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混凝土预湿骨料技术
admin在2018-03-05发布 频道:行业资讯 标签:骨料 混凝土 技术
     
摘要:本文介绍了混凝土预湿骨料技术,主要包括其研究的目的、技术原理、解决问题的思路、装置、社会经济效益分析等方面,为混凝土行业的技术人员提供了成功的借鉴模板。
 
1  预湿骨料技术研究的目的
    随着砂石资源的枯竭,劣质砂石已经不可避免地进入了预拌混凝土生产工厂,其中对混凝土质量影响最大的是砂石的含泥量、石粉含量以及砂石的吸水率。砂石含泥量与石粉含量是影响混凝土拌和物初始坍落度的重要因素,砂石吸水率是影响混凝土拌和物坍落度损失的重要因素。在技术层面,砂石中含泥量与石粉含量较大或吸水率高时配制的混凝土表现为初始坍落度变小及坍落度经时损失变大,同时外加剂用量明显变大,由此,对混凝土工作性及生产成本的控制带来不利影响。在实际生产过程中,搅拌站采购的骨料指标只能保证控制在标准规定的范围之内,但具体技术参数在此范围内经常波动的,并且,骨料在堆场存放过程中,不同层位的骨料含泥量和含水率经常发生变化,符合国家标准的骨料由于技术指标的波动使混凝土工作性的控制变得非常困难。本研究主要是为了解决使用石粉和含泥量较高以及吸水率较大的砂石质量波动的技术难题,实现混凝土拌和物工作性稳定、外加剂的掺量最佳以及生产成本的最小的目的。

2  预湿骨料技术原理
2.1  砂石含泥或石粉对外加剂适应性和拌和物工作性的影响
    在试验的基础上,我们对砂石含泥或石粉影响外加剂掺量与混凝土工作性的原因进行分析。根据数据分析与现场观察,砂石含泥或石粉量提高时,在搅拌时表现为混凝土初始坍落度变小,掺入同样的减水剂,坍落度经时损失变大。在其他材料没有变化的情况下,砂石中的含泥或石粉量增加为35Kg时,由于含泥或石粉量实际是与胶凝材料同样的细粉末,与胶凝材料具有相同的吸水性能,而在配合比设计时,没有考虑这些粉料的吸水润湿问题,实际的拌和过程中,35Kg的细粉料需要等比例的需水量即17.5Kg才能达到与胶凝材料相同的表面润湿状态,同时润湿之后的细粉料也需要等比例的外加剂达到同样的流动性,即0.7Kg的外加剂。这就是相同配比的条件下,当外加剂和用水量不变时,由于砂石含泥或石粉,用于胶凝材料的实际拌和用水量小于设计用水量,外加剂在胶凝材料中的实际掺加量小于做水泥净浆时配合比设计时的理论掺加量,导致混凝土初始流动性变差;同时,由于缓凝组分在胶凝材料中的比例也明显下降,导致混凝土拌和物坍落度经时损失变大。
2.2  砂石吸水对外加剂适应性和拌和物工作性的影响
    在试验的基础上,我们对砂石吸水影响外加剂和混凝土工作性的原因进行分析。根据现场观察,砂石吸水对外加剂适应性和混凝土工作性的影响主要表现在坍落度损失方面,当砂石的吸水率较高时配制的混凝土初始坍落度都不受影响,但是当混凝土从搅拌机中卸出时,几分钟之内就失去了流动性,并且石子的表面粘有很多砂浆的颗粒,加水之后仍然没有流动性,强度明显降低。
    本研究认为产生这种现象的原因主要是由于砂石吸水引起的。当混凝土的原材料按比例进入搅拌机后,在搅拌机内快速旋转,水泥砂浆的搅拌过程就像洗衣机的甩干过程一样,砂浆在搅拌机内做切线运运,水分无法进入石子内部,流动性很好。一旦停止搅拌,混凝土拌和物处于静止状态,则水泥混合砂浆中的水份就像洗衣机甩干桶中甩出的水分再次渗入衣服一样,快速渗入石子的孔隙中,造成胶凝材料中的拌和水量快速减少,远远低于配合比设计时确定的水量,导致混凝土拌和物流动性很快变差,坍落度损失很大;同时由于外加剂在进入搅拌机之前全部溶解到水里,石子吸收了多少水,外加剂也等比例地被石子吸收,外加剂在胶凝材料中的实际掺加量小于做配合比设计时的掺加量,特别是缓凝组分在胶凝材料中的比例明显下降,最终表现为在搅拌过程中的混凝土拌和物的流动性很好,初始坍落度很大,停止搅拌后几分钟之内混凝土拌和物完全失去流动性。
2.3  砂率对混凝土拌和物工作性的影响
    根据数据分析与现场观察,砂子含泥或石粉量提高时,粉末材料总的量增加,砂子的实际用量小于配合比设计值,因此砂率不合理,在搅拌时表现为混凝土初始坍落度变小,坍落度经时损失变大。在其他材料没有变化的情况下,砂石中的含泥或石粉量增加为35Kg时,砂子的量少了35Kg,使实际砂率小于设计砂率值,影响了混凝土拌和物的工作性。

