朔神高速公路基于HZS120 老舊攪拌站技術改造應用高性能混凝土拌合生產應用

劉為明

（中鐵二十二局集團第四工程有限公司朔神高速公路項目部，天津 301700）

0 引言

目前國內施工企業使用的混凝土攪拌站絕大多數采用是強制性攪拌技術，該技術的應用可以用較短的時間就將拌合物料攪拌均勻。但是通過強制性攪拌技術拌制的混合料，若仔細觀察會發現許多骨料表層是干燥的，且許多干燥的小水泥團中有10%-30%的水泥顆粒聚集比較零散，這樣會降低混凝土的性能及耐久性。如果將團聚的水泥顆粒分開，使其盡可能的接近均勻分布的理想狀態，可以提高現有混凝土配合比的性能和后期強度，也可反向按照配合比設計強度減少水泥用量。對施工企業老舊混凝土生產設備改造升級和更新換代起到很好的應用例子。

1 工程概況

朔神高速公路路基路面第二合同段項目部包括：隧道2 座、大橋2 座、中橋5 座、天橋1 座、涵洞41 座，需要混凝土35 萬方左右。混凝土生產是施工的關鍵工序。新式振動攪拌設備的使用可以起到關鍵的生產作用，按照施工組織設計本項目擬投入振動式攪拌站進行混凝土生產。

2 振動攪拌技術作用機理

2.1 振動式攪拌主機主要結構

混凝土攪拌設備的功能是將水泥混凝土原材料-水泥、粉煤灰、砂石料、外加劑等，根據設計要求的比例，通過一系列的系統攪拌工作，生產出符合滿足施工要求的混凝土[1]。本項目采用德通振動攪拌主機對舊攪拌主機進行改造，其機械結構圖如下1 所示

圖1 振動式攪拌主機主要結構

2.2 振動攪拌機理

混凝土屬于是一種多相、多孔的非均質復合材料。從宏觀角度來說，可以將混凝土定性為骨料顆粒分散到水泥石機體內而組合成的兩相材料。從微觀角度來說，混凝土的內部結構十分復雜，主要構成物有骨料、水泥水化物、毛細孔及沒有水化的水泥顆粒等，這些物質在混凝土內分布并不是均勻的。因此，要想使混凝土混合料通過攪拌能夠在宏觀及微觀上都能達到均勻分布，就需要采取措施加快混凝土內各個組分的運動頻率，使其運動軌跡相交相匯，充分撞擊及摩擦，物料在這種對流運動及擴散運動中實現均勻分布，最終獲得性能優良的混凝土[2]。

2.2.1 振動攪拌對水泥混凝土中水泥團的破壞機理

水泥混凝土的強度主要是依靠骨料間的嵌鎖擠壓及水泥水化和硬化過程中形成的C-S-H 凝膠。通過振動攪拌可以使水泥同時在攪拌及振動的雙重作用下充分的水化，并均勻分布與骨料之間，增強水泥混凝土的性能。具體來說，就是通過振動能量的作用,促使純攪拌過程中沒有參與循環對流及擴散剪切作用的水泥聚團顆粒進入顫振狀態，進而破壞各組分間的粘性連接及水泥團粒表層的水膜，以提高水泥顆粒分布的均勻性，同時，水泥團顆粒也可從水泥團中得到充分釋放，使得水泥進行更加充分的水化反應，生產出更多的水化產物，從而優化水泥混凝土的工作性能[3]。

2.1.2 振動攪拌對粗骨料表面的凈化及其粘結強度的增強機理

水泥混凝土中的水泥漿在發生硬化膠結之后，會包附到骨料表層，使得砂石等骨料可以牢固的膠結到一起，這種情況下，通常都是骨料強度fQ＞水泥石強度fk＞與骨料表層粘結強度。骨料表面和水泥石之間的粘結力是最小的，所以會在水泥石—集料界面形成一個界面過渡區，此處也是混合料最為薄弱得到部分，詳見圖2 所示。通過振動攪拌可以破壞附著在集料表層的水膜結構，并使其脫離，這樣凈化之后的骨料表面的可以更加容易的和水泥顆粒相結合。同時，骨料表面被水泥顆粒充分吸附后，便會減少骨料界面中的Ca(OH)2 晶體，可以有效預防疏松層形成。并可在骨料表面形成一層C-S-H凝膠，增大了骨料表面接觸面積，可使各材料間實現更加牢固的粘結[4]。

