（机械设计及理论专业论文）双螺带搅拌机参数和工艺的试验研究.pdf

捅要 强制式搅拌机的搅拌低效区问题和水泥颗粒团聚现象，不仅与搅拌机结构密切相 关，而且与搅拌工艺也有着密不可分的关系。本文根据现有的搅拌状况，提出了改善其 搅拌性能的措施。通过理论分析，提出了搅拌机构各参数的设计原则，在现有普通双卧 轴搅拌机的基础上，设计了双螺带叶片搅拌机。通过试验研究，对双螺带叶片搅拌机各 参数进行了选择及匹配，得出双螺带搅拌机的较优参数为：搅拌线速度为2 3 m s ，双螺 带叶片的螺旋升角为7 6 。，搅拌时间为9 0 s 。还以双螺带搅拌机与双排叶片搅拌机进行 了对比，得出在相同的搅拌时间内，双螺带搅拌机搅拌的混凝土2 8 d 平均强度比双排叶 片搅拌机提高了4 0 ；在双螺带搅拌机搅拌时间减半而双排叶片搅拌机搅拌时间不变的 情况下，双螺带搅拌机搅拌的混凝土2 8 d 平均强度跟双排叶片搅拌机的基本相同。结果 表明，双螺带叶片搅拌机有着比双排叶片搅拌机更好的搅拌质量。 本文还提出了改善搅拌质量的两种不同的搅拌工艺双速二次搅拌法和单速二 次搅拌法。分析了二次搅拌机理，应用正交试验设计，对双速二次搅拌工艺和单速二次 搅拌工艺各参数分别进行了选择和匹配。得出双速二次搅拌工艺的较优参数为：砂浆搅 拌时间为6 0 s ，砼搅拌时间为4 0 s ，砂浆搅拌线速度为8 0 m s ，砼搅拌线速度为7 5 m s ， 第一次加水量为6 0 ；单速二次搅拌工艺的较优参数为：砂浆搅拌时间为5 0 s ，砼搅拌 时间为6 0 s ，搅拌线速度为6 0 m s ，第一次加水量为1 0 。同样对二者进行了对比试验， 其中双速二次搅拌法通过高速搅拌活化水泥浆体和调控骨料界面水灰比，从理论上来讲 优于单速二次搅拌法。可是试验结果表明，单速二次搅拌法搅拌的混凝土强度不仅与双 速二次搅拌法搅拌的相当，而且在特定条件下，强度还有所提高。这与我们在做双速二 次搅拌试验过程中高速搅拌水泥砂浆导致砂浆甩粘在搅拌筒内壁而不能参加正常的再 搅拌有着密切的关系，也是导致双速二次搅拌法搅拌的混凝土强度低的最主要原因。此 外双速二次搅拌法搅拌设备结构复杂、制造成本高等，单速二次搅拌法搅拌设备结构简 单，更适于工业化应用。 关键词：双螺带叶片搅拌机结构参数搅拌工艺双速二次搅拌法 单速二次搅拌法 a b s t r a c t t h eo r d i n a r yf o r c e da c t i o nm i x e rh a st w op r o b l e m sw h i c ha r ei n e f f i c i e n tz o n ea n da g g l o - m e r a t i o no fc e m e n t t h e s ep r o b l e m sh a v et h ei n s e p a r a b l er e l a t i o n sn o to n l yt om i x e rs t r u c t u r e c l o s ec o r r e l a t i o n ，b u ta l s ot oa r to fm i x i n g t h i sa r t i c l ea c c o r d i n gt ot h ep r o b l e m sw i t ht h e m i x e r sc o m m e r c i a l l ya v a i l a b l et o d a y , p r o p o s e di m p r o v e si tt os t i rt h ep e r f o r m a n c et h e m e a s u r e t h r o u g ht h et h e o r e t i c a la n a l y s i s ，t h i sa r t i c l ep r o p o s e dt h ep r i n c i p l eo fd e s i g no n v a r i o u sp a r a m e t e r so fm i x e r s t h ea u t h o rh a sd e s i g n e dt h ed o u b l e s p i r a l b e l tv a n em i x e ro n b a s i so fo r d i n a r yt w i n s h a f t sm i x e r t h r o u g ht h ee x p e r i m e n t a ls t u d y , i th a sb e e nc a r r i e do nt h e w h o l eo p t i m i z a t i o na n dt h em a t c ht ot h e d o u b l e s p i r a l - - b e l t v a n em i x e ro fv a r i o u s p a r a m e t e r s i td r a w s t h ec o n c l u