基于新型攪拌控制參數的混凝土強度發展規律研究

翁智財 胡建偉 何龍 謝永江 劉子科 王月華 李康 蔣睿

1.中國鐵道科學研究院集團有限公司 鐵道建筑研究所， 北京 100081；2.中國鐵道科學研究院集團有限公司 高速鐵路軌道系統全國重點實驗室， 北京 100081

鐵路線路是條帶狀結構，其工程主要在交通不便，遠離市區的區域建設，通常線路覆蓋幾百甚至上千公里，工程材料需要遠距離運輸。沿線工程材料質量波動大，尤其是混凝土材料。為保障鐵路工程建設質量，我國鐵路工程用混凝土基本上采用自建混凝土攪拌站的模式供應，以顯著縮短混凝土運輸距離，提高混凝土質量穩定性和生產效率［1-4］。但是，實際生產過程中，由于受到原材料質量波動影響，混凝土拌和物的穩定性能極易發生變化［5-7］，致使生產人員須要對混凝土狀態人為干預與調整［8-9］。

目前，在攪拌站生產混凝土時通常采用監測攪拌機電流值或者固定攪拌時間的方式控制混凝土攪拌質量［10-11］。通過電流值判斷混凝土攪拌狀態對操作人員的經驗要求極高，且判斷混凝土狀態缺少數據支撐［12-13］。固定攪拌時間基本可以保障混凝土的攪拌質量，但是混凝土原材料存在計量偏差等不確定因素［14］。這些因素會導致混凝土攪拌不足或過度攪拌，嚴重影響攪拌站混凝土的生產效率和生產質量。

基于攪拌機結構特點和混凝土拌和物狀態監測方法的適用性。本文提出采用攪拌機主軸轉矩和濕度傳感器分別對混凝土攪拌狀態進行監測，探明主軸轉矩和濕度對混凝土攪拌狀態的響應關系，分析攪拌時間與攪拌速度對混凝土強度的影響，探究混凝土狀態的自動攪拌調控方法，為高效精確判斷混凝土狀態提供技術支撐。

1 試驗方法

1.1 原材料與配合比

采用武漢華新水泥有限公司生產的P·O 42.5 水泥，比表面積為346 m2/kg；摻和料為湖北能源集團鄂州發電有限公司生產的F類Ⅰ級粉煤灰和武漢武新新型建材股份有限公司生產的S105級礦渣粉。水泥、粉煤灰和礦渣粉的化學組成見表1。細骨料采用武漢存冠建材有限公司生產的河砂，細度模數2.67。粗骨料采用大治市文啟新型建材有限公司生產的5 ～ 20 mm的連續級配石灰巖碎石，粒徑5 ～ 10 mm 碎石和10 ～20 mm 碎石按照4∶6 的質量比進行混合，空隙率為38%。減水劑為武漢源錦建材科技有限公司生產的聚羧酸高性能減水劑，減水率為25%。

表1 水泥、粉煤灰和礦渣粉的化學組成

本文采用不同強度等級的典型鐵路結構混凝土，配合比見表2。

表2 典型鐵路結構混凝土配合比kg·m-3

1.2 試驗儀器

試驗攪拌機是在可變頻調整轉速的立軸行星式攪拌機的基礎上進行改裝，見圖1。在常規工控參數（電流值、輸出功率）的基礎上增加了判斷混凝土均質化狀態的新型攪拌控制參數（主軸轉矩和濕度）。在攪拌機底部安裝Hydronix 公司生產的HM-08 型濕度傳感器，基于微波測試原理進行混凝土濕度測試。在攪拌機的電機和減速機之間通過扭矩傳感器進行連接，電機工作時通過無線接收器進行數據采集，將實際輸出扭矩通過控制系統進行輸出，達到數據收集的效果。

圖1 試驗攪拌機及測試裝置

1.3 測試方法

按GB/ T 50081—2019《混凝土物理力學性能試驗方法標準》測試混凝土試件抗壓強度，試件為邊長10 cm的立方體。

考慮到混凝土拌和物中的水泥與水會發生反應，在加熱情況下兩者反應速度將大幅提升，難以用烘干法及時準確測量出與傳感器接觸的混凝土拌和物的濕度（或含水量）。這樣就不能將濕度傳感器測得的濕度信號測量值與混凝土拌和物的濕度通過標定建立關聯。因此，本文直接采用濕度傳感器測得的濕度信號非標定測量值來表征混凝土拌和物的濕度。

