吴志祥
中铁十一局集团第二工程有限公司 湖北 十堰 442013
摘 要：本文调研了水泥砼搅拌中流动扩散过程，基于混合料骨料搅拌特点，本文建立了C30强度等级混凝土与均匀搅拌电机输出电流的对应关系，并对其输出电流历史曲线及稳态电流进行了统计分析，提出了搅拌水泥砼的质量检测方案。搅拌检测方案具有很好的理论依据和可操作性，可有效防止不合格混凝土出厂。
关键词：水泥砼;搅拌;输出电流;质量监测
1 引言
混凝土作为当代最主要的土木工程材料之一，它是由胶凝材料，颗粒状集料（也称为骨料），水，以及必要时加入的外加剂按一定比例混合，经搅拌机械均匀搅拌，密实成型，通过化学和物理化学作用凝结硬化而产生强度，养护硬化而成的一种人工石材。混凝土搅拌尤为重要，直接影响后期成型、养护以及混凝土的力学性能。因此应对混凝土的搅拌均匀性严加掌握，使各组分材料充分搅拌均匀。
为了研究其搅拌特点，本文对混凝土搅拌过程中的理化特性进行调研。在混凝土的搅拌成型过程中，从微观结构角度分析，如图1与图2所示，搅拌过程可以分为三个阶段。
第一阶段：拌和主要靠物料的循环流动来实现。由于搅拌机的搅拌切削作用，加入原材料后，水泥将会包裹砂石骨料，并且大量分布着未被包裹的骨料，以及没有夹杂骨料的水泥区域。一方面，未被水泥包裹的骨料区域，粘度最小，因而搅拌机叶片划过所需功率最小。另一方面，水泥与骨料混合区域粘度较大、水稳性较好，搅拌叶片划过所需功率较大，未包裹骨料的水泥区域强度相比较小，因而搅拌机叶片划过所需功率次之；此三种成分在搅拌机内交替出现，搅拌机搅拌过程中输出功率波动较大，根据W=UI，搅拌初期电流波动较大。
第二阶段：扩散分布加快，扩散运动与循环流动均存在且相互促进，各组分的在宏观水平上进行均匀分布。此时未被包裹的骨料，以及没有夹杂骨料的水泥区域逐渐减少，搅拌机叶片划过所需功率逐渐趋向平稳，搅拌机的电机输出电流趋向平稳。
第三阶段：循环流动作用不大，各组分的重新分布已在微观水平上进行，主要以扩散运动为主。此时随着搅拌不断进行，未混合区域已完全被混合区域代替，三种组分已经完全均匀化，搅拌机所需电流将会越来越稳定。
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目前沥青砼、水泥砼搅拌站自动化成度较高，拌和混合料的质量相对稳定，但是偶尔也会有不合格的砼被送到浇灌现场，造成质量事故。依据水泥砼的搅拌过程特性，本文通过现场搅拌试验，在特定砂石级配条件下，测量了C30混凝土搅拌过程中搅拌电机电流输出曲线，对其第三阶段（均匀阶段）的输出电流进行统计分析。在此基础上，设计制定了搅拌水泥砼的质量检测系统。
2 水泥砼搅拌试验
2.1 搅拌试验方案及过程
为了建立合理的检测模型，项目组开展了多组搅拌试验，其中混凝土拌合物试验用料均为随机抽样选取，保证数据的客观性与稳定性。
如图3所示，主要设备仪器有：1、德通系列搅拌机，搅拌时间100-200s，电功率200kW；2、坍落度测量仪器及配件；3、数字式钳形电流表DT3288C。
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从统计曲线图可以看到，初始阶段，搅拌机输出电流较大，约为90A；随着搅拌过程的进行，物料混合均匀度增加，搅拌阻力减小，输出电流程下降趋势，且基本程近线性下降；搅拌时间达到90s后，物料搅拌均匀，此时输出电流约为39A.
从搅拌曲线我们可以看到，搅拌电机的电流输出值与搅拌均匀度高度关联。在搅拌的第一阶段，混合程度较差，输出电流值因而较大。进入第二阶段后，载荷波动逐步变缓，输出电流开始趋向稳定。最后到达第三阶段后，物料已经搅拌均匀，载荷稳定，输出电流值基本保持稳定。
3 搅拌水泥砼质量检测系统
3.1 检测关键点
基于前述C30混凝土搅拌均匀度与搅拌机输出电流的对应关系，本项目开发了一款实时搅拌水泥砼质量检测系统。从前述试验可知，在某固定搅拌环境下，物料经过一定时间Tm搅拌后达到均匀混合状态，此时搅拌机输出电流应为Im±Iw，其中Iw为测试电流波动幅值，由实际测量统计计算而来。当现场出现异常时，如水含量过高，在进入均匀混合阶段后，电流值发生显著变化，而被系统检测到并触发报警装置，技术人员即可立刻启动异常处置方案。
主要的检测关键点如下：
1） 物料的配比及状态需要充分调研，建立相关的数据库，并不断延伸数据库的兼容性；
2） 实现对输出电流的实时监控，即可准确获得物料的搅拌状态。由于搅拌时间相对较短，电流的采集频率不得低于0.2秒/次，实际测量电流应在设备量程的1/3至2/3处，电流数据采集卡应保证稳定可靠。
3） 针对不同级配混凝土，需要设定对应值及误差限。搅拌机状态发生异常时，可进行重新标定。
3.2 检测系统
检测系统分为检测装置、分析装置、报警装置。检测装置，主要测量搅拌机的输出电流，为了便于系统集成，本项目采用非接触式电流测量仪器。分析装置，采用电流互感开关来实现，当电流在预设范围内，处于断开状态。报警装置，采用区分度较高的蜂鸣器，安装在操作台附近。
搅拌水泥砼质量检测系统示意图如下所示。本系统通过电流检测装置，实时测量搅拌状态下的电机输出电流，并将测量电信号输出至分析装置。分析系统装置对电流值进行判别，若超出合理波动区间，立即给报警装置下达指令或实现开关闭合，实现报警或进一步的反馈控制。
通过整个检测系统的协同工作，一旦发生异常，搅拌站技术人员可在极短的响应时间内完成异常处置，有效降低了质量风险险。
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4 小结
本文通过系列搅拌试验及测量，建立了特定强度等级混凝土与均匀搅拌电机输出电流的对应关系，并对其输出电流历史曲线及稳态电流进行了统计分析，提出了搅拌水泥砼的质量检测方案。应用结果表明，搅拌检测方案具有很好的理论依据和可操作性，可有效防止不合格混凝土出厂。
参考文献
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