（机械设计及理论专业论文）搅拌过程的机械强化方法及其试验研究.pdf

摘要 性能良好的水泥混凝土要求各组分在宏观和微观上都达到均匀分布。由于普 通强制式搅拌机存在低效区和水泥颗粒聚团现象，严重降低了搅拌质量和生产效 率。这些问题是传统的搅拌方式所不能解决的，必须采用其它辅助方式来消除其 不利影响。本文从新的搅拌理论出发，提出了三种机械强化方法：振动搅拌法、 双排叶片搅拌法以及综合强化法。 通过对双卧轴搅拌机结构参数、运动参数和工艺参数的理论分析，确定了各 参数的取值范围，研制了相应的试验样机。利用理论分析和试验研究相结合的方 法，探讨了不同搅拌机工作机构参数对搅拌质量的影响，得到各参数合理的匹配 关系，并进行能耗分析和对比试验。 试验结果表明：在较短的搅拌时间内，振动搅拌法、双排叶片法和综合强化 法均能有效提高混凝土的强度和匀质性，消除搅拌低效区和水泥团聚现象的不利 影响，改善了搅拌质量，提高了生产效率，降低了单位生产量能耗；双排叶片法 更适于工业化应用和现有设备的低成本改造。 关键词：混凝土机械强化方法振动搅拌双排叶片试验研究 a b s t r a c t h i g l lq u a l i t yc o n c r e t er e q u e s t se a c he l e m e n tm u s tb eu n i f o m l yd i s t r i b u t e do n m a c r 0 锄dm i c r op o i n t b u t0 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 e i n e f f i c i e n tz o n ea n da g 百o m e r a t i o no fc e m e n t t h e s ep e o b l e m ss e r i o u s l ya f i e c tt h e m i x i n gq u a l i t ya l l de f f i c i e n c y a i l dc a n n tb es o l v e db yt r a d i t i o n a lm i x i n gm e t h o d s s o s o m ea u x i l i a r ym e 锄ss h o u l db eu s e dt oe l i m i n a t et h e s ed i s a d v 觚t a g e s a c c 0 r d i n gt o t h en e wm i x i l l gc o n c e p t ，t h i s p a p e rp u tf o r w a r dt h r e em e c h e n i c a lm o t h e d st 0 s t i c n 舀h e nt h em i x i n gp r o c e s s t h e ya r ev i b r a t o r ym i x i n g ，d o u b l e 一姗泊l a d e sm i x i n g 锄di n t e g r a t e da p p l i c a t i o nm i x i n g o nb a s i so f 锄a l y z i n gt h es t n i c t u r a l ，m o v e m e n t a la n dt e c h n o l o 酉cp a r 锄e t e r so f d o u b l e h o r i z o n t a ls h a f t sm i x e f t h er a n g e0 fe a c l ip a r a m e t e rw 弱r e c 0 m m e n d e d 锄d c 0 玎e s p o n d i n g p o t o t y p ew a sd e s i 印e d b yt h e o r e t i c a l觚a l y s i s觚de x p e r i m e n t r e s e a r c l l ，t h ei n n u e n c eo fw o r k i n g m e c h 锄i s m sp a r a m e t e r so nm i x i n gq u e l i t yw a s s t u d i e d ，t h em a t c h i n gr e l a t i