朔神高速公路基于HZS120 老旧搅拌站技术改造应用高性能混凝土拌合生产应用

刘为明

（中铁二十二局集团第四工程有限公司朔神高速公路项目部，天津 301700）

0 引言

目前国内施工企业使用的混凝土搅拌站绝大多数采用是强制性搅拌技术，该技术的应用可以用较短的时间就将拌合物料搅拌均匀。但是通过强制性搅拌技术拌制的混合料，若仔细观察会发现许多骨料表层是干燥的，且许多干燥的小水泥团中有10%-30%的水泥颗粒聚集比较零散，这样会降低混凝土的性能及耐久性。如果将团聚的水泥颗粒分开，使其尽可能的接近均匀分布的理想状态，可以提高现有混凝土配合比的性能和后期强度，也可反向按照配合比设计强度减少水泥用量。对施工企业老旧混凝土生产设备改造升级和更新换代起到很好的应用例子。

1 工程概况

朔神高速公路路基路面第二合同段项目部包括：隧道2 座、大桥2 座、中桥5 座、天桥1 座、涵洞41 座，需要混凝土35 万方左右。混凝土生产是施工的关键工序。新式振动搅拌设备的使用可以起到关键的生产作用，按照施工组织设计本项目拟投入振动式搅拌站进行混凝土生产。

2 振动搅拌技术作用机理

2.1 振动式搅拌主机主要结构

混凝土搅拌设备的功能是将水泥混凝土原材料-水泥、粉煤灰、砂石料、外加剂等，根据设计要求的比例，通过一系列的系统搅拌工作，生产出符合满足施工要求的混凝土[1]。本项目采用德通振动搅拌主机对旧搅拌主机进行改造，其机械结构图如下1 所示

图1 振动式搅拌主机主要结构

2.2 振动搅拌机理

混凝土属于是一种多相、多孔的非均质复合材料。从宏观角度来说，可以将混凝土定性为骨料颗粒分散到水泥石机体内而组合成的两相材料。从微观角度来说，混凝土的内部结构十分复杂，主要构成物有骨料、水泥水化物、毛细孔及没有水化的水泥颗粒等，这些物质在混凝土内分布并不是均匀的。因此，要想使混凝土混合料通过搅拌能够在宏观及微观上都能达到均匀分布，就需要采取措施加快混凝土内各个组分的运动频率，使其运动轨迹相交相汇，充分撞击及摩擦，物料在这种对流运动及扩散运动中实现均匀分布，最终获得性能优良的混凝土[2]。

2.2.1 振动搅拌对水泥混凝土中水泥团的破坏机理

水泥混凝土的强度主要是依靠骨料间的嵌锁挤压及水泥水化和硬化过程中形成的C-S-H 凝胶。通过振动搅拌可以使水泥同时在搅拌及振动的双重作用下充分的水化，并均匀分布与骨料之间，增强水泥混凝土的性能。具体来说，就是通过振动能量的作用,促使纯搅拌过程中没有参与循环对流及扩散剪切作用的水泥聚团颗粒进入颤振状态，进而破坏各组分间的粘性连接及水泥团粒表层的水膜，以提高水泥颗粒分布的均匀性，同时，水泥团颗粒也可从水泥团中得到充分释放，使得水泥进行更加充分的水化反应，生产出更多的水化产物，从而优化水泥混凝土的工作性能[3]。

2.1.2 振动搅拌对粗骨料表面的净化及其粘结强度的增强机理

水泥混凝土中的水泥浆在发生硬化胶结之后，会包附到骨料表层，使得砂石等骨料可以牢固的胶结到一起，这种情况下，通常都是骨料强度fQ＞水泥石强度fk＞与骨料表层粘结强度。骨料表面和水泥石之间的粘结力是最小的，所以会在水泥石—集料界面形成一个界面过渡区，此处也是混合料最为薄弱得到部分，详见图2 所示。通过振动搅拌可以破坏附着在集料表层的水膜结构，并使其脱离，这样净化之后的骨料表面的可以更加容易的和水泥颗粒相结合。同时，骨料表面被水泥颗粒充分吸附后，便会减少骨料界面中的Ca(OH)2 晶体，可以有效预防疏松层形成。并可在骨料表面形成一层C-S-H凝胶，增大了骨料表面接触面积，可使各材料间实现更加牢固的粘结[4]。

