搅拌工艺对透水混凝土力学性能的影响

搅拌工艺对透水混凝土力学性能的影响
王宇
(重庆交通大学土木工程学院重庆400041)
摘要研究了一次投料法、水泥裹石投料法、净浆裹石投料法三种不同的搅拌工艺，对于透水混凝土力学性能的影响，通过不同的第一次加水量研究，确定了二次搅拌投料工艺中最优的第一次加水量，实验表明采用二次搅拌投料工艺可以有效地提高透水混凝土的力学强度，以及通过改变宏观的投料行为，可以改变透水混凝土微观的界面黏结强度。

关键词透水混凝土力学强度搅拌工艺
Effect of mixing process on mechanical properties of permeable concrete
Yu Wang
(Civil Engineering College，Chongqing Jiaotong University，Chongqing400041，China) Abstract The three different mixing processes of one－feeding method，cement－wrapped stone－feeding method，and pure－stone－wrapping stone－feeding method were studied.Their effects on the mechanical proper-ties of the permeable concrete were determined by different first－time water addition studies to determine the two－time mixing and feeding method.The optimal first－time amount of water was added.Experiments show that the secondary mixing and feeding process can effectively improve the mechanical strength of permeable concrete，and by changing the macroscopic feeding behavior，the microscopic interface interface bonding strength of permeable concrete can be changed.
Key words permeable concrete;mechanical strength;mixing process
透水混凝土通常是由单粒级粗骨料、少量砂或无砂、胶凝材料、水以及外加剂拌和振动或压制成型的一种新型生态混凝土材料［1］。

通过在粗集料表面均匀包裹的水泥浆体之间相互黏接，形成一种蜂窝状的多孔结构，因此也被称作多孔混凝土。

与普通混凝土相比较，透水混凝土对于制备工艺的要求更高，搅拌是水泥混凝土结构构成的第一个阶段，即将各种原材料按照一定的比例混合在一起，以水化反应顺利为目标，将其均匀搅拌并形成水泥—集料界面黏结层。

好的混凝土搅拌工艺可以达到使原材料混合均匀，强化与塑化混合料的作用［2］。

不同的搅拌工艺会大大影响透水混凝土中的孔隙分布状况，引起力学性能和透水性能的同时改变，因此选择合适的搅拌工艺是至关重要的［3］。

本文通过实验，确定了不同搅拌方式对透水混凝土力学性能的影响，确定了适合的搅拌方式及第一次加水量，为透水混凝土的拌合成型提供相应依据。

1实验方案
1.1原材料选择
水泥选用重庆拉法基水泥公司生产的P.O 42.5普通硅酸盐水泥，28d抗压强度48.6MPa;粗集料采用重庆产5 10mm石灰岩碎石，堆积密度1453kg/m3;减水剂采用HPWＲ－Ｒ聚羧酸盐高性能减水剂，由重庆三圣实业公司生产，减水率25%;拌合用水使用自来水。

1.2配合比设计
［作者简介］王宇(1995－)，男，硕士，主要研究方向:从事混凝土方向研究。

透水混凝土的配合比特点是采用单粒级粗骨料作为骨架，水泥净浆或加入少量细骨料的砂浆薄层包裹在粗骨料颗粒的表面，作为骨料颗粒之间胶结层，形成骨架一空隙结构的多孔混凝土材料
［4］。

透
水混凝土的配合比设计与普通混凝土不同，参考《透水水泥混凝土路面技术规程》(CJJ /T 135－2009)提供的体积法进行设计，设计孔隙率为20%，水灰比为0.3，详见表1。

透水混凝土配合比设计
表1
水灰比设计孔隙率(%)
粗集料(kg /m 3
)
水泥(kg /m 3)水(kg /m 3)减水剂(kg /m 3
)
减水剂(%)0.3
20
1424605
181
3.0
0.5
1.3力学实验
成型100mm ˑ100mm ˑ100mm 的透水混凝土
试件，标准实验室养护至28d 龄期后，按照《普通混凝土力学性能实验方法标准》
(50081－2002)中规定的抗压强度测试方法，加荷速度采取每秒钟0.4MPa 。

