（机械工程专业论文）搅拌过程对混凝土含气量影响的探讨.pdf

摘要 实践证明，混凝土有4 左右含气量能使使用、耐久性、抗渗性都有较大幅 度的提高。影响含气量的因素较多，国内外主要针对材料的级配、坍落度、水灰 比等变化与含气量的关系进行了一些研究，并得到了一些规律，但是搅拌过程参 数变化对混凝土含气量的影响规律的研究几乎是一片空白。 论文在国内首次对搅拌过程影响混凝土含气量的因素及其规律进行了初步 探讨，尤其是对混凝土质量及生产效率产生直接影响的搅拌过程各参数：如双卧 轴搅拌机双轴排列形式、搅拌速度、搅拌机充盈率、拌筒形式以及搅拌叶片面积 等因素进行了理论分析和试验研究；同时对振动搅拌装置，当振幅、振动频率发 生变化时对混凝土含气量及其分布状况的影响规律进行了研究；还对其他一些因 素，如骨料粒径和坍落度变化对混凝土含气量的影响规律也进行了一定的研究。 除了在搅拌过程中添加引气剂来改善混凝土含气量及分布状况，从而提高混 凝土耐久性外，论文研究结果表明，搅拌装置的参数发生变化也会对新拌混凝土 的含气量产生直接影响，采用这些辅助的方法也可以达到改变混凝土含气量的目 的，且更为方便和经济。 论文的研究工作对实际施工过程有一定的指导意义，并对该问题的进一步的 深入研究奠定了基础。 关键词：混凝土含气量搅拌过程耐久性振动搅拌 双卧轴搅拌机骨料粒径坍落度试验研究 a b s t r a c t i ti sh a sb e e na p p r o v e dt h a tt h eu s e c h a r a c t e r i s t i c s ，d u r a b i l i t ya n di m p e r m e a b i l i t y o fc o n c r e t ew i l lb ei n c r e a s e db yf a rw h e nt h ea i rc o n t e n tr e a c h e s4 t h e r ea r em a n y i n f l u e n c i n gf a c t o r so fa i rc o n t e n t ，a n dt h es t u d i e sa l lo v e rt h ew o r l da r ec o n c e n t r a t e d i nf a c t o r ss u c ha sm a t e r i a lg r a d u a t i o n ，s l u m pa n dw a t e rc e m e n tr a t i o ，a n ds o m e c o n c l u s i o n sa r eo b t a i n e d ，b u tt h ee f f e c t so ft h em i x i n gp r o c e s so nc o n c r e t ea i rc o n t e n t a r en o ts t u d i e ds ow e l l d i r e c t e da g a i n s tt h ee x i s t i n gc o n d i t i o n , f i r s t l y , t h ee f f e c t so ft h em i x i n ga r m s 。 a r r a n g e m e n t ，m i x i n gs p e e d ，m i x e rf i l l i n gr a t e ，f o r m a to fm i x i n gc h a m b e ra n da r e ao f m i x i n gb l a d e0 1 1c o n c r e t ea i rc o n t e n ta r es t u d i e di nt h i sp a p e r s e c o n d l y , t h ee f f e c t so f v i b r a t o r ym i x i n gd e v i c e sa m p l i t u d ea n dv i b r a t i o nf r e q u e n c yo nc o n c r e t ea i rc o n t e n t a r es t u d i e d m o r e o v e r , o t h e ri n f l u e n c i n gf a c t o r ss u c ha sa g g r e g a t es i z ea n ds l u m pa r e s t u d i e dt o o t h er e s u l t si n d i c a t e dt h a tb e s i d e su s i n ga i r - e n t r a i n i n ga g e n tt oi m p r o v ec o n c r e t e a i rc o n t e n ta n di t sd i s t r i b u t i o na n di n c r e a s ec o n c r e t ed u r a b i l i t y , p a r a m e t e r sc