3  解决问题的常规思路
3.1  砂石含泥或石粉问题解决的技术基础
3.1.1  单独加水
    只保证工作性,不考虑强度的情况下,我们可以通过增加水的办法解决。加水的量分为两部分,一部分为润湿含泥或石粉所需水,可以根据配合比设计水胶比乘以含泥或石粉的量求得,本文实例中为17.5Kg;另一部分为含泥或石粉所需外加剂减水对应的水,本文实例中外加剂应为0.35Kg,7Kg减水剂对应的减水量为175×20%=35 Kg,则0.35Kg 外加剂对应的水量为 1.75Kg,合计加水19.25Kg。这种方法是施工现场经常采用的方法,由于成本低廉,操作随意,没有专业人员指导,经常导致混凝土强度不能满足设计要求。
3.1.2  单独增加外加剂
    根据水灰比定则,为了满足强度要求,在混凝土配制过程中用水量不能增加,这时要达到施工对工作性的要求,保守的技术方案只有增加外加剂掺量的方法解决这一问题。这时外加剂量的增加量分为两部分:一部分是为了补充与胶凝材料同样量的含泥或石粉所需的外加剂,本实例中取0.7Kg,另一部分为润湿含泥或石粉达到与胶凝材料相同的润湿状态所需的水,通过使用减水剂提高减水率减水来实现, 本实例中减少拌和用水17.5Kg需要增加减水剂1%掺量,即3.5Kg外加剂,两项合计增加外加剂4.2Kg,解决问题的经济成本为10.6元/m3。这种方法保证了混凝土的强度,实现了混凝土的工作性良好,但是成本较高,企业难以承受,同时在技术方面还存在混凝土浆体扒底,拌和物容易分层,泵送压力大等问题。
3.1.3  加水同时掺加适量外加剂
    为保证混凝土的强度,同时满足混凝土的施工性能,比较合理的思路是我们采用加适量水的同时掺加适量外加剂来解决这个问题。加水的量为润湿粘土或石粉所需水,可以根据配合比设计水胶比乘以含泥或石粉的量求得,本实例中为17.5Kg; 外加剂掺加量用含泥或石粉的量乘以外加剂的推荐掺量即可求得,本文实例中为0.35Kg。解决问题的经济成本为1.75元/m3。这种方法是混凝土生产企业技术人员可以采用的比较合理科学方法。
3.2  砂石吸水问题解决的技术基础
    解决这一问题的根本思路,就是采用表面润湿的石子作为混凝土的粗骨料,一方面可以减少石子吸水引起的混和砂浆失水,使混凝土增加流动性,另一方面减少砂石吸水,还可以有效提高外加剂在胶凝材料中的利用率,从而增加混凝土的流动性。本实例中,石子吸水29.4Kg,有效利用的外加剂为5.8 Kg,由于石子吸水浪费的外加剂为1.2 Kg;我们提出的技术思路是在胶凝材料进入搅拌前采用29.4Kg水使石子达到表面润湿状态,提高胶凝材料中外加剂掺量1.2 Kg降低坍落度损失的目的。
3.3  外加剂与砂石适应性问题解决的技术方案
3.3.1  砂石料场冲洗方案
