蔣海云 ，張倫超 ，徐劍飛 ，徐軍陽 ，4，馬曉輝 ，4，龔宏偉

（1.國網(wǎng)新源控股有限公司，北京市 100761；2.江蘇句容抽水蓄能有限公司，江蘇省句容市 212400；3.河海大學(xué)土木與交通學(xué)院，江蘇省南京市 210098；4.河海大學(xué)設(shè)計(jì)研究院有限公司，江蘇省南京市 210098；5.江西大地巖土工程有限公司，江西省九江市 332000）

0 引言

隨著灌漿技術(shù)的發(fā)展，該技術(shù)應(yīng)用越來越廣，配套的設(shè)備和技術(shù)也越來越智能化和高效化。對(duì)于水泥基灌漿材料，工程實(shí)踐表明，為保證漿體的穿透性，制漿材料顆粒粒度D85的平均顆粒尺寸須小于裂隙寬度的1/5；而普通波特蘭水泥所拌漿體穿透寬度大于0.5mm的裂縫效果較好，而更窄的裂縫則較差，甚至不能灌進(jìn)去[1-5]。在某些特殊灌漿工程中，如擬灌巖體裂隙較窄（＜0.5mm）時(shí)，為保證灌漿效果，將不得不采用超細(xì)水泥。與普通水泥相比，超細(xì)水泥的平均粒徑在4μm以下，超細(xì)水泥在攪拌工程中具有水化速度快、結(jié)團(tuán)等不利現(xiàn)象。這將影響制得漿體的性能，即影響漿體的可灌性。所以，在拌制超細(xì)水泥漿體時(shí)，對(duì)制漿設(shè)備要求較高。雙軸逆向制漿機(jī)的設(shè)計(jì)正基于此點(diǎn)目標(biāo)，注重制漿質(zhì)量和性能要求滿足規(guī)范和實(shí)際項(xiàng)目要求。

目前實(shí)際工程應(yīng)用中，根據(jù)攪拌原理可將制漿機(jī)分為膠體磨式、葉片式和噴射式3種[6]。其中，膠體磨式的工作原理是利用葉片高速旋轉(zhuǎn)，剪切漿體并形成渦流使?jié){體充分混合，特點(diǎn)是制漿效率高、可拌制高黏度漿液，但設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜、總成本較高等；葉片式的工作原理是旋轉(zhuǎn)葉片將漿液拋向桶壁上的固定折流器，而使?jié){體被混合，特點(diǎn)是制漿效率低，但設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單，綜合成本低等；噴射式的工作原理是利用高速水流噴入攪拌腔內(nèi)產(chǎn)生真空，將料斗中干料吸入攪拌腔，并噴射水流混合，形成漿體，特點(diǎn)是設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單、效率較高，但漿體均勻性較差。

當(dāng)然，水泥基灌漿料在巖體中的灌注效果不僅僅與水泥顆粒磨細(xì)度程度有關(guān)，還有其他影響因素，如漿體水灰比、裂縫表面粗糙程度和灌漿壓力等。對(duì)于灌漿物料能否其最佳特性，攪拌機(jī)擔(dān)負(fù)著主要角色。目前超細(xì)灌漿水泥主要采用高速制漿機(jī)制漿，設(shè)備轉(zhuǎn)速一般不小于1200r/min[7]，制漿量受單軸影響較大。設(shè)計(jì)的雙軸逆向制漿機(jī)將是一次新的技術(shù)創(chuàng)新，本文結(jié)合該制漿機(jī)的設(shè)計(jì)和試驗(yàn)測試結(jié)果，評(píng)價(jià)其性能和適用性，為該設(shè)備的應(yīng)用提供參考，特別是超細(xì)灌漿水泥漿料的拌和。

1 雙軸逆向制漿機(jī)簡介

1.1 設(shè)備設(shè)計(jì)背景

在灌漿工程中，水泥基漿液攪拌一般采用中心軸加兩翼葉片的制漿機(jī)。該類型制漿機(jī)工作原理是：攪拌介質(zhì)在離心力作用下，一是與攪拌桶內(nèi)壁進(jìn)行碰撞使團(tuán)狀攪拌介質(zhì)產(chǎn)生分離，二是相互運(yùn)動(dòng)的攪拌介質(zhì)間進(jìn)行摩擦、碰撞使其攪拌介子也產(chǎn)生分離從而達(dá)到混合。特點(diǎn)是中心軸轉(zhuǎn)速越高，離心力越大，單位時(shí)間內(nèi)攪拌介質(zhì)摩擦、碰撞的次數(shù)就越多，攪拌的效果就越好。可分為高速攪拌機(jī)和低速攪拌機(jī)兩種。該類設(shè)備的攪拌桶直徑的大小也影響著攪拌效果，其直徑越大，攪拌效果也相對(duì)較差，這是因?yàn)閿嚢杞橘|(zhì)與攪拌桶內(nèi)壁摩擦、碰撞的次數(shù)減少所致。所以，攪拌效果的好壞限制了攪拌桶的直徑大小，也就限制了制漿量的大小，對(duì)于大體量灌漿工程勢必影響其應(yīng)用。還有將漿液攪拌設(shè)備設(shè)計(jì)為偏心軸式的，其攪拌效果比中心軸方式要好些，但也受攪拌桶直徑所限，制漿量受到限制，無法滿足大灌漿量項(xiàng)目所需。在實(shí)踐中，設(shè)計(jì)出一種能滿足較大灌漿量要求，又能滿足超細(xì)粒徑介質(zhì)攪拌的漿液要求的制漿設(shè)備，具有重要的意義。