2实验过程2.1
拌合方法
1992年，日本提出了一种新型的混凝土搅拌工艺，称为“水泥裹砂搅拌法”
(Sand Enveloped with Cement )，简称SEC 法［5］。

受日本SEC 法的启发，
国内对水泥混凝土搅拌工艺也进行了一系列的研究，
刘朝红［6］
对净浆裹石法混凝土搅拌工艺进行了
研究，净浆裹石工艺能够提高混凝土整体强度，提高物料颗粒的均匀分散度，增强水泥石与石子界面的机械咬合作用，阻止部分游离水向石子与水泥浆界面集中，增强水泥石与石子间的界面强度。

冯忠绪等
［7］
通过对振动搅拌和二次投料搅拌工艺的机理
分析，
设计了利用振动搅拌或二次投料搅拌工艺的方法，并设计了增强混凝土的界面强度的试验装置和工艺方案。

实验采用60L 单卧轴强制式搅拌机，如图1所
示，三种搅拌方法具体步骤如下，流程图如图2至图4所示。

一次投料搅拌法，具体步骤如下:
(1)先将全部粗集料和水泥加入搅拌机中干拌60s ，使得粗集料与水泥充分混合;
(2)再加入水和外加剂，搅拌120s ，搅拌均匀装入试模。

净浆裹石投料法，具体步骤如下:
(1)先将全部水泥和X %的水加入搅拌机中，搅拌30s 形成稳定的水泥净浆;
(2)再将全部粗集料加入搅拌机，搅拌60s ，使水泥净浆均匀的包裹粗集料;
(3)最后加入剩余的水和外加剂，搅拌90s ，搅拌均匀装入试模。

水泥裹石投料法，具体步骤如下:
(1)先将全部粗集料和Y %水加入搅拌机中预拌30s ，使得粗集料表面的充分湿润，能够更好的和水泥浆体粘接;
(2)加入水泥搅拌60s ，使得粗集料与水泥均匀混合，形成胶凝材料包裹骨料的外壳;
(3)最后加入剩余水和剩余外加剂，搅拌90s ，搅拌均匀装入试模。

图1单卧轴强制式搅拌机图2一次搅拌投料法流程
图3净浆裹石投料法流程图4水泥裹石投料法流程
2.2实验设计
水灰比是混凝土性能的重要影响因素。

对于需
要分次加水的搅拌工艺，第一次加水量十分重要，直
接影响混凝土过渡区的水灰比梯度，进而影响混凝
土的强度［8］。

将拌合后的混凝土装模，采用标准振动台振动
20s成型，1d后拆模，放置于标准养护室养护28d，
测试其抗压强度。

在净浆裹石投料法中和水泥裹石
投料法中，分别考虑第一次加水量X%和Y%对透
水混凝土造成的影响，通过对比三种不同的搅拌工
艺，确定不同搅拌工艺对透水混凝土力学强度的影
响效果(表2)。

3实验结果与分析
3.1实验结果
不同拌合工艺对抗压强度影响表2编号实验方法第一次加水量(%)抗压强度(MPa)
A1一次搅拌投料法－17.7
B1净浆裹石投料法6019.6
B2净浆裹石投料法7020.2
B3净浆裹石投料法8020.3
B4净浆裹石投料法9019.3
C1水泥裹石投料法519.8
C2水泥裹石投料法1021
C3水泥裹石投料法1520.7
C4水泥裹石投料法2019.4
3.2第一次加水量与抗压强度关系
(1)研究净浆裹石投料法中四种不同的第一次
加水量与抗压强度之间的关系，见图5，可以发现随
着第一次加水量的逐渐增多，抗压强度呈现先增大
后减小的趋势，第一次掺入80%水时，抗压强度达
到最大值20.3MPa，比掺入60%水时提高了4%，而
掺入90%水时，抗压强度比80%水降低了5%，原
因在于开始掺入的水过少时，使得水泥不能充分的
发生水化反应，容易产生水泥颗粒团聚现象，而掺入
过多的水会导致先拌合的水泥浆体流动性过大，过
稀的水泥浆体不能均匀的包裹在粗集料表面，进而
影响透水混凝土的强度。

