路面混凝土混合物的造壳技术

摘要：本文论述路面混凝土分次投料搅拌造壳技术，可改善水泥的分散性，可显著提高混凝土质量和耐久性，改变了我国水泥混凝土路面传统的拌合物一次投料的落后工艺。通过应用证明，裹砂石法造壳技术可提高混凝土强度10％～20％，在保证路面混凝土质量前提下，可节约水泥用量5％～10％，工艺简单易行。

关键词：路面 混凝土 裹砂石法 造壳技术

1　前言

　　路面水泥混凝土通常是按砂、石、水泥、水一次投料的搅拌工艺制备的，其质量容易波动。使用将砂、石表面以水泥浆为外壳包起来的造壳搅拌方法，可改善水泥的分散性，使混凝土的质量与耐久性得到显著提高。
　　80年代，我国许多单位在研究SEC工法新技术的基础上，开发应用了“混凝土分次投料搅拌工艺”。其目的在于通过新的搅拌工艺，获得高质量的混合物，提高混凝土强度，继而在满足原强度要求的前提下，节约水泥用量。
　　根据大量的应用研究结果，各种分次投料搅拌工艺均能不同程度地提高混凝土强度。其中裹砂石法和净浆裹石法的增强效果最显著。分次投料工艺改变了我国水泥混凝土路面传统的混凝土混合物搅拌工艺，我们从分析混凝土破坏途径和增强机理出发，论述了裹砂石法的应用研究效果。

2　混凝土的破坏途径

　　硬化混凝土受力前在粗骨料和砂浆界面上存在很多微裂缝，称界面裂缝。这是由于水泥水化化学收缩，硬化后干燥收缩在骨料界面上产生拉应力导致界面裂缝。此外水分的迁移受到粗骨料阻止，从而水分向界面集中形成水膜，也是界面裂缝的根源。混凝土受力后，石子和砂浆变形不一致又导致这种原生裂缝开展。

　　此时E石＞E砂浆，骨料粒子处于软基体内，在纵向压力下砂浆横向变形(内聚力)大于石子，从而在石子上下部位产生压应力，边侧产生拉应力，界面有脱离的倾向(粘附力破坏)。这种由于两相变形不等产生的界面拉应力使原生裂缝开展。可见裂缝的发源地是界面，然后向〖DM(谢勇成：路面混凝土混合物的造壳技漱砂浆中延伸，最后贯穿试件，最终导致破坏。界面在受力前存在隐患，成为裂缝的发源地，界面拉应力的存在又为裂缝开展提供条件。因此，只有增强界面和提高砂浆强度才能阻止裂缝开展。

3　混凝土增强机理

3.1改善孔结构、强化水泥石

　　一般认为，水泥石是由凝胶、晶体、水与孔组成的聚集体。根据现代混凝土强度理论，水泥石内聚力主要取决于水泥石基材的孔隙率、孔分布、孔级配、孔形状等孔结构参数。所以水泥石从形成、发展直到破坏均与孔的发生和发展密切相关。但孔隙率不是影响混凝土强度的唯一因素，在孔隙率相同情况下，不同孔结构水泥石性能也不同。平均孔径小的强度高，0.1μm以上的毛细孔微缝对强度和耐久性不利，0.05μm以下的孔对强度及性能无影响，Mehta证明，大于1000A的孔存在是强度和抗渗性下降的原因。将大孔改变为小于500A的孔则可提高强度和抗渗性。由此可见，存在着调整孔级配来提高水泥石强度和耐久性的可能性。例如，采用真空脱水，分次投料，重复振捣，加入外加剂、活性混合物，聚合物浸渍以及限制膨胀等工艺措施，均能达到调整孔结构，提高强度的办法。
　　采用分次投料造壳搅拌工艺，可使水泥石最可几孔径减少，增强显著，试验采用灰砂比为1∶2.5，W/c＝0.5的软练砂浆与造壳砂浆作了强度和孔结构参数的比较，试验结果列表1。

　　不同砂浆对比试验结果　　　表1

从这些试验结果看出，造壳砂浆比普通砂浆的孔隙率只减少3％，而强度却提高27％，这主要是由于造壳砂浆和孔径分布得到了改善。第一，在大孔区，最可几孔径仅为普通砂浆的21％；在中孔区仅为63％，可见采用造壳搅拌工艺后，不仅能减少一些孔隙率，而且主要地可使毛细孔变细。第二，造壳砂浆的有害孔(500?!)含量仅为普通砂浆的6％；第三，造壳砂浆孔隙当量比表面积和平均水力半径比普通砂浆分别增加和减少9％。
　　总之，最可几孔径变小，使渗水通路变细，加上平均水力半径减少，提高了抗渗能力，对强度有害的大毛细孔减少24％，这将对裂缝的引发和扩展起很大的阻滞作用，因而能提高其强度及抗冲击性能。

3.2　强化界面过渡层
　　界面微观结构性质早已引起国内外学者的极大重视。研究表明，骨料和水泥石之间存在约几十微米的界面层，它是由水化粗骨料表面，首先形成水膜层逐渐被新生产物填充而来。如水灰比大或泌水均会使水膜层厚度增加，在过渡层会留下薄弱环节，所以只有减薄水膜层才能强化界面层。

