連續(xù)式攪拌在大壩碾壓混凝土生產(chǎn)中的應(yīng)用

劉安宇，王昌浩

(湖北大禹建設(shè)股份有限公司，湖北 武漢 430061)

由于連續(xù)式攪拌設(shè)備具有效率高、產(chǎn)量大、能耗低、可靠度高等特點(diǎn)，在水工大體積混凝土方面，特別是水工碾壓混凝土施工中，逐步得到應(yīng)用。恩施市喻家河水庫大壩工程采用了連續(xù)攪拌工藝，澆筑碾壓混凝土16萬余m3，其生產(chǎn)的混凝土質(zhì)量較穩(wěn)定，并取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益。本文根據(jù)作者的親身經(jīng)歷，對連續(xù)式攪拌工藝特點(diǎn)與原理、施工工藝流程和操作要點(diǎn)、質(zhì)量控制、安全等作點(diǎn)探討。

1 工藝特點(diǎn)和原理

1.1 工藝特點(diǎn)

連續(xù)式攪拌工藝與傳統(tǒng)的間歇式攪拌工藝相比有著非常鮮明的特點(diǎn)[1]。

1)連續(xù)攪拌、生產(chǎn)效率高。連續(xù)攪拌工法具有連續(xù)計(jì)量、連續(xù)均勻供料、連續(xù)攪拌、連續(xù)出料的特點(diǎn)，這是連續(xù)式攪拌工法與傳統(tǒng)間歇式攪拌工法最本質(zhì)的區(qū)別。連續(xù)式攪拌工藝在生產(chǎn)中同時(shí)完成配料、稱量、加料、攪拌和卸料等工序，各工序時(shí)間完全重疊，充分發(fā)揮了攪拌機(jī)的工作效率。只要混凝土的組成物料(骨料、外加劑、水、水泥、粉煤灰等)供應(yīng)不間斷，就能源源不斷地生產(chǎn)出半成品混凝土，生產(chǎn)效率高。

2)攪拌負(fù)荷低。均勻連續(xù)的配料使得粗細(xì)骨料在進(jìn)入攪拌機(jī)前就已經(jīng)按配合比分散均布，減輕了攪拌機(jī)的工作量；同時(shí)處于攪拌機(jī)內(nèi)進(jìn)行攪拌的物料數(shù)量比同產(chǎn)量的間歇式攪拌機(jī)的少，這也減輕了攪拌機(jī)的攪拌負(fù)荷。

3)運(yùn)行成本低。連續(xù)式攪拌工法成套設(shè)備裝機(jī)功率低，與同產(chǎn)量間歇式攪拌設(shè)備相比可提高生產(chǎn)效率節(jié)約能源，且系統(tǒng)連續(xù)穩(wěn)定工作，啟動(dòng)、停機(jī)次數(shù)少。不同于間歇式攪拌設(shè)備工作時(shí)系統(tǒng)頻繁啟閉，因此設(shè)備壽命長，故障率相對較低、運(yùn)行維護(hù)成本也低。

4)性價(jià)比高。連續(xù)式攪拌設(shè)備與同產(chǎn)量間歇式攪拌設(shè)備相比耗鋼量少、重量輕，占地面積小，臨建工程量少，安裝快速方便，投產(chǎn)快，節(jié)省投資成本。

1.2 工藝原理

1)連續(xù)計(jì)量原理。要拌制生產(chǎn)合格混凝土的基本要求是各種物料應(yīng)依據(jù)配合比進(jìn)行精確計(jì)量。根據(jù)連續(xù)拌制生產(chǎn)的特點(diǎn)，如何實(shí)現(xiàn)各種物料連續(xù)精確的計(jì)量是連續(xù)攪拌生產(chǎn)工藝需解決的關(guān)鍵技術(shù)問題。連續(xù)式攪拌生產(chǎn)工法則采用重量減量法來實(shí)現(xiàn)各種物料的連續(xù)計(jì)量。系統(tǒng)根據(jù)人機(jī)對話界面接收的配合比和生產(chǎn)率等參數(shù)，計(jì)算出在單位時(shí)間內(nèi)需送入攪拌主機(jī)的各種物料的重量，再由程序計(jì)算出該輸送能力下各種物料配料設(shè)備(皮帶輸送機(jī)或盤式配料機(jī)等)的電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，變頻器就向電動(dòng)機(jī)輸出相應(yīng)的頻率和電壓以控制電動(dòng)機(jī)按所需的轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)，此時(shí)皮帶機(jī)的輸送量就與理論用量相匹配。