净浆裹石投料法中的第一
次加水量和抗压强度之间符合Y=－0.004X2+
0.592X－1.55的二次函数拟合关系，Ｒ2=0.97，拟
合良好，计算可知当X=74时Y达到峰值，即对于
净浆裹石投料法第一次加水量宜为74%。

(2)研究水泥裹石投料法中四种不同的第一次
加水量与抗压强度之间的关系，见图6，可以发现随
着第一次加水量的逐渐增多，抗压强度呈现先增大
后减小的趋势，第一次掺入10%水时，抗压强度达
到最大值21MPa，比掺入5%水时提高了6%，而掺
入20%水时，抗压强度比10%水降低了8%，原因
在于开始掺入的水过少时，不能充分的润湿粗集料
表面，失去了二次搅拌的意义，而掺入过多的水会导
致部分拌合水在搅拌的过程中，被粗集料内部的孔
隙吸收，影响第二次拌合时水泥的水化反应，进而影
响透水混凝土的强度。

水泥裹石投料法中的第一次
加水量和抗压强度之间符合Y=－0.025X2+
0.595X+17.475的二次函数拟合关系，Ｒ2=0.99，
拟合良好，计算可知当X=12时Y达到峰值，即对
于水泥裹石投料法第一次加水量宜为12%。

图5净浆裹石投料法抗压强度图6水泥裹石投料法抗压强度
3.3不同搅拌工艺对力学性能影响
与一次搅拌投料法相比，二次搅拌投料法(即
净浆裹石投料法与水泥裹石投料法)可以有效提高
混凝土的抗压强度，与一次投料法相比，净浆裹石投
料法抗压强度提高了14.7%，水泥裹石投料法抗压
强度提高了18.6%，如图7所示。

混凝土在拌合中
的宏观行为会影响其内部的微观结构，其中界面过
渡区对于整体抗压强度会产生很大的影响，二次搅
拌投料法因为材料的分次投入，在搅拌过程中，会形
成一层紧挨粗集料表面，包含界面过渡区和一部分
水泥浆体的“壳”，目的在于改变粗集料—界面过渡
区—水泥浆体之间的水灰质量比梯度，使之以距离
粗集料表面距离为自变量而有规律的变化［9］。

如
图8所示，采用一次投料搅拌法传统工艺的混凝土，
其硬化强度C随距离粗集料距离逐渐增加，而黏结
强度W随距离粗集料距离而逐渐减小，最终导致界
面过渡区破坏。

二次搅拌改善了混凝土界面的微观
匀质性，减少了水泥颗粒的团聚现象，提高了水化程
度，改善了混凝土界面区的水化物分布状态，综合提
高了混凝土性能［10］。

图7不同搅拌工艺抗压强度
图8不同搅拌工艺过渡区强度示意
4结论
本文针对不同搅拌工艺下，第一次加水量的不同对透水混凝土力学性能的影响进行研究，得到了抗压强度与加水量之间的拟合曲线，确定了适宜的加水量，并分析了不同拌合工艺对于透水混凝土力学强度影响的内部机理，主要研究结论如下:
(1)净浆裹石投料法第一次加水量和抗压强度之间符合Y=－0.004X2+0.592X－1.55的二次函数拟合关系，对于净浆裹石投料法第一次加水量宜为74%。

(2)水泥裹石投料法第一次加水量和抗压强度之间符合Y=－0.025X2+0.595X+17.475的二次函数拟合关系，对于水泥裹石投料法第一次加水量宜为12%。

(3)与一次搅拌投料法相比，二次搅拌投料法(即净浆裹石投料法与水泥裹石投料法)可以有效提高混凝土的抗压强度，采用二次投料搅拌法的混凝土，增强其粘结强度而减少其硬化强度，综合效果使得界面过渡区的固有强度保持平稳，提高其微观的均匀性。

因此为了提高透水混凝土的强度，应尽量选择二次投料法。

参考文献
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