2 試驗結果與討論

2.1 混凝土攪拌狀態在線監測方法及控制參數

混凝土從原材料投料到加水拌和過程是水泥、礦物摻和料、砂石骨料、水等多種原材料的物理混合均勻化過程，其混合均勻程度對混凝土拌和物的物理力學性能有著直接影響。為及時獲取、表征混凝土在攪拌過程中的均勻化狀態，通常采用基于攪拌機電流的傳統攪拌控制參數的監測方法，本文采用基于攪拌機主軸轉矩和混凝土濕度信號的新型攪拌控制參數的監測方法。傳統、新型攪拌控制參數監測曲線分別見圖2、圖3。

圖2 傳統攪拌控制參數監測曲線

圖3 新型攪拌控制參數監測曲線

由圖2可知，隨攪拌時間延長，攪拌機電流先增大然后趨于平緩。這是因為剛開始攪拌時，混凝土中各物料混合不均勻，攪拌阻力大，因而電流有一個逐漸升高的過程，之后隨著混凝土不斷均勻化，攪拌阻力降低，電流降低并處于穩定狀態。然而，由于電流自身屬性，在攪拌過程中電流呈鋸齒狀波動，致使對最終攪拌狀態的判定比較困難。

從圖3（a）可知，C30 和C40 混凝土的主軸轉矩呈倒V 形變化，主軸轉矩達到最大值后迅速降低，然后逐漸趨于穩定。C50、C60-1 和C60-2 三組混凝土的主軸轉矩先迅速達到最大值，之后C50、C60-1 混凝土主軸轉矩緩緩降低，然后逐漸趨于穩定，C60-2 混凝土主軸轉矩一直在最大值附近波動，最終C60-2 混凝土主軸轉矩明顯高于其他混凝土。

由圖3（b）可知，加水攪拌初期C30（水膠比為0.45）和C40（水膠比為0.38）混凝土的濕度明顯增長，達到最大值后一直穩定在最大值附近。這是因為C30和C40混凝土水膠比較高，更容易攪拌均勻，混凝土拌和物濕度更快穩定。與之相反，加水攪拌初期C50（水膠比為0.30）和C60-1（水膠比為0.30）混凝土拌和物的濕度波動較明顯。這是因為水膠比較低時混凝土攪拌阻力大，難以攪拌均勻。C60-2（水膠比為0.27）混凝土水膠比進一步降低，由于用水量明顯降低，混凝土整體濕度反而能夠在較短時間內穩定。

2.2 攪拌參數對混凝土抗壓強度的影響

1）固定攪拌速度、調整攪拌時間

攪拌機控制器頻率為50 Hz 時，攪拌機公轉轉速為21 r/min，自轉轉速為45 r/min。不同攪拌時間制備的混凝土抗壓強度見圖4?？芍孩貱30、C40、C50 和C60四個強度等級混凝土的抗壓強度發展規律基本一致，3 ～ 56 d 齡期攪拌時間達到4 ～ 5 min 時混凝土3 ～56 d 齡期抗壓強度達到最大值，繼續攪拌并不會進一步提高混凝土抗壓強度。②隨齡期延長，攪拌時間對混凝土抗壓強度的影響越來越小。值得注意的是，不同強度等級下攪拌時間為2 min 的混凝土抗壓強度均比同齡期其他攪拌時間的混凝土抗壓強度低，表明攪拌時間短不利于混凝土早期抗壓強度增長。

圖4 不同攪拌時間下混凝土的抗壓強度

2）調整攪拌速度和攪拌時間

通過設置控制器頻率來調整攪拌機轉速，頻率為30 Hz 時，攪拌機的公轉速度為12.6 r/min，自轉速度為27 r/min；頻率為50 Hz 時，攪拌機的公轉速度為21 r/min，自轉速度為45 r/min；頻率為70 Hz 時，攪拌機公轉速度為29.4 r/min，自轉速度為63 r/min。

不同頻率和攪拌時間下C40 和C60-1 混凝土的抗壓強度對比分別見圖5和圖6。

圖5 不同頻率和攪拌時間下C40混凝土的抗壓強度

圖6 不同頻率和攪拌時間下C60-1混凝土的抗壓強度

由圖5 可知：①30、50、70 Hz 三種頻率下C40 混凝土抗壓強度發展規律基本一致，攪拌4 ～ 5 min 時混凝土3 ～ 56 d 齡期抗壓強度達到最大值，繼續攪拌并不會進一步提高混凝土抗壓強度。②隨齡期延長，攪拌時間對混凝土抗壓強度的影響越來越小。

