新型強制振動式攪拌機裝置的研究

沈逢春 王英杰 王垚 范寶慶

摘 要：普通混凝土攪拌作業中，攪拌后通常會殘留有10%～30%的水泥未破散開而聚結在一起形成小泥團，為了解決這一問題，設計一種強制振動式攪拌機，可以將水泥顆粒聚結形成的小泥團強制破散開。對C50標號的混凝土進行試驗，控制配合比不變，改變攪拌時間，將設計的裝置與普通雙臥軸攪拌機相比。試驗結果為：當混合攪拌時間減少25%時，試塊的抗壓強度提高12%；當混合攪拌時間相同時，試塊強度提高29%。將現有雙臥軸振動攪拌機與該裝置與相比，依然對C50標號的混凝土進行試驗，控制配合比不變，改變攪拌時間，結果為當攪拌時間減少25%時，C50標號的混凝土抗壓強度提高約5%；當攪拌時間相同時，混凝土強度提高約13%。

關鍵詞：強制攪拌；振動式攪拌；攪拌機；水泥混凝土攪拌

中圖分類號：U414? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：2096-6903（2023）05-0065-03

0 引言

在建筑施工和工程應用中，水泥混凝土是必不可少的材料，混凝土的強度、和易性和耐久性等技術性能對建筑施工過程即建筑物耐久性具有重要作用。為了保證施工順利即建筑物的耐久性，通常在施工時對這些性能指標進行檢測[1]。水泥混凝土是由沙、石、水泥經水拌合而成，通常為了滿足施工要求，混合料的配合比及攪拌后的密實度的十分重要，可以直接影響水泥混凝土的性能。研究發現，混凝土在攪拌機中的攪拌質量也具有同樣重要，其也可以顯著影響混凝土的性能[2]。

一直以來，混凝土的攪拌質量通常以攪拌后的均質性來判斷攪拌好壞，但這只表明在宏觀上的混凝土的勻質性。實驗發現，混凝土宏觀勻質的好壞不能等同于混凝土強度的好壞，混凝土的宏觀勻質性好僅僅是肉眼可見的一種現象，攪拌質量達勻質不代表混凝土強度一定高。這是因為混凝土攪拌過程中，水泥混凝土的高粘性和較高強度的剪切力會阻止結構的破壞，從而影響水泥在水相中分散開，阻止其與各集料均勻混合，不能在各集料的表面形成水化膜。只有在微觀上水泥顆粒均勻分散開，與各集料結合得越均勻，才能保證水泥混凝土的強度，普通的攪拌設備并不能將物料在微觀上分散開，攪拌也變得極為困難[3]。因而，普通攪拌設備制備的混凝土是有缺陷的，其在微觀上并沒有攪拌均勻。只有宏觀、微觀上均克服缺陷，混凝土凝固后才會具有最大強度。因此，為了更加滿足建筑業的施工要求，混凝土攪拌還要求微觀上也要將各組分拌透。

1 研究背景

水泥混合料在現有的攪拌機作用下，能夠很快達到勻質，但這只是宏觀上，在微觀上，依然殘存有10%～30%的水泥團，極其微小，肉眼不可見，只有用顯微鏡可見。這是因為混合料在微觀上并未達到均勻，從而使未分散開的水泥顆粒粘結而成。這些小水泥團因為團聚在一起而不能正常發揮水泥顆粒的水化作用，降低了水泥的粘結性能，從而使得水泥的水化作用降低，原料組分無法充分水化而造成水化生成物減少，降低了混凝土的強度。水泥顆粒微觀上的團聚現象，嚴重影響著混凝土的和易性和強度等性能指標[4]。

為了減少自落式攪拌機的團聚現象，一般利用延長攪拌時間來解決混凝土品質問題。例如設置多級攪拌機。該方法仍采用普通攪拌設備，攪拌質量并未有明顯的提高，卻增加設備投資成本和占地面積，耗能也變高了，增大了經濟成本。