    砂石作为混凝土的主要骨料,占混凝土体积的比例很大,因此为了解决这一问题,就必须从实际出发。在条件许可的情况下,可以采用建立砂石冲洗生产线的方案,确保冲洗后砂石的含泥或石粉量小于国家标准规定值,另一方面,冲洗的过程可以让砂石达到饱和面干或者表面润湿状态,实现混凝土拌和物初始坍落度大、混凝土1h坍落度损失小、节约减水剂、保证混凝土质量的目的。这种方案成本较高,对年产30万m3的混凝土企业而言,需要投入350万元。
3.3.2  上料皮带头喷淋砂石方案
    对于现有的混凝土搅拌站,由于场地的限制,大多数单位都无法建设砂石冲洗场。在多次现场调研和实践的基础上,我们提出了在混凝土搅拌站上料皮带头中间仓位置增加一排小喷头喷水的办法,对砂石进行喷淋,使砂石料所含泥和石粉充分润湿,内部空隙充分吸水饱和,达到砂石料进入搅拌机时内部充分饱水和表面全部湿润的状态。
    生产混凝土的过程中,由于已经达到了内部饱水和表面湿润,砂石料首先进入搅拌机,当胶凝材料进入搅拌机时,胶凝材料很快被粘结到润湿的砂石表面,外加剂和水分按设计比例进入了胶凝材料,在搅拌过程中,胶凝材料形成的浆体在搅拌机内做切线运动,很快变得均匀,实现了拌和物工作性良好,初始坍落度较大。
    当搅拌机停止运转时,混凝土拌和物处于静止状态,由于流动性胶凝材料浆体内部的水分密度与砂石料内部的水分的密度接近,因此渗透压接近平衡,砂石料及其所含的粉末料内的水分无法渗透到胶凝材料浆体中,胶凝材料浆体内的水分和外加剂无法渗透进入砂石以及及其所含的粉末料内部。由于胶凝材料浆体中的拌和水量等于配合比设计时确定的水量,外加剂的实际掺加量等于按胶凝材料设计的掺加量,实现了拌和物出机后状态稳定,坍落度损失很小。
    在混凝土生产过程中实现了拌和物搅拌顺畅,出机坍落度适中、坍落度损失最小、外加剂用量最少、混凝土强度最高、技术经济效果最佳的目的。
3.4  调整砂率的方案
    由于砂子含泥或石粉量提高造成砂子的实际用量小于配合比设计值,导致砂率偏低的问题,这里我们确定在生产时及时调整砂率的方法,使实际砂率始终处于最佳值,保证混凝土拌和物的工作性最佳,降低由于含泥和石粉引起砂率的变化对混凝土拌和物工作性的影响。
3.5  预湿骨料综合技术措施的提出
    根据以上研究,我们提出采用预湿骨料和调整砂率相结合的技术措施解决砂石含泥、石粉以及吸水导致的混凝土拌和物初始坍落度小、坍落度经时损失大以及外加剂掺量高的技术难题。针对搅拌站砂石料特定的条件,通过试验计算求出最佳砂率、胶凝材料达到标准稠度用水、润湿砂石用水,制作预湿骨料喷淋专用设备用于生产,即可实现控制质量降低成本的目标。
    在具体的操作过程中,我们研究了在搅拌站砂石上料皮带头中间仓位置增加一套喷淋设备,使喷水过程和砂石的上料过程同步进行,以便节约时间,使砂石料进入搅拌机之前实现表面润湿和内部空隙的饱水状态,在生产时外加剂和水分就全部用于胶凝材料的润湿以及工作性的改善,初始坍落度提高,坍落度经时损失减小。达到节约减水剂,保证工作性,预防坍落度损失且降低混凝土成本的目的。

