陳錦潮

（梧州市桐豐混凝土有限公司 廣西梧州 543000）

混凝土攪拌中的機(jī)械強(qiáng)化技術(shù)要點(diǎn)分析

陳錦潮

（梧州市桐豐混凝土有限公司 廣西梧州 543000）

在混凝土攪拌過程中不足之處主要為水泥團(tuán)聚和攪拌低效區(qū)，導(dǎo)致混凝土攪拌的質(zhì)量和效率下降。在攪拌的過程中進(jìn)行機(jī)械強(qiáng)化，能夠降低攪拌設(shè)備存在的缺陷。攪拌方法主要有振動攪拌、雙排葉片攪拌和綜合攪拌，能夠大大提高混凝土的強(qiáng)度和工作效率。采用不同的機(jī)械強(qiáng)化方式，探究其對混凝土攪拌效率、質(zhì)量有何影響。

混凝土；機(jī)械強(qiáng)化；攪拌技術(shù)

1 引言

混凝土作為最大的建筑材料，在國家經(jīng)濟(jì)建設(shè)中占有及其重要的地位。攪拌作為混凝土生產(chǎn)過程中必要的工序，將直接決定混凝土的質(zhì)量和效率?；炷翑嚢璧暮脡呐c設(shè)備和材料及施工工藝等密切相關(guān)，但由于學(xué)科不同導(dǎo)致相互脫離，使得混凝土在攪拌過程中其生產(chǎn)原材料的容積和性質(zhì)均發(fā)生了改變，人們對這個過程認(rèn)知不足，仍然停留在宏觀上。

攪拌能夠使混凝土的混合料更加均勻，普通混凝土攪拌機(jī)雖然能夠利用對流、剪切以及擴(kuò)散機(jī)理使混凝土的混合料更加均勻，但它無法使水泥顆粒和水均勻分布，仍然會有大約15～30%的水泥以團(tuán)粒狀態(tài)存在，這嚴(yán)重降低了混凝土的性能。因此，為了提高混凝土的性能，需要控制其形成過程，可以采用機(jī)械強(qiáng)化等方法。

機(jī)械強(qiáng)化是指在混凝土攪拌過程中充分利用機(jī)械的方法來分散水泥粒子，提高水泥的水化反應(yīng)程度，進(jìn)一步改善混凝土的基本性能。與其它類型的強(qiáng)化相比，機(jī)械強(qiáng)化經(jīng)濟(jì)性比較高，同時也是各國學(xué)者所努力的方向。

2 機(jī)械強(qiáng)化方法分析

2.1 振動攪拌法

振動攪拌能夠充分強(qiáng)化混凝土的攪拌過程，目前已被各國學(xué)者認(rèn)可。關(guān)于該技術(shù)國內(nèi)外學(xué)者已進(jìn)行了70多年的研究，主要特點(diǎn)是在攪拌的過程中同時加以振動，使得水泥顆粒一直處于顫動狀態(tài)，這樣就使得水泥顆粒無法凝聚團(tuán)，同時各種原材料顆粒之間的摩擦力以及粘著力都在急劇減小，此時物料作用在攪拌機(jī)上的阻力明顯降低，物料的流動和擴(kuò)散得到加強(qiáng)。所以，振動攪拌可以有效提高混凝土的攪拌質(zhì)量和效率，同時還可以改善混凝土的流動性。

混凝土振動攪拌技術(shù)最早是前蘇聯(lián)開始研究的，在20世紀(jì)30年代最開始將激振器附加在普通混凝土攪拌機(jī)外殼上的方法來生產(chǎn)水泥砂漿；30年代末開始使用附有攪拌葉片的攪拌機(jī)來生產(chǎn)混凝土；到了70年代末研發(fā)出振動螺旋式混凝土攪拌器。從20世紀(jì)40～50年代開始，日本、美國以及德國等國也開始研究混凝土振動攪拌機(jī)。

現(xiàn)在振動攪拌法大部分都采用慣性激振器，普通機(jī)械振動的方法。把攪拌和振動分離開來，降低了振動面積小。攪拌時所需強(qiáng)度要大于15，同時還存在可靠性差、振動控制差以及壽命短的問題，這些都會造成物料沉積和離析。當(dāng)把攪拌軸和攪拌臂以及攪拌葉片作為振動源時，就將強(qiáng)制攪拌與振動相結(jié)合，這種方法完全可以應(yīng)用在雙臥軸式的混凝土攪拌機(jī)中。通過把攪拌和振動一體化，可以保證攪拌邊與攪拌葉的振動，使得振動作用的空間和面積都比較大，能夠均勻分配振動能量，使得機(jī)械的使用壽命大大延長，有利于保持工作可靠性。