s i o na b o u tt h em o s ts u p e r i o rp a r a m e t e r ：t h el i n es p e e do fm i x i n g i s19 m s ，t h ed o u b l e s p i r a l b e l tv a n es p i r a l - u p - a n g l ei s 7 6 0 ，t h et i m eo fm i x i n gi s6 0 s a l s o h a sc a r r i e do nt h ec o n t r a s tb yt h ed o u b l e - s p i r a l b e l tm i x e rw i t ht w i n - s h a f tm i x e r , o b t a i n si n s a m et i m eo fm i x i n g ，t h ed o u b l e s p i r a l - b e l tm i x e rt h ec o n c r e t e2 8 da v e r a g es t r e n g t hr a t i o t w i n s h a f tm i x e re r e n h a n c e d9 4 ：t h em i x i n gt i m ei nt h ed o u b l e - s p i r a l b e l tm i x e rt or e d u c e h a l fb u tt w i n s h a f tm i x e rt oi nm i x i n gt h et i m ei n v a r i a b l es i t u a t i o n ，t h ed o u b l e s p i r a l b e l t m i x e rt h ec o n c r e t e2 8 da v e r a g ei n t e n s i t yb a s i ci ss a m ew i t ht w i n s h a f tm i x e r t h er e s u l t i n d i c a t e dt h a t ，t h ed o u b l e s p i r a l b e l tv a n em i x e rh a sw e l lc o m p a r e dt ot w i n s h a f tm i x e rt h e m i x i n gq u a l i t y s i m u l t a n e o u s l ya l s op r o p o s e dt h ei m p r o v e m e n tt h em i x i n gq u a l i t yt w o k i n d sd i f f e r e n tt o a r to fd o u b l e s p e e dm i x i n ga n da r to fs a m e s p e e dm i x i n g u n d e rt h ea n a l y s i so ft h es e c o n d m i x i n gm e c h a n i s m ，t h ea p p l i c a t i o no r t h o g o n a le x p e r i m e n td e s i g n ，t o a r to fd o u b l e 。s p e e d m i x i n ga n da r to fs a m e s p e e dm i x i n gv a r i o u sp a r a m e t e r ss e p a r a t e l yt oc a r r yo nt h ec h o i c ea n d t h em a t c h o b t a i n i n gt h em o r es u p e r i o rp a r a m e t e r i so fa r to fd o u b l e - s p e e dm i x i n ga r e ：t h e m i x i n gt i m eo fm o r t a ri s4 0 s ，t h em i x i n gt i m eo fc o n c r e t ei s6 0 s ，t h em i x i n gl i n es p e e do f m o r t a ri s 9 0 m s ，t h em i x i n gl i n es p e e do fc o n c r e t ei s3 2 m s ，t h ef i r s tw a t e rv o l u m ei s4 0 ； t h em o r es u p e r i o rp a r a m e t e r i so fa r to fs a m e - s p e e dm i x i n ga r e ：t h em i x i n gt i m eo