o n s h i po fp a r 锄e t e r sw a sp u tf 0 州a r d e d ，卸df i n a l l y c 0 m p a r i s o no f e a c hp r o t o t y p ew i t ht h eo r d i n a r yf o r c e da c t i o nm i x e rw a sm a d e t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a t i nas h o r t e rm i x i n gt i m e ，t h r e em e t h o d sa u c a i li m p f 0 v et h es t r e n 舀ha n du n i f o m i t yo fc o n c r e t e ，e l i m i n a t et l l ei n e f f i c i e n tz o n e a n da g 百o m e r a t i o no fc e m e n t t h e nt h em i x i n gq u a l i t y 孤de f f i c i e n c yw e r ei m p r o v e d ， 锄de n e r g y - c o n s u m i n g0 fp e ru n i td e c r e a s e d t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t sa l s 0d i s p l a y t h a td o u b l e - r o wb l a d e si sf i tf o ri n d u s t r i a la p p l i c a t i o na n dt h eu p 黟a d et h eo l dm i x i n g d e v i c e sw i t hl o w e rc o s t 1 沁yw o r d s ： c o n c r e t em e c h e n i c a ls t r e n 舀h e n i n gm e t h o d v i b r a t o r ym i x i n g d 0 u b l e r o wb l a d e s e x p e r i m e n t a l r e s e a r c h 。琏曩曩溪爨 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：弦j 勿扩已一年g 月6 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： 弼匆孑 导师签名：膨儡嗡 v 。6 辱日6 日 缄年j 6 r 月6 日 第一章综述 1 1 混凝搅拌技术及搅拌机概述 1 1 1 混凝土搅拌技术 混凝土是一种分散的介质分子的水化物薄膜层粘结各相颗粒而形成的胶凝 结构，具有较高的抗压剪切强度、弹性模量、粘性、塑性等诸多物理一力学性能“1 。 由于水泥混凝土是极具分散性的多相混合物，各相界面的作用对混合物的形成过 程有很大的影响。混合料在搅拌过程中不仅存在着物理作用，而且还伴有化学反 应，混合物的状态和性能在质和量上都了发生了变化。 混凝土的结构从微观上来看是由粗骨料、细骨料、水泥水化产物、毛细孔、 气孔、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。性能良好的混凝土中，水泥浆将砂包裹成为砂浆， 砂浆又将石子包裹，并填满石子间空隙，经成型密实和养护后，水泥浆硬化就将 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 。因此只有 当所有组分均匀分布和每一骨料颗粒都被水化物薄膜包裹，即各组分同时达到宏 观和微观上的均匀分布时，混合物的胶凝结构才最稳定。 因此，从宏观和微观两方面考虑，混凝土搅拌的目的在于“1 ： ( 1 ) 各组分均匀分布，达到宏观及微观上均匀； ( 2 ) 破坏水泥粒子的团聚，使其各颗粒表面被水浸润，促使弥散现象的发展； ( 3 ) 破坏水泥粒子表面的初始水化物薄膜包裹层； ( 4 ) 由于集料表面常覆盖一薄层灰尘及粘土，有碍界面集合层的形成，故应 使物料颗粒间多次碰撞和互相摩擦，以减少灰尘薄膜的影响； ( 5 ) 提高混合料各单元体参与运动的次数和运动轨迹交叉的频率，以加速达 到匀质化。 