[摘要] 在总结国内外试验研究成果的基础上，对高性能混凝土搅拌工艺的理论进行了初步探讨，分析了解决问题的思路和方法。这不仅对制定混凝土施工工艺有指导意义，而且对研究混凝土搅拌机械的机构与介质之间的相互作用也有参考价值。
[关键词] 高性能混凝土；搅拌理论；工艺
1 引言
混凝土的搅拌是混凝土生产中必不可少的一道工序，混凝土搅拌的质量直接影响着混凝土的性能。因此，对混凝土搅拌理论的研究具有重要的经济意义和现实意义。
众所周知，在混凝土搅拌过程中，拌合料的状态、结构、性能都发生着变化。由于这一过程的复杂性，长期以来对其难以进行数学描述，致使搅拌的概念模糊，许多问题有待研究。混凝土搅拌是搅拌机械与拌合料相互作用的动态过程，它涉及机械工程和建筑材料两门学科，只有将两者结合起来，才可能找到深入研究的突破口。基于混凝土结构—流变特性的理论分析和试验研究，冯忠绪认为，完善的搅拌过程应由循环流动与扩散运动良好地配合来完成，这样才能保证混凝土在宏观及微观上的均匀性。
混凝土搅拌时，拌合料的状态和结构既发生了量（总容积）的变化，又发生了质的变化。这种变化既可以看成是随机的过程，又可以认为是确定的，有一定规律性的。多年来，国内外学者试图将这一过程的模拟过程定量化，并做了不少工作，但都未取得令人信服的应用结果。利用机械方法来强化混凝土的拌和过程，也是各国学者多年来努力研究的方向。本文在总结国内外试验研究成果的基础上，对混凝土搅拌工艺理论进行了初步探讨，分析了解决问题的思路和方法，这不仅对完善混凝土的施工工艺有指导意义，而且对研究混凝土搅拌机械的机构与介质之间的相互作用也有参考价值。
2 现有搅拌机的不足之处
目前常用的搅拌机有自落式搅拌机和强制式搅拌机。自落式搅拌机拌和方式是靠叶片对拌合料进行反复的分割提升和撒落，从而使拌合料的相互位置不断进行重新分布，而撒落时的冲击加强了这种拌和作用。相对而言，这种搅拌作用强度还是不够的，它只适合于普通混凝土的拌和，对于低水胶比混凝土和轻骨料混凝土不能产生良好的搅拌效果。强制式搅拌机拌和是强制拌合料按预定轨迹运动，对塑性及低水胶比混凝土都可进行有效的拌和，但是这种搅拌机工作机构的转速很低，所以搅拌时间较长，生产效率较低。
实践证明，用上述两类搅拌机搅拌的混凝土，一般在较短的时间内就可达到宏观上的均匀。但对这种拌合料仔细观察时发现，预拌混凝土中有些骨料表面是干燥的，此外还有一些干的小水泥团。如果把搅拌后宏观上均匀的混凝土中的水泥浆体放在显微镜下，还会发现水泥颗粒并没有均匀地分散在水中，有10% ～30% 的水泥颗粒相互团聚在一起，形成微小的水泥团，水泥的这种团聚现象影响着混凝土的和易性和强度的提高。由于水泥的水化作用只在水泥颗粒的表面进行，如果水泥颗粒聚团，则水化作用的面积减小，使混凝土具有强度的水化生成物减少，所以必须把聚团的水泥颗粒分开，使其尽可能接近理想分布状态。
因此，仅仅依靠机械搅拌作用，难以使拌合料达到完全均匀，必须采用其他的辅助方法或新的搅拌原理，来提高混合料的均匀度。
3 新的搅拌概念
混凝土搅拌过程中，同时存在着拌和与分离两种现象，是一个动态发展和变化的过程，这可用曲线来定性描述（见图1）。
开始阶段的拌和主要靠拌合料的循环流动来实现（I段）。此时搅拌过程在宏观水平进行，各组分间的相界面小，因此各组分间的扩散现象不明显，分离现象的影响也较小，搅拌过程的发展速度主要取决于搅拌机中拌合料流的运动特点。