fm o r t a ri s 3 0 s ，t h em i x i n gt i m eo fc o n c r e t ei s4 0 s ，t h em i x i n gl i n es p e e di s6 0 m s ，t h e f i r s tw a t e r i i v o l u m ei s 6 0 s i m i l a r l yh a sc a r r i e do nt h ec o n t r a s te x p e r i m e n tt ot h et w oa r t ，a r to f d o u b l e s p e e dm i x i n gw h i c ha c t i v a t e sg r o u ti nh i g hs p e e d ，c o n t r o l sw cr a t i oo ng r a v e l i n t e r f a c es a y sf r o mt h et h e o r ys u r p a s s e sa r to fs a m e s p e e dm i x i n g b u tt h et e s tr e s u l ti n d i c a t e d ， t h ec o n c r e t ei n t e n s i t yo fa r to fs a m e - - s p e e dm i x i n gn o to n l yq u i t ew i t ha r to fd o u b l e - s p e e d m i x i n g ，m o r e o v e ru n d e rt h es p e c i f i cc o n d i t i o n ，t h ei n t e n s i t ya l s oh a st h ee n h a n c e m e n t i th a s c l o s er e l a t i o n s h i pw i t hw h i c hi nt h et e s t i n gh i g hs p e e dt om i xt h ec e m e n tm o r t a rt oc a u s et h e m o r t a rt of l i n gs t i c k si sm i x i n gt h et u b ee n d o p h r a g m ，b u tn o tt ob ea b l et op a r t i c i p a t en o r m a l l y m i x i n ga g a i n a n di t c a u s e st h ec o n c r e t ei n t e n s i t yl o wm o s tm a i nr e a s o nw h i c ha r to f s a m e s p e e dm i x i n gm i x s i na d d i t i o nt h ee q u i p m e n to fa r to fd o u b l e s p e e dm i x i n ge x i s t s s t r u c t u r ec o m p l e x ，t h ep r o d u c t i o nc o s t h i g h e ri n s u f f i c i e n c y , t h ee q u i p m e n to f a r to f s a m e s p e e dm i x i n gs t r u c t u r et ob es i m p l e ，i ss u i t a b l e f o r t h ei n d u s t r i a l i z a t i o na p p l i c a t i o n k e y w o r d s ：d o u b l e - s p i r a l - b e l tv a n em i x e r ；c o n f i g u r a t i o np a r a m e t e r a r to fm i x i n g ；a r to fd o u b l e s p e e dm i x i n g ；a r to fs a m e s p e e dm i x i n g i i i 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： - 谚刍 年j j l 严日 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。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名： 导师签名： 丑哟 j 匕秭。 | 。