为了达到上述搅拌目的，搅拌过程中物料的位移必须通过对流运动和扩散运 动实现。对流运动使各组分在宏观上达到均匀分布，这种运动在搅拌过程中是最 基本的，也是最主要的；扩散运动使各相表面问结合良好，达到微观上的均匀。 换言之，比较完善的搅拌过程，物料的位移必须由良好配合的对流运动和扩散运 动来完成，这就是新的搅拌概念“1 。 1 12 混凝土搅拌机概述 混凝土搅拌机是将由各组分如水泥、水、砂、石料和添加剂等按一定配合比 组成的混合料均匀拌和而生产出符合质量要求的流态混凝土的专用机械，是混凝 土搅拌设备的主要组成部分。混凝土搅拌机可以作为单机使用，也可以作为搅拌 楼( 站) 的配套主机。一个世纪以来，随着搅拌技术的发展，已形成多种机型来 满足不同混凝土的生产要求。虽然各机型在结构和性能上各具特色，但从工作原 理上来讲可分为自落式和强制式两大类。 自落式搅拌机依据物料的自落原理进行搅拌的。其工作原理如图1 1 ( a ) 。 搅拌筒内壁装有叶片，工作时，随着拌筒的转动，物料被叶片提升到一定高度后， 依靠自重下落。由于各物料颗粒下落的高度、时间、速度、落点和滚动距离不同， 从而物料各组分相互穿插、渗透、扩散，最后达到均匀混合。自落式搅拌机结构 简单，可靠性高，维护简单，功率消耗较小，拌简和叶片磨损也比较轻，但搅拌 强度不高，生产率低，搅拌质量不易保证。此种搅拌机适于拌制普通塑性混凝土， 应用于中小型建筑工地。 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发展而逐渐发展 起来的。其工作原理如图卜1 ( b ) ，搅拌机工作机构是由垂直或水平设置的搅拌 轴和其上安装的搅拌叶片组成。与自落式搅拌机不同，它不是通过重力作用进行 搅拌，而是借助旋转的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。这种机型的搅拌机，搅拌作用强烈， 搅拌质量好，生产率高，但磨损和功耗大，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。 ( a ) 自落式搅拌机工作原理示意图( b ) 强制式搅拌机工作原理示意图 图卜1 混凝土搅拌机工作原理图 由于自落式和强制式搅拌机在技术和经济上各有所长，各国的用户都是根据 各自的要求和习惯来选择和发展不同类型的搅拌机。目前，美国以倾翻自落式为 主；欧洲和日本则是强制式机型占优；亚洲其它各国是两者兼有，并有强制式取 代自落式的趋势。 1 2 课题提出及研究意义 1 2 1 课题的提出背景 ( 一) 搅拌机生产效率低 目前存在的搅拌机按照工作原理基本上可分为自落式和强制式两大类。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筒直径约o 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。另外，由于拌和料在拌筒内受离心力的作用，搅拌筒 存在临界转速限制，因此，搅拌效率比较低，生产率很难提高。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。因为工作机构的转速低，所以搅拌时间较长，生产效率也比较低。 ( 二) 低效区的存在与危害 强制式搅拌机是借助于搅拌叶片对物料进行强制导向搅拌的。无论是立轴式 还是卧轴式、铲片式叶片还是螺旋带式叶片，其基本结构和工作原理大致相似。 其拌筒一般呈圆形，垂直或者水平设置的搅拌轴通过拌筒中心，搅拌臂固定在搅 拌轴上，搅拌叶片安装在搅拌臂外端。显然，在搅拌轴转动时，搅拌臂上每一点 的线速度是不同的。由于每一点的线速度与它距搅拌轴心的距离成正比关系，即 有 v = 尺 ( 1 1 ) 式中： v 搅拌臂上某点的线速度，n l s ； 搅拌轴转速，s ； r 搅拌臂上某点至搅拌轴心的距离，m 。 3 紊雪器重囊 趋骂雾雩磐 妄呈羔辽虢 裂露g 一篱攀 4 水化作用的面积减小，致使包裹砂予的水化物相对减少，降低了混凝土的强度， 同时未水化水泥的后期水化会对已硬化混凝土造成损害“”，原因是在几乎没有 毛细孔的密实硬化水泥浆体内，后期水化产物得不到可供扩展进入的孔体积，导 致内压力增大而产生微裂缝。因此，必须要把聚团的水泥颗粒分开，使其尽可能 接近图1 3 所示的理想分布状态，充分发挥水泥的作用。 ( 四) 界面强度低 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，因此普通 混凝土的强度主要取决于水泥石的强度和界面粘结强度。由于骨料具有亲水性， 吸附了一层较厚的水膜，其表面处水灰比往往低于设计水灰比，水泥颗粒距离骨 料界面较远，在骨料界面处生成的凝胶数量偏少，对骨料的包裹不严密。同时， 骨料表面常覆盖一层灰尘及粘土，也有碍界面集合层的形成。因此界面过渡区往 往会成为混凝土最为薄弱的环节n ”。通过对比试验可发现，若混凝土骨料与水 泥石结合良好，则骨料发生粉碎性破坏，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。图卜4 是对比试验结果， 图( a ) 对应的混凝土试块抗压强度为2 7 2 9m p a ，图( b ) 对应的混凝土试块抗压强囊 度仅为2 5 3 3m p a 。 ：? ( j ) 骨料粉碎性破坏( b ) 界面首先破坏 圉1 - 4 混凝土破坏情况对比 因此，在搅拌过程中必须要加强物料的对流、扩散、剪切运动，使混和料各 组分相互碰撞，相互渗透，清洁集料，破坏骨料表面水膜，加快水泥颗粒的弥散 分布，从而改善界面过渡区结构，增强界面粘结强度。 1 2 2 课题的提出 显然，仅仅依靠传统的搅拌技术不能解决上述问题，必须寻求新的搅拌方法 5 或新型搅拌装置来对搅拌过程进行强化。 1 、物理强化方法4 1 物理强化方法很多。在搅拌过程中，采用破碎强化的方法，将水泥颗粒迸 一步破碎，使其表面积增大，由于新破碎的表面具有较高的表面活化能，使得水 泥水化作用反应加快，强度得到提高。 在搅拌过程中也可采用超声波作用或电磁波作用等辅助手段，对混凝土各组 分进行活化，也可以改善混凝土的工作性能。 调节混凝土生产时的温度，相应地控制拌和过程中混凝土结构形成时的物理 一化学过程的速度、温度值及持续时间，也是一种有效的强化方法。 值得一提的是利用电极放电来活化搅拌用水，可提高水泥混凝土的抗压强度 1 0 0 ，或者保证混凝土抗压强度不变时，生产每立方米混凝土节约水泥7 0 8 0 k g ，而硬化时间缩短一半以上。 2 、化学强化方法4 1 化学强化方法主要是指采用控制和调节混凝土性能的各种外加剂。外加剂的 普遍使用已成为混凝士的第五种组成材料，形成了水泥混凝土材料科学发展的新 突破。目前常用的外加剂按照功能来说可大致分为四类：( 1 ) 改善混凝土拌和物 流变性能的外加剂，包括各种减水剂、引气剂和泵送剂等；( 2 ) 调节混凝土凝结 时间、硬化性能的外加剂，包括缓凝剂、早强剂等：( 3 ) 改善混凝土耐久性的外 加剂，包括防冻剂、防水剂和阻锈剂等；( 4 ) 改善混凝土其它性能的外加剂，包 括加气剂、膨胀剂、着色剂等。 这些外加剂的应用大大改善了混凝土凝固前的工作度，并使混凝土硬化过程 中一系列性能得到事前控制，不仅能够缩短加工工序，节约能源，还可以随心所 欲的控制混凝土的凝结硬化速度。外加剂的掺加，还为改进混凝土加工工艺创造 了条件。 3 机械强化方法 机械强化主要是在搅拌过程中采用机械的方法来控制混凝土复杂的结构形 成过程，从而改善搅拌效果，提高搅拌质量。目前常用的方法有以下几种： ( 一) 搅拌装置参数优化法 搅拌装覆是搅拌机的核心，直接决定着混凝土的搅拌质量和效率。在现有搅 拌机的基础上，可以通过优化搅拌装置参数来强化搅拌过程，从而改善搅拌效果。 搅拌装置的结构和运动参数主要包括搅拌臂的排列形式、搅拌叶片安装角度、拌 筒长宽比和搅拌速度等等。对搅拌参数进行合理的匹配，可以实现良好的物料对 流和扩散运动，从而达到提高搅拌质量和效率的目的。 除了已被淘汰的鼓筒式搅拌机，目前所有合格的搅拌机都能保证拌筒内的物 料运动在三维空间进行“。对于具有圆筒形壳体的搅拌机，可以采用圆柱坐标 将物料运动分解为三部分：轴向运动( z ) 、周向运动( 口) 和径向运动( r ) ，如图 卜5 所示。整个搅拌过程就是空间三维坐标方向不同形式运动的有机组合。显然， 只有在保证拌筒不同坐标方向的物料，达到要求均匀度的搅拌时间相近时，整机 的搅拌时间才能够最短。因此，搅拌装置优化的目标就是，在给定的搅拌时间内， 保证拌筒三维坐标方向能够同时达到较好的均匀性。一般来说，沿三个坐标方向 同时达到要求的均匀度是很困难的，总是有 先有后。本文提出的搅拌低效区现象，就是 由于径向存在速度梯度，且径向尺寸相对较 大，因而导致物料在该方向最难拌匀。 对双卧轴搅拌机的搅拌装置进行了优 化研究n ”。