2.2 雙排葉片攪拌法

現(xiàn)如今使用的強(qiáng)制式攪拌機(jī)，其攪拌裝置只有一排攪拌葉片，沿拌筒的徑向存在速度梯度，使得在攪拌軸附近通常會出現(xiàn)低效區(qū)，也就是說有一部分物料攪拌不均勻。所以，要解決低效區(qū)的問題就需要改善靠近攪拌軸的物料的攪拌問題。

如圖1所示為一種新型攪拌機(jī)。其主葉和副葉片均有各自的徑向安裝角以及軸向安裝角，互補(bǔ)影響，固定在攪拌軸兩側(cè)，因此當(dāng)攪拌軸按某一固定旋向轉(zhuǎn)動時，主葉和副葉片能夠分別在周向Z、Y和徑向X產(chǎn)生推力，使得物料沿3個方向不斷地循環(huán)運(yùn)動。與普通的混凝土強(qiáng)制攪拌機(jī)相比，這種該結(jié)構(gòu)增強(qiáng)了物料的徑向運(yùn)動，同時并且主葉和副葉片還可以推動著物料向相反的方向運(yùn)動，這就使靠近攪拌筒內(nèi)壁的物料與靠近攪攪拌軸的物料形成逆流運(yùn)動，從而大大改善了低效區(qū)內(nèi)的物料攪拌性能，使得混凝土攪拌更加均勻。

圖1 雙排葉攪拌原理示意圖

3 改進(jìn)攪拌工藝

與“一次”法攪拌法相比，“二次”攪拌法則是先把原材料水泥、砂和水加入到攪拌桶內(nèi)進(jìn)行充分?jǐn)嚢璩伤嗌皾{后，再把石子加入其中進(jìn)行攪拌成，生成的混凝土，這種方法稱為預(yù)拌水泥砂漿法；或者是先將水泥和水加入到攪拌桶內(nèi)充分?jǐn)嚢璩伤鄡魸{，然后再加入砂以及石子進(jìn)行攪拌，此種方法為為預(yù)拌水泥凈漿法。目前國內(nèi)外許多學(xué)者針對二次攪拌法進(jìn)行了深入的研究。取得了大量的研究成果：當(dāng)“一次”法攪拌法攪拌混凝土?xí)r，砂、石子、水泥和水同時加入到攪拌機(jī)中，此時水泥與水相遇形成小水泥團(tuán)，然后附著在石子上，降低了水泥水膠比，進(jìn)一步加重了水泥的凝聚現(xiàn)象。因此在攪拌的過程中，由于存在摩擦現(xiàn)象，使得石子背面的水泥團(tuán)被保護(hù)起來，粒徑大的石子成為水泥團(tuán)的屏障，導(dǎo)致水泥團(tuán)無法被破壞，不參與攪拌。此時這些水泥團(tuán)只是作為填料填充了骨料的間隙，從而大大降低了水泥的水化反應(yīng)程度，使得混凝土性能降低，無法達(dá)到預(yù)期目的。但“二次”攪拌法則可以促進(jìn)水泥顆粒和水的接觸，使得水泥水化更為有效，從而大大減少了小水泥團(tuán)的形成，使得水泥與砂、石子拌和更加充分，充分發(fā)揮了水泥的粘結(jié)和包裹砂石作用，使得混凝土性能得到增強(qiáng)。一些廠家根據(jù)二次攪拌的理論，成果研制出恒功率的攪拌機(jī)與雙速攪拌機(jī)，這就使得兩次攪拌工藝在同一個拌筒中完成，大大提高的水泥的水化程度，改善了混凝土的基本性能。國內(nèi)外的研究成果均表明，采用“二次”攪拌法生產(chǎn)的混凝土，其強(qiáng)度提高了約15%；而在強(qiáng)度相同的情況下，能夠節(jié)約大約15～20%的水泥。另外，“二次”攪拌法還能夠用于生成水泥含量低、強(qiáng)度集料低的混凝土，還可以用于生產(chǎn)輕型的混凝土。

4 完善和優(yōu)化攪拌機(jī)構(gòu)

一臺性能良好的攪拌機(jī)必須具有結(jié)構(gòu)設(shè)計先進(jìn)、攪拌性能良好的攪拌機(jī)構(gòu)，否則其它方面再好也沒有意義。但是關(guān)于這部分的設(shè)計方法現(xiàn)在還不成熟，設(shè)計依據(jù)主要是多年的實際經(jīng)驗值，或者是采用類比的方法進(jìn)行設(shè)計。但是由于涉及到的攪拌機(jī)構(gòu)參數(shù)較多，且大部分比較復(fù)雜，所以設(shè)計質(zhì)量的好壞只能通過樣機(jī)來進(jìn)行測試，然后進(jìn)行評定和進(jìn)一步修改，這就使得設(shè)計周期延長，嚴(yán)重影響到產(chǎn)品的開發(fā)以及行業(yè)技術(shù)的進(jìn)步。但更為重要則是因為不清楚這些參數(shù)的內(nèi)在規(guī)律，也就不能達(dá)到最優(yōu)，因而也就不能充分的地發(fā)揮混凝土攪拌機(jī)的作用和效率。