h a n g i n g o fm i x i n gd e v i c e sc a na l s oi n f l u e n c ec o n c r e t ea i rc o n t e n t u s i n gt h e s ea u x i l i a r y m e t h o d sc a nc h a n g ec o n c r e t ea i rc o n t e n t t h ec o n t e n t si nt h i sp a p e ra r ej u s tp a r to ft h ei n f l u e n c i n gf a c t o r s ，s o m eo t h e r f a c t o r sa r en o td i s c u s s e di nt h i sp a p e r , a n dn e e dt ob ef u r t h e rs t u d i e d k e yw o r d s ：c o n c r e t e a i rc o n t e n t m i x i n gp r o c e s sd u r a b i l i t yv i b r a t o r ym i x i n g t w i ns h a f tm i x e r a g g r e g a t eg r a d u a t i o ns l u m p t e s tr e s e a r c h 论文独创性声明 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行研究工 作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重 要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本论文中不包含任何 未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名： ；兮衅纠年z 月2 乙日 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属学 校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权 利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成 果时，署名单位仍然为长安大学。 论文作者躲；拿衅 导师签名： 翰 么7 年z 月z 1 日 哆年，文月姐日 第一章综述 混凝土是当今最大宗的建筑材料，广泛地用于工业、农业、交通、国防、 水利、市政和民用等基本建设工程中，在国民经济中占有重要地位。国家统计 局最新公报( 2 0 0 7 年2 月2 8 日发布) 显示，2 0 0 6 年我国水泥产量1 2 4 亿吨， 比上年增长1 5 5 ，居世界第一位。以保守估计混凝土产量达到1 9 2 亿吨左右。 搅拌设备是生产混凝土的必需设备，通过它将混凝土原材料的水泥、水、砂、 石子和外加剂等，按设定的配合比，分别进行输送、上料、储存、配料、称量、 搅拌和出料，从而生产出符合质量要求的新拌混凝土。在各组成材料和配合比 一定的情况下，混凝土的质量在很大程度上取决于搅拌设备的性能和水平。 1 1 混凝土组成及结构 混凝土是一种多层次复杂的复合材料，目前一般把混凝土分成三个层次。 如表1 - 1 所示。普通混凝土是由水泥、粗骨料( 又称粗集料或石子) 、细骨料( 又 称细集料或砂) 和水按设计配合比经搅拌、成型、养护而得到的一种人造石材。 表1 - 1 混凝土的三个层次 结构层次典型特征模型类别 微观层次硬化水泥浆体结构、干凝胶材料科学模型 细观层次孔、裂缝、骨料、界面材料工程模型、力学和数值模型 宏观层次 结构构件的几何形状结构工程模型、材料定律 硬化前的混凝土称为新拌混凝土，或混凝土拌合物。其中，水和水泥组成 水泥浆，硬化前起到粘结和润滑作用使混凝土拌合物具有一定的和易性，硬化 后称为水泥石，占混凝土总体积的2 0 - - 3 0 ，起胶凝作用，将粗、细骨料胶结为 一个整体；砂、石起骨架填充作用，故称为骨料，占混凝土总体积的7 0 - - 8 0 ， 能提高混凝土的强度和耐久性“1 ；此外，在混凝土中还含有少量气孔。从宏观 水平( 用肉眼能见的粗大结构，极限尺寸约2 0 0 微米) 看，混凝土可视为由骨 料颗粒( 石子和砂) 分散在水泥基体中所组成的两相材料，如图1 - 1 所示；从 微观水平( 借助显微镜、扫描电镜放大可见的结构，极限尺寸约几分之一微米) 看，混凝土是由粗骨料、细骨料、水泥水化产物、毛细孔、气孔、微裂纹、界 面微裂纹及界面过渡层等组成，如图1 - 2 所示n 1 。 五予 糸蠢毫 【t 毛一t 采糸亿 承蠢曩总 一r 木证n 图1 - 1混凝土宏观结构1 - 2 混凝土微观结构 一般认为，水泥石是由凝胶、晶体、水与孔组成的聚集体。根据现代混凝土 强度理论，水泥石内聚力主要取决于水泥石基材的孔隙率、孔分布、孔级配、孔 形状等孔结构参数。所以水泥石从形成、发展直到破坏均与孔的发生和发展密切 相关“1 。