两阶段变速搅拌对高强混凝土稳定性的影响研究

搅拌的目的是将骨料颗粒的表面由水泥浆体充分包裹，使混凝土各组分混合成均匀稳定的物料[1].搅拌过程会破坏粉体颗粒间的团聚现象，促使颗粒均匀分散，保证粉体颗粒在微观上匀质.在将混凝土拌和物各组分分散的同时，力图实现微观上均匀分散，如图1（a）所示.利用搅拌机叶片在混合过程中对拌和物的剪切、挤压和摩擦作用，破坏胶凝材料颗粒表面的水化外壳，促进其水化过程[2-3].总之，混凝土拌和物混合的均匀程度将直接影响混凝土后期强度发展、耐久性能和体积稳定性能[4-5].
经调研，目前混凝土制品生产过程中普遍采用将计量好的水泥、水、外加剂、砂和碎石等原材料一次性投入搅拌机，在固定的搅拌速度下拌和成混凝土的搅拌工艺.采用一次投料搅拌工艺制备的混凝土，宏观上似乎完全可以实现混凝土的混和均匀.但仔细观察可以发现混和均匀的混凝土中骨料表面并没有被砂浆很好的包裹，一些干的水泥团块也无法完全分散[1,6].相关研究[7]表明如果把搅拌后宏观上均匀的混凝土中的水泥浆放在显微镜下，发现仍有15%~30%的水泥颗粒呈团粒状态，说明混凝土各组分未能达到均匀分散的目的.在一次投料搅拌工艺中，混凝土各组成材料一次性投入搅拌机内，遇水后很快形成大小不等的水泥团粒，搅拌过程中由于骨料间的摩擦和撞击作用使得部分水泥团粒被分解破坏，而处于粗骨料背后的那部分水泥团粒则不易破坏.有学者[8-9]进一步研究发现，在混凝土界面“过渡区”存在强度梯度，显微硬度值也呈现较大的差异.硬化后粘附在粗骨料上和骨料间隙中的未被水化的水泥团粒以及水泥砂浆包裹层厚度不均匀导致混凝土的界面成为混凝土中最薄弱的环节.总之，采用一次投料这种普通的搅拌工艺，混凝土拌和物的混合均匀度还有待进一步提高.
为了能够充分将混凝土拌和物搅拌均匀，相关学者[10~16]研究了混凝土的混合机理以及搅拌过程中搅拌时间和搅拌速度等因素对混凝土拌和物均匀混合的影响规律，提出了水泥净浆法、水泥砂浆法、水泥裹砂法，水泥裹石法和骨料造壳法等多步式搅拌工艺.以上新式搅拌工艺主要是通过改变混凝土原材料的加料顺序和搅拌时间来提高混凝土的混合分散.不过，根据搅拌混合机理，提高混凝土中粉体的分散均匀度，必须增加混合料颗粒间的碰撞次数和相互摩擦，增加混合料交叉的频率，因此提高搅拌的线速度是必然的选择.目前搅拌速度的提升受到搅拌设备及工艺的限制，搅拌设备基本只能进行恒定的低速搅拌，当搅拌线速度过大时，混凝土拌和物的离心力大于搅拌叶片间的摩擦力，拌和物以不同的线速度抛离搅拌叶片造成拌和物的分层离析，反而降低搅拌效果，甚至降低混凝土的强度，具体如图1（b）所示.
砂浆或水泥浆中颗粒尺度差异明显小于混凝土，提高搅拌线速度不仅不会产生严重的离析现象，而且高速搅拌可明显消除水泥聚团现象，提高水泥颗粒和水之间的接触程度，促进水泥的水化作用[17].如先预制砂浆，将砂子、水泥、水和外加剂一起高速搅拌，由于砂子粒径相对于水泥团块比较小，在高速运动过程中极易将水泥团粒击碎，使水泥充分水化，并均匀地粘附在砂粒表面，从而保证后续与粗骨料搅拌时能够更快更好地混合均匀.基于此，本文以普通搅拌工艺和两阶段变速搅拌（预制净浆法和预制砂浆法）工艺分别制备混凝土，并对混凝土进行气泡结构、密度、抗压强度和显微硬度试验研究，探讨两阶段变速搅拌工艺对混凝土稳定性的作用效果及影响机理.