根據(jù)調(diào)查得知，國內(nèi)的許多學(xué)者在對攪拌機(jī)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化的過程中，主要是想以降低攪拌功率為目標(biāo)，按照普通的機(jī)械優(yōu)化方法來進(jìn)行設(shè)計。但是，混凝土的攪拌過程卻是一個非常復(fù)雜的動態(tài)過程，在攪拌的過程中，物料的形態(tài)和結(jié)構(gòu)所發(fā)生的變化不僅有物理的，還有化學(xué)的。所以，攪拌機(jī)構(gòu)的優(yōu)化無法按照機(jī)械工程的普通優(yōu)化方法進(jìn)行優(yōu)化。

在對混凝土攪拌過程的分析和模型優(yōu)化的基礎(chǔ)上，需要通過實驗的研究來完成系統(tǒng)的優(yōu)化。攪拌質(zhì)量是混凝土攪拌設(shè)備的首要指標(biāo)，所以優(yōu)化目標(biāo)需要保證攪拌的質(zhì)量最優(yōu)。除了已經(jīng)被淘汰了的鼓式攪拌機(jī)，現(xiàn)在合格的攪拌機(jī)都可以保證內(nèi)部的物料是在三維空間內(nèi)運(yùn)動的。對于圓柱形殼體攪拌機(jī)，能夠采用圓柱形坐標(biāo)把物料的運(yùn)動分成三個部分：軸向運(yùn)動U、周向運(yùn)動（θ）以及徑向運(yùn)動（r）。此時混凝土攪拌過程是在三維空間內(nèi)以不同的形式進(jìn)行運(yùn)動。因此，只有保證攪拌筒內(nèi)的物料以不同的方向運(yùn)動，達(dá)到要求的均勻度，整個攪拌機(jī)的攪拌時間才能達(dá)到最短，這樣的攪拌過程才是最理想的。所以要保證攪拌的質(zhì)量最號，就需要在給定的攪拌時間內(nèi)，使得攪拌內(nèi)的物料在三維坐標(biāo)方向同時達(dá)到較好的均勻性。試驗表明，當(dāng)采用優(yōu)化后的攪拌機(jī)攪拌混凝土?xí)r，其強(qiáng)度能夠提高5%左右：當(dāng)保持混凝土的強(qiáng)度不變時，可以節(jié)約水泥大約3～5%。

圖2 雙臥軸強(qiáng)制式振動攪拌機(jī)

需要指出的是，攪拌軸的內(nèi)偏心安裝中的振動軸需要經(jīng)過動平衡設(shè)計，因此在混凝土振動攪拌的過程中只有攪拌軸與攪拌葉片發(fā)生振動，但是包括混凝土攪拌筒在內(nèi)的其它部件則不會振動，這樣就減少了振動所帶來的不良影響，不僅保證了攪拌機(jī)工作的可靠性，而且還節(jié)約了減振機(jī)構(gòu)。

5 結(jié)語

機(jī)械強(qiáng)化攪拌可以有效提高混凝土的攪拌質(zhì)量，提高改善混凝土的基本性能。通常采用的改善方法有：改進(jìn)攪拌工藝，完善并優(yōu)化了攪拌機(jī)構(gòu)和振動攪拌。

攪拌的機(jī)構(gòu)優(yōu)化的目標(biāo)為混凝土攪拌質(zhì)量達(dá)到最優(yōu)，在理論分析與攪拌過程相結(jié)合的基礎(chǔ)上，通過試驗的研究來完成優(yōu)化，效果最好。

采用振動攪拌的方法可以有效提高混凝土的宏觀與微觀的均勻度，這是一種非常有效的機(jī)械強(qiáng)化方法。振動攪拌需要選擇合理的運(yùn)動參數(shù)以及與這些參數(shù)相應(yīng)的工作機(jī)構(gòu)，這樣才能夠保證既可以按需要的振動參數(shù)來工作，又可以保證工作機(jī)構(gòu)的可靠性以及耐久性。

[1]趙利軍.攪拌低效區(qū)及其消除方法的研究[D].西安：長安大學(xué)，2005.

[2]張海軍.攪拌過程的機(jī)械強(qiáng)化方法及其試驗研究[D].西安：長安大學(xué)，2006.

[3]趙利軍.雙臥軸攪拌機(jī)參數(shù)優(yōu)化及其試驗研究[D].西安：長安大學(xué)，2002.

TU755

A

1004-7344（2016）32-0233-02

2016-10-27

陳錦潮（1988-），男，漢族，廣西梧州人，本科，主要從事試驗室試驗工作。