2)瞬時(shí)流量控制原理。為了確保配料的精確，生產(chǎn)時(shí)計(jì)算機(jī)按每2 s一次的探測頻率對各種物料配料倉的重量進(jìn)行監(jiān)測，計(jì)算出單位時(shí)間內(nèi)配料倉重量減小量的移動(dòng)平均值。如果發(fā)現(xiàn)單位時(shí)間內(nèi)某種物料的重量減小量小于或大于給定值(在規(guī)范要求的計(jì)量精度內(nèi))，則計(jì)算機(jī)發(fā)出指令通過變頻器增加或減小電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而增大或減小皮帶機(jī)的輸送量。正常情況下這種調(diào)整量是很小的。如果重量減小量超過規(guī)定的要求，系統(tǒng)就會(huì)報(bào)警出錯(cuò)，各種物料的配料皮帶機(jī)將按設(shè)定的順序停止供料，攪拌站自動(dòng)停止生產(chǎn)，待故障排除后才能恢復(fù)生產(chǎn)。當(dāng)某一個(gè)或多個(gè)配料倉的物料快要輸送完時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)開啟成品骨料倉弧門對配料儲(chǔ)倉進(jìn)行補(bǔ)料。在補(bǔ)料瞬間，配料儲(chǔ)倉的重量急劇增加(正常生產(chǎn)過程配料儲(chǔ)倉的重量是均勻減小)，當(dāng)計(jì)算機(jī)接收到儲(chǔ)倉重量急劇增加的信號，就自動(dòng)鎖定配料皮帶機(jī)的轉(zhuǎn)速，在補(bǔ)料期間，配料皮帶機(jī)就按這一鎖定的轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)，而不再按重量減小量來調(diào)整轉(zhuǎn)速。補(bǔ)料過程非常迅速，一般僅需幾秒鐘，當(dāng)配料儲(chǔ)倉重量達(dá)到事先設(shè)定的滿載值時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)停止補(bǔ)料。配料儲(chǔ)倉的重量減小量又恢復(fù)到正常狀態(tài)，系統(tǒng)解除鎖定，恢復(fù)到正常生產(chǎn)監(jiān)控狀態(tài)。配料補(bǔ)料控制技術(shù)解決了因配料儲(chǔ)倉容量所限導(dǎo)致無法連續(xù)計(jì)量的問題。

3)連續(xù)攪拌原理。連續(xù)式攪拌機(jī)的主軸上攪拌刀片呈一定角度以實(shí)現(xiàn)縱向推進(jìn)和回旋攪拌、各葉片互補(bǔ)排列保證無攪拌或推進(jìn)死角。經(jīng)過精確計(jì)量的各種物料從攪拌機(jī)的一端上部連續(xù)進(jìn)入，經(jīng)攪拌葉片推進(jìn)從另一端底部連續(xù)卸出，完成物料的連續(xù)拌制過程。

4)攪拌時(shí)間控制原理。一直以來，連續(xù)式攪拌設(shè)備存在料頭、料尾拌和物質(zhì)量稍差、攪拌時(shí)間短等缺點(diǎn)，一定程度上滯約了連續(xù)式攪拌工法的推廣應(yīng)用。在系統(tǒng)調(diào)試時(shí)將各種物料給料啟停時(shí)間調(diào)整到最佳狀態(tài)，確保各種物料同時(shí)進(jìn)入攪拌機(jī)[2]。