圖2 界面過渡區

3 改造方式和改造后的生產試驗論證過程

3.1 設備改造方式為：

按照振動式攪拌主機尺寸，在原有的攪拌主機安裝平臺上簡單進行機械焊接改造安裝平臺。將振動式主機安裝于主機平臺上，調整上料皮帶位置，在操作柜中增加振動電機繼電器，不需要在進行其它改造，設備升級改造簡單[5]。

3.2 試驗生產論證：

通過在朔神高速公路路基路面第二合同段項目部攪拌站1 號普通強制攪拌拌合主機和改造后的2 號振動攪拌主機，進行C30 普通、C40 普通兩種種標號混凝土進行振動攪拌和普通強制攪拌兩種拌合方式進行對比試驗。

表1 試驗用配合比信息

備注：振動優化組為在原配比保持水膠比、砂率、外加劑摻量及容重不變條件下，減少5%膠凝材料用量，同時碎石比例由小石：中石：大石=1:4:5調整為小石：中石：大石=1:5:4，降低級配孔隙率，按照此優方案所進行的配比調整。

3.3 出機混凝土性能及強度數據試驗：

3.3.1 拌和物性能數據如下表2.

表2 出機混凝土拌和物性能試驗表

3.3.2 7d抗壓強度數據

在改裝設備完成后進行混凝土攪拌試驗，通過試驗表明：振動組混凝土坍落度較普通組提高約20mm 左右，振動攪拌兩種配比7 天抗壓強度均大于普通攪拌，具體見表3。

表3 7d 抗壓強度數據

4 設備改造后的技術更新效益及經濟效益分析

4.1 設備改造后的技術更新效益：振動式攪拌主機改造完成后到達了預期的振動式攪拌混凝土拌合站的生產性能，購買全新的120 型振動式攪拌站需要花費140 萬元左右，本次設備改造花費費用35 萬元，采用的是公司內部調撥的2009 年購入的120 攪拌站，凈值為8 萬 元。本次攪拌站裝機總費用為（振動式攪拌主機35 萬+設備凈值8 萬+運輸安裝成本20 萬元）63 萬元，相比設備更新采購節約費用77 萬元。并且主完成了業主方對于高新技術投入的文件要求，使企業在高新技術設備投入更新上取得了良好的企業形象。

4.2 對于混凝土生產的經濟效益分析：

通過試驗結果表明：振動組混凝土坍落度較普通組提高約20mm 左右，振動攪拌抗壓強度均大于普通攪拌，7d 抗壓強度可提升3MPa-6MPa。以C40的混凝土為例，用振動攪拌在同等配比的條件下比普通攪拌強度提高10%左右；因此在保證強度和其他性能的情況下反向振動拌和可以減少5%水泥。如果混凝土攪拌站一天可生產500m3的混凝土，那么就能節省水泥7.5 噸，按水泥市場價320 元/噸，那么一個混凝土拌和站，在使用振動攪拌后，一天節省的水泥成本約2400 元。并且按照振動式攪拌站技術的技術說明，振動式攪拌方式對混凝土的外觀和長期質量都有著良好的提高，在長期的時間效益上具有更大的經濟技術效益[6]。

5 混凝土攪拌站改造總結：

隨著國家對工程施工領域現代化技術提升的要求越來越嚴格廣泛，施工機械質量優劣、數量和規模的大小及生產成本的高低等主要技術經濟指標都直接影響到施工企業產品市場競爭力及企業經濟效益。現階段施工企業在解決設備技術狀態劣化的措施主要有以下三種方法:第一是設備維修,第二是設備改造,第三是設備更新。本項目部在本次施工中采取了嘗試采用設備改造的方式對老舊HZS120 攪拌站進行振動式攪拌技術改造，取到了預期效果。新的技術投入對企業的經濟效益和技術效益都有著顯著的提升，本次攪拌站改造案例為企業在攪拌站改造升級上起到了示范性的例子。