優(yōu)化水工混凝土性能的關(guān)鍵在于攪拌工藝的精細(xì)化控制，其中基于分階段混合的凈漿裹石技術(shù)是一種具有顯著應(yīng)用價值的新型工藝混凝土攪拌。首先將礦物摻合料、高效減水劑等膠凝體系組分與拌合水進(jìn)行充分混合處理形成基準(zhǔn)漿體，隨后按特定投料順序摻入級配骨料進(jìn)行二次拌合。這種分相混合機(jī)制不僅可以顯著提高骨料界面過渡區(qū)的漿體浸潤效果，還通過優(yōu)化界面結(jié)合能有效調(diào)控硬化體宏觀性能指標(biāo)，包括包裹層結(jié)構(gòu)致密性、界面應(yīng)力分布均勻性以及長期耐久性等關(guān)鍵參數(shù)。在凈漿裹石工藝的攪拌階段，凈漿的黏度和流動性對于骨料的均勻包裹十分重要，如凈漿黏度較大會增加均勻包裹骨料的難度。為了改善凈漿的黏度和流動性，可以采取的優(yōu)化方法有調(diào)整外加劑的種類與摻量、優(yōu)化膠凝材料種類以及調(diào)整凈漿的剪切速率等。
研究發(fā)現(xiàn)，摻入減水劑可以明顯減少凈漿黏度，但漿體黏度會隨著剪切速率的增加呈先減小后增大的特征；摻入硅灰、礦粉等摻合料會對凈漿的流變特性產(chǎn)生顯著影響，如提升凈漿的表觀黏度，但同時也能增強(qiáng)漿體的剪切稀化行為，在攪拌過程中隨著剪切速率的提升，漿體的黏度呈現(xiàn)明顯的遞減趨勢；此外，為了減少凈漿黏度還可以摻入少量的石灰石粉，凈漿的最小黏度值和臨界剪切應(yīng)力均隨著剪切速率的增加而逐漸減??；在增大剪切速率的情況下，凈漿黏度可以達(dá)到最小化，例如凈漿黏度在水泥與粉煤灰質(zhì)量比為1:1時較低，這些優(yōu)化措施有助于提高凈漿裹石攪拌中水工混凝土的性能混凝土攪拌。然而，目前對于不同強(qiáng)度水工混凝土性能與低黏度凈漿裹石攪拌方式之間相互關(guān)系的研究還較少。
鑒于此，本文采用低黏度凈漿裹石、凈漿裹石和普通攪拌方式，探究了其對C30、C40、C50水工混凝土強(qiáng)度、壓力泌水率和工作性能的影響作用，旨在為水工混凝土工程提供一種高效、經(jīng)濟(jì)、環(huán)保的技術(shù)方案，從而推動混凝土材料的性能提升和工程應(yīng)用的可持續(xù)發(fā)展混凝土攪拌。
1試驗方案
1.1材料與配比
試驗采用P·O42.5級普硅水泥，標(biāo)稠用水量28.7%，粒徑30.5μm，表觀密度356m2/kg；采用Ｆ類Ⅱ級粉煤灰和s95級礦粉，相應(yīng)的比表面積為343m2/kg和458m2/kg；集料使用細(xì)度模數(shù)2.7的渾河河砂，含泥量0.1%，以及粒徑5～20mm花崗巖碎石，碎石壓碎指標(biāo)7.2%；外加劑使用FDN-C萘系高效減水劑，減水率22%～28%，推薦摻量1.5%～3.0%，拌和水使用自來水混凝土攪拌。
根據(jù)各原材料的主要性能參數(shù)，通過計算和調(diào)整材料用量比例，制備符合C30、C40和C50強(qiáng)度要求的水工混凝土，試驗配合比如表1所示混凝土攪拌。
1.2試樣制備
試驗選用普通、凈漿裹石和低黏度凈漿裹石3種不同的混凝土攪拌方式混凝土攪拌，各方式的具體流程如下：
1）普通攪拌：①根據(jù)試驗配合比準(zhǔn)備好相應(yīng)的原材料，并將試驗材料依次按比例加入混凝土攪拌機(jī)中；②開始攪拌，控制攪拌時間2min以確保所有材料充分混合；③停止攪拌，取出拌合物用于制備混凝土試件混凝土攪拌。