平均孔径小的强度高，o 1ui l l 以上的毛细孔微缝对强度和耐久性不利， 0 0 5pm 以下的孔对强度及性能无影响，m e h t a 证明，大于1 0 0 0 h 的孔存在是强 度和抗渗性下降的原因。将大孔改变为小于5 0 0 a 的孔则可提高强度和抗渗性“1 。 由此可见，存在着调整孔级配来提高水泥石强度和耐久性的可能性。 1 2 混凝土的基本要求和特性 工程上应用的混凝土，在合理使用和节约原材料的原则下，一般需满足和易 性、强度、耐久性和经济性等基本要求如1 。 混凝土性能的形成是从混凝土的拌制、浇筑和硬化开始的，新拌混凝土首先 要满足易于施工、并能获得均匀密实结构的性质，称为工作性( w o r k a b i l i t y ) ，也 称和易性或工作度7 1 。对工作性( 或称和易性) 这一术语的含义，虽然目前仍有争 议，但通常认为主要包含“流动性 、“可塑性、“稳定性”和“易密性 等内容 1 2 1 。优质新拌混凝土应该具有：满足输送和浇捣要求的流动性：不为外力作用产 生脆断的可塑性；不产生分层、泌水的稳定性和易于浇捣成型的易密性t s j 。 流动性指混凝土拌和料在自重力或机械振动力作用下，易于产生流动、易于 运输、易于充满混凝土模板的性质。一定的流动性可保证混凝土构件或结构的形 状与尺寸以及混凝土结构的密实性。粘聚性指混凝土拌和料各组成材料具有一定 的粘聚力，在施工过程中保持整体均匀一致的能力。粘聚性差的混凝土拌和料在 运输、浇注、成型等过程中，易产生离析、分层现象，造成混凝土内部结构不均 匀。保水性指混凝土拌和料在施工过程中保持水分的能力。保水性好可使混凝土 拌和料在运输、成型和硬化过程中避免发生大的或严重的泌水现象1 9 o 2 新拌混凝土的工作性是一项综合指标，所包含的一些要求，在不同场合下存 在矛盾性。如，稳定性要求混合料应具有较高的内聚性，以便减少粗集料的下沉 和泌水；而易密性则要求混合料有较小的内聚力和内摩擦以便易于密实成型。因 此，对于混合料的工作性应根据不同场合提出不同要求1 1 0 l 。 混凝土结构主要承受各种载荷或抵抗各种作用力。强度是混凝土最重要的力 学性质 1 1 1 。在特定情况下，还要求混凝土具有其他性能，如不透水性和抗冻性 等，并且，这些性能往往与混凝土强度密不可分。因此，通常用混凝土强度评价 和控制混凝土质量 i z l 。 在各种工程结构，特别是在道路与桥梁工程中，混凝土除了要满足前述的强 度要求外，还要求具有优良的耐久性 1 3 1 。如果混凝土结构遭受冻融循环作用， 可导致其强度降低甚至破坏，此时，耐久性首先强调抗冻性，由于混凝土是由各 种物理特性不同的材料组合在一起的物质，其硬化后，如若遇到寒冷外部条件， 混凝土毛细孔中的多余水份会随着温度的降低而冻结成冰，使体积增大，破坏混 凝土的结构稳定，从而导致混凝土的开裂。为尽可能的降低混凝土的单位用水量， 大幅度地提高混凝土的含气量是目前国内外普遍采用的方法n 钉。 1 。3 含气量对混凝土性能的影响 含气量除对混凝土耐久性有影响之外，对混凝土的和易性、流动性也有很大 影响。含气量在4 6 时，能在混凝土中形成大量均匀的小气泡，成为不连续 的封闭球形，分布均匀，稳定性好，能显著提高混凝土的抗冻性和耐久性n 钉。 此时混凝土的和易性流动性最好。含气量在4 6 时，还能改善混凝土的其他 性能，如减少混凝土的泌水和离析及渗透性n 盯。 含气量对混凝土抗冻性的影响n ：这主要是由于均匀细小的气泡不但具有 一定的保温作用，更重要的是可以缓冲受冻水结冰后产生的膨胀应力，从而减少 混凝土的冻害。混凝土中水泥石内孔隙自由水的存在是混凝土产生冻害的原因， 孔隙中的自由水反复冻融，对孔隙不断产生膨胀压力，最终使混凝土胀裂。要提 高混凝土的抗冻融能力，需使混凝土内部尽可能密实，这就要求混凝土水灰比尽 可能小，一般认为，非引起混凝土要达到较高的抗冻能力，水灰比应小于0 3 0 。 采用这种方式抗冻，不仅不经济，高水泥用量引气的水化温升更不能令人接受。 引气混凝土是通过混凝土中产生的气泡抗冻融破坏，这些微小封闭气泡互不连 3 通、均匀稳定分布在混凝土中，当孔隙内自由水冻结时，气泡被压缩，可大为减 轻冰冻给孔隙带来的膨胀压力；溶解时这些气泡可恢复原状，因此孔隙内自由水 反复冻融也不致对孔壁产生很大的压力。只要引气量合适，普通混凝土也可以获 得非常高的抗冻性能。 含气量对混凝土抗渗性的影响e l s |以往的研究表明，引气剂的掺入，能够 在混凝土中引入适量的细小均匀且独立不相通的气泡，有效隔断了混凝土中的毛 细孔通道，防止水分渗透，从而增强混凝土的抗渗性能。但是如果引入过多的含 气量，反而会导致混凝土抗渗性能的下降，当混凝土含气量达到6 8 时，混 凝土抗渗性能出现急剧下降，这主要是因为引入过多的气孑l ，难以完全封闭，它 们相互之间会形成连通空隙。因此，如何控制混凝土中的适宜含气量是混凝土引 气技术的关键。 1 4 国内外研究及应用状况综述 混凝土从普通到高强、高性能的过程其组成材料及性能发生了一定的变化， 如水泥用量增大，水灰比减小，新拌混凝土粘性增大，增加了运输、振捣、养 护等工艺的难度，为了改善混凝土拌和物的工作性和提高混凝土的耐久性，人 们开始越来越多的使用一种外加剂引气剂。 