根据提出的优化目标，利用正 交试验，对单轴搅拌臂相位及其排列( 9 0 0 、 6 0 0 或4 5 。，正排列或反排列) ，双轴搅拌臂 相位及其排列( 交错或平行，正反、正正或 图1 5 具有圆筒形壳体的搅拌机简图 反反) 进行了优化，并使其与叶片安装角、搅拌线速度、拌筒长宽比等参数相匹 配，可有效地改善搅拌效果。 ( 二) 振动搅拌法 振动搅拌是强化混凝土生产过程，提高 搅拌质量和效率的较合理方法。众所周知， 混凝土混合料在振动时，它内部的各个颗粒 在振动波的影响下，将围绕某种不稳定平衡 的中间位置作连续不断的强迫振动，并且使 相邻粒子振动而发生位移，物料颗粒间的相 l f l i 、 对运动频率增加，从而使颗粒之间的摩擦力和粘着力急剧减小，物料作用于搅拌 叶片上的平均切线运动阻力显著降低( 如图卜6 所示) ，物料的循环流动得到加 强，这就为低效区的消除创造了较为有利的条件；在搅拌的同时旅加振动作用， 还可以破坏水泥凝聚团，使水泥颗粒均匀分布，提高水泥的利用率。而且，振动 搅拌使各组分的运动速度加快，物料颗粒间相互碰撞的次数增多，不仅促进对流 运动，还可以净化集料表面，增加水泥和集料间的粘结力。 对立轴式和连续式振动搅拌机进行试验研究，结果表明振动搅拌能有效提高 搅拌质量和效率“1 ，但其集中的振动源所需的振动强度太大，导致激振器轴承 寿命较短。本文采用搅拌轴和搅拌叶片及臂作为振动活化源，振动和强制搅拌相 结合的方法，将激振器与搅拌机构一体化设计，并应用于双卧轴搅拌机上。此方 案振动作用面积和空间大，振动能量分布均匀，所需振动强度小，不仅能有效改 善搅拌效果，还保证了振动搅拌机的工作可靠性。 ( 三) 双排搅拌叶片法 低效区的形成原因在于：搅拌机内搅拌速度较低的区域，混凝土组分得不到 烈，进一步增强微观的扩散作用，从而有效 1 一主叶片2 揽拌轴3 一副叶片 地消除搅拌低效区和水泥团聚现象，达到宏 图卜7 双排搅拌叶片结构示意图 观和微观均匀，其结构如图卜7 所示。 从图卜7 可以看到，主、副叶片以各自的轴向安装角和径向安装角，相对固 定连接在搅拌轴两侧，当搅拌轴按某一固定旋向转动时，主、副叶片对物料的推 力可分解成各自的周向力、轴向力和径向力。周向力的作用使物料在与搅拌轴垂 直的平面内绕轴转动，并在到达一定高度后自由下落，如图中所示的垂直于纸面 的z 1 、z ，方向；轴向力的作用使物料沿着搅拌轴方向运动，并且主、副叶片推 动物料的轴向运动方向可以相同，也可以相反，如图中所示的x 、y 2 方向；径向 力的作用则使物料沿着搅拌臂方向流动，并且主、副叶片推动物料的径向运动方 向相反，如图中所示的石，、x ：方向。实际的搅拌过程就是这三种运动形式的综 合。与普通强制搅拌机相比，这种结构增强了物料的径向运动，使靠近拌筒内壁 的物料和靠近搅拌轴的物料形成强烈的对流运动，从而保证整个拌筒空间内的物 料都得到了充分拌和。 采用双排搅拌叶片结构，不但能强化混凝土搅拌过程，提高搅拌质量，而且 还可以减小拌筒磨损区域，降低磨损强度，混凝土的抱轴问题也得到了有效改善。 ( 四) 机械综合强化法 机械综合强化法是将双排叶片搅拌和振动搅拌综合应用的一种强化方法。搅 拌装置采用双排叶片的同时增加振动作用，从而降低低效区的不利影响，消除水 泥颗粒的团聚现象，改善界面过渡区结构。 相对于物理、化学方法，机械强化方法简单可靠，易于实现，制造和维护成 本增加不大，对环境影响较小，能有效提高搅拌质量和效率，是一种较为经济有 效的方法。另外，物理一化学强化方法也可与机械强化方法综合应用。因此本文 提出了搅拌过程的机械强化研究课题，并对各种机械强化方法加以试验研究，寻 求出较佳的参数匹配关系。 1 2 3 课题研究意义 我国水泥产量位居世界第一，目前年产混凝土约1 5m ，搅拌设备的年产量 也居世界首位。但相对而言，我国的搅拌设备技术含量较低，缺乏核心技术。目 前，我国每拌和1 立方米混凝土要比发达国家多消耗水泥8 0 公斤啪，对资源、 能源和环境的影响很大。我国提出“十一五”期间要加快建设节约型社会，要求混 凝土搅拌设备向高效率、高质量方向发展，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。 对搅拌过程进行强化，就是为提高混凝土搅拌设备的搅拌质量和效率而确立 的课题。在现有强制式搅拌机基础上，增加强化作用来增强物料的宏观对流运动 q 和微观扩散运动，使各组分混和均匀，水泥水化充分，降低骨料界面水灰比，提 高骨料界面粘接性能。