7 年j 月哗日 | 年，月f 牛日 驯彤 长安太学顿t 学位论立 第一章综述 11 混凝土基本概念 111 混凝土组成及结构 混凝土是由胶凝材料将矿质混合料胶结而成的固体复合材料，是现代土木工程中用 量最大宗的建筑材料之一，广泛应用于工业、农业、交通、国防、水利、市政和民用等 基础建设丁程中，在国民经济中占有重要地位i l i a 根据胶凝材料的不同，混凝土分为水 泥混凝上、沥青混凝土等，水泥混凝土在建筑工程中用量最大，沥青混凝土主要作为高 等级公路的路而材料。 水泥混凝十常简称为混凝土，是由水泥、砂、石和水按设计配合比，经搅拌、成 型、养护而得到的一种人造石材”。硬化前的混凝土称为新拌混凝土或混凝土拌和物。 其中，水和水泥组成水泥浆，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：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 士的强度和耐久性；此外，在混凝土中还含有少量气孔1 3 1 混凝土是一种非匀质多相复合材料。从宏观结构看，混凝土是由骨料和水泥石组成 的二相复合材料( 见图1 1 ) ；从亚微观上来看，混凝土是由粗骨料、细骨料、水泥水化 产物、毛细孔、气扎、微裂纹( 因水化热、干缩等使水泥石开裂) 、界面微裂纹( 因干 缩、泌水等所致) 及界面过渡层等组成。搅拌匀质的混凝土中，水泥浆将砂包裹成为砂 浆，砂浆又将钉子包裹并填满石子日j 空隙，经成型密实和养护，水泥浆硬化后就将粗、 细集料牢固胶结为具有一定强度和其他许多重要特性的整体1 4 l o 图1 _ 1 混凝土宏观结构 112 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 第一章综述 度、耐久性和经济性等基本要求。 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，也称和易性或工作度。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2 1 0 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1 3 1 。 流动性指混凝土拌和料在重力或机械振动力作用下，易于产生流动、易于运输、易 于充满混凝十模板的性质。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 火的或严重的泌水现象1 2 1 。 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 5 1 。 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 5 1 0 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。 混凝土强度通常包括抗压、抗拉、抗折、剪切和粘结强度等。混凝土的抗压强度较 高，因此，在各种混凝土结构中，主要用其承受各种压力。同时，其他力学强度都与抗 压强度相关，在结构设计中，均可通过抗压强度折算。因此，水泥混凝土的强度往往以 抗压强度作为基准，强度等级按立方体抗压强度标准值划分，相关规定见混凝土强度 检验与评定标准( g b j l 0 7 8 7 ) ，相关试验方法见普通混凝土力学性能试验方法 ( g b j 8 1 8 5 ) 。混凝土抗拉强度较低，约为抗压强度的7 1 4 ，在混凝土结构中一般不承 受拉应力。对于承受弯曲作用的结构，混凝土抗弯折强度尤为重要，如道路路面、机场 道面，此时，通常采用抗弯折强度作为主要强度指标，抗压强度作为强度参考指标。 影响混凝土强度的主要因素如下3 1 ： 2 长安大学硕学位论文 l原材料的质量：水泥、添加剂、骨料等的质量； 2 配合比：水灰比、含气量等； 3 施工方法：搅拌方法、浇筑方法、捣固程度； 4 养护方法( 温度、湿度等) 与龄期； 5 试验方法：试件尺寸、形状及加载速度等。 就混凝土的强度而言，由于骨料的强度一般均高于水泥石的强度，因而普通混凝土 的强度主要取决于水泥石的强度和界面粘结强度( 或界面过渡层的强度) ， ( b ) 骨料粉碎性破坏如) 骨料界面首先破坏 囤1 - 2 涅凝土破坏情况对比 而界面粘结强度又取决于骨料的表面状况、凝结硬化条件及混凝土拌和物的泌水性等， 界面是混凝土结构中最为薄弱的环节“1 。因此，改善界面过渡层的结构或界面粘结强度 是提高混凝土强度及其他性质的重要途径。通过同一配合比不同搅拌条件的对比试验发 现，若混凝土骨料与水泥石结合良好，则骨料发生粉碎性破坏或贯穿性破坏，此时抗压 强度较高；若混凝土骨料与水泥石结合不佳，则破坏发生在骨料界面，抗压强度较低， 图l 一2 是试验结果，图( a ) 对应的混凝土试块抗压强度为2 9 4 5 m p a ，图( c ) 对应的混凝土 第一审综述 试块抗压强度仅为2 3 7 6m p at 3 1 , 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i ； 述的强度要求 外，还要求具有优良的耐久性。