4  预湿骨料用水量和最佳砂率的确定
    为实现砂石润湿和石子饱水,使砂石达到表面湿润状态,需要确定润湿水量,具体测定方法如下:
4.1  粗骨料润湿水量的测定
4.1.1  石子物理参数的测定
(1)取一个体积为10L的容量桶,往里装满石子,晃动几下之后用尺子刮平桶口,称出其质量为m1;则石子的堆积密度:ρg堆积=100 m1
              
图1  装石子测堆积密度                     图2  加水测空隙率
(2)往装满石子的容量桶中缓慢加水至刚好完全浸泡石子为止,称重求得石子空隙率为p,则石子的表观密度:ρg表观=1000 m1/(1-p)
(3)待3~5min后把水倒尽,称出其质量为m2
粗骨料的吸水率:
           
图3  倒净液态水                         图4  测吸水的石子质量
4.1.2  石子用量及润湿用水量的确定
    根据混凝土体积组成石子填充模型,在计算的过程中,由于砂子的孔隙率所占体积(160—180)L与混凝土拌和水(160—180)L和含气量之和在混凝土拌和物中占据的体积基本相同,因此计算过程不考虑砂子的孔隙率和拌合水的体积。用石子的堆积密度减去单方混凝土中胶凝材料所占的体积对应的石子量,即可求得每立方混凝土石子的准确用量,则石子用量计算公式如下:
G =ρg堆积 — (VC+VF+VK+VSi) ×ρg表观
    则1m3混凝土中粗骨料润湿水量W3为单方石子用量乘以吸水率。
W3=G×
4.2  细骨料润湿水量的测定
4.2.1  砂子物理参数的测定
(1)取一个体积为1L的容量桶,往里装满砂子,晃动几下之后用尺子刮平桶口,称出其质量为m1,则砂子的堆积密度为:
ρs堆积=1000 m1
                   
图5  测装砂子桶的质量                         图6  往桶里装砂子
                   
图7  将砂子压实                             图8  测砂子的堆积密度
(2)将砂子倒进0.15mm筛子,将装有砂子的筛子放进水盆完全浸泡至饱水后取出,待3~5min后不再滴水时,称出其质量为m2
                       
图9  润湿筛子                         图10  测筛子的质量
                         
图11  润湿砂子                         图12  砂子吸水饱和
                         
图13  砂子控水                         图14  测润湿后砂子的质量
(3)细骨料的吸水率: 
4.2.2  砂子用量及润湿用水量的确定
    前边已经测得石子的空隙率p,由于混凝土中的砂子完全填充于石子的空隙中,每立方混凝土中砂子的准确用量为砂子的堆积密度乘以石子的空隙率,则砂子用量计算公式如下:
S=ρS堆积 ×p
    用砂子吸水率乘以单方混凝土砂子用量即可求得润湿砂子的准确用水量:
W2=S×
4.3  预湿骨料用水量计算
    单方混凝土骨料润湿用水量等于粗细骨料润湿用水量之和:
W润湿= W2+ W3
4.4  最佳砂率的确定
最佳砂率SP= S /(S+G)

5  胶凝材料拌和用水量的确定
5.1  试验法
    按照配合比设定的比例将各种胶凝材料混合成复合胶凝材料,采用测定水泥标准稠度用水量的方法求得胶凝材料的标准稠度用水量W0。即可求得胶凝材料拌和所需水量:
W1= W0×B/100。
    式中:B -----单方混凝土胶凝材料用量,kg/m3
    W0 -----胶凝材料的标准稠度用水量;
    W1-----单方混凝土胶凝材料拌和所需水量,kg/m3
5.2  计算法
    根据各种胶凝材料的需水量系数和配合比设定的单方用量,用加权求和计算得到搅拌胶凝材料所需水量W1,公式如下:
W1=(C+ FβF +KβK+SiβSi)×(W0/100)
    式中W0为水泥标准稠度用水量。
    同时求得搅拌胶凝材料的有效水胶比。
5.3  总用水的确定
    通过以上计算,混凝土搅拌胶凝材料所用水量为W1
    润湿砂子所需的水W2
    润湿石子所需的水W3
    混凝土总的用水量W =W1 +W2 +W3