攪拌機(jī)通過四個(gè)重量傳感器支承在鋼結(jié)構(gòu)平臺(tái)上，一端上部設(shè)置進(jìn)料口、另一端下部設(shè)置排料口，排料口設(shè)有轉(zhuǎn)動(dòng)式卸料弧門，卸料弧門的啟閉由系統(tǒng)控制，其開度可無級調(diào)整。生產(chǎn)前弧門呈關(guān)閉狀態(tài)，生產(chǎn)時(shí)物料進(jìn)入攪拌機(jī)后，系統(tǒng)延時(shí)開啟弧門，使物料在攪拌機(jī)內(nèi)滯留以充分利用攪拌空間擠壓物料，延緩物料的推進(jìn)速度，加強(qiáng)物料的搓揉、混合，以實(shí)現(xiàn)物料的充分拌合。完成生產(chǎn)任務(wù)后，系統(tǒng)自動(dòng)關(guān)閉卸料弧門。系統(tǒng)通過控制弧門延時(shí)開啟的時(shí)間可控制物料的攪拌時(shí)間。

生產(chǎn)過程中，根據(jù)事先輸入的配合比配料后，各物料均衡地進(jìn)入攪拌機(jī)，在攪拌機(jī)內(nèi)均衡穩(wěn)定的推進(jìn)，經(jīng)攪拌后均衡流出。整個(gè)生產(chǎn)過程物料流均衡地進(jìn)、出攪拌機(jī)，可近似認(rèn)為物料在攪拌筒內(nèi)的流態(tài)為均勻流，料流在攪拌機(jī)內(nèi)的形狀和斷面尺寸沿程不變。物料的攪拌時(shí)間為物料從進(jìn)口到出口的時(shí)間，由于攪拌機(jī)的行程較短，生產(chǎn)時(shí)采用充分利用攪拌空間擠壓物料，以延緩物料推進(jìn)速度，延長攪拌時(shí)間，實(shí)現(xiàn)物料的充分拌合。攪拌時(shí)間控制計(jì)算見下式。

T=L/V

(1)

L=Q/A

(2)

ρ=VA

(3)

式中：T為攪拌時(shí)間，s；L為攪拌機(jī)內(nèi)物料的軸向水平行程，m；V為攪拌機(jī)內(nèi)物料的推進(jìn)速度，m/s；Q為攪拌機(jī)內(nèi)物料體積，m3；A為攪拌機(jī)內(nèi)物料的橫斷面積，m2；ρ為系統(tǒng)生產(chǎn)率，m3/s或m3/min、m3/h。

由式(1)、(2)、(3)可得：

T=Q/ρ

(4)

即可通過控制攪拌機(jī)內(nèi)物料的體積和系統(tǒng)生產(chǎn)率達(dá)到控制攪拌時(shí)間的目的。連續(xù)式攪拌機(jī)就采用事先設(shè)定攪拌時(shí)間T值和生產(chǎn)率ρ值，在生產(chǎn)過程中，采取穩(wěn)定Q值，以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定T值。攪拌機(jī)內(nèi)的物料體積Q值可通過其控制其重量得以實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)的生產(chǎn)率ρ(如10 m3/3 min或240 m3/h)和攪拌時(shí)間T(如30 s)在生產(chǎn)前應(yīng)先行輸入，生產(chǎn)過程中不能更改。需注意的是輸入的ρ值不能超過系統(tǒng)最大生產(chǎn)能力，同時(shí)ρ和T的乘積不能大于攪拌機(jī)最大容量Qmax。生產(chǎn)前攪拌機(jī)卸料弧門為關(guān)閉狀態(tài)，當(dāng)物料進(jìn)入攪拌機(jī)瞬間系統(tǒng)開始計(jì)時(shí)，30 s后攪拌機(jī)內(nèi)的物料就達(dá)到某一體積(即Q值)，此時(shí)系統(tǒng)記錄下此刻攪拌機(jī)的重量值(攪拌機(jī)自重和物料重量，即G值)作為基準(zhǔn)值，同時(shí)卸料弧門開啟一定的開度卸料。弧門的開度由系統(tǒng)根據(jù)基準(zhǔn)值G自動(dòng)無級調(diào)整，當(dāng)攪拌機(jī)重量大于G時(shí)加大弧門開度，小于G值則減小弧門開度。經(jīng)過動(dòng)態(tài)調(diào)整，系統(tǒng)自動(dòng)將弧門開度控制在最適合的位置，使攪拌機(jī)的卸料流量與進(jìn)料流量相一致，形成穩(wěn)定的物料流，攪拌機(jī)內(nèi)物料體積也穩(wěn)定在Q值。所有物料在攪拌機(jī)內(nèi)的推進(jìn)時(shí)間也穩(wěn)定在設(shè)定的T值(30 s)。