在传统的搅拌方法中，所有固相材料几乎同时倒入搅拌机，此时砂、石、水泥混合物中主要是固——气界面。在加水搅拌过程中，水必然要浸润所有的固相材料表面而形成固——液界面，同时产生气——液界面，亦即在搅拌过程中有相当数量的气相残留在液、固相的包围之中。
　　在新的裹砂石法中，大部分水优先与砂石表面接触形成固——液界面，骨料湿润后形成液——气界面，基本上消失了固——气界面。当水泥投入时，立即粘附在骨料表面的水膜层上，强化了水泥的水化历程，使首先生成的水化铝酸盐复盖在骨料表面限制Ca(OH)2晶体扩散而强化了界面层。同时，残留的气体也必然少于传统工艺。

当水泥浆体作为粘附剂时，其粘附力大小首先决定于水对骨料表面的湿润效应。裹砂石法湿润本身说明水分子和骨料表面产生吸附作用(即范德华力)，骨料表面的湿润效应可提供所有砂石骨料周界被水泥浆体包裹机会，骨料间的孔隙被水泥浆体全部填充。水泥浆对骨料湿润面积越大，粘附力越大，故亲水性好，表面粗糙的石灰岩，石英岩使砼强度提高得更多。
　　此外，全部水加入搅拌过程中，稀浆中的水分向壳膜中渗透。以及壳膜中的水泥粒子向稀浆中扩散。这样，渗透和扩散过程，使固——液相均化，气相细化，改善了孔结构。

4　粗骨料径影响

无论是道路混凝土，还是普通混凝土，其最薄弱环节，都处在骨料下缘，尤其是粗骨料的下缘。

粗骨料粒径越大，其下缘处的水膜层也越厚。因此，当道路混凝土采用裹砂石搅拌工艺时，随着粗骨料最大粒径增大，界面过渡层结构可得到更显著的改善。同时，还由于粗骨料粒径增大，其表面积相对减小，造壳所需水泥量也减少；另外，骨料粒径增大也有利于造壳砂石形成连续相的骨架。所以随着粗骨料最大粒径的增大，水泥裹砂石混凝土的增强效果更显著(列表2)

粗骨料粒径影响　　　　　　表2

　　从试验结果看出，当粗骨料最大粒径分别为10mm、20mm、40mm时，以最大粒径40mm的裹砂石混凝土增强效果为最好。这对于道路混凝土采用粗骨料最大粒径40mm的拌合料是非常有利的。

5　生产应用

　　(1)裹砂石搅拌工艺为二次投料工艺，即造壳搅拌和匀化搅拌工艺。不同分次投料工艺的试验结果列表3。
　　从表3可看出，各种分次投料搅拌工艺的7d强度增长率均高于28d强度增长率，其中裹砂石法的强度增长率最高。另外，从工艺角度考虑，净浆裹石法为三次投料，而裹砂石法为二次投料，工艺简便易行。

不同分次投料工艺的强度增长率　　　　表3

　　(2)裹砂石法搅拌工艺方案如下：
　　在此搅拌工艺方案中，下限为强制式搅拌机搅拌时间，上限为自落式搅拌机搅拌时　间。第一次投料为：砂+石+70％水(包括砂石含水量)；第二次投料为：水泥+30％水；
　　(3)福建闽清市政建设工程公司采用裹砂石法进行了现场强度对比试验，其结果列于表4。

强度对比试验结果　表4

　　由表4可见，裹砂石法的强度增长值较高，R7为23.1％，R28为14.6％；因此，采用裹砂石法后，C30混凝土的水泥用量由360kg/m3降为324kg/m3，可节约水泥10％。
　　此外，由于裹砂石法拌制的混凝土具有较高的早期强度，可加快施工进度，如大庆油田扩建工程让湖路立交桥30m予应力钢筋混凝土T梁的施工过程中，原先需7d才能达到85％设计强度，采用造壳任务，而且28d强度由原先技术仅用4d就可达到85％的设计强度，不仅提前9d完成了的42.3MPa提高到46.9MPa。

6　结语

　　在所选定的试验条件下，各种分次投料搅拌工艺中，裹砂石法在不增加搅拌设备和生产管理人员，不延长搅拌时间的前提下，增强效果最好，而且投料次数少，适用性广(适用于坍落度＜9cm的塑性和半干硬性混凝土＝，操作简便，易于推广。此外，裹砂石法混凝土抗渗性、抗裂性、抗冻性及抗弯拉性均有明显的改善。
　　裹砂石法搅拌工艺实践证明，可提高强度10％～20％，在保证道路混凝土质量前提下，可节约水泥5％～10％。
　　提高水泥混凝土路面质量，出路在于不断采用混凝土路面施工新技术。而裹砂石法搅拌工艺是获得路面质量混凝土混合物的有效途径。
　　目前，洛阳震动机械厂生产了一种裹砂石法的专用机械(JDF350型混凝土搅拌机)，该机有两个上料斗，一个装砂石，一个装水泥，全部搅拌过程按程序自动完成，消除了人为因素的影响。自1991年投放市场以来，受到施工单位好评。