2）凈漿裹石攪拌：①按照試驗配合比準(zhǔn)備好相應(yīng)的原材料，在正式攪拌前，先加入砂、碎石骨料，并加入拌和水總量的10%進(jìn)行預(yù)濕，使骨料表面充分濕潤，形成均勻的水膜，同時清除骨料表面附著的灰塵和泥土，避免因骨料干燥或雜質(zhì)而影響拌合物的均勻性和性能；②將外加劑、剩余水量以及礦渣、粉煤灰、水泥等摻合加入凈漿攪拌機(jī)，攪拌60s配制成凈漿；③然后向混凝土攪拌機(jī)中倒入凈漿，繼續(xù)攪拌60s使骨料與凈漿充分混合；④停止攪拌，取出拌合物用于制備混凝土試件混凝土攪拌。
3）低黏度凈漿裹石攪拌：①按照試驗配合比準(zhǔn)備好相應(yīng)的原材料混凝土攪拌，在凈漿攪拌設(shè)備中加入外加劑、90%的拌和水、礦渣、水泥以及粉煤灰，并開始攪拌；
②緩慢加快攪拌設(shè)備的轉(zhuǎn)速，將轉(zhuǎn)速逐漸從低速加快到1800r/min，然后再緩慢減小到300r/min；③在每間隔100r/min的轉(zhuǎn)速時，對凈漿黏度進(jìn)行檢測，以獲得黏度最低時的轉(zhuǎn)速；④加入沙、碎石和剩余的10%用水進(jìn)行濕拌；⑤在攪拌過程中，首先確定攪拌轉(zhuǎn)速，使其處于能夠?qū)崿F(xiàn)漿體最低黏度狀態(tài)的最優(yōu)值，隨后將制備好的凈漿緩慢倒入攪拌機(jī)，通過持續(xù)攪拌60s，使凈漿與砂石骨料達(dá)到均勻混合狀態(tài)，確保漿體對骨料的充分包裹，攪拌完成，及時取出拌合物，用于制備試件混凝土攪拌。
根據(jù)以下流程制備混凝土試件，先準(zhǔn)備好邊長150mm的立方體模具，再將已拌和好的混合物倒入模具中，使模具填充均勻；在室溫環(huán)境下，對混凝土試件覆蓋塑料膜進(jìn)行24h成型養(yǎng)護(hù)；然后拆除模具，將成型試件放入養(yǎng)護(hù)箱進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)，該過程中控制相對濕度≥95%、溫度（20±2）℃；在養(yǎng)護(hù)至第7d和28d齡期后，取出對混凝土試件進(jìn)行相應(yīng)的測試混凝土攪拌。
1.3測試方法
1）工作性能的測試混凝土攪拌。參照《水工混凝土試驗規(guī)程》以及相關(guān)試驗標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行拌合物坍落度、倒坍筒排空時間、壓力泌水率的測試。對于坍落度的測試，先準(zhǔn)備好坍落度錐模具和拌合物樣品，然后將拌合物填充至坍落度錐模具中，并輕輕抬起模具，讓拌合物自由落下，觀察下降距離并測量坍落度，精確至1mm。對于倒坍筒排空時間，先準(zhǔn)備好倒筒試驗儀和拌合物樣品，再將拌合物倒入金屬筒中，填充高度大約為筒高的2/3，快速平穩(wěn)地將筒沿垂直方向倒置使拌合物開始排空，在倒筒過程中開始計時，并觀察排空過程確保沒有明顯的滯留或停滯，當(dāng)拌合物從完全排空且沒有明顯滯留時停止計時，并記錄倒筒排空時間，精確至0.1s。對于壓力泌水率的測試，先將拌合物裝入在壓力泌水率儀器中，施加規(guī)定的壓力并記錄時間，測量泌水量，計算壓力泌水率，精確至0.1%。
2）力學(xué)性能的測試混凝土攪拌。先將養(yǎng)護(hù)至7d、28d齡期的試件取出，并放置在HYE－2000BD型電液伺服壓力試驗機(jī)工作臺上，然后設(shè)定加載速率0.01mm/min，啟動試驗機(jī)自動施加荷載，直至試件破壞記錄最大加載壓力，并計算出試件的抗壓強(qiáng)度，取每組3個試件平均值為最終數(shù)據(jù)，精確至0.1MPa。