當(dāng)生產(chǎn)任務(wù)完成、攪拌機(jī)停止進(jìn)料瞬間，CPU控制卸料弧門調(diào)整一定開度以促使料尾完成充分?jǐn)嚢韬笮冻觥?/p>

2 施工工藝流程和操作要點(diǎn)

2.1 系統(tǒng)組成和工藝流程

系統(tǒng)根據(jù)各種物料到攪拌機(jī)的輸送距離及輸送時(shí)間確定各種物料出料的啟停順序，確保任一瞬時(shí)各種物料同時(shí)進(jìn)入攪拌機(jī)，見圖1。

圖1 連續(xù)式攪拌工法工藝流程圖

單種物料的配料控制流程如圖2所示。

圖2 物料配料控制

整套系統(tǒng)由骨料儲(chǔ)料倉及配料系統(tǒng)、粉料配料倉及配料系統(tǒng)、水、外加劑儲(chǔ)存和配料系統(tǒng)、中央控制室等組成。

恩施市喻家河水庫大壩工程選用攪拌時(shí)間可控型、低速強(qiáng)制連續(xù)式混凝土攪拌機(jī)，設(shè)備型號采用DW240S，主要指標(biāo)和技術(shù)參數(shù)如表1。

表1 主要指標(biāo)和技術(shù)參數(shù)

2.2 操作要點(diǎn)

控制系統(tǒng)是一套全自動(dòng)化的控制系統(tǒng)。只需一次性加載生產(chǎn)所需的配合比、生產(chǎn)量等相關(guān)數(shù)據(jù)，按下啟動(dòng)按鈕開始生產(chǎn)，連續(xù)生產(chǎn)過程自動(dòng)控制，不需要人工操作，見圖3。

圖3 生產(chǎn)操作流程圖

生產(chǎn)過程中，控制系統(tǒng)自動(dòng)完成如下工作，減少人工作業(yè)，確保混凝土拌和生產(chǎn)的精確、連續(xù)。

1)自動(dòng)上料控制。適當(dāng)時(shí)機(jī)自動(dòng)給計(jì)量斗補(bǔ)充料，自動(dòng)停止；

2)同步起停控制。保證進(jìn)料口處各料同步到達(dá)、同步停止；

3)各料流量控制。保證進(jìn)料口處各料瞬時(shí)配比符合配合比要求；

4)報(bào)故障停止控制。當(dāng)某料因某種原因流量誤差超限時(shí)，報(bào)故障并停止生產(chǎn)；

5)混凝土坍落度控制。攪拌電流反饋?zhàn)詣?dòng)補(bǔ)償水用量的自動(dòng)控制方式；以高分辨率攪拌電流顯示為依據(jù)、手工設(shè)定的含水率的單鍵式快速調(diào)整、自動(dòng)補(bǔ)償水及砂用量的半自動(dòng)控制方式。