在混凝土搅拌过程中掺加适量的引气剂，可引入适量均匀分布、稳定封闭 的微小气泡，在最佳含气量的情况下，引气剂的应用改善了混凝土的和易性、 工作性、均匀性，极大地减少了混凝土的泌水、离析，从而使混凝土的界面特 性得以提高 1 9 1 0 混凝土工程的寿命特别是冻融作用下的使用寿命成倍延长，因 而它对混凝土耐久性的贡献是巨大的。实践证明，混凝土有4 左右含气量能使 使用、耐久性、抗渗性都有较大幅度的提高。1 9 9 4 年r i l e m 会议报告中明确指 出在拌和物中引入4 左右体积的气体是防止混凝土裂缝的重要措施1 2 0 | 。 上世纪3 0 年代引气剂由美国人发明并进行了一系列研究和利用，上世纪4 0 年代便制定了施工规范“。由于其可大幅度提高混凝土的耐久性和使用寿命， 在世界许多国家受到重视并制定了一系列强制措施 2 2 1 。如美国、加拿大规定： 在暴露工程中必须使用引气剂或引气减水剂呦1 ；日本规定在所有混凝土中都必 须加入引气剂等，则将不引气的混凝土视为特种混凝土，因此引气剂也是当今 4 世界使用最为广泛的外加剂乜3 1 。我国于上世纪5 0 年代开发出松香热聚物引气剂， 并在港工中应用，但在1 9 9 5 年以前，除水工混凝土外，其他工程结构中引气混 凝土的用量尚不足l ，致使很多混凝土工程耐久性很差，远没有达到设计使用 年限而过早破坏嘲1 。9 0 年代中后期，我国在水工和港工混凝土工程中规定：凡 是抗冻融要求的混凝土必须适当掺加引气剂，除一些环境恶劣地区或国家重点 工程中得到应用外并无强制使用的规定2 钉。同时，目前引气剂产品性能、质量 都比较落后，生产、使用企业都没有给予足够的重视。 引气剂改善混凝土性能的根本原因在于引入混凝土中气泡的数量、尺寸、 间距等结构特征指标，其中最关键的是气泡数量即我们常说的含气量暗1 。含气 量的大小决定了混凝土性能改善的程度，因此应首先根据混凝土的性能确定含 气量的大小。含气量在混凝土硬化前是一个动态数值易受多种因素影响，因此， 为使硬化混凝土中含有设计的含气量数值，必须处理好它们之间的关系，考虑 含气量的减损和增溢情况啪1 。引气剂是一种敏感外加剂易受其他因素影响，如 使用不当则不仅会降低其功效而且会增加成本 2 8 1 0 混凝土引气剂的种类繁多，因使用不当造成的不良后果很多，如坍落度的 损失、强度的降低、掺量控制不当、与水泥的适应性等啪1 。作为混凝土的组成 部分，在选用时必须进行试验，证明其性能以及与水泥的适应性，并确定适宜 的掺量、掺加工艺以及用水量等，步骤繁琐。有试验表明，当水灰比固定时， 混凝土的含气量每增加1 ，其抗压强度降低4 - 5 ，抗折强度降低2 3 ， 所以，使用引气剂时一定要控制适宜的含气量，其范围一般为3 6 3 0 1 。 在水泥混凝土工程施工过程中，要根据原材料、配合比及搅拌机工作参数 变化对混凝土含气量影响的规律3 ，对它们的变化带来的含气量变动，随时进 行检测，确定含气量损失数量，从而及时调整引气剂的掺量，将施工过程中损 失的含气量补偿回来，达到预期的含气量数值，以便固定施工工艺制度和操作 规程，使含气量的施工变异最小3 盯。 所以，应掌握影响混凝土含气量的各种因素，只有这样才有利于按照不同 工程要求配制不同含气量的混凝土。在使用引气减水剂时，只有适当控制混凝 土的含气量，才能使混凝土性能得到全面改善，并满足不同混凝土工程的要求 1 3 3 1 影响含气量的因素较多，国内外主要针对材料的级配、坍落度、水灰比等 变化与含气量的关系进行了一些研究，并得到了一些规律，但是搅拌过程参数 变化对混凝土含气量的影响规律的研究几乎是一片空白。 长安大学的学者在长期从事混凝土搅拌理论及技术的研究过程中发现汹刚 3 7 1 ：当搅拌装置的某些参数发生变化时，新拌混凝土的含气量将会发生很大的 变化，例如，在搅拌过程中对混合料施加振动，当振动的频率和振幅等参数选 取合适时，新拌混凝土的含气量提高较大，且硬化后的抗压强度比普通搅拌方 法有所提高，从而启发我们，除了在搅拌过程中添加引气剂来改善混凝土含气 量及气体分布状况外，或许可以采用一些辅助的方法达到相同的目的，且更为 方便和经济。 1 5 课题提出及研究意义 针对目前国内外有关混凝土含气量影响因素及其规律的研究比较欠缺，尤 其是对混凝土质量及生产效率产生直接重要影响的搅拌过程各参数：如目前普 遍使用的双卧轴搅拌机双轴排列形式、搅拌速度、搅拌机充盈率、拌筒形式以 及搅拌叶片面积等因素对混凝土的质量影响较大，这些因素对新拌混凝土的含 气量的影响规律还必须进一步研究：其次，采用辅助方法，如振动搅拌装置对 混凝土含气量及其分布状况的影响规律必须进行研究；其他一些因素，如骨料 粒径和坍落度变化对混凝土含气量的影响规律有必要进一步进行验证。 总之，影响混凝土含气量的因素众多，选出几项进行探讨和试验研究，并 对结果进行分析，目的是在混凝土实际应用中，避免不利因素，寻找适宜含气 量，以利于混凝土耐久性 3 8 1 0 本文所探讨的只是其中的一部分，还有一些因素 在本文没有提及，有待于进一步研究，希望此文的探讨能起到抛砖引玉的作用， 拓展思路，并能对实际施工过程给予一定的指导。 