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；对道路工程混凝土，频繁遭受车胎作用，其 耐久性则强调耐磨性。此外，在各种混凝土工程中，应该考虑经济性，使混凝土各组分 达到合理配比，尽量节约水泥，以降低整体成本。 1 2 混凝土搅拌机的发展 1 9 世纪4 0 年代，在德、美、俄等国家出现了以蒸汽机为动力源的自落式搅拌机， 其搅拌腔由多面体状的木质筒构成，一直到8 0 年代，才开始用铁和钢件代替木板，但 形状仍然为多面体。1 8 8 8 年法国申请登记了第一个用于修筑战前公路的混凝土搅拌机专 利。2 0 世纪初，圆柱形的白落式搅拌机才开始普及，其工作原理如图1 3 所示。形状的 改进避免了混凝土在拌筒内壁上的凝固沉积，提高了搅拌质量和效率。1 9 0 3 年德国在斯 太尔伯格建造了世界上第一座水泥混凝土的预拌工厂。1 9 0 8 年，在美国出现了第一台内 燃机驱动的搅拌机，随后电动机则成为主要动力源。从1 9 1 3 年，美国开始大量生产预 图卜3 自落式搅拌机工作原理示意图图卜4 强制式搅拌机工作原理示意图 拌混凝土，到1 9 5 0 年，亚洲大陆的日本开始用搅拌机生产预拌混凝土。在这期间，仍 然以各种有叶片或无叶片的自落式搅拌机的发明与应用为主。 自落式搅拌机是依据物料的自落原理进行搅拌。工作时利用拌筒内壁固定的叶片对 筒内物料进行分割和提升，物料则靠自身重力洒落、冲击，从而使各部分物料的相互位 置不断进行重新分布而获得搅拌。这种机型结构简单、容易制造，功率消耗和工作腔的 磨损都比较小，但其搅拌强度不够剧烈，搅拌质量难以保证，生产效率比较低，只适用 于搅拌普通塑性混凝土。这类搅拌机常见的机种有：鼓筒式搅拌机，双锥反转出料搅拌 机，双锥倾翻出料搅拌机以及对开式搅拌机等。鼓筒式搅拌机由于技术性能差，在工程 4 长安大学硕上学位论文 实践中已被淘汰。 强制式搅拌机是在自落式搅拌机之后，随着干硬性混凝土的应用而逐渐发展起来 的。与自落式搅拌机不同，它不只是借助重力作用来工作，而主要是依靠旋转叶片对物 料进行剪切、挤压、翻滚和抛出等强制搅拌作用，使物料在剧烈的相对运动中得到均匀 搅拌。与自落式搅拌机相比，强制式搅拌机结构复杂，搅拌作用强烈，搅拌质量好，生 产率高，但叶片及工作腔磨损大，功率消耗大，制造成本偏高，而且对骨料粒径有较严 格的限制，适用于搅拌干硬性混凝土和轻骨料混凝土，多使用于施工现场的混凝土搅拌 站和混凝土预拌工厂的搅拌楼t 7 1 。 2 0 世纪4 0 年代后期，德国e l b a 公司最先发 明了强制式搅拌机，工作原理如图1 4 所示。其投 放市场之后不久，德国的桑索霍芬机械与矿业公司 ( 简称b h s 公司) 推出了双卧轴搅拌机，其主要 结构如图1 5 所示。与此同时，美国也出现了强制 式搅拌机。但当时的双卧轴搅拌机在使用过程中因 轴端密封技术的不成熟，其发展基本处于停顿状态 8 ， o 直到7 0 年代初，由于这项技术得到突破，该 机型在德国的b h s 公司和e l b a 公司、美国的 图1 - 5 双卧轴搅拌机结构示意图 j o h n s o n 公司和r e xw o r k s 公司、意大利的s i c o m a 公司和s i m e n 公司、日 图1 - 6 双层立轴涡桨式搅拌机 ( a 定毅式( b ) 转盘式 图1 - 7 立轴双行星式搅拌机示意图 本的日工株式会社和光洋株式会社等企业又重新发展起来，目前已形成系列产品。比如 德国的e m c 系列、e m s 系列搅拌站和u b m 系列、e m t 系列搅拌楼、意大利的m a o 系列搅拌站、m s o 系列大型搅拌基地等。 第一章综述 在此期间，除了卧轴式搅拌机外，立轴涡桨式、立轴行星式等强制型搅拌机也先后 面世。图1 - 6 所示为一种双层立轴涡桨式搅拌机。图1 7 所式为立轴双行星式搅拌机示 意图。 当今，意大利专门生产搅拌机的s i c o m a 公司已经拥有双卧轴、涡桨式、行星式 和连续式四大系列几十种型号的混凝土搅拌机生产能力，产品出料容量o 5 - - 6 m 3 ，具有很 好的可靠性、耐久性和经济性，其完善的监控系统、独特的传动系统、有效的轴端密封 润滑系统、多搅刀搅拌系统、多管多路喷水系统、液压卸料装置、测湿传感器和称重系 统使其被国内外许多大中型搅拌站用作搅拌主机1 9 1 我国混凝土搅拌机的生产从2 0 世纪5 0 年代开始。1 9 5 2 年，天津工程机械厂和上海 建筑机械厂试制出我国第一代混凝土搅拌机，进料容量为4 0 0 l 和1 0 0 0 l 。之后的近1 0 年中，我国的产品仅限于已被淘汰的j g 型鼓筒式搅拌机。1 9 6 0 年我国生产出第一批仿 苏式搅拌楼。7 0 年代末至8 0 年代初，我国为适应建筑业商品混凝土大规模发展的需要， 在引进国外样机的基础上，有关院所厂家陆续开发了新一代j z 型双锥自落式搅拌机、 j d 型单卧轴强制式搅拌机。其中，j s 型双卧轴搅拌机在8 0 年代初研制成功。由于吸引 了国外的先进技术，虽然起步晚，但发展比较迅速，在产品规格和生产数量上，都远远 超过了其它机型。