生產(chǎn)數(shù)據(jù)自動(dòng)保存、自動(dòng)打印送貨單、支持多種基于不同需求的生產(chǎn)統(tǒng)計(jì)。

3 質(zhì)量控制

1)設(shè)備安裝后進(jìn)行認(rèn)真的調(diào)試。連續(xù)式攪拌站在投入生產(chǎn)前就經(jīng)過試驗(yàn)和計(jì)算確定了每臺(tái)配料設(shè)備在不同的轉(zhuǎn)速下所能輸送的物料重量，并將對應(yīng)的各種參數(shù)和計(jì)算公式內(nèi)置在程序中，在程序中預(yù)留了幾個(gè)通道以便在設(shè)備調(diào)試或生產(chǎn)中對輸送量偏差進(jìn)行調(diào)整。設(shè)備安裝后，先進(jìn)行電子稱的校核，然后進(jìn)行輸送量的調(diào)校，即對每條皮帶機(jī)輸送參數(shù)進(jìn)行動(dòng)載調(diào)整(直接輸送物料)，以確保不同轉(zhuǎn)速下的輸送能力滿足設(shè)計(jì)要求。

2)定期校秤。在配料設(shè)備的輸送量調(diào)試合格后，連續(xù)式攪拌站的計(jì)量精度就由系統(tǒng)的傳感器(電子稱)衡量的精度來保證。在運(yùn)行期間，應(yīng)定期用標(biāo)準(zhǔn)砝碼對各電子秤進(jìn)行校驗(yàn)，確保其衡量精度滿足規(guī)范要求[3]。

3)供料防差錯(cuò)管理。對供料過程進(jìn)行值守把關(guān)，防止各物料錯(cuò)送到其它物料料倉。對料倉定期進(jìn)行檢查，防止變質(zhì)或堵塞管路。

4)混凝土品質(zhì)檢查和混凝土坍落度(或VC值)檢測。由試驗(yàn)室值班人員按《水工碾壓混凝土施工規(guī)范》要求進(jìn)行抽檢。只有通過試驗(yàn)室值班人員授權(quán)并簽發(fā)通知書，才可以更改配合比及混凝土坍落度(或VC值)。

5)報(bào)故障時(shí)禁止強(qiáng)制出料。在生產(chǎn)過程中系統(tǒng)報(bào)故障時(shí)不得使用強(qiáng)制出料方式生產(chǎn)混凝土，而應(yīng)立即查明原因排除故障，才能恢復(fù)生產(chǎn)，以確保半成品混凝土產(chǎn)品質(zhì)量。

6)控制卸料自由落差。控制卸料自由落差小于1.5 m，減少接料時(shí)的分離。

7)運(yùn)行連續(xù)性的控制。加強(qiáng)倉面施工、混凝土運(yùn)輸?shù)葷仓粭l龍的生產(chǎn)管理，最大限度的保證系統(tǒng)連續(xù)生產(chǎn)，以充分發(fā)揮連續(xù)式攪拌工藝的優(yōu)越性。

4 安全和環(huán)保措施

4.1 安全措施

1)嚴(yán)格遵守連續(xù)式拌合樓的操作規(guī)程、確保安全生產(chǎn)。

2)在調(diào)整配機(jī)和皮帶機(jī)皮帶和主皮帶時(shí)，應(yīng)站穩(wěn)、扶好，以免跌落或滑入皮帶。

3)攪拌機(jī)維修。必須壓下攪拌機(jī)端頭上的急停開關(guān)；確認(rèn)攪拌機(jī)蓋上的限位行程開關(guān)處于自由狀態(tài)；動(dòng)力柜空開均斷開,鎖閉動(dòng)力柜門并掛警示牌。

4)防雷擊。設(shè)備安裝完畢，應(yīng)根據(jù)場地地質(zhì)、氣候及有關(guān)規(guī)定，對粉料儲(chǔ)倉進(jìn)行加固和加裝防雷電系統(tǒng)。

5)與生產(chǎn)線無關(guān)人員不得進(jìn)入現(xiàn)場工作區(qū)，不得進(jìn)入控制室，不得靠近或亂動(dòng)設(shè)備所有零部件，以免發(fā)行意外。

6)高空作業(yè)。粉料儲(chǔ)倉為高大鋼結(jié)構(gòu)物，檢修時(shí)應(yīng)系上安全帶。

7)結(jié)構(gòu)安全檢查。平時(shí)應(yīng)注意觀察攪拌站生產(chǎn)線機(jī)械部分結(jié)構(gòu)及地基的變化情況,當(dāng)發(fā)現(xiàn)機(jī)械部分有變形、粉料儲(chǔ)倉出現(xiàn)歪斜、地基出現(xiàn)裂痕或坍塌等危險(xiǎn)情況時(shí),應(yīng)及時(shí)進(jìn)行處理,以免發(fā)生重大事故。