引气混凝土是精细的高性能混凝土，与一般粗放施工的混凝土不同，必须 按照各因素对混凝土含气量的影响规律，进行严格而有效的控制，如果混凝土 中的引气剂使用不善，含气量控制不当，可能带来较为严重的负面作用3 9 1 。因 此，混凝土含气量的变化规律及其控制技术的研究，对于提高水泥混凝土工程 的质量具有重要的现实意义。 6 1 6 本文研究内容及方法 为了找到搅拌过程对混凝土含气量的影响规律，提高混凝土性能，针对目前 普遍使用的双卧轴搅拌机进行了试验研究，本文提出以下研究内容： ( 1 ) 双卧轴搅拌装置参数变化对混凝土含气量的影响分析和试验 主要包括双轴排列、搅拌速度等因素变化对新拌混凝土含气量的影响。 ( 2 ) 振动搅拌装置参数变化对混凝土含气量的影响分析和试验 主要包括振幅、振动频率以及搅拌速度等因素变化对混凝土含气量的影响： 振动搅拌与普通搅拌的对比分析。 ( 3 ) 其他因素对混凝土含气量的影响分析和试验 主要包括不同坍落度条件下搅拌机充盈率和粗骨料最大粒径、拌筒形式、搅 拌叶片面积等变化对混凝土含气量的影响。 为了达到本课题研究目的，完成各因素对新拌混凝土含气量的影响研究，本 文采用理论分析和试验研究相互结合，互为补充的方法。一方面，通过理论分析， 针对研究内容和试验目的，完成双卧轴搅拌样机和振动搅拌装置的设计，为试验 研究提供理论依据和试验基础；另一方面，利用设计的搅拌机构进行试验研究， 测定不同工作参数和条件下的新拌混凝土含气量及其他试验指标，通过分析试验 结果，完成对理论分析的检验，得出各因素对新拌混凝土含气量的影响规律。 7 第二章试验样机设计 2 1 试验样机设计要求 根据本文的主要研究内容，要求样机能完成不同搅拌参数、振动参数条件下 新拌混凝土含气量的变化研究，在此基础上还要完成与普通搅拌的对比分析，从 而确定不同搅拌过程参数对混凝土含气量的影响规律。因此，样机既要能实现现 有普通双卧轴搅拌机的搅拌功能，同时还要实现振动搅拌及其振幅、频率等参数 变化的目的。另外，搅拌装置必须可以更换，以满足搅拌装置参数变化的要求。 2 2 样机总体设计 根据试验样机设计要求，在现有双卧轴搅拌机技术的基础上，设计了双卧轴 搅拌试验样机。样机主要性能参数见表2 - 1 ，结构如图2 - 1 所示。 由于试验条件的限制并且也为了简化设计，样机没有设计拌筒衬板、上料机 构和喷水装置，在试验过程中完全依靠人工进行投料，这虽然会对搅拌时间和搅 拌质量产生一些影响，但由于是在相同条件下进行试验，所以仍然能够达到试验 目的。 表2 - 1 试验样机主要性能参数 性能参数单位数值备注 公称容量 l 1 0 0 搅拌轴线速度m s 1 4 7 可调 搅拌叶片数量个 5 2 + 2 2 主叶片+ 侧叶片 激 设计振幅彳 m m 1 0可调 振振动圆频率 一l 可调 s 2 0 1 1 器 振动强度刃4 1 3 a ( ) 2f g 搅及 型号 b w d 7 5 4 2 9 拌减 功率 k w7 5 电速 减速比 2 9 机器 输出转速 r m l n 5 0可调 型号y 1 0 0 l 一2 振电 动机 功率k w3 输出转速 r n f i n3 0 0 0可调 8 搅拌电机2 一同步出轮3 一轴承座i4 一轴蜡密封5 一搅拌机构 6 - - 卸料机构7 一轴承座i i8 - 振动电机 ( a ) 样机结构总图 23 传动装置设计 围2 - 1 试验样机结构田 试验样机有两套传动装置，振动传动装置和搅拌传动装置。振动传动装置由 电动机、带传动装置、主振动轴和从动振动轴等组成。电机动力通过皮带驱动主 振动轴，再由传动比为1 的带传动驱动从动振动轴。电机转速和带传动比决定了 振动轴转速，也就决定了振动圆频率的大小，如图2 - 1 ( c ) 。 由于双卧轴搅拌机的两根搅拌轴需要同步运转，所以在搅拌传动装置中设 训了同步齿轮。电机动力经减速器减速后，由弹性联轴器直接传递给主搅拌轴， 从搅拌轴与_ 圭搅拌轴之6 j 通过同步齿轮传动。电机转速和减速器的减速比决定了 搅拌轴转速的大小，如图2 - 1 ( b ) 。 24 搅拌装置设计 241 普通搅拌装置设计 搅拌装置由搅拌叶片、搅拌臂组成 用分别固定在相应的搅拌臂和搅拌轴上 并采用了抱瓦结构，通过螺栓的央紧作 方便拆装。搅拌叶片分主叶片和侧叶片 两种，结构如图2 - 2 所示，其安装角均可任意调节。叶片的形状是根据叶片回转 半径、安装角、叶片设定的宽度和高度等参数设计的。 侧拌臂和侧叶片拌臂和主叶片搅拌装置实物罾 围2 - 2 搅拌叶片厦臂的结构固 242 振动搅拌装置设计 振动搅拌装置结构如图2 - 3 所示，主要由同心轴承座2 、搅拌轴3 、搅拌叶 片及臂4 、偏心轴承座5 、振动轴7 、偏心块i 和i i 组成。该结构的独特之处就 在于搅拌机构与激振器一体化设计，搅拌叶片边搅拌边振动。搅拌机构通过套接 123 4 5 67 一偏心块i2 一同心轴承座3 一搅拌轴4 搅拌叶片世臂 5 一偏心轴承座6 一偏心块i i7 振动轴 图2 - 3 激振器结构图 在振动轴上的偏心轴承座实现偏心安装，振动轴高速旋转强迫搅拌轴和其上安装 的搅拌叶片及臂产生振动，从而对拌筒内的物料施加振动作用。 振动轴上安装有偏心块i 和i i ，按力学原理进行了动平衡设计，保证了振动 轴在高速旋转时，较好地消除了振动对机器其它零部件的不良影响。