為了更好地區(qū)分不同攪拌方式下試樣的測試結(jié)果和特性差異，研究使用不同代號，具體如下：對于凈漿裹石、低黏度凈漿裹石與普通攪拌方式制備的試樣，其坍落度差值代號為JPS-T和LVS-T，倒坍筒排空時間差值代號為JSP-P和LVS-P，泌水率差值代號為JPSM和LVS-M，不同齡期抗壓強(qiáng)度差值代號為JPS-K和LVS-K，測試結(jié)果如表2所示混凝土攪拌。
2結(jié)果與分析
2.1拌合物的工作性能
攪拌方式對新拌混凝土坍落度及其差值的影響如圖1所示，結(jié)果顯示普通攪拌制成的C30、C40和C50試樣坍落度最低，其次是凈漿裹石攪拌，而低黏度凈漿裹石攪拌最高，這表明不同攪拌方式對坍落度有較大影響，其中低黏度凈漿裹石攪拌能夠獲得最高的坍落度混凝土攪拌。
在攪拌方式相同情況下，各試樣的坍落度差值均隨著強(qiáng)度等級的提升逐漸增加，例如C30試樣的JPS-T為8mm，LVS-T為13mm；C40試樣JPS-T為9mm，LVS-T為14mm；C50試樣JPS-T為10mm，LVS-T為16mm，這說明高強(qiáng)度混凝土的坍落度差值更大混凝土攪拌。低黏度凈漿裹石攪拌在高強(qiáng)度混凝土中的作用效果更加顯著，這是由于這種攪拌方式是利用對凈漿黏度的調(diào)整作用來改善骨料的包裹性及漿體和易性，而高強(qiáng)度混凝土使用的膠凝材料較多，導(dǎo)致骨料之間形成的凈漿潤滑層較厚，而潤滑層的增厚能夠減少骨料間的摩擦，并改善顆粒之的滑動性。因此，低黏度凈漿裹石攪拌在高強(qiáng)度混凝土中對坍落度的改善作用更加明顯。
攪拌方式對新拌混凝土倒坍筒排空時間及其差值的影響如圖2所示，結(jié)果表明相同強(qiáng)度等級情況下，低黏度凈漿裹石攪拌制成的試樣倒坍筒排空時間最小，其次是凈漿裹石攪拌，而普通攪拌最大，這說明低黏度凈漿裹石攪拌可以更好地縮短拌合物排空時間混凝土攪拌。
在攪拌方式相同情況下，拌合物倒坍筒排空時間差值也隨著強(qiáng)度等級的提升逐漸增大，例如C30試樣的JSP-P為1.2s，LVS-P為2.0s；C40試樣的JSP-P為1.6s，LVS-P為2.7s；C50試樣的JSP-P為2.2s，LVS-P為3.4s，說明隨著強(qiáng)度等級的提高，低黏度凈漿裹石攪拌在縮短拌合物倒坍筒排空時間方面的作用效果更為明顯，這與坍落度的變化趨勢保持相同混凝土攪拌。
攪拌方式對新拌混凝土壓力泌水率及壓力泌水率差值的影響如圖3所示，結(jié)果表明在相同強(qiáng)度等級情況下，低黏度凈漿裹石攪拌制成的試樣壓力泌水率最小，其次是凈漿裹石攪拌，而普通攪拌時最大，這表明低黏度凈漿裹石攪拌能夠更好地降低壓力泌水率，這種攪拌方式的優(yōu)勢在于通過調(diào)整攪拌轉(zhuǎn)速來降低凈漿的黏度，從而顯著提升凈漿對骨料的包裹能力混凝土攪拌。具體而言，當(dāng)凈漿的黏度降低后，其流動性得以改善，能夠更均勻地包裹骨料表面，進(jìn)而更好地填充骨料間的縫隙，使拌合物的內(nèi)部結(jié)構(gòu)更加均勻，孔隙率降低，從而有效降低壓力泌水率。
由圖3可知，差值最大的是C30試樣，而C40和C50試樣的差值相對不明顯，例如C40試樣JPS-M為3-1%，LVS-M為4-9%；C40試樣的JPS-M為2.2%，LVS-M為4.7%；C50試樣的JPS-M為2.2%，LVS-M為4.4%混凝土攪拌。這是由于在低強(qiáng)度C30混凝土體系中，膠凝材料摻量相對較低，此時優(yōu)化攪拌工藝參數(shù)可有效抑制水泥基體內(nèi)部微孔洞的形成。具體表現(xiàn)為：通過控制漿體黏度與攪拌剪切力的協(xié)同作用，能夠降低新拌砂漿的觸變性，使?jié){體在骨料表面形成連續(xù)包裹層，從而將壓力泌水率降低至。