振動攪拌可以有效阻止水泥顆粒團聚，促使水泥顆粒均勻分散。它是通過在攪拌的過程中，在不斷地振動作用下，破壞水泥顆粒之間的粘結性，從而使得微小的水泥團在振動作用下被強制性破壞，水泥組分擴散到液相中在集料表面分散均勻。攪拌機中的混合料在攪拌的同時，伴隨著振動，使得混合料的運動速度加快，與水泥顆粒的有效碰撞次數增加，從而與水泥顆粒均勻混合。水泥水化物在混合料顆粒表面均勻擴散，提高了水泥水化速度。振動攪拌過程中，混合料表面也得到了凈化，其與水泥顆粒的粘結性增加。因此，對水泥混凝土進行振動攪拌可以有效地減少混凝土的攪拌時間，提高攪拌效率，提高混凝土質量和新拌混凝土的流動性[5]。

強制振動式攪拌機主要有4種，分別是單一分離式振動攪拌機、軸周期式振動攪拌機、螺旋式振動攪拌機和雙臥軸振動攪拌機。

雙臥軸振動攪拌機是目前混凝土攪拌生產中最常用的設備，是在傳統的雙臥軸攪拌機基礎上改造而成，振動機構主要由攪拌臂、攪拌軸和其上安裝的攪拌葉片組成。攪拌功能是由攪拌驅動機構中的攪拌臂通過驅動同步齒輪，聯動兩根攪拌軸帶動攪拌葉片旋轉，從而使混凝土集料在葉片的推動下，在攪拌筒內作軸向和軸間的往復流動。振動功能是由振動驅動機構在傳送帶作用下驅動兩根振動軸高速偏心旋轉，使安裝在其上的偏心攪拌軸及安裝在上面的攪拌葉片產生振動，從而使水泥混合料在驅動機構的攪拌和強制振動的共同作用下，實現了拌筒空間內混合料的宏觀及微觀上的達到勻質[6]。

強制振動式攪拌機的攪拌軸需要同時發揮攪拌和振動的作用，攪拌軸邊旋轉攪拌邊振動。攪拌機構在旋轉攪拌時，不僅要承受攪拌葉片對混凝土的攪拌力，還要同時承受來自振動機構的振動力，攪拌機構或攪拌葉片的磨損較快。更換攪拌機構或攪拌葉片時，需要將攪拌機構和振動機構整體拆下，更換新的攪拌機構后，再將攪拌機構和振動機構整體安裝，這個拆卸安裝過程費時費力。

在現有的強制振動式攪拌機的基礎上進行改進，設計一種攪拌機構和振動機構是相互獨立的，且攪拌時間相對較少或混凝土強度相對提高的強制振動式攪拌機。

2 結構原理示意圖及工作流程

2.1 系統工作原理示意圖

如圖1所示，強制振動式攪拌機安裝于底架上，底架上安裝有強制振動器組，底架的底部安裝有滑軌組。攪拌機為臥式攪拌機，底架為鋼架結構焊接而成，強制振動器組包括有一個或多個偏振振動器，滑軌組包括有上滑軌組和下滑軌組。上滑軌組安裝于下滑軌組上，底架安裝于上滑軌組上。

強制振動器組包括4個偏振振動器，分別位于后部、右部、前部和左部。4個偏振振動器分別與各自的偏振電機通過聯軸器連接，由偏振電機帶動各自對應的偏振振動器進行偏振轉動。為了保證底架、上滑軌組和下滑軌組的整體受力均勻，將4個偏振振動器和4個偏振電機按照陣列的形式排布。為了保證攪拌機和底架整體能在上滑軌組或下滑軌組上滑動，偏振振動器和偏振振動器的偏振電機同步以相反的方向旋轉，這樣就能使得攪拌機同時受到前后左右的振動力。

上滑軌組和下滑軌組的結構相同，滑軌上設置有兩個滑塊，滑塊兩側的滑軌上分別設置有限位孔，與限位孔相配合的設置有一呈n形的限位銷。限位銷的作用是對上滑軌組或下滑軌組的滑塊進行限位鎖定，使得上滑軌組或下滑軌組的滑塊可以單獨滑動。

2.2 操作流程

強制振動式攪拌機的操作包括以下7個步驟。

2.2.1 組裝攪拌機、底架和強制振動器組

將攪拌機焊接或螺栓安裝于底架的中心處，將底架上焊接或螺栓安裝強制振動器組，在底架的后部、右部安、前部和左部分別安裝偏振振動器。

2.2.2 對下滑軌組的滑塊位置進行限位鎖定

將限位插銷分別插入位于下滑軌組的限位孔中，將上滑軌組和滑塊限位固定于下滑軌組的滑軌中，即將上滑軌組合和滑塊整體固定于下滑軌組上，使攪拌機、底架和上滑軌組的滑塊，只能在上滑軌組的滑軌上左右往復振動[7]。

