运开发工程建设。

2007年,河南省共安排850万元做航运工程开发前的准备工作。

目前,淮河、涡河、沱浍河3个重点航运开发项目初步设计得到省发改委批准,现已报交通部。

其中,淮河航运开发工程已完成招投标,沙颍河周口至漯河段航运开发工程设计工作已启动,工程情况的调查和设计资料的收集工作已基本完成,丹江库区航运开发建设工程完成了库区总体规划编制。

今后5年,河南省将建成沱浍河、涡河、淮河、丹江库区等航运开发工程,新增Ⅳ级通航里程236km,改善航道里程426km,全省航道总里程达到1675km。

蔡瑞环,等:

搅拌工艺对混凝土强度及氯离子渗透性影响试验研究13