1.2 工作原理

雙軸逆向制漿機(jī)的工作原理是利用逆向旋轉(zhuǎn)的兩根軸（葉片）使拌和水裹挾著水泥（或其他介質(zhì)）碰撞制漿桶內(nèi)壁的同時(shí)，兩股逆向旋轉(zhuǎn)漿液也結(jié)合部進(jìn)行相互碰撞，并形成紊流使碰撞次數(shù)成幾何式增加，更利于拌和物攪拌均勻；雙軸逆向制漿機(jī)兩軸攪拌可以適量加大攪拌桶的體積來滿足工程所需量的需求；因?yàn)閿嚢璺绞接兴兓?，通過特有的機(jī)械傳輸方式降低了轉(zhuǎn)速加大了扭矩，而利于攪拌粒徑更小的介質(zhì)。雙軸逆向制漿機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。其中，1為動(dòng)力電機(jī)，2為皮帶輪，3為皮帶，4為進(jìn)灰口，5為出漿口，6為檢修艙門，7為進(jìn)水口，8為減速機(jī)，9為連接滾子鏈聯(lián)軸器，10為小傘形齒輪，11為大傘形齒輪，12為聯(lián)軸器，13為左攪拌軸，14為攪拌葉，15為攪拌桶，16為減速機(jī)。

圖1 雙軸逆向制漿機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖（a）立面圖；（b）平面圖Figure 1 Schematic diagram of double axis reverse pulping machine structure

1.3 性能參數(shù)

雙軸逆向制漿機(jī)為全封閉式的臥式灰罐智能制漿系統(tǒng)的制漿設(shè)備部分。該制漿智能系統(tǒng)上部為全封閉臥式灰罐，下部由供水系統(tǒng)、配料系統(tǒng)、雙軸逆向旋轉(zhuǎn)攪拌制漿系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、供漿系統(tǒng)組成，水泥漿液拌制采用電子計(jì)量，全封閉式制漿作業(yè)。采用散裝水泥，節(jié)約水泥包裝、裝卸、拆裝等成本，并避免制漿過程的揚(yáng)塵現(xiàn)象，達(dá)到了節(jié)能減排功效。雙軸逆向制漿機(jī)的性能參數(shù)如表1所示。

2 與其他設(shè)備對(duì)應(yīng)指標(biāo)對(duì)比分析

2.1 200/250L雙層低速制漿機(jī)

通過電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)攪拌軸（54r/min）轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)行水泥漿液拌制，上層攪拌，下層儲(chǔ)漿，克服灰漿易產(chǎn)生離析或沉淀的弊病，確保灰漿泵吸料均勻，出料順利，適用于普通水泥制漿，如圖2（a）所示。

2.2 200L高速制漿機(jī)

通過電機(jī)使葉輪1440r/min高速轉(zhuǎn)動(dòng)形成渦流制漿，具有制漿速度快、漿液攪拌均勻等特點(diǎn)，適用于普通水泥及超細(xì)水泥等灌漿材料制漿，如圖2（b）所示。

2.3 600L雙軸逆向制漿機(jī)

電機(jī)帶動(dòng)兩根帶葉片的攪拌軸逆向200r/min轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)水泥漿液旋轉(zhuǎn)并使水泥漿液激烈碰撞形成紊流，從而使?jié){液攪拌均勻，如圖2（c）所示。

3 制漿漿體測試結(jié)果分析

3.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本文主要對(duì)比雙軸逆向制漿機(jī)與200/250L雙層低速制漿機(jī)、200L高速制漿機(jī)的制漿性能參數(shù)，驗(yàn)證600L雙軸逆向制漿機(jī)性能優(yōu)劣及工程應(yīng)用可行性。試驗(yàn)性能指標(biāo)包括旋轉(zhuǎn)黏度和馬氏漏斗黏度。原材料有水泥A：42.5級(jí)海螺牌普通硅酸鹽水泥，比表面積為365m2/kg；水泥B：三寶牌改性灌漿超細(xì)水泥，比表面積為889m2/kg；水泥C：三寶牌磨細(xì)水泥，比表面積為675m2/kg。試驗(yàn)水灰比分別為0.6、0.8、1、2、3。