對比圖5 和圖6 可知：30、50、70 Hz 三種頻率下C60-1 混凝土抗壓強度發展規律與C40 混凝土基本一致。C60-1 混凝土3 ～ 56 d 齡期抗壓強度達到最大值時攪拌時間為3 ～ 4 min，比C40 混凝土攪拌時間縮短了。攪拌時間延長，混凝土混合得更均勻，抗壓強度逐漸增大；但攪拌時間達到臨界值后，繼續延長攪拌時間不會進一步提高混凝土抗壓強度。C60-1 混凝土的水膠比比C40 混凝土低，達到最大抗壓強度的攪拌時間反而短，這說明水膠比對C60-1 混凝土強度的影響大于攪拌時間的影響。

3 混凝土自動攪拌調控試驗

混凝土原材料性能波動會導致拌和物狀態不穩定。以砂子為例予以說明。砂子含水率存在較大波動時，混凝土的用水量或者減水劑用量難以準確計量，這樣會導致混凝土拌和物工作性能偏小或者偏大，嚴重影響混凝土質量穩定性，且降低混凝土生產效率。鑒于此，首先獲取主軸轉矩和濕度對混凝土攪拌狀態的影響規律后，通過攪拌參數實測值（主軸轉矩或濕度）與設定目標閾值的差值對混凝土狀態進行判定，然后通過調整用水量或減水劑用量對混凝土拌和物狀態進行調控。

采用表1 中C40 混凝土配合比進行混凝土自動攪拌調控試驗，結果見圖7。其中，固定模式是根據C40配合比，將稱量好的材料一次性投入攪拌機按常規方式進行攪拌。自動模式（加水）是將主軸扭矩目標閾值設定為（15 ± 2）N·m 或將混凝土濕度的目標閾值設定為（16 200 ± 300）。通過自動分次加水對混凝土拌和物狀態進行調控。具體步驟：首先根據配合比將各原材料和80%水計量好，投入攪拌機中進行攪拌，攪拌180 s 對拌和物狀態做初次判定；第一次自動加10%水，繼續攪拌30 s，二次判定；第二次自動加10%水，繼續攪拌30 s，再次判定。自動模式（加減水劑）與自動模式（加水）的區別就是把水換為減水劑。

圖7 混凝土自動攪拌調控試驗結果

由圖7（a）可知：一旦混凝土用水量低于配合比設計的用水量，自動模式（加水）主軸轉矩明顯比固定攪拌模式時大，說明混凝土攪拌阻力變大，狀態不佳。判定主軸轉矩未達到設定目標閾值后，通過二次加水或加減水劑，可以使混凝土主軸轉矩與目標閾值相當。這說明通過二次加水或加減水劑可實現混凝土狀態的自動調控，不過二次加水或加減水劑對混凝土主軸轉矩的調控效果存在滯后性。與固定模式相比，達到相同混凝土拌和物狀態，采用主軸轉矩的自動調控模式會增加混凝土的攪拌時間。

由圖7（b）中的自動模式（加減水劑）曲線可知，若是用水量與配合比設計的用水量一致時，即便外加劑用量有較大差異，自動模式與固定模式濕度曲線差異不大。由自動模式（加水）曲線可知，混凝土濕度信號原始測量值對混凝土用水量極其敏感，一旦混凝土用水量低于配合比設計的用水量，混凝土濕度明顯降低，這可用來在攪拌初期對混凝土用水量進行快速判定。

4 結論

1） 與常規工控參數電流相比，新型攪拌控制參數主軸轉矩可更精確判定C30、C40、C50 和C60 混凝土的攪拌狀態。采用濕度判定混凝土拌和物狀態的準確性與混凝土拌和用水量密切相關，通常情況下更適用于對高水膠比混凝土狀態的判定。

2）混凝土抗壓強度隨攪拌時間延長先增大然后趨于穩定。相同攪拌速度下，攪拌時間越長，混凝土早期抗壓強度提高越顯著；攪拌時間達到臨界值后，繼續延長攪拌時間，混凝土抗壓強度基本不變。齡期越長，攪拌時間對混凝土抗壓強度的影響越小。

3）通過采用基于主軸轉矩和濕度參數監測的分級加水或加減水劑的自動攪拌調控方法，可解決現有混凝土生產質量波動的問題，為自動化、精細化和智能化調控混凝土狀態提供技術支撐。