2.2.3 攪拌

將攪拌機中加入待攪拌的混合料，開啟攪拌機的開關，開始對水泥集料進行攪拌[8]。

2.2.4 啟動偏振振動器

啟動偏振振動器或偏振電機，偏振電機帶動偏振振動器或偏振振動器的偏振振動組件高度偏振轉動，間接帶動攪拌機和底架在上滑軌組的滑軌上左右往復振動。需要說明的是，偏振振動器可根據實際情況進行合適的選擇開啟，需要強力振動時，可將偏振振動器和偏振振動器的偏振電機同時開啟。偏振電機開啟的時間按照施工經驗常規設置即可[9]。

2.2.5 對上滑軌組的滑塊進行限位鎖定

關閉偏振振動器或偏振振動器的偏振電機，將下滑軌組的限位銷拔出，插入上滑軌組的限位孔中，將攪拌機和底架限位固定于上滑軌組的滑軌中。將攪拌機、底架和上滑軌組整體固定于下滑軌組上，使攪拌機、底架和上滑軌組，只能在下滑軌組的滑軌上前后往復振動。

2.2.6 重新啟動偏振振動器

打開偏振振動器或偏振電機，使偏振電機帶動偏振振動器或偏振振動器高度偏振轉動，間接帶動攪拌機和底架、上滑軌組在下滑軌組的滑軌上前后往復振動。需要說明的是，偏振振動器和偏振振動器可根據實際情況進行合適的選擇開啟，需要強力振動時，可將偏振振動器和偏振振動器的偏振電機同時開啟。偏振電機開啟的時間，按照施工經驗常規設置即可。

2.2.7 關閉偏振振動器

關閉偏振振動器或偏振電機，關閉攪拌機的攪拌電機，將攪拌好的混合料從攪拌機的底部卸料即可。其中上述步驟，步驟2.2.4和步驟2.2.6可以互換順序，步驟2.2.5做相對應調整。

2.3 實施效果

偏振振動器或偏振振動器的偏振電機同步以相反的方向旋轉，工作過程中振幅及頻率不受負載影響，振動性能穩定，設備可靠性高，經濟成本低。振動頻率可達12 000～15 000次/min，振動效率高。

對C50標號的混凝土進行試驗，控制混合料配合比不變，改變攪拌時間。將本發明的強制振動式攪拌機與普通雙臥軸攪拌機相比，結果發現：當攪拌時間減少25%時，混凝土抗壓強度提高約12%；當攪拌時間相同時，混凝土強度提高約29%。

同樣對C50標號的混凝土進行試驗，控制混合料配合比不變，改變攪拌時間。將本發明的強制振動式攪拌機與現有雙臥軸振動攪拌機相比，結果發現：當攪拌時間減少25%時，混凝土抗壓強度提高約5%；當攪拌時間相同時，混凝土強度提高約13%。

3 結束語

本文設計的強制振動式攪拌機，可以在集料的攪拌過程中同時實現攪拌機構機械攪拌和振動機構的強制振動，振動機構的振動攪拌為前后左右4個方向的振動攪拌，在機械強制攪拌的宏觀對流運動基礎上，實現振動機構的振動攪拌的微觀擴散。

本強制振動式攪拌機在攪拌過程同時振動，強迫團聚粘結在一起的水泥顆粒分散開來，可以增加物料顆粒的有效碰撞次數，使水泥顆粒均勻附著在集料顆粒表面，增大水泥顆粒與集料表面的接觸面積。同時還可以讓水泥在集料表面形成水化膜，提高水泥的水化作用，增強水泥與物料的粘結強度，從而改善混凝土中最為薄弱的環節，改善混凝土微細觀結構，提高攪拌后混凝土的流動性，使得混凝土澆筑后更容易夯實。這不僅有利于增加混凝土密實度，提高混凝土力學強度，還有利于延長混凝土建筑的耐久性。

參考文獻

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