在不增加资源消耗的前提下保证混凝土使用的基本要求， 有效改善混凝土的工作性能。 该研究有良好的经济和社会效益。如仅就生产水泥混凝土时可节约水泥一项 指标而言，我国2 0 0 5 年的水泥产量约十亿吨，若3 0 用于水泥混凝土则需水泥 3 亿吨，采用强化方法来加强搅拌过程，能在保证混凝土强度不变的情况下节约 水泥1 5 2 0 ，这样可节约水泥0 4 2 0 5 6 亿吨。以市场价每吨3 0 0 元计算， 每年节约水泥价值约人民币1 2 6 1 6 8 亿元。同时，水泥是一种不可再生资源， 节约水泥可降低资源和能源浪费，减小对环境的影响，符合可持续性发展的社会 要求，有良好的社会效益。 1 3 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 ) 机械强化理论及搅拌机构参数分析； 、 ( 2 ) 双排叶片搅拌技术试验研究与结果对比分析； ( 3 ) 振动搅拌技术试验研究与结果对比分析： ( 4 ) 综合强化技术的试验研究与结果对比分析。 为了达到本课题研究目的，以及满足采用强化方法后搅拌设备所得混凝土技 术性能等各项性能指标要求，完成搅拌装置各参数的匹配和优化，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，针对各种 强化方法的搅拌特点和新拌混凝土结构及流变特性，提出搅拌实现方案，完成搅 拌机驱动机构和搅拌装置的的设计，为试验研究提供理论依据和试验基础；另一 方面，利用搅拌样机进行试验研究，确定试验样机的参数匹配关系，并通过实验 结果的对比，完成对理论分析的检验，为机械强化技术在搅拌中的应用奠定基础。 1 0 第二章搅拌参数的理论分析 2 1 混凝土搅拌理论 2 1 1 新拌混凝土的流变特性 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 ( 8 胁曲4 m ) ，其流变特性可表示为跚1 弘 呀等 ( 2 - 1 ) 式中：f 一混凝土的实际剪切力； 功一屈服剪应力； ，7 混凝土的塑性粘度； 粤一混凝土的剪切变形速率。 d f 屈服剪应力和塑性粘度，7 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； 叩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。 0 f lt o? 图2 1 新拌混凝土粘一塑性随剪应力变化关系 图2 一l 表示了塑性粘度叩与剪应力f 以及变形速率d v 肚与剪应力f 的关系曲 线m 1 。可以看出，当d w 出小于某值时，r 小于某定值_ r 。，叩具有确定的最大值叩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 肚的增加，百值增加，卵则大大降低。这时混凝土混合料的 k 一 i l _ ， r 、协 凝聚结构开始破坏，表现出较好的流动性；当咖肚增大到某一值时，f 达到“值， 叩下降到最小值。此时混凝土的凝聚结构完全遭到破坏，流动性达到最佳。 这之后叩不再随着咖肚或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间的相互作用关系。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“”。 从图中可以看出，混凝土搅拌的动态过程分 为三个阶段：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。 h t 】t 图2 _ 2 搅拌的动态过程曲线 “时刻起各组分主要是在搅拌机的工作容积内扩散分布，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( 段) ，与此同时离析的过程也加快。 这两种相反的过程从某时刻f 。起达到动态平衡。 此后，搅拌的实际意义已经不大，因为均匀度变化很小( 段) 。个别情况时， 上述相反过程的平衡要比搅拌质量最优的f 。时刻稍晚( 段曲线2 ) 。在i i 段和 段，物料颗粒重新分布的速度不仅取决于物料的运动特点，而且还取决于物料的 结构流变特性，比如颗粒的大小、相间表面的大小和粘结力的值等。 对于具有圆柱形壳体的搅拌机，搅拌过程是空间三维坐标方向不同形式运动 的有机组合。因此，只有在保证拌筒不同坐标方向的物料，达到要求均匀度的搅 拌时间相近时，整机的搅拌时间才能够最短，这就是搅拌参数优化的目标。 