混凝土攪拌中的機械強化技術要點分析

陳錦潮

（梧州市桐豐混凝土有限公司 廣西梧州 543000）

混凝土攪拌中的機械強化技術要點分析

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聚和攪拌低效區，導致混凝土攪拌的質量和效率下降。在攪拌的過程中進行機械強化，能夠降低攪拌設備存在的缺陷。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度和工作效率。采用不同的機械強化方式，探究其對混凝土攪拌效率、質量有何影響。

混凝土；機械強化；攪拌技術

1 引言

混凝土作為最大的建筑材料，在國家經濟建設中占有及其重要的地位。攪拌作為混凝土生產過程中必要的工序，將直接決定混凝土的質量和效率。混凝土攪拌的好壞與設備和材料及施工工藝等密切相關，但由于學科不同導致相互脫離，使得混凝土在攪拌過程中其生產原材料的容積和性質均發生了改變，人們對這個過程認知不足，仍然停留在宏觀上。

攪拌能夠使混凝土的混合料更加均勻，普通混凝土攪拌機雖然能夠利用對流、剪切以及擴散機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%的水泥以團粒狀態存在，這嚴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，可以采用機械強化等方法。

機械強化是指在混凝土攪拌過程中充分利用機械的方法來分散水泥粒子，提高水泥的水化反應程度，進一步改善混凝土的基本性能。與其它類型的強化相比，機械強化經濟性比較高，同時也是各國學者所努力的方向。

2 機械強化方法分析

2.1 振動攪拌法

振動攪拌能夠充分強化混凝土的攪拌過程，目前已被各國學者認可。關于該技術國內外學者已進行了70多年的研究，主要特點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，這樣就使得水泥顆粒無法凝聚團，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上的阻力明顯降低，物料的流動和擴散得到加強。所以，振動攪拌可以有效提高混凝土的攪拌質量和效率，同時還可以改善混凝土的流動性。

混凝土振動攪拌技術最早是前蘇聯開始研究的，在20世紀30年代最開始將激振器附加在普通混凝土攪拌機外殼上的方法來生產水泥砂漿；30年代末開始使用附有攪拌葉片的攪拌機來生產混凝土；到了70年代末研發出振動螺旋式混凝土攪拌器。從20世紀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。

現在振動攪拌法大部分都采用慣性激振器，普通機械振動的方法。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。當把攪拌軸和攪拌臂以及攪拌葉片作為振動源時，就將強制攪拌與振動相結合，這種方法完全可以應用在雙臥軸式的混凝土攪拌機中。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

現如今使用的強制式攪拌機，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低效區，也就是說有一部分物料攪拌不均勻。所以，要解決低效區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。其主葉和副葉片均有各自的徑向安裝角以及軸向安裝角，互補影響，固定在攪拌軸兩側，因此當攪拌軸按某一固定旋向轉動時，主葉和副葉片能夠分別在周向Z、Y和徑向X產生推力，使得物料沿3個方向不斷地循環運動。與普通的混凝土強制攪拌機相比，這種該結構增強了物料的徑向運動，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動，這就使靠近攪拌筒內壁的物料與靠近攪攪拌軸的物料形成逆流運動，從而大大改善了低效區內的物料攪拌性能，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進行充分攪拌成水泥砂漿后，再把石子加入其中進行攪拌成，生成的混凝土，這種方法稱為預拌水泥砂漿法；或者是先將水泥和水加入到攪拌桶內充分攪拌成水泥凈漿，然后再加入砂以及石子進行攪拌，此種方法為為預拌水泥凈漿法。目前國內外許多學者針對二次攪拌法進行了深入的研究。取得了大量的研究成果：當“一次”法攪拌法攪拌混凝土時，砂、石子、水泥和水同時加入到攪拌機中，此時水泥與水相遇形成小水泥團，然后附著在石子上，降低了水泥水膠比，進一步加重了水泥的凝聚現象。因此在攪拌的過程中，由于存在摩擦現象，使得石子背面的水泥團被保護起來，粒徑大的石子成為水泥團的屏障，導致水泥團無法被破壞，不參與攪拌。此時這些水泥團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程度，使得混凝土性能降低，無法達到預期目的。但“二次”攪拌法則可以促進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的形成，使得水泥與砂、石子拌和更加充分，充分發揮了水泥的粘結和包裹砂石作用，使得混凝土性能得到增強。一些廠家根據二次攪拌的理論，成果研制出恒功率的攪拌機與雙速攪拌機，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。國內外的研究成果均表明，采用“二次”攪拌法生產的混凝土，其強度提高了約15%；而在強度相同的情況下，能夠節約大約15～20%的水泥。另外，“二次”攪拌法還能夠用于生成水泥含量低、強度集料低的混凝土，還可以用于生產輕型的混凝土。

4 完善和優化攪拌機構

一臺性能良好的攪拌機必須具有結構設計先進、攪拌性能良好的攪拌機構，否則其它方面再好也沒有意義。但是關于這部分的設計方法現在還不成熟，設計依據主要是多年的實際經驗值，或者是采用類比的方法進行設計。但是由于涉及到的攪拌機構參數較多，且大部分比較復雜，所以設計質量的好壞只能通過樣機來進行測試，然后進行評定和進一步修改，這就使得設計周期延長，嚴重影響到產品的開發以及行業技術的進步。但更為重要則是因為不清楚這些參數的內在規律，也就不能達到最優，因而也就不能充分的地發揮混凝土攪拌機的作用和效率。

根據調查得知，國內的許多學者在對攪拌機構進行優化的過程中，主要是想以降低攪拌功率為目標，按照普通的機械優化方法來進行設計。但是，混凝土的攪拌過程卻是一個非常復雜的動態過程，在攪拌的過程中，物料的形態和結構所發生的變化不僅有物理的，還有化學的。所以，攪拌機構的優化無法按照機械工程的普通優化方法進行優化。

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

圖2 雙臥軸強制式振動攪拌機

需要指出的是，攪拌軸的內偏心安裝中的振動軸需要經過動平衡設計，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生振動，但是包括混凝土攪拌筒在內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，不僅保證了攪拌機工作的可靠性，而且還節約了減振機構。

5 結語

機械強化攪拌可以有效提高混凝土的攪拌質量，提高改善混凝土的基本性能。通常采用的改善方法有：改進攪拌工藝，完善并優化了攪拌機構和振動攪拌。

攪拌的機構優化的目標為混凝土攪拌質量達到最優，在理論分析與攪拌過程相結合的基礎上，通過試驗的研究來完成優化，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械強化方法。振動攪拌需要選擇合理的運動參數以及與這些參數相應的工作機構，這樣才能夠保證既可以按需要的振動參數來工作，又可以保證工作機構的可靠性以及耐久性。

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

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

[3]趙利軍.雙臥軸攪拌機參數優化及其試驗研究[D].西安：長安大學，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。