8)防撞警示。汽車進(jìn)場接料，或吊機(jī)進(jìn)場維修時(shí)，要做好照明、警示、指揮，防止攪拌站柱、架被撞變形，產(chǎn)生安全事故。

4.2 環(huán)保措施

1)系統(tǒng)安裝有除塵裝置，防止水泥、粉煤灰等粉塵污染：水泥、粉煤灰儲(chǔ)料倉裝有除塵裝置。攪拌主機(jī)和各計(jì)量斗采用主動(dòng)式脈沖除塵器，或采用抽風(fēng)和水箱除塵系統(tǒng)。

2)系統(tǒng)設(shè)立沉淀池等廢水處理系統(tǒng)，防止廢料、污水直接排放入河道。

5 連續(xù)式攪拌工藝與間斷攪拌的對比

1)拌制時(shí)間對比。連續(xù)式攪拌工藝攪拌時(shí)間從骨料進(jìn)入拌合機(jī)到卸料時(shí)間一般控制在30 s，而間歇式拌合機(jī)攪拌時(shí)間最少為60 s，攪拌時(shí)間縮短50%以上。連續(xù)式攪拌工藝連續(xù)計(jì)量配送料，骨料進(jìn)入拌合機(jī)的時(shí)間只計(jì)算初次入機(jī)時(shí)間，余下入機(jī)時(shí)間可以忽略不計(jì)，而間歇式拌合則需計(jì)算多次骨料入機(jī)時(shí)間。DW240S拌合機(jī)連續(xù)式攪拌功效可達(dá)到10 m3/3 min，同容量的間歇式拌合機(jī)功效約為6 m3/3 min。

2)質(zhì)量對比。連續(xù)式攪拌工藝具有供料防差錯(cuò)管理、報(bào)故障時(shí)禁止強(qiáng)制出料以及計(jì)量精準(zhǔn)等特點(diǎn)，生產(chǎn)的混凝土質(zhì)量較為穩(wěn)定，包括砼坍落度(或VC值)，骨料計(jì)量配比等[4]。

恩施喻家河水庫大壩工程為碾壓混凝土重力壩，水庫總庫容971萬m3，最大壩高60 m，壩頂長270 m，壩頂寬5 m。壩體混凝土共21.25萬m3，其中16.5萬m3碾壓混凝土全部采用連續(xù)式攪拌站拌制生產(chǎn)。

對碾壓混凝土壩體進(jìn)行鉆孔取芯，并對鉆孔取出的芯樣進(jìn)行了芯樣檢測。

(1)外觀觀測。碾壓混凝土整體質(zhì)量好，混凝土芯樣表面一般較光滑致密，結(jié)構(gòu)密實(shí)，骨料分布均勻，膠結(jié)情況良好。

(2)鉆孔取芯累計(jì)進(jìn)尺229.33 m，芯樣總長227.50 m，混凝土芯樣獲得率為99.2%，混凝土芯樣合格率為100%。芯樣孔徑均為Ф 219 mm。

Ф 219 mm芯樣中，單根最長6.95 m。

芯樣檢測結(jié)果表明，碾壓混凝土質(zhì)量滿足設(shè)計(jì)要求[5-6]。

6 結(jié) 語

連續(xù)式攪拌工藝具有連續(xù)配料、連續(xù)攪拌、連續(xù)出料，且攪拌時(shí)間可控，砼坍落度可控的特點(diǎn)，適合于大壩碾壓混凝土的生產(chǎn)。其設(shè)備具有生產(chǎn)效率高、運(yùn)行成本低、操作維護(hù)方便、環(huán)保節(jié)能等優(yōu)點(diǎn)，具有很高的性價(jià)比，可在水工大體積混凝土施工中廣泛應(yīng)用。