“二次投料”生产C 30混凝土的试验研究

王威，张作旺，高建洋，付东

（1. 河南海华工程建设管理股份有限公司，河南 郑州 450000；2. 河南五建混凝土有限公司，河南 郑州 450000）

0 引言

“一次投料”是将所有的原材料装入搅拌机一起搅拌，常常是水包裹了石子。“二次投料”是先将除石子以外的材料搅拌成均匀的砂浆，投入石子后再搅拌，形成浆包石子，籍以提高混凝土抗压强度，改善和易性。

“二次投料”生产混凝土技术运用始于上世纪中叶美国，混凝土强度提高 8% 以上，改善了和易性，提高了耐久性。很快在发达国家流行起来。我国是在改革开放初期在各地运用起来的，现在这项技术已经很成熟了。

“二次投料”有两种方法：一种是先搅拌水泥浆，再将其余材料投入拌合成混凝土；第二种是先将石子除外的材料搅拌成水泥砂浆，再将石子投入拌合成混凝土。搅拌效果后者优于前者。

本次试验研究的内容包括：确定既经济又合理的C30 混凝土总搅拌时间 t；恰当分配第一次搅拌时间 t1和第二次搅拌时间 t2，使混凝土性能达到最佳状态。

1 试验方案

1.1 试验原材料及配合比

试验采用：郑州天瑞 P·O42.5 水泥；济源国泰 S95级矿粉；洛阳电厂 Ⅰ 级粉煤灰：郑州贾峪 0～5mm 机制砂；郑州贾峪 5～20mm 碎石；新乡科之杰 Point-400高效减水剂；自来水。

C30 混凝土初次试验配合比采用河南五建近期生产使用的 C30 混凝土配合比，符合 JGJ 55—2011《普通混凝土配合比设计规程》[1]，详见表 1。

表1 C 30 混凝土配合比 k g/m3

1.2 总搅拌时间的确定

GB 50666—2011《混凝土结构工程施工规范》[2]规定最短搅拌时间为 60s，在此基础上增加了 5s 为 65s。

1.3 第一次与第二次搅拌时间选定

通过系统性试验，选定第一次搅拌时间 t1和第二次搅拌时间 t2。t1为 15s、20s、25s、30s、35s，相对应的t2为 50s、45s、40s、35s、30s。

1.4 搅拌设备

选择生产用 MA06750/4500SDYHB 型强制式搅拌机进行生产性试验，这是为了避免先在试验室的搅拌机中做试验，再到生产用的搅拌机做验证性试验。一次完成试验，节省时间。

1.5 确定试件数量

C30 混凝土做了 6 批试验，每批 10 组。其中“一次投料”1 批，“二次投料”5 批。求出在配合比相同条件下“二次投料”与“一次投料”相比 28d 混凝土抗压强度提高的比例。

2 “二次投料”两次搅拌时间的确定

2.1 两种搅拌方式 C 30 混凝土抗压强度对比

6 批试验 28d 混凝土抗压强度平均值见表 2。

表2 28 d 混凝土抗压强度平均值 MP a

2.2 第一次搅拌时间的确定

将 6 批试验，每批混凝土的 7d、14d 和 28d 平均抗压强度与对应的第一次搅拌时间的关系绘制成曲线，见图 1。图中 t1=0 的 f 值是“一次投料”所得的混凝土抗压强度。

图1 f—t1 曲线图

由图 1 可知：

（1）t1在 15～35s 范围内变化时，曲线起伏平缓且对称。

（2）t1在 25s 时，各龄期抗压强度均达到最大值。

（3）f 达到最大值时，t1和 t2的比值是 0.625，接近黄金比例 0.618，偏差为 1.13%。

不同龄期“二次投料”与“一次投料”混凝土强度对比图见图 2，通过计算可得，使用“二次投料”生产方式，混凝土抗压强度均提高了 8.0% 以上。

图2 两种投料方式混凝土强度对比图

在总搅拌时间 t 确定后，第一次砂浆搅拌时间 t1从短到长是砂浆均匀性提高的过程。最佳的点位即混凝土强度达到最大值时，砂浆的均匀性虽未达到极致，但是材料组合的、综合的性能达到了极致，即砂浆包裹石子的均匀性达到了最佳状态。这种特性是由于混凝土是多组分材料决定的。