隨著強(qiáng)度等級提升至C40、C50后，膠凝材料摻量顯著增加，其水化產(chǎn)物的自密實特性在微觀尺度上展現(xiàn)出雙重效應(yīng)：一方面，過量膠材通過填充效應(yīng)可彌合骨料界面過渡區(qū)的微裂縫；另一方面，高膠材體系在水化放熱階段易形成局部溫升梯度，導(dǎo)致硬化體內(nèi)部產(chǎn)生殘余應(yīng)力集中，這種材料特性使得單一通過攪拌工藝調(diào)整對高強(qiáng)度混凝土的優(yōu)化幅度受限，其泌水率降幅相對較低，故對高強(qiáng)度優(yōu)化效果相對不明顯混凝土攪拌。
2.2對抗壓強(qiáng)度的影響
通過對比不同攪拌工藝對混凝土力學(xué)性能的影響規(guī)律（圖4）可以發(fā)現(xiàn)，混凝土早期（7d）和長期（28d）強(qiáng)度及其差值均存在明顯差異混凝土攪拌。經(jīng)測試，在相同配合比條件下，普通攪拌C30試樣的7d、28d強(qiáng)度分別達(dá)到39.2MPa和43.5MPa，而凈漿裹石攪拌試樣提升至40.6MPa和45.1MPa，低黏度凈漿裹石攪拌試樣進(jìn)一步提升至41.2MPa和46.2MPa，力學(xué)性能排序呈現(xiàn)明顯梯度差異。該強(qiáng)度演變規(guī)律驗證了低黏度凈漿裹石工藝的界面強(qiáng)化效應(yīng)，其通過漿膜厚度控制優(yōu)化骨料－漿體界面過渡區(qū)（ITZ）結(jié)構(gòu)，使界面黏結(jié)強(qiáng)度明顯提升。
從微觀作用機(jī)理上，低黏度凈漿體系通過增強(qiáng)骨料表面潤濕性，促使水化產(chǎn)物在骨料表面定向生長，形成具有三維互鎖結(jié)構(gòu)的C-S-H凝膠網(wǎng)絡(luò)；另外，攪拌過程中施加的特定剪切速率可有效打破漿體絮凝結(jié)構(gòu)，使膠凝顆粒達(dá)到最優(yōu)空間分布狀態(tài)，這種微觀結(jié)構(gòu)的重組使硬化體內(nèi)部缺陷率降低，從而顯著提升材料的宏觀力學(xué)性能混凝土攪拌。
在攪拌方式相同的情況下，同齡期試樣的抗壓強(qiáng)度差值隨著強(qiáng)度等級的提高逐漸增大，例如C30試樣的7d和28d強(qiáng)度差值為JPS-K為1.1MPa和1.6MPa，LVS-K為2.2MPa和2.8MPa；C40混凝土的7d和28d抗壓強(qiáng)度差值分別為JPS-K為2.6MPa和4.8MPa，LVS-K為4.2MPa和4.5MPa；C50混凝土的7d和28d抗壓強(qiáng)度差值分別為JPS-K為4.6MPa和5.4MPa，LVS-K為9.5MPa和9.9MPa，這說明增大強(qiáng)度等級，低黏度凈漿裹石攪拌對提升抗壓強(qiáng)度的作用效果更加顯著，這是因為這種攪拌方式能夠更好地將高漿體含量的混凝土拌和均勻，從而減少漿體與骨料之間的空隙，提高整體的致密性和強(qiáng)度混凝土攪拌。
3結(jié) 論
1）低黏度凈漿裹石攪拌能夠顯著提高拌合物坍落度和硬化混凝土抗壓強(qiáng)度，減少倒坍筒排空的時間和壓力泌水率，這種攪拌方式對提升水工混凝土的工作性能和力學(xué)性能方面比普通攪拌更有效混凝土攪拌。
2）在高強(qiáng)度等級條件下，低黏度凈漿裹石攪拌對拌合物工作性能和硬化強(qiáng)度的改善效果相較于其它兩種攪拌方式更加顯著，這是因為增大強(qiáng)度等級使得膠材用量增多，低黏度凈漿裹石攪拌能夠更好地提高漿體的均勻性和流動性，進(jìn)一步提高基體致密性和力學(xué)性能，在高強(qiáng)度等級下使用低黏度凈漿裹石攪拌可以取得更顯著的改善效果混凝土攪拌。