8 0 年代末，我国混凝土搅拌产品开发重点转向商品混凝土成套设备， 研制出了1 0 多种混凝土搅拌楼( 站) 。“八五期间，郑州水工机械厂与杭州机械设计研 究所合作研制开发出新一代4 x 3 m 3 大型预拌混凝土搅拌楼，生产率为2 4 0 m 3 h ，“九五 期间，又成功研制出4 x 4 5 m 3 特大型预拌混凝土搅拌站，生产率为3 2 0m 3 h 。这些大型 搅拌楼( 站) 均应用于水利水电工程。本世纪初，福建南方路面机械有限公司研究开发 表1 - 1 国产与b h s 强制式搅拌机的比较 项目b h s 国产 整机设计采用蜗杆齿轮减速机，结构紧凑 采用摆线针轮减速机，机构庞大 轴端密封与润滑弹性轴端面密封环，润滑油损耗少 浮封环和迷宫式密封润滑油损耗大 搅拌轴截面入边形，强度高截面正方形，强度较人边形差 衬板 菱形，平均寿命2 6 0 0 万罐次 方形，平均寿命2 万罐次 搅拌臂特殊铸钢制造，流线型设计特殊铸钢制造，非流线型设计 。r 作适应性适用于水电水利t 程的各种骨料搅拌水工粗骨料容量须降格使用 价格昂贵，为国产机价格的2 3 倍便宜 6 长安大学硕上学位论文 出新型j s 系列双卧轴搅拌机，可配置组成5 0 - 2 4 0m 3 h 混凝土搅拌站( 楼) ，特别适 用于各种管桩、构件和城市商品混凝土的搅拌。目前具有代表性的双卧轴搅拌机生产厂 家还有韶关新宇、方圆集团、新筑路桥等，其核心技术自己都认为已经成熟。 但是，与国外产品相比，国产混凝土搅拌设备还存在一定的差距，主要表现在质量、性 能和技术先进性方面。表卜1 所示为b h s 公司的强制式搅拌机与大多数国产设备在结构 等方面的比较1 1 0 1 。 1 3 混凝土搅拌工艺及现状 从1 8 2 4 年发明硅酸盐水泥开始，混凝土科学与工程经历了四个发展阶段：混凝土 材料科学探索时期、干硬性混凝土和预应力及预制混凝土时期、外加剂使用和流动性混 凝土时代、高强和高性能混凝土时代。一百多年来，混凝土搅拌工艺追求的目标是“匀 质性”，搅拌的目的是“使全部骨料颗粒的表面都被水泥浆包裹，使混凝土各组分混合 成一种均匀的物质h ，并通过搅拌机械的研制和改良、搅拌时间和速度匹配、以及外 加剂选择等方面，来接近和实现这一目标。 近年来，水泥混凝土搅拌设备在技术性能和操纵控制方面已近乎完美，同时随着商 品混凝土的普及，以及建筑规模的大型化、复杂化、高层化和可持续发展要求，对混凝 土质量不断提出更高的要求，而传统的搅拌工艺即使通过延长搅拌时间，也不能使搅拌 质量达到质的飞跃，因此，要使混合料达到完全均匀，必须采用其它的辅助方式或新的 搅拌工艺。 从2 0 世纪中期开始，德、美、日等国把目光投注到传统搅拌工艺的改进方面，二 次搅拌法得到了较大的发展。所n - - - 次搅拌法，是指在考虑混凝土组分中各物料均匀混 合作用的基础上，利用物料投料、搅拌顺序对混凝土内部结构形成的影响，综合提高混 凝土性能的工艺方法，其特点是分批投入混合料各组分进行搅拌，从而提高水泥分散性， 使水化反应更加充分，改善相界面结构，提高混凝土性能。 我国对二次搅拌工艺的认识是从日本发明的水泥裹砂法即s e c ( s a n de n v e l o p e w i t hc e m e n t ) 工艺开始的，它通过两阶段加水来制备混凝土，即将砂与部分水搅拌时间 t 。后，然后加水泥搅拌时间t 。，再加石子与剩余水搅拌时间t 。后出料；美国采用高能搅 拌法，即先用高速搅拌制备水泥与水的拌和物，然后与骨料拌和成混凝土；德国、英国 相类似，采用二步搅拌工艺法，用两台搅拌机或_ 台搅拌机操作，将水泥、水和砂置于 快速搅拌机中高速搅拌，在预拌时间完成后，速度降到正常范围，再将稀浆与粗骨料拌 ，7 第一章综述 图1 - 8 一种双层搅拌装置图1 - 9 二次搅拌混凝土搅拌楼 和；有些国家，如波兰采用的三步搅拌工艺，先在第一个拌筒中搅拌水和水泥，然后在 第二个拌筒中加砂搅拌，最后移入普通搅拌机与粗骨料一起搅拌。德、美、日等国已研 制成功双层搅拌机，如图卜6 、图1 - 8 所示，这种搅拌机具有上下两个相互独立的拌筒， 将原来的一次搅拌出料改为两次搅拌出料，上层为立轴式搅浆机，下层为立轴式强制混 凝土搅拌机。目前国内有厂家为适应混凝土拌和楼大批量生产混凝土同时提高混凝土质 量、节省成本的需求，在其基础上做了部分改进，将原本一体化的设备设计为两个独立 的搅拌设备，如图i - 9 所示。既实现了二次搅拌工艺，又可以尽量利用原有设备，减少 投资1 1 2 1 。 总的来说，国内外的混凝土二次搅拌新工艺可归纳为五种，分别是先拌砂浆法、先 拌净浆法、水泥裹砂法、净浆裹石法、水泥裹砂石法，按搅拌步骤可分为二步搅拌和三 步搅拌，具体分类及每种工艺步骤见图卜1 0 所示。