6  预湿骨料装置的工艺装置
6.1  感应开关及其装配图
6.1.1  斜皮带邻近末端处安装挡板原理图
\
感应开关及附件装配图
    技术说明:
    (1)该装置是由一个皮带回程托辊中间外壳去除后改装而成。
    (2)带接近开关的一侧与中间斗外缘护板平齐焊接,左边突出的轴端焊接一块扇形铁,另一端直接焊接在护板上。
    (3)矩形挡板位置:矩形挡板中心线与皮带中心线基本垂直,底端离皮带的距离约是40mm。矩形挡板上、下端面离轴的焊接处:上短下长(图中矩形挡板尺寸仅供参考)。
    (4)左侧安装接近开关的圆角矩形口,宽度尺度根据接近开关的直径大小设置,长度可根据实际情况设置,可供左右调节即可。
6.1.2  预湿骨料技术感应开关配套设备按装图
                      
图15  感应开关装置                                 图16  感应开关工作图
                    
图17  感应开关装配详图                         图18  喷淋设备安装图
6.2  预湿骨料喷淋装置
6.2.1  喷淋设备安装及工作原理图
    斜皮带末端下料切面上下指定部位安装喷水管
    技术说明:
    1、喷水管道进水端由一个三通器件分成两路进入中间斗。喷水管道末端由不锈钢球阀控制。
    2、两根管在深入中间斗的部分:每根管上有平行的两排直径为3mm的孔,相邻孔间隔50mm。两排平行孔形成角度约35度。
    3、两根管进入还是出来的长度根据各站实际操作空间进行选择确定。
                       
图19  喷淋设备工作原理图                         图20  预湿骨料入水管安装图
6.2.2  喷淋装置实物安装图
                            
图21  预湿骨料水量控制器安装图                           图22  水路系统示意图
    当骨料由斜皮带运输至挡板(3)下方时,将挡板带起,支架(1)中轴随之转动,支架(1)一端的扇形钢板向接近开关(2)方向转动,接近开关(2)随之产生感应信号,信号传输到24v的中间继电器(由于接近开关也是24v的,24v中间继电器起到过渡的作用),24v中间继电器将信号传到NDS8-2Z型时间继电器和NDS8-R型时间继电器,NDS8-2Z型时间继电器与工控系统相连,当喷水过多时,操作员可以及时暂停喷水装置,同时NDS8-2Z型时间继电器还起到延迟1、5s(骨料从挡板下方到在中间仓内下落需要1、5s的时间)启动离心泵(9)和电磁阀(7)的作用,NDS8-R型时间继电器有三个,分别控制3方、2方、1方的喷水时间,喷水时间分别为18s、12s、6s(此处时间为唐山盾石公司设置喷水时间),三个NDS8-R型时间继电器需要操作员手动调节三档旋钮开关进行切换,NDS8-R型时间继电器接到信号后,控制离心泵(9)启动和电磁阀(7)打开,这样水箱的水通过镀锌管(10),经过离心泵(9)和电磁阀(7),再通过镀锌管(6),分别流入镀锌管(4)和镀锌管(5)向骨料喷水。
6.3  水路系统
    水路系统的安装按照水流动的方向安装,首先从水箱处安装镀锌管(10),然后依次安装离心泵(9)、电磁阀(7),再安装镀锌管(4)和镀锌管(5),最后安装镀锌管(6)。