自tk 时刻起，各组分在搅拌机工作容积内的扩散运动加快，循环流动与扩散运动在拌和过程中起的作用趋于相近。此时各组分包括粘性组分的重新分布已在微观水平上进行，并且从某一时刻起扩散运动起主要作用（Ⅱ段），与此同时，粘结在一起的各组分再分离开来的过程也加快。拌和与分离这两种相反的过程从某时刻tm 起基本上达到动态平衡。此后搅拌的意义不大，因为均匀度变化很小（Ⅲ段），个别情况均匀度还会降低（Ⅲ段曲线2）。在Ⅱ段和Ⅲ段，拌合料颗粒重新分布的速度不仅取决于拌合料的运动特点，而且取决于拌合料的结构—流变特性，即颗粒的大小、各相间表面积的大小及粘结力的值等。
混凝土各组分的尺寸从0.001m m ～0.030 m m 或更大，它是极具分散性的多相混合物。在搅拌过程中，各组分间不仅存在着物理作用，而且存在着化学作用；不仅拌合料总容积发生了量的变化，而且其状态和性能也发生了质的变化。各相表面间不仅存在着物理吸附作用，还存在着水化反应等作用。混凝土是分散的介质分子的水化物薄膜层粘结各相颗粒而形成的胶凝结构。这种结构是具有高的剪切强度、粘性、弹性模量、内应力释放等物理—力学性能的空间结构。前两者使得拌合料各组分均匀分散的搅拌过程变得特别困难。理想的状态是：当所有组分均匀分布时，拌合料的胶凝结构才是最稳定的。这样的结构消除了混凝土内部的宏观及微观缺陷，凝固之后才会具有最大强度。搅拌的目的应在于此。
为了达到上述目的，搅拌过程中拌合料的位移必须由两种运动来实现。第一种称为对流运动，各组分在宏观上的均匀分布，必须由搅拌室内的循环流动来保证。这种运动在搅拌过程中是最主要的，也是最基本的，特别是在搅拌开始阶段。传统的搅拌机械主要就是按这种要求来设计工作机构的。但是，只有这种运动还不够。为使各组分表面间良好结合，达到微观上的均匀分布，主要是粘性组分（水泥、掺合料和水）的均匀分布，相间还必须形成较快的扩散运动。简言之，第一种运动是为了拌匀，第二种运动则是为了拌透；第一种运动主要是拌合料的宏观运动，第二种运动则主要是局部的扩散运动；第一种运动能保证混凝土使用的基本要求，第二种运动则能改善混凝土性能。比较完善的搅拌过程，拌合料的位移必须由良好配合的对流运动和扩散运动来完成，这是冯忠绪提出的新的搅拌概念。这个概念的提出，主要基于对混凝土性能及其结构形成过程、搅拌机工作机理与拌合物间相互作用关系的研究。但实际运用中也存在一些矛盾和问题，要求人们用新的概念来解释。
4 搅拌过程的模拟方法
从上述混凝土搅拌过程的动态分析可知，可用确定的或随机的方程来描述（模拟）混凝土的搅拌过程。
4.1 用确定的描述方程描述搅拌过程
一般地，确定的描述方程有扩散的、区间的和复合的三种模型。
4.1.1 扩散模型
扩散方程可从热传导方程得到。热传导方程是描述热的传导过程、分子的扩散过程等物理规律的。
考虑纵向和横向搅拌作用，对于具有圆柱形壳体的搅拌机，扩散模型可由下面的方程表示：
式中，W 为拌和物单元体中某关键成分的含量，t为搅拌时间，v 为拌合物流x 方向运动的平均速度；b11，b┴分别为纵向和横向搅拌作用系数；x 为沿圆柱体中心线方向的坐标；r为搅拌室的径向坐标。
扩散模型可以描述所有具有圆柱形壳体的搅拌机的搅拌过程。
4.1.2 区间模型
区间模型可用一阶的第i个线性微分方程描述：
式中：Tn 为拌合物颗粒处在第1 个到第i个区间的平均时间，m为常数，表示搅拌速率；W 为拌和物单元体中某关键成分的含量；W i-1、W i分别为第（i-1）区间和第i区间单元体中某关键成分的含量，t为搅拌时间。
线性方程（2）的数量等于区间的数量，在区间中分散着所有的搅拌物。假设拌合料流顺次穿过划分的各区间，在区间的界限范围内，拌合物各组分得到了理想的搅拌，区间模型可用来模拟连续式搅拌机中松散拌合料的搅拌过程。
4.1.3 复合模型