其中，先拌砂浆法和先拌净浆法需 要配专用高速搅拌机，高速搅拌可以提高水泥颗粒分散效果和增塑作用，从而提高混合 宁区匮至 丑上呻 五至p 弘圃 了匮 丑且咂j 习上圃 了匝j 弘叫殛驴q 五玉p 钮亟圈 守匦 丑k 匝p 咂豆酽咽 了匦至玉p 吨圈卫惬p 圆 ， 图1 - 1 0 二次搅拌工艺分类 物的流动性和质量稳定性，减少了骨料在搅拌机内停留时间，降低磨耗，缩短分批投料 的搅拌时间，据资料1 3 介绍，可提高混凝土强度1 0 2 5 ，但因设备结构复杂，增加 = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = ；= = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = 8 长安大学硕上学位论文 了制造和维护成本，限制了规模化发展和应用；水泥裹砂法是将控制了含水量的砂子与 水先搅拌均匀，再加入全部水泥，使湿砂子的表面裹上一层低水灰比的坚实致密的水泥 浆壳体，最后加入剩余水和石子搅拌成混凝土，可制得流动性较好又不离析的混凝土混 合物，且匀质性好，不增加设备，操作简单；水泥裹砂石法，不需增加设备，操作简单， 混凝土质量有一定提高并相对稳定，但总的搅拌时间与常规一次投料法相近；净浆裹石 法，据资料3 1 介绍，用硅酸盐水泥配制c 2 0 混凝土可提高强度8 6 - - 4 4 7 ，节约水泥 5 6 2 2 6 ，缺点是历时过长，生产率低下。 1 4 课题提出及研究意义 1 4 1 课题背景 现有的混凝土搅拌机及其搅拌工艺存在以下不足之处： 自落式搅拌机的筒体旋转时，叶片不断地将筒内的部分拌和料带到拌简直径约 0 7 高处，然后因自重而沿叶片滑落下来，重新跌入底部的拌和料中，如此反复作用， 使得混凝土得到均匀拌和。相对而言，这种搅拌机搅拌作用强度比较弱，只适合于普通 塑性混凝土的拌和。强制式搅拌机是借助于安装在旋转的搅拌轴上的搅拌臂和搅拌叶片 对物料进行剪切、挤压、翻滚和抛出等强制作用，使物料在剧烈的相对运动中得到均匀 拌和，可适用于塑性以及干硬混凝土的生产。但是搅拌轴转速也不能太高，否则装在搅 桨 蜊 疆 鹾 据 靛 皿 * ，、1 5 爸1 0 籁 鞴5 键 - k 。1 f 、2 、 ，k 3 1 0 02 0 03 0 04 0 0 搅拌时间( s ) 图1 - 11 叶片线速度与相对强度及离差系数的关系 l - o 6 m s2 1 3 m s3 1 8 m s4 2 3 m s 拌臂上的叶片将剧烈磨损，叶片的线速度超过临界值将 使混和料在离心力的作用下出现离析现象，如图1 ：1 l 所示。工作机构的转速低，搅拌时间较长。所以搅拌效 率比较低，生产率很难提高。 由于强制式搅拌机拌筒内速度梯度的存在，如 图卜1 2 所示，在搅拌轴附近形成了混合料搅拌的低效 、一，一 图1 - 1 2 拌筒内的速度梯度示意图 第一章综述 鞣譬震 鑫姜适莹蘸 毯罐一萎装 1 0 长安大学硕学位论文 地改善了搅拌质量和搅拌效率”。 取螺带搅拌装置是一种叶片连续的职排叶片搅拌装置，如图3 - 2 所示。该装置采用 螺旋叶片的连续搅动，能加快搅拌主机内部拌和料的整体循环流动取得强烈的剪切效 a ) 结构示意图b ) 物料运动轨迹示意图 图卜1 4 双排叶片结构 果。这种高效搅拌能力意味着更好的匀质性和更短的搅拌时间。但是仅仅通过理论分析 还不能完全况明该装置具有如此的优越性，需要通过实践和试验的方法来验证。本文将 主要对喙装置的结构参数进行分析和选择并将该装置与我们先期研制的职排叶片搅拌 装置进行比较。 二次搅拌工艺不仅可以有效地改善水泥颗粒的分散性，提高水泥的水化程度，从而 提高混凝土强度而且可以使团块水泥充分水化，减少水泥的浪费，在保证水敏比不变 的刊时又可以降低水泥用量，降低生产成本。先拌砂浆法属于二次搅拌工艺的一种，我 们将利用双螺带搅拌装置分别对水泥混凝土做先拌砂浆法的双速搅拌试验和单速搅拌 试验，分析搅拌速度、搅拌时间等参数对混凝土搅拌质量的影响。 140 课题研究意义 水泥混凝土发展至现阶段，主要遵循复合化、高强化、高性能化三条技术路线。高 性能化的发展道路决定着水泥生产，决定着混凝土搅拌装置、搅拌工艺的发展。 作为一种原材料或一种产业，节约资源、能源也是为了本身能够持续存在和发展。 水泥混凝土作为最大宗的人造材料，到2 0 0 0 年世界水泥已超过1 5 亿吨，混凝土超过5 0 亿立方米( 1 2 0 亿吨) ，对资源、能源的需求和对环境的影响十分巨大。中央提出“十一 直”期间进一步统筹协调经济社会发展与资源、环境的关系，加快建设节约型社会，在 生产、建设、流通、消费各领域节约资源，提高资源利用效率，减少损失浪费，以尽可 能少的资源消耗，创造尽可能大的经济社会效益。因此：混凝土能否长期维持作为最主 第一章综述 要的建筑结构材料，关键在于能否成为绿色材料，“绿色高性能混凝土( g h p c ) ”是混 凝土的发展方向，是混凝土的未来。g h p c 最主要两点着眼于钔：( 1 ) 更多地节约熟 料水泥，减少环境污染。作为混凝土主要原料的水泥是一种不可再生产品。( 2 ) 更大地 发挥高性能的优势，减少水泥与混凝土用量。例如，利用高强度减小结构截面积、减轻 自重；提高耐久性，保证或延长安全使用期，更能获得较大的经济与环境效益。而改进 传统混凝土搅拌装置、改善传统搅拌工艺是实现混凝土高性能化的十分有效的途径之 o 二次搅拌工艺，通过改变投料顺序和搅拌速度，使水泥充分水化，降低骨料界面水 灰比，提高骨料界面粘接性能，可提高混凝土的强度1 0 3 5 。