2 2 搅拌参数理论分析 强制式搅拌机根据工作原理的差异，其结构有所不同，如有立式和卧式之分， 卧式又有单轴和双轴之别。目前，双卧轴搅拌机以其自身不可取代的优点，逐渐 成为工程应用的主流机型。本文即以双卧轴搅拌机为应用目标，进行参数优化和 匹配研究，其结论具有普遍意义。 就搅拌主机而言，双卧轴搅拌机主要由动力及传动机构、搅拌机构和辅助机 构等组成，搅拌机构作为搅拌主机的核心，其几何和工作参数对搅拌主机的性能 和混合料搅拌质量起决定作用。双卧轴搅拌机的搅拌参数可分为结构参数、运动 参数以及工艺参数三种，如表2 1 所示。 2 2 1 结构参数 结构参数是指搅拌机构的几何参数，主要包括叶片安装角、搅拌臂排列形式、 主副叶片关系以及拌筒长宽比。结构参数决定了搅拌过程中物料的运动形式，对 搅拌效果有很大影响。 。 ( 一) 叶片安装角 叶片安装角是搅拌机的主要结构和工作参数 之一。普通强制式搅拌机只有主叶片轴向安装角， 而双排叶片搅拌机则增加了副叶片轴向安装角和 主、副叶片的径向安装角。其中，轴向安装角的 图2 3 叶片安装角示意图 表2 1 双卧轴搅拌参数分类表 导 结构参数运动参数工艺参数 叶片安装角度 搅拌臂排列形式 主副叶片关系 振动参数 容 主主副 副 苴 双轴排列 拌 叶叶叶叶 轴 筒 搅搅积 片片片片 相 位排 方向螺旋 长 拌拌利 轴径轴径 位 置列关系关系 宽 振频速时用 幅 蛊 度 间系 耋 向向向向 角 关关 比 数 角角角角系 系 普 通 强 制 双 挥 叶 片 振 动 ， 搅 拌 综 合 强 化 定义为：搅拌叶片面内搅拌臂轴线的垂线与搅拌轴轴线的夹角，见图2 3 中的口 角；径向安装角的定义为：搅拌叶片面与对应的搅拌臂轴线的夹角，见图2 3 中的卢角。图中，搅拌轴轴线与x 轴平行，搅拌臂轴线与y 轴平行。 搅拌机工作时，拌筒内的搅拌叶片应推动物料沿拌筒的周向、轴向和径向循 环流动，从而实现物料在三维空间内的运动。当径向安装角过小时，叶片主要 带动物料绕搅拌轴转动和沿轴向流动，缺乏必要的径向运动，不能有效加强低效 区内的物料流动；当径向安装角芦过大时，叶片推动物料的周向和轴向运动就很 弱，物料得不到良好的扩散和对流。同理，轴向安装角a 也不宜太小或太大。因 此，只有选定合理的叶片安装角，才能保证混合料在周向、轴向和径向循环都得 到最有效的拌和。经理论分析和计算，径向安装角和轴向安装角的取值范围均为 3 】4 0 0 【”j 。 1 4 ( 二) 搅拌臂排列形式 搅拌臂排列形式是影响搅拌质量和效率的重要参数。合理的搅拌臂排列形式 应能保证物料实现配合良好的轴向大循环运动和轴间小循环运动。此外，还要保 证在搅拌过程的任一瞬时参与搅拌的叶片数目相等，以便达到电机负荷均匀，减 少冲击的目的。目前常用的都是搅拌臂围流排列。 单根轴上相邻的两个搅拌臂的相位关系比较常见的有9 0 0 、6 0 0 和4 5 0 三种形 式，相邻两个搅拌臂的排列则有正排列和反排列之分。正排列的规定是，当逆着 混合料流动方向看，搅拌臂排列的相位方向应与搅拌轴转向相同；当顺着混合料 流动方向看，二者方向相反。相反的情况就是反排列。也可以直观地辨别为：搅 拌叶片能形成连续螺旋的是正排列，反之为反排列，如图2 4 所示。由于单根轴 上有正反排列两种形式，双轴上相邻搅拌臂的关系则有三种组合：双正排列、正 反排列以及反反排列。对于双排叶片搅拌机来讲，小叶片与大叶片成对安装，其 排列由大叶片的排列决定。 ( a ) 搅拌臂正排列 ( b ) 搅拌臂反排列 图2 - 4 单根轴上搅拌臂排列形式 两轴搅拌臂位置关系有两种，即平行布置和交错布置。如图2 5 所示。 弋 一， 、 一 i 、 少 ( a ) 交错排列( b ) 平行排列 圈2 5 双轴搅拌臂布置示意图 ( 三) 主、副叶片关系 主、副叶片关系是双排叶片搅拌机特有的搅拌参数。由于搅拌装置增加了副 叶片，一方面加强了物料的径向运动，另一方面也影响了物料的轴向运动。主、 副叶片关系就是指主、副叶片对物料的轴向作用关系，包括方向关系和排列关系 两个方面。其中方向关系是指主、副叶片对物料的轴向推动方向，有同向和反向 两种关系。排列关系也有两种，一种是主、副叶片各自作用，形成两个大小不同 的同径螺旋；一种是主、副叶片交替作用，形成两个相互交错的变径螺旋。 以搅拌臂6 0 0 相位，正排列为例说明主、副叶片关系，见图2 6 。图( a ) 为 同径反向排列。