按照本次试验 C30 混凝土采用的配合比，对于不同龄期，在总搅拌时间 t 确定后，“二次投料”两次搅拌时间 t1和 t2最佳分配比例都是黄金比例。

t1可按下式求得：t1/t2= t1/(t-t1) =0.618，t1=0.382t。

3 “二次投料”生产的 C30 混凝土工作性能

观察“二次投料”5 批混凝土工作性能试验，混凝土呈现的状态是“既能立得住，又能坍得开”，有较好的流动性，便于混凝土浇灌密实，有利于提高混凝土的耐久性。

现场所用二次投料生产的混凝土比较黏稠，未见泌水和离析。当混凝土坍落度达到 210～230mm 时，对应的扩展度为 580～625mm，扩展度与坍落度之比的平均值接近常数 2.7。

从施工现场浇灌混凝土的情况看，机制砂的含粉量对混凝土的和易性有明显的影响，宜按国家标准 GB/T 14684—2011《建筑用砂》[3]中的规定减半控制。

4 “二次投料”改进试验

“二次投料”能提高混凝土性能是确定无疑的，如何做到既满足混凝土性能需求又能节省材料、降低能耗呢？下面继续进行改进试验。

4.1 改进 1

在混凝土配合比不变的情况下，减少总搅拌时间5s，做了 10 组试验。选取 t=60s、t1=23s、t2=37s，两次搅拌时间仍保持黄金比例。28d 抗压强度见表 3。

表3 改进 1 混凝土 28 d 抗压强度 MP a

平均强度为 44.3MPa，与表 2 中相对应的 46.5MPa比，搅拌时间减少了 7.7%，混凝土强度降低了 4.7%。

4.2 改进 2

总搅拌时间减少 5s；1m³ 混凝土减少水泥用量15kg，调整后的混凝土配合比见表 4。选取 t=60s，t1=23s、t2=37s。28d 混凝土抗压强度见表 5。

表4 调整后的配合比k g/m3

表5 改进 2 混凝土抗压强度 MP a

平均强度为 43.3MPa。与表 2 中相对应的 46.5MPa比，搅拌时间减少 7.7%，水泥减少了 7.7%，混凝土强度降低了 6.9%。虽然混凝土强度降低了，但仍能满足需求还有较大富余，富余比例为：

式中：1.15 为混凝土强度评定系数。

表5 中混凝土强度最低值 42.8MPa，其富余比例为24.1%，仍很充裕。

5 “二次投料”生产工艺经济效益分析

（1）在搅拌时间 60s、“二次投料”方式相同的前提下，原配合比与新配合比的材料费详见表 6。

由表 6 可知，新配合比 1m³ 混凝土成本节省 4.05元，约占现有利润的 29%。

从本文第 4 部分可以看出，“二次投料”生产工艺仍有改进的余地，成本可以进一步降低。

（2）采用“二次投料”生产混凝土工艺，在搅拌机底盘、内壁与石子之间有砂浆介质，砂浆成为石子与底盘、内壁摩擦的润滑剂，降低了底盘、内壁的磨损，搅拌机使用寿命得以延长。

（3）“一次投料”生产混凝土，电流强度峰值为158～162A。“二次投料”生产混凝土，第一次搅拌砂浆的电流峰值为 130～140A，第二次搅拌混凝土的电流峰值为 140～148A，与“一次投料”比平均降低了10%，从而降低了电流对原器件的冲击，延长了配电设备的使用期。

（4）两种投料方式对比，“二次投料”的耗电量和电费略低。

表6 混凝土材料成本对比

6 总结

（1）“二次投料”生产混凝土提高了混凝土中砂浆和混凝土的均匀性，使混凝土中各种材料组合的、综合的性能达到了最佳状态。

（2）“二次投料”生产的 C30 混凝土 28d 抗压强度比“一次投料”提高 8.0% 以上。

（3）“二次投料”生产 C30 混凝土总搅拌时间65s 很恰当，第一次搅拌时间 t1与第二次搅拌时间 t2的最佳比例是黄金比例，第一次搅拌时间 t1=0.382t。

（4）采用“二次投料”生产方式，混凝土的工作性能明显提高。

（5）在原 1m3混凝土配合比中，水泥用量可以减少 5kg，单方成本得以节约，单方利润得以增加 29%，经济效益和社会效益显著。

附注：该文图、表中所有数据全部来自“河南五建混凝土有限公司”试验资料。