复合的方法适用于拌和料颗粒具有多种不同移动形式（分路流动、循环流动和滞流）的搅拌机。与此相应，搅拌室工作容积划分成带，顺次相连的流动带是平行的，具有假设移动的物流带、拌和的物流带和颗粒间扩散混合的物流带。此时，搅拌过程可用描述各个带的模拟方程组合起来描述。用复合的方法描述搅拌过程很复杂，不易模拟实际的搅拌过程。
4.2 随机描述的搅拌过程
搅拌过程中，从拌合料的状态变化看，总伴随着拌匀与离析两种矛盾现象，因此，可将组分含量的变化场看作是随机的马尔柯夫过程。对于马尔柯夫过程，在时刻t系统处于某一状态的概率仅取决于初始时刻t。的状态。此时，为了描述搅拌过程，或采用柯莫高洛夫（K olm ogrov）微分—差分方程：
式中，Pci（t）为随机值cj取整数值ci的概率，即Pci（t）=P{cj（t）= ci}；cj为在时刻t搅拌室内某成分结合数量的随机值；λci 为常数。
或采用扩散过程的柯莫高洛夫（K olm ogrov-Fokker-Planck）方程：
式中，P（x0，t0；x，t）为随机值X 在时刻t0 等于x0，在时刻t取值x<X <x+dx 的概率；或在时刻t0 时为x0，在时刻t处于给定区间（x，x+dx）的颗粒总质量的份额。
类似于方程（1），方程（4）描述了分散颗粒的扩散搅拌过程。此时，系数a（x，t）叫扩散系数，它描述了离散颗粒扩散运动的程度，主要取决于颗粒尺寸、拌合料的结构—流变特性等；系数b（x，t）是颗粒在外界影响下的搅拌速度。
式（4）中的概率函数代表离散颗粒含量，即被搅拌组分的含量。因此，不管是确定的物理方程，还是随机模型，都可用来解决相同的实际任务。但是，在搅拌混凝土这种粘—塑性混合物时，因为搅拌叶片是不可少的工作元件，它的运动破坏了拌合料的连续性，应用上面的连续方程或区间连续方程就失去真实性。同时，在搅拌过程中，由于从离散（非连续的）状态转变为扩散的连续状态，混凝土的结构—流变特性发生了很大的变化。这时，试验研究应起主要作用。
4.3 用流变曲线描述搅拌过程
一般认为，新拌混凝土基本上是一种宾汉姆体，因此可以用屈服应力t0 及塑性粘度μ 两个参数来表示它的性质。
t= t0 + μ（dv/dt） （5）
式中，t为混凝土的实际剪应力；t0 为极限剪应力，或称屈服极限；μ 为混凝土的塑性粘度；（dv/dt）为混凝土的剪切变形速率。
测定搅拌机的叶片转速n 与不同转速下的能耗，能耗除以叶片转速则得驱动叶片转动的转矩T。试验表明，所得转矩T与转速n 间的关系为：
T=g+hn （6）
式中：g，h 为两个常数，相当于屈服应力τ0 及塑性粘度μ。
因此，对给定的混凝土，即g，h 为常数时，由试验可估计搅拌机所需功率。
用宾汉姆流变曲线能描述新拌混凝土的性质己得到认可，但是，要描述搅拌过程却是困难的。其原因是，不管式（5）或式（6）都是描述稳定状态的方程，即要求t0，μ 或g，h 是常数，而拌合料在搅拌过程中，从离散状态转变为连续的分散状态是一个复杂的变化过程，显然，式（5）和（6）都只能描述搅拌过程的结果，而不能描述这种复杂的过程。
4.4 综合模拟的搅拌过程
利用相似理论，可以预先定性地从理论上分析和选择要被确定的无量纲的准则关系。相似理论还是理论和试验的联系纽带。试验基于该理论进行，避开了并非总是适用的或无法求出的方程的求解，模型试验结果可推广到原型上去。因此，可以用相似理论和量纲分析法来研究混凝土的搅拌过程，这就是搅拌过程的综合模拟法。
5 改善混凝土使用性能的强化方法
实践中，为提高混凝土的性能指标，控制其复杂的结构形成过程，采用了各种强化方法。目前，在工程实际中改善混凝土使用性能的强化方法大体上可分为三类：机械强化方法、物理强化方法和化学强化方法。
5.1 机械方法