7  社会经济效益分析
7.1  预湿骨料技术实施的效果
    (1)降低了砂石进入中间仓时粉尘的数量,改善了生产环境卫生。
    (2)混凝土拌和物出机坍落度和泵送坍落度较为稳定,减少了混凝土拌和物工作性的调整次数,提高了台时产量。
    (3)搅拌机主机电流峰值降低20mA,可节电0.033kwh/m3,由于搅拌电流降低,搅拌叶片和衬板的生产磨损减轻,可延长电机、搅拌叶片和衬板的使用寿命1.5年。
    (4)总的拌合用水量增加5kg/m3,改善了混凝土拌和物坍落度1小时保留值,便于混凝土的施工,有效缓解了混凝土拌和物的泌水现象。
    (5)节省混凝土外加剂掺量10%--25%。
    (6)可提高混凝土28d标准养护强度(2~3)MPa。
7.2  社会效益
    采用混凝土预湿骨料技术生产混凝土,降低了砂石进入中间仓时粉尘的数量,减少了扬尘污染,有效地改善了生产环境质量;混凝土出机坍落度和施工现场泵送坍落度较为稳定,有利于混凝土的施工和现场质量控制,可减少混凝土退灰倾倒排放的数量,既节约资源又保护环境;搅拌机电流峰值降低,可节省混凝土生产电耗,同时搅拌电流降低,搅拌叶片和衬板的生产磨损相比将有所减轻,可延长电机、搅拌叶片和衬板的使用寿命1.5年,有效提高了国家资源和能源的利用率;混凝土预湿骨料技术可操作性强,便于在同行业大面积推广应用;推广和应用混凝土预湿骨料技术是改善环境,保持现代城市可持续发展的一条重要途径,具有明显的社会效益和环境效益。
7.3  经济效益
    采用混凝土预湿骨料技术生产混凝土后,除尘设备寿命由2年可以延长到4年;减少混凝土退灰造成的损失占年混凝土产量的1%;搅拌机电流峰值大大降低20A,可节省单方混凝土电耗0.033千瓦时;可延长电机、搅拌叶片和衬板的使用寿命1.5年;可以节省混凝土外加剂10%--25%;提高混凝土28d标准养护强度2~3MPa后,折合节约水泥20kg。
    采用混凝土预湿骨料技术生产混凝土后预期的经济效益计算如表格所示:
 
表1  预期经济效益分析表(以C30为计算基准)
序号 项目名称 应用效果 单站效益 生产线或产量 年综合效益(万元)
1 降低粉尘 除尘设备寿命延长2年 7万元/条·年 93条 651
2 减少退灰 提高成品合格率1% 2.00元/ m3 971.6 万m3/年 1943.2
3 节约电费 降低电耗0.033千瓦时/m3 0.033元/ m3 971.6 万m3/年 32.1
4 延长设备寿命 减少维修,量延长搅拌设备寿命1.5年 2.9万元/条·年 93条 269.7
5 节约外加剂 降低单方外加剂用量2kg 4.15元/ m3 971.6 万m3/年 4032.1
6 提高强度 平均2.5MPa节约水泥20kg/ m3 8元/ m3 971.6 万m3/年 7772.8
合计         14700.9
    上表中计算数据以唐山盾石C30混凝土为基准。
    综上所述,采用预湿骨料技术进行混凝土生产具有明显的社会效益和经济效益。

8  结论
    混凝土预湿骨料成套技术详细分析了砂石中含泥、石粉以及吸水对混凝土拌和物初始坍落度、坍落度经时损失以及外加剂用量产生影响的主要原因,提出了通过试验准确计算最佳砂率、胶凝材料拌和用水、砂石润湿用水的方法,设计了预湿骨料用自动喷淋设备。在混凝土生产中已经应用,实现了采用石粉、含泥量以及吸水率变化较大的砂石生产混凝土时,中间仓粉尘降低,搅拌机电流峰值降低,搅拌更加均匀,混凝土拌和物出机坍落度和泵送坍落度稳定,混凝土泌水现象缓解,混凝土外加剂掺量减少,混凝土试件标准养护强度提高。解决了当前混凝土行业混凝土拌和物初始坍落度小、坍落度经时损失大以及外加剂用量高的技术难题。2011年12月18日,经由河北省科技成果转化中心组织的专家组评审鉴定,此项成果的技术达到国内领先水平。
 作者:朱效荣  王世彬          
信息来源:混凝土第一视频网      
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