由于物料能 够在拌筒内形成大范围的循环流动，因此所有的物料可以受到充足的振动作用。 设计了0 5 ，1 0 和1 5 m m 三个不同偏心距的偏心轴承座，以便在试验研究中 改变激振器的振幅，频率变化由变频器实现。 第三章双卧轴搅拌机搅拌参数变化对含气量的影响 31 影响含气量变化的几个搅拌参数 双卧轴搅拌机是以物料的挤压、剪切和对流为主，物料间的冲击为辅，如囝 31 所示。其工作原理为：当搅拌轴转 动时，叶片一方面带动混合料在拌筒内 轮番地作圆周运动，上下翻滚，同时在 搅拌叶片相遇或重叠的部位，混合料相 互交换体位；另一方面推动混合料沿着 搅拌轴方向，不断地从一个旋转平面向 另一个旋转平面运动。双轴叶片的反向 螺旋形运动可使物料产生强烈的挤压， 图3 - 1 强制式搅拌机物料运动轨迹 叶片前后端的混凝土压力差使得物料产生冲击，叶片在旋转过程中可使物料产生 许多切割面。 前期搅拌机工作装置参数优化试验表明“”：双卧轴搅拌机双轴排列因素( 因 素d ) 、搅拌速度因素( 因素g ) 和叶片面积及其个数因素( 因素f ) 对混凝土 含气量的影响较大，如表3 1 和图32 所示。因此，为了研究双卧轴搅拌机搅 拌参数变化对新拌混凝土含气量的影响规律，必须将双轴排列和搅拌速度因素作 为本章研究的主要内容( 叶片面积及其个数的影响在第五章讨论) 。 裹8 - 1 搅拌机参数综台优化的正交试验的含气指标试验结果极差分析 、蠊 试验指标、 1 7 1 61 93 01 48 3 1 90 6 含气鼍 k l 25 9 8 3 28 6 0 0 k 233 0 8 3 27 0 5 0 极蔫0 4 9 5 0 以下将分别对双卧轴搅拌机般轴排列及搅拌速度的概念及其对先拌混凝土 舍气量的影响机理等进行探讨。 。l | - 圜搦圈圉ii i。i - 圜搦圉 搅拌臂在搅拌轴上的安装排列形式对物料的运 动有很大影响。从搅拌臂对料流的作用形式。即物 料的循环运动方式来分：一种安装排列的搅拌臂使 物料向拌筒的中心堆积，与上述布置原则相悖，文 献1 2 4 的试验结论也证明这种排列是不理想的；另一 种称为围流排列，如图33 。当右( 左) 手四指顺 着搅拌轴旋转方向时，拇指指向就是物料的流动方 圈3 3 围流捧列的料流 向。并且两轴上搅拌叶片推动物料沿轴向和径向流动分量的方向相反，在两轴的 末端各有一返回叶片把物料转送到另一根轴上。物料既有宏观的沿轴向闭合的大 循环运动，又有轴间小循环运动或称逆流。 如果以i 、i i 表示轴的序号，以n 表示叶片的序号，那么i 。一i i 。和i i i 。之间这种运动就称为逆流。搅拌轴转动过程中，由于i 。和i i 川到达中央搅拌 区的次序有先后，所以必然存在相位差。相位差太大，造成作用时间上的延迟， 进而逆流作用的强度就比较弱：相位差太小，甚至为零时，意味着两搅拌臂几乎 同时到达搅拌区，并且二者对物料推动的方向相反，类似于在周向形成堵“墙”， 即形成局部“死循环现象，料流的大循环运动被阻断，此时，各相颗粒在混合 料中的分布极不均匀。 如果通过合理布置i 。和i i ，。两搅拌臂，使其到达搅拌区的相位时间差更合 理，频次更多，那么物料揉搓和挤压的作用就越充分，搅拌效果就越好，同时气 体组分在混合料中的含量也相应减小。同时，由于这种逆流是在两搅拌轴之间的 强制作用，如果布置合理，使得物料作用频次快，强度大，靠近主轴部分的物料 就会充分运动起来，就能在某种程度上改善普通强制式搅拌机所固有的，因速度 梯度所产生的搅拌低效区问题。但逆流是以不破坏物料的大循环流动为前提的， 因此，双轴搅拌臂的布置应以此为依据。 因此，合理的搅拌臂排列形式将尽可能加快物料轴向大循环的频次，同时增 加物料合理逆流，从而增加物料与搅拌叶片直接接触并发生强制作用的机会，提 高搅拌质量。现从以下三方面分别加以阐明。 ( 1 ) 单轴相位及排列 单轴相位是指单轴上相邻两个搅拌臂 之间的相位关系。目前，比较主流的相位 是9 0 0 和6 矿，也有4 5 0 布置的；单轴排列 是从单轴上搅拌臂的相位方向与搅拌轴旋 转方向的关系分为：正排列和反排列。正 排列是指：当逆着料流方向看，搅拌臂排 列的相位方向与搅拌轴转向相同；顺着料 ( a ) 反排列( b ) 正排列 图3 4 单根轴上的搅拌臂排列 流方向看，二者反向。相反的情况就是反排列。如图3 4 ，图中“ 表示物 料流出纸面。 图3 4 ( a ) 为反排列布置。因为物料连续递推式前进，所以当第七搅拌臂上 的叶片将物料向前推搅后，同轴的第六搅拌臂上的叶片需要3 0 0 0 才能继续将物 料向前推进。显然，如果有n 个搅拌臂，那么就需要n - 1 倍的3 0 0 0 ；对于图( b ) 的正排列：只需经过n 一1 倍的6 0 0 就能实现。 对于本试验样机，如果取转速为5 0 r m i n 、搅拌周期6 0 s 。那么，上述情况 中的反排列，一个周期内物料在单轴上循环1 0 次；而正排列达到5 0 次。 因此，在搅拌时间、叶片数及单轴相位角一定的情况下，搅拌臂正排列要比 1 4 反排列推搅的快，物料获得的轴向流动次数更多，混合料被作用的程度将更为剧 烈。同时也说明单轴上采用较小的相位角可得到较多的流动次数。但相位角太小， 物料在拌简内周向翻动的剧烈程度变差，还要注意粗骨料粒径的影响。 ( 2 ) 双轴相位及排列 双轴相位是指双轴上同截面搅拌臂的相位关系。有交错和平行布置两种情 况；双轴排列是由单轴排列组合得到，有三种方式：正反排列、双正排列、双反 排列。 双轴搅拌臂为正反排列时，物料沿轴向在搅拌臂为正排列的轴上推动的快， 而在反排列的轴上推搅的慢。物料沿轴向的运动是一个闭合的“大循环 运动， 当物料被推搅到搅拌臂为反排列的这根轴上时，由于料流变慢，会出现物料拥塞 现象，这必然导致整个大循环的不流畅。所以，对混凝土的搅拌质量会造成影响； 双轴搅拌臂为双正或双反排列时，由于物料在两根轴上的流动速度分别是相同 的，所以一般不会出现正反排列时料流堆积的情况。其中双正排列时的大循环频 次最高，而双反排列时最低，正反排列居中。 以单轴相位为6 0 0 、7 个搅拌臂、转速为5 0 r m i n 和搅拌周期为6 0 s 的情况 为例，对双轴搅拌臂的相位和排列及其与大循环和小循环的作用关系加以说明。 图3 - - 5 和3 - - 6 所示的方案是在给定搅拌臂及叶片排列的基础上，使搅拌臂 津* * a ) 正反排列lb ) 正反排列2 港* * c ) 正正排列ld ) 正正排列2 图3 5 双轴搅拌臂交错布置 及叶片在每转过6 0 。的瞬间，到达搅拌区的数量都是7 个，其中包括两个返回叶 片，以保证负载稳定；另外，要避免两轴上相同序号的搅拌叶片同时到达搅拌区， 以防干涉。通过筛选，只有图示方案是符合基本原则的。 图3 - - 5 为双轴搅拌臂交错布置，其中i 轴上叶片将物料往外推，i i 轴上叶 片将物料往里推。 图a ) 的i 轴为正排列，i i 轴为反排列布置。搅拌轴旋转一周，两轴上叶片 到达中央搅拌区的先后关系为： i 轴：i2 一i 。，一i6 一i5 一i 。一i 。 i i 轴：i i 。一i i 。一i i ：一i i 。，一i i 。一i i 。 搅拌轴旋转一周，i 。到达中央主搅拌区( 以水平位置为参考) 需转过3 0 。， 而i i 。需转过2 4 0 。到达，即i ：一i i 。的逆流相位差为2 1 0 。同理知：i 。一i i ：、 i 。一i i 。、i 。一i i 。、i 。一i i 。、i ，一i i 。间的相位差分别为2 1 0 。由于相位差比 较大，必然造成作用时间上的延迟，因此这几组逆流的作用强度比较弱；对于大 循环而言，一个周期内两轴上的循环频次分别为5 0 次和1 0 次，相差很大，物料 流动不畅，综合作用效果不理想。 图b ) 的i 轴为正排列，i i 轴为反排列布置。搅拌轴旋转一周，两轴上叶片 到达中央搅拌区的先后关系为： i 轴：i ：一i 。，一i 。一i 。一i 。一i 。 i i 轴：i i 。一i i 。一i i 。一。一i i 。，一i i 。 搅拌轴旋转一周，两轴之间出现的逆流相位差都为2 7 0 。，这6 组逆流的作 用也很弱；大循环的情况与a ) 相同。综合作用效果不理想。 图c ) 的i 轴和i i 轴都为正排列。搅拌轴旋转一周，两轴上叶片到达中央搅 拌区的先后关系为： i 轴：i ：一i 。，一i 。一i 。一i 。一i 。 轴：i i 。一i i 。一i i 。一。，一：一i i 。 搅拌轴旋转一周，两轴之间出现的逆流为：i ，一i i 。和i 。一i i 。，相位差为 9 0 。；i ：一i i 。和i 。一i i 。，相位差为2 1 0 。；i 。一i i 。和i 。一i i ：，相位差为3 3 0 。前两次逆流的相位差较小，其作用应该是比较剧烈的，有利于混合料的拌和 均匀：一个周期内大循环的次数为5 0 次。所以，综合作用较剧烈，搅拌质量应 该很好。 图d ) 的i 轴和轴都为正排列。搅拌轴旋转一周，两轴上叶片到达中央搅 1 6 拌区的先后关系为： i 轴：i ：一i 。，一i 。一i 。一i 。一i 。 i i 轴：i i 。一i i 。一i i 。一i i 。一。，一i i ： 搅拌轴旋转一周，两轴之间出现逆流的相位差分别为3 0 。、1 5 0 。和2 7 0 。， 频次各为2 次。其中逆流相位差为3 0 。的两搅拌臂几乎同时到达搅拌区，并且 二者对物料推动的方向相反，破坏了物料的大循环流动，与搅拌臂合理布置的原 则是相违背的，必然影响整体混合料的匀质性和强度。 图3 6 为双轴搅拌臂平行布置，其中i 轴上叶片将物料往外推，i i 轴上叶 片将物料往里推。 * * * * a ) 正反排列b ) 正正排列 图3 6 双轴搅拌臂平行布置 图a ) 的i 轴为正排列，i i 轴为反排列布置。搅拌轴旋转一周，两轴上叶片 到达中央搅拌区的先后关系为： i 轴：i ：一i 。，一i 。一i 。一i 。一i 。 i i 轴：i i 。一i i 。一i i 。一i i 。一i i 。，一。 搅拌轴旋转一周，两轴之间出现的逆流相位差都为2 4 0 。，由于相位差比较 大，因此这6 组逆流的作用强度比较弱；大循环的情况与上述正反排列类似。 图b ) 的i 、i i 轴都为正排列。搅拌轴旋转一周，两轴上叶片到达中央搅拌 区的先后关系为： i 轴：i ：一i 。，一i 。一i 。一i 。一i 。 l i 轴：i i 。一i i 。一i i 。一i i 。一i i 。