国家统计局最新公报显 示，我国2 0 0 6 年水泥产量1 2 4 亿吨，居世界第一。保守估计我国混凝土的年生产量达 到1 9 2 亿吨。目前，我国每生产1 立方米的混凝土要比发达国家多消耗水泥8 0 公斤， 每年要多用1 2 亿吨水泥，按市场价每公斤0 3 5 元计算，每年多用水泥价值约合人民币 4 2 0 亿元。造成这种资源严重浪费的最主要原因之一是缺乏对混凝土搅拌工艺的研究。 1 5 本文研究内容及方法 为了有效改善强制式搅拌机低效区问题和新拌混凝土中的水泥团聚现象，提高搅拌 质量和效率，本文提出以下研究内容： ( 1 ) 双螺带搅拌机构参数的分析； ( 2 ) 双螺带搅拌机构参数试验研究与结果分析； ( 3 ) 采用先拌砂浆法时，双螺带搅拌机双、单速搅拌工艺的分析； ( 4 ) 采用先拌砂浆法时，双螺带搅拌机双、单速搅拌工艺的试验研究与结果分析。 为了达到本课题研究的目的，实现双螺带搅拌机各参数合理匹配，实现先拌砂浆法 搅拌工艺各参数的匹配，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，针对强制式搅拌机的特点和新拌混凝土结构及流变特性，提出改 善强制式搅拌机搅拌性能的方案，完成双螺带搅拌机构的设计，为试验研究提供理论依 据和试验基础；另一方面，利用设计的双螺带搅拌机构进行试验研究，通过分析试验结 果，完成对理论分析的检验，为双螺带搅拌机的系列化设计和生产奠定基础。 1 2 长安大学硕士学位论文 第二章双螺带搅拌机构参数的分析 2 1 1 新拌混凝土的流变特性 2 1 混凝土搅拌过程 混凝土混和料可以看作一种由水和集料分散粒子组成的复杂分散体系，具有弹性、 粘性、塑性等诸多特性。一般认为，新拌混凝土基本上是一种宾汉姆体( b i n g h a m ) ，其流 变特性可表示为1 6 1 f = + 7 7 粤( 2 - 1 ) 弘f o + 7 7 面 式中：f 一混凝土的实际剪切力； f o 一屈服剪应力； 7 7 一混凝土的塑性粘度： _ d u 一混凝土的剪切变形速率。 d r 屈服剪应力和塑性粘度刁是决定混凝土混合料流变特性的基本参数。其中，由 混合料各颗粒之间的附着力和摩擦力引起，是阻止塑性变形的最大应力；7 7 是内部结构 阻碍流动的一种性能，随剪应力或变形速率而变化。 d v d t 0t it o t 0i it ot 图2 - i 新拌混凝土粘一塑性随剪应力变化关系 图2 - 1 表示了塑性粘度巧与剪应力f 以及变形速率d v d t 与剪应力f 的关系曲线“。 可以看出，当d v d t 小于某值时，f 小于某定值，刁具有确定的最大值7 7 0 。此时的混 凝土混合料表现为固态特性，虽然也会发生缓慢的流动，但实际上几乎察觉不到。随着 d v d t 的增加，f 值增加，7 7 则大大降低。这时混凝土混合料的凝聚结构开始破坏，表现 出较好的流动性；当d v d t 增大到某一值时，f 达到值，刁下降到最小值。此时混 1 3 第二章双螺带搅拌机构参数的分析 凝土的凝聚结构完全遭到破坏，流动性达到最佳。这之后刀不再随着d r d r 或f 的变化而 变化。 上述宾汉姆流变方程只能描述搅拌好的新拌混凝土，不能描述搅拌过程，但可以用 来指导混凝土搅拌参数的选择。 显然，较小的塑性粘度有利于搅拌。由混凝土的流变特性可知，在一定范围内，塑 性粘度是随着物料速度梯度的增大而减小的。因此，搅拌过程中必须保证混合料得到较 强烈的运动，并尽可能使混合料各组分颗粒间有较大的相对运动，以便促使混合料各组 分颗粒充分混合、渗透，达到混凝土混合料宏观和微观的同时匀质。 此外，由于水泥颗粒团聚体常常以单元体形式整体运动于一定厚度的液相中，只有 在混合料受到强烈的挤压和碰撞作用时，才能有效地破坏这些单元体，促进水泥颗粒最 大限度地弥散，消除混凝土内部的微观缺陷。 2 1 2 混凝土搅拌过程 混凝土的搅拌过程就是搅拌机构连续不断克服混合料的屈服应力和塑性粘度造成 的阻力的过程。 从本质上讲，搅拌过程就是在流动场中进行动量传递或者是进行动量、热量、质量 传递及化学反应的过程。其任务是要达到包括宏观和微观在内的均匀度。但实际上，理 想的完全均匀拌合是无法达到的，其最佳状态总是无序的不规则排列，是一种“概率拌 和”。为了实现混凝土的均匀拌和，就必须研究形成过程中物料的运动规律，研究搅拌 机构与混合料问的相互作用关系。混凝土搅拌的动态变化和发展过程，可用图2 2 的搅 拌曲线定性地描述1 8 1 。 从图中可以看出，混凝土搅拌的动态过程分为三个 c 阶段：初始阶段在宏观水平进行，搅拌质量取决于物料 的循环流动。此时，各组分间的相界面小，所以各组分 的扩散现象和离析现象都不明显，搅拌过程的发展速度 取决于搅拌机中物料流的运动特点。 屯时刻起各组分主要是在搅拌机的工作容积内扩散 ht m t 图2 - 2 搅拌的动态过程曲线 分布，循环流动和扩散分布在总的搅拌过程中起的作用趋于相近。此时，各组分运动在 微观水平进行，并且从某一时刻起扩散分布过程起主要作用