制漿機(jī)攪拌效率主要體現(xiàn)在所拌漿液的流動(dòng)性能和介質(zhì)分散性。本試驗(yàn)以漿體流動(dòng)性指標(biāo)來分析雙軸逆向制漿機(jī)的改進(jìn)效果，以期評(píng)估攪拌超細(xì)介質(zhì)時(shí)雙軸逆向制漿機(jī)是否可以替代高速攪拌機(jī)。介質(zhì)分散性采用目測法評(píng)價(jià)。

圖2 試驗(yàn)中所使用各制漿機(jī)實(shí)物圖（a）200/250L雙層低速制漿機(jī)；（b）200L高速制漿機(jī)；（c）雙軸逆向制漿機(jī)Figure 2 Drawing of each pulping machine used in the test

3.2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.2.1 攪拌時(shí)間對(duì)漿液流動(dòng)性的影響

為了解制漿機(jī)攪拌時(shí)間對(duì)漿液的影響，以水泥C為攪拌介質(zhì)。高速制漿機(jī)與雙軸逆向旋轉(zhuǎn)制漿機(jī)的攪拌時(shí)間分別為2、4、6、8min，測試結(jié)果如圖3所示。

由圖3可知，當(dāng)超細(xì)水泥C水灰比小于等于1時(shí)，不管高速攪拌機(jī)還是雙軸逆向攪拌機(jī)，漿液黏度隨著攪拌時(shí)間的增加而減??；對(duì)于水灰比大于1時(shí)，變化則不明顯。當(dāng)漿體攪拌4min時(shí)所測旋轉(zhuǎn)黏度與攪拌2min相比，減小10%～25%；而攪拌時(shí)間超過4min后，隨攪拌時(shí)間的增加，旋轉(zhuǎn)黏度變化趨于穩(wěn)定。

3.2.2 旋轉(zhuǎn)黏度試驗(yàn)及分析

旋轉(zhuǎn)黏度試驗(yàn)所采用得設(shè)備為NDJ-8S數(shù)顯粘度計(jì)。試驗(yàn)工況主要考慮不同水灰比、不同制漿設(shè)備。轉(zhuǎn)子和轉(zhuǎn)速參考NDJ-8S數(shù)顯粘度計(jì)使用說明書執(zhí)行，與漿體水灰比相關(guān)。因?yàn)槌?xì)水泥采用低速制漿機(jī)拌制時(shí)，水泥漿液有明顯的大團(tuán)塊，無法攪拌均勻，漿體質(zhì)量較差，所以圖4中（b）和（c）圖只反映高速制漿機(jī)和雙軸制漿機(jī)測試結(jié)果，所測得各試樣的旋轉(zhuǎn)黏度如圖4所示。

圖3 制漿機(jī)攪拌時(shí)間與漿體旋轉(zhuǎn)黏度的關(guān)系圖（a）高速制漿機(jī)；（b）雙軸逆向旋轉(zhuǎn)攪拌機(jī)Figure 3 Relationship between mixing time and slurry viscosity of pulping machine

由圖4（a）可知，當(dāng)漿液水灰比大于1時(shí)，3種制漿機(jī)所拌水泥A（普通硅酸鹽水泥）漿液旋轉(zhuǎn)黏度相差不大；當(dāng)漿體水灰比小于1后，高速制漿機(jī)所制漿體的旋轉(zhuǎn)黏度值為164.5MPa·s，低速制漿機(jī)所測的旋轉(zhuǎn)黏度值為242MPa·s，雙軸逆向制漿機(jī)所拌漿體對(duì)應(yīng)旋轉(zhuǎn)黏度為218.5MPa·s。一般情況下，漿液的黏度越小，則可灌性越好，說明普通水泥采用高速制漿機(jī)較雙軸逆向制漿機(jī)的制漿效果較好，而低速制漿機(jī)攪拌效果最差[7-8]。

由圖4（b）和（c）可知，當(dāng)水灰比大于2時(shí)，高速制漿機(jī)與雙軸逆向制漿機(jī)所拌制的漿液旋轉(zhuǎn)黏度大致相當(dāng)，雙軸逆向制漿機(jī)略優(yōu)于高速制漿機(jī)。當(dāng)水灰比小于2時(shí)，雙軸逆向制漿機(jī)所攪拌的漿液旋轉(zhuǎn)黏度較高速制漿機(jī)的低。其中在水灰比為0.6時(shí)，相對(duì)高速制漿機(jī)，對(duì)于水泥B漿體，雙軸逆向制漿機(jī)所攪拌的漿液旋轉(zhuǎn)黏度降低了19%，水泥C漿體旋轉(zhuǎn)黏度降低了12.3%。說明對(duì)于超細(xì)水泥，采用雙軸逆向攪拌機(jī)較高速制漿機(jī)所拌制的漿液的可灌性更好。