图2 界面过渡区

3 改造方式和改造后的生产试验论证过程

3.1 设备改造方式为：

按照振动式搅拌主机尺寸，在原有的搅拌主机安装平台上简单进行机械焊接改造安装平台。将振动式主机安装于主机平台上，调整上料皮带位置，在操作柜中增加振动电机继电器，不需要在进行其它改造，设备升级改造简单[5]。

3.2 试验生产论证：

通过在朔神高速公路路基路面第二合同段项目部搅拌站1 号普通强制搅拌拌合主机和改造后的2 号振动搅拌主机，进行C30 普通、C40 普通两种种标号混凝土进行振动搅拌和普通强制搅拌两种拌合方式进行对比试验。

表1 试验用配合比信息

备注：振动优化组为在原配比保持水胶比、砂率、外加剂掺量及容重不变条件下，减少5%胶凝材料用量，同时碎石比例由小石：中石：大石=1:4:5调整为小石：中石：大石=1:5:4，降低级配孔隙率，按照此优方案所进行的配比调整。

3.3 出机混凝土性能及强度数据试验：

3.3.1 拌和物性能数据如下表2.

表2 出机混凝土拌和物性能试验表

3.3.2 7d抗压强度数据

在改装设备完成后进行混凝土搅拌试验，通过试验表明：振动组混凝土坍落度较普通组提高约20mm 左右，振动搅拌两种配比7 天抗压强度均大于普通搅拌，具体见表3。

表3 7d 抗压强度数据

4 设备改造后的技术更新效益及经济效益分析

4.1 设备改造后的技术更新效益：振动式搅拌主机改造完成后到达了预期的振动式搅拌混凝土拌合站的生产性能，购买全新的120 型振动式搅拌站需要花费140 万元左右，本次设备改造花费费用35 万元，采用的是公司内部调拨的2009 年购入的120 搅拌站，净值为8 万 元。本次搅拌站装机总费用为（振动式搅拌主机35 万+设备净值8 万+运输安装成本20 万元）63 万元，相比设备更新采购节约费用77 万元。并且主完成了业主方对于高新技术投入的文件要求，使企业在高新技术设备投入更新上取得了良好的企业形象。

4.2 对于混凝土生产的经济效益分析：

通过试验结果表明：振动组混凝土坍落度较普通组提高约20mm 左右，振动搅拌抗压强度均大于普通搅拌，7d 抗压强度可提升3MPa-6MPa。以C40的混凝土为例，用振动搅拌在同等配比的条件下比普通搅拌强度提高10%左右；因此在保证强度和其他性能的情况下反向振动拌和可以减少5%水泥。如果混凝土搅拌站一天可生产500m³的混凝土，那么就能节省水泥7.5 吨，按水泥市场价320 元/吨，那么一个混凝土拌和站，在使用振动搅拌后，一天节省的水泥成本约2400 元。并且按照振动式搅拌站技术的技术说明，振动式搅拌方式对混凝土的外观和长期质量都有着良好的提高，在长期的时间效益上具有更大的经济技术效益[6]。

5 混凝土搅拌站改造总结：

随着国家对工程施工领域现代化技术提升的要求越来越严格广泛，施工机械质量优劣、数量和规模的大小及生产成本的高低等主要技术经济指标都直接影响到施工企业产品市场竞争力及企业经济效益。现阶段施工企业在解决设备技术状态劣化的措施主要有以下三种方法:第一是设备维修,第二是设备改造,第三是设备更新。本项目部在本次施工中采取了尝试采用设备改造的方式对老旧HZS120 搅拌站进行振动式搅拌技术改造，取到了预期效果。新的技术投入对企业的经济效益和技术效益都有着显著的提升，本次搅拌站改造案例为企业在搅拌站改造升级上起到了示范性的例子。