，一i i ： 搅拌轴旋转一周，出现i 。一i i 。，i 。一i i ：的相位差都为0 。，意味着两搅拌 臂同时到达搅拌区，并且二者对物料推动的方向相反，类似于在周向形成一堵 “墙 ，即形成局部“死循环 现象，料流的大循环运动被阻断。因此，严重影 响整体混合料的匀质性和强度。 1 7 3 1 2 搅拌速度及其对新拌混凝土的影响 搅拌线速度是保证搅拌机正常工作的基本参数，其大小主要取决于搅拌轴转 速。和叶片端部到搅拌轴心的距离尼但 实际上，由于搅拌臂上存在着速度梯度，叶 片上各点的线速度是不一样的，所以严格地 说，搅拌线速度是指搅拌叶片端部的最大线 速度，如图3 7 所示。 图3 - 8 为强制式搅拌机叶片线速度与 相对强度及离差系数的关系曲线，图中以最 低转速下搅拌6 0 s 的强度为1 0 0 。 紧1 2 0 螂 皆l l o 蠕 靛1 0 0 罂 9 0 条 、 - i 多 ， 2 7 【、 ，一、4 0 i 0 0 2 0 03 0 0 4 0 0 摹 籁 垛 删 键 丘， 、一一， 图3 7 搅拌速度 。a、 | | o ： | 箩 5 、 l i 1 弋2 搅拌时间s搅拌时间s 图3 - 8 搅拌线速度与相对强度及离差系数的关系 1 - - 0 6 r i d s2 1 3 m s3 1 - 8 m j s4 - - 2 3 m s 由图3 - 8 可见，搅拌线速度低，混凝土强度高，离差系数小，但搅拌时间长， 生产率低；搅拌线速度过快时，混凝土强度下降，离差系数增大。这是因为速度 大时物料的离心力大，物料中粒径不同的各组份的惯性力不同且大于和叶片间的 摩擦力时，以不同的速度抛离搅拌叶片而造成了物料离析，反而使物料的均匀度 下降。因此，强制式搅拌机工作时物料的离心力应不大于它与搅拌叶片间的摩擦 力，即 肌鼍孵或v 厨( 4 - 2 ) 式中：m 叶片上的混凝土质量； r 叶片端部到搅拌轴心的距离； ，混凝土与叶片间的摩擦系数。 实际搅拌过程中，搅拌线速度与搅拌质量的要求、搅拌装置型式、搅拌时间 长短、混合料组份与状态、单位能耗等因素密切相关，因此很难给出一个最佳值。 对于普通的双卧轴搅拌机，根据实际经验，一般设计为1 4 ，- - i 6 m s 。 搅拌速度是混凝土搅拌的重要工作参数，不仅影响到混凝土的搅拌质量、生 产效率，而且对混合料的强化作用起到至关重要的作用。普遍认为，随着搅拌速 度的增加，新拌混凝土含气量上升。但是，当搅拌工艺发生变化时，搅拌速度对 混凝土含气量的影响将有所不同；另外，振动作用下，由于物料颗粒间的粘性和 内摩擦力减小，物料颗粒运动的惯性增大，所以普通强制式搅拌机的搅拌线速度 对混凝土性能的影响规律将发生变化，必须通过试验来确定。 实际上，新拌混凝土中的含气量是通过强烈的搅拌作用，撕开水泥浆，裹携 进入产生溶胶性气泡。越充分的强烈搅拌，引气越快，效果越明显，含气量增加 得越快。 3 2 试验研究 3 2 1 混凝土配合比设计 试验混凝土采用相同的组成材料和同一配合比设计。根据普通水泥混凝土 配合比设计规程( j g j t 5 5 - 9 6 ) “ 进行混凝土配合比设计。具体步骤如下： 假定混凝土的设计强度等级为c 2 0 ，混凝土拌和物坍落度为1 0 一- 3 0 m m 。水 泥采用强度等级为3 2 5 r 的普通硅酸盐水泥，细骨料用中砂，粗骨料采用粒径为 5 - - 一4 0 m m 的人工破碎河卵石。 1 、确定混凝土配制强度厶。 厶。o = 厶。i t o ( 3 1 ) 式中：允。i 混凝土设计强度，此时厶，i = 2 0 m p a ； 仃混凝土强度标准差。根据文献 2 3 ，此时盯= 4 o m p a ； f 保证率系数。根据文献 2 3 ，当f = - 1 6 4 5 时，混凝土强度的保 证率达到9 5 。 1 9 所以，厶o = 2 0 + 1 6 4 5 4 0 = 2 6 6 m p a 。 2 、确定水灰比彬c w o f ，- 弛 c l 。q + o f 4 o f h 。 ( 3 - 2 ) 式中：凡水泥实际强度。水泥标号值的富余系数取1 ，丘= 3 2 5 m p a ； o f a 、回归系数。根据文献 2 3 ， 粗骨料采用碎石时，取口。= 0 4 6 ， = o 0 7 。 所以，石w = 丽丽0 丽4 6 x 面3 2 i 5 丽 3 、确定单位用水量肌。 = 0 5 4 根据文献 2 3 ，当混凝土拌和物的坍落度l o , - 一3 0 m m ，碎石最大粒径为4 0 m m 时，选定混凝土用水量为m 。= 1 6 5k g m 3 。 4 、确定单位水泥用量m 朋。= 舞= 嚣_ 3 0 6 k 咖3 ( 3 - 3 ) 5 、确定砂率屈 根据文献 2 3 ，当碎石最大粒径为4 0 m m ，水灰比为0 5 4 时，选定砂率 9s = 3 4 o 6 、计算单位砂、石用量m ”及肌面 假定混凝土拌和物表观密度如= 2 4 0 0k g m 3 ，按下列方程计算 f 聊+ 肌。+ 册+ 朋g o = p 印 x 1 0 0 = 尼 。4 【m + m g d 。 代入已知量m 、m 。、p q , 、展，求得 m ，。= 6 5 6k g m 3 ，m g ；d = 1 2 7 3k e d m 3