3.2.3 馬氏漏斗試驗(yàn)及分析

馬氏漏斗試驗(yàn)為將馬氏漏斗內(nèi)裝有1500mL的水泥漿液自由落體流出，流滿946mL容量瓶時(shí)所需的時(shí)間，單位為s。時(shí)間越短說明漿體流動(dòng)性越好[9-10]。

由圖5（a）可知，當(dāng)水灰比大于0.8時(shí)，3種制漿機(jī)所拌普通硅酸鹽水泥漿液馬氏黏度相差不大；當(dāng)水灰比小于0.8時(shí)，3種制漿機(jī)所拌漿液的馬氏黏度的大小順序是：低速制漿機(jī)>逆向雙軸制漿機(jī)>高速制漿機(jī)。其中水灰比為0.6時(shí)，高速拌制的漿液馬氏黏度比低速拌制的小12.3%，而比雙軸逆向制漿機(jī)的小4.9%。

由圖5（b）和（c）可知，當(dāng)水灰比大于1時(shí)，高速制漿機(jī)與雙軸逆向制漿機(jī)所拌制的漿液馬氏黏度大致相當(dāng)；當(dāng)水灰比小于1時(shí)，雙軸攪拌機(jī)拌制的漿液馬氏黏度比高速攪拌機(jī)拌制的大。其中水灰比為0.6時(shí)，對(duì)于水泥B漿體，雙軸逆向旋轉(zhuǎn)制漿機(jī)所拌漿液馬氏黏度較高速制漿機(jī)的增加了18%，而水泥C漿體則增加了9.3%。

另外，從觀察馬氏漏斗濾網(wǎng)上的殘余料渣發(fā)現(xiàn)，隨著漿液水灰比的減小，水泥漿包裹末充分?jǐn)嚢璧乃嘈腋☆w粒相應(yīng)增多，低速攪拌機(jī)的濾網(wǎng)殘余量最多，其次為雙軸逆向攪拌機(jī)，高速制漿機(jī)最少。

圖4 不同漿體的旋轉(zhuǎn)黏度（a）水泥A漿體；（b）水泥B漿體；（c）水泥C漿體Figure 4 Rotation viscosity of different paste

3.2.4 漿體介質(zhì)分散性分析

水灰比大于1的水泥漿液，經(jīng)制漿機(jī)充分?jǐn)嚢瑁?種制漿機(jī)所形成的漿液黏度基本一致，懸浮的水泥團(tuán)粒也較少。當(dāng)水灰比小于1時(shí)，低速制漿機(jī)就不適宜濃漿攪拌，漿液攪拌不均勻，存在大形團(tuán)塊；水灰比越小，情況越嚴(yán)重，這對(duì)灌漿將造成不利影響。

高速制漿機(jī)和雙軸逆向制漿機(jī)所形成漿液黏大致接近，但在水灰比小于等于1后，雙軸逆向攪拌機(jī)的拌和的懸?。ū砻鏉{液包裹的水泥）水泥顆粒較高速攪拌機(jī)的多，分析主要原因?yàn)闈{液拌制過程中，雙軸逆向攪拌機(jī)沒有采用邊攪拌邊加水泥拌和，在水灰比較小的情況下，容易在水泥表面形成漿膜，不能使水泥充分水化，形成顆粒。

圖5 不同漿體的馬氏漏斗黏度（a）水泥A漿體；（b）水泥B漿體；（c）水泥C漿體Figure 5 Viscosity of marsh funnel of different paste

4 結(jié)束語

通過不同制漿機(jī)所拌漿體的黏度和均勻性分析，雙軸逆向制漿機(jī)適用于超細(xì)水泥漿體拌制，相比高速制漿機(jī)有一定的優(yōu)點(diǎn)。通過對(duì)比試驗(yàn)可得出如下結(jié)論：

（1）雙軸逆向旋轉(zhuǎn)制漿機(jī)所制水泥漿液能滿足灌漿規(guī)范要求，設(shè)備技術(shù)經(jīng)濟(jì)性較好，特別是超細(xì)水泥介質(zhì)。

（2）對(duì)于拌制超細(xì)水泥漿液，采用高速或雙軸逆向旋轉(zhuǎn)制漿機(jī)攪拌時(shí)，最佳拌制時(shí)間為3～4min。

（3）從漿體介質(zhì)分散性看，高速制漿機(jī)最好，雙軸逆向制漿機(jī)次之，低速制漿機(jī)最差，特別當(dāng)漿液水灰比小于1時(shí)。所以雙軸逆向制漿機(jī)可應(yīng)用于灌漿工程。