机械方法，如先将骨料与水泥一起干拌再加水湿拌，既节省拌合功率，又可保证均匀度；也可先将部分水与水泥拌合成浆体，再加骨料和部分水进行拌和等。但不理想的喂料和搅拌流程会影响拌合物的质量，达不到从微观上使水泥颗粒均匀分布和较完全的水化反应的目的。
无论采用何种搅拌流程，高性能混凝土都必须比普通混凝土延长搅拌时间，否则会使拌合物不均匀而影响质量。D.A.Abram s的试验证明，平均抗压强度随搅拌时间的增加而提高（见图2）。
改进和完善搅拌机械工作机构，是人们利用机械方法强化搅拌过程的常用方法。机械的强化方法主要指振动搅拌。振动搅拌就是在搅拌的同时加以振动作用，使水泥颗粒处于颤动状态，从而破坏水泥凝聚团，使水泥颗粒均匀分布。同时，振动搅拌使水泥颗粒的运动速度加大，增加了有效碰撞次数，加速水泥颗粒表面水化生成物向液相扩散的速度，使水泥水化加速。此外，还可净化骨料表面，增加水泥和骨料间的粘结力。因此，振动搅拌能有效地提高混凝土的强度，混凝土拌合料的流动性也有所改善。
5.2 物理方法
物理方法较多。在搅拌过程中，采用破碎强化的方法，将水泥颗粒进一步破碎，使其比表面积增大，新破碎的表面具有较高的表面活化能，这就使水泥水化反应加快，强度得到提高。比如搅拌过程中采用超声波、电磁波作用等辅助手段。在添加改变和易性的外加剂的同时，采用超声波或电磁波作用，可提高混凝土强度20% ～30% 。超声波活化水泥砂浆，即先以超声波发生器活化水泥砂浆，再用普通搅拌机将活化的水泥砂浆与粗骨料搅拌成混凝土。超声活化作用主要是利用声波在液体中传播时引起液体的冲击力，以及原来在水泥颗粒微裂缝中含有气泡的快速外逸膨胀力等的作用下，使水泥颗粒破碎，加速水化反应。试验表明，经1h超声波作用，能使通过4800孔/cm 2 水泥的比表面积增加18% 。对于过期水泥，通过超声活化后，比表面积可超过原新鲜水泥，水泥抗压强度提高1 倍左右。调节混凝土生产时的温度，可相应地控制拌和过程中混凝土结构形成时的物理—化学过程的速度。温度值以及持续时间、载热体的选择，由制备混凝土的工艺特点等决定。
特别值得一提的是，K.W .Day认为，利用电极放电来活化拌和用水，可以使水泥充分水化，或者在保证混凝土的抗压强度不变时，生产每立方米混凝土可节约70% ～80% 的水泥，而硬化时间缩短一半以上。
5.3 化学方法
化学方法主要指采用控制和调节高性能混凝土性能的各种外加剂。外加剂的普遍使用，已成为高性能混凝土的第五种组分，形成了水泥混凝土材料科学发展的新突破。高效减水剂以及多功能的复合外加剂可大大改善混凝土固化前的工作度，并使混凝土硬化过程中一系列性能得以事前加以控制。这些外加剂的掺用，不仅可以缩短工序，节约能源，并且可以预期地控制混凝土的凝结硬化速度。外加剂的掺用，还为改进混凝土工艺创造了条件。有机无机相结合的聚合物混凝土，特别是纤维增强混凝土等复合混凝土的出现，也是混凝土改性、特别是改脆性为韧性的有效措施。纤维增强混凝土主要用于道路路面、机场跑道以及桥梁桥面等，但使用的一个主要困难是不易拌匀且易成团。振动拌和有助于纤维的均匀分布，这是两种强化方法联合使用的例子，也可将上述三种强化方法联合应用。
6 结语
混凝土的搅拌是混凝土生产中必不可少的一道工序，混凝土搅拌的质量将直接影响着混凝土的性能。为了使各组分表面间良好地结合，拌合料的位移必须由良好配合的对流运动和扩散运动来完成。
混凝土搅拌的动态过程可用确定的或随机的方程来描述（模拟），使混凝土搅拌过程朝着定量化的方向发展，但与实际相吻合的混凝土搅拌过程的模拟方程还有待进一步研究。实践中，为提高混凝土的性能指标，控制其复杂的结构形成过程，采用各种强化方法。目前，在工程实际中改善混凝土使用性能的强化方法大体上可分为机械强化方法、物理强化方法和化学强化方法三类。这些方法可以单独使用，也可以联合使用。