随着搅拌轴转动，主叶片1 将物料向右推动，此后搅拌轴每旋转 一个相位6 0 0 ，物料依次达到主叶片2 ，3 ，4 ，5 ，6 ；与此同时，副叶片6 将物 料推向左方，搅拌轴每旋转一个相位3 0 0 0 ，物料依次达到副搅拌叶片57 ，4 ， 37 ，27 ，l7 。整个搅拌过程，主、副叶片各自作用，形成两个大小不同的同径 螺旋，并且对物料的轴向作用方向相反，即主、副叶片同径反向排列。 巍豁群高 6 ( a ) 同径反向捧列 变径同向排列 图2 _ 6 搅拌臂正排列时的主、副叶片关系 z ( a ) 变径反向排列佃) 同径同向排列 图2 7 搅拌臂反排列时的主、副叶片关系 同理，可知主副叶片的关系有四种形式：同径同向、同径反向、变径反向以 及变径同向，如图2 6 、2 7 所示。 可以看出：当主副叶片反方向时，二者将推动物料沿轴向形成逆流运动，从 而增强物料各组分间的碰撞和揉搓作用，但同时会削弱物料的轴向流动，减慢物 料的大循环运动；而主、副叶片同方向时，物料的轴向运动则会得到加强，可以 1 6 使物料获得更多的流动次数。 4 、拌筒长宽比 拌筒长宽比是搅拌机的基本几何参数。 目前双卧轴搅拌机的拌筒主要分为两类：一 类是深底宽短形，长宽比e 毛矽基本在 0 7 0 9 之间，长径比k = l d 值基本在 1 2 1 4 之间；另一类是浅底窄长形，其 长宽比的值控制在1 0 5 1 2 之间，长径比 的值为2 左右。但无论哪种形式，长宽比都 图2 - 8 拌筒几何示意图 不能太大n “。因为要保证物料在拌筒三个坐标方向同时达到较好的均匀性，太 长的拌筒，势必减少物料的轴向循环流动次数，从而不利于实现快速均匀分布。 而且，过长的搅拌筒还会导致搅拌轴过长和搅拌叶片数量的增加，这样不但增加 制造成本，而且搅拌轴过长还会降低轴的剐度，过多的叶片则会增大骨料被挤碎 的可能性。相反，拌简长宽比也不能太小，过小的拌筒会引起搅拌空间狭小，造 成物料流动不畅，影响搅拌效果。同时，在保证搅拌质量的前提下，还应考虑外 观结构美观和节省制造材料等综合效益。综合考虑，双卧轴搅拌机的长宽比范围 为o 7 1 3 ”。 2 2 2 运动参数 运动参数指搅拌机工作时的参数，对于般搅拌机主要指搅拌线速度，有振 动作用的还包括振动参数，即振幅和频率。 l 、搅拌线速度 搅拌线速度是影响搅拌质量和效率的重要参数，其大小主要取决于搅拌轴转 速脚。和叶片端部到搅拌轴心的距离r 。但实际上，由于搅拌臂上存在速度梯度， 叶片上各点的线速度是不一样的，所以严格地讲，搅拌线速度是指搅拌叶片端部 的最大线速度。 图2 9 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 1 ”。由图可见，搅拌速度低，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。这是因为速度大时离心力也大，物料易发生离析。同时， 叶片线速度较高时，易发生碎石楔在搅拌机衬板和叶片端部缝隙之间的现象，不 仅增大功率消耗，还会加剧叶片和衬板磨损以及增加骨料二次破碎的概率1 。 装 v 毯 骥 出 撼 靛 罂 ，：， ，1， 。7t 3 漪。+ 4 i lz i x v 籁 谣 j | l l j 犍 1 5 1 0 5 ，e 1 、弋2 、 ， 。、3 搅拌时间( s ) 图2 - 9 叶片线速度与相对强度及离差系数的关系 1 - o j 6 m ，s2 1 3 m ，s3 一1 8 i n ，s4 2 3 m s 因此，搅拌叶片的线速度应有一个合理的取值范围，根据实际经验，一般设 计为1 4 1 6 m s 1 7 1 。 2 、振动参数 振动参数是振动搅拌机独有的运动参数，主要包括振幅和频率。本文设计的 双卧轴振动搅拌机采用激振器与搅拌机构一体化设计，振动作用面积和空间大， 振动能量分布均匀。为保证机器工作的可靠性和耐久性，参考普通振动机械的参 数选择范围，选定振动强度d ( d = 爿2 居) 小于6 。 在该振动强度下，振幅4 和振动圆频率的变化直接影响着振动搅拌的效 果。振幅偏小，物料颗粒的振动不足，降低了振动效果；振幅过大，会造成混合 料振离激振体表面，形成气隙，使振动衰减加快。因此，振幅应控制在一定范围 内，根据国外相关的设计经验，一般4 的取值范围为o 5 2 岫mn “。 对于振动频率，如果强迫振动的频率接近混合料的固有频率时，会产生共振， 此时衰减最小，振动搅拌效果最好。但是由于混合料中各种颗粒大小参差不一， 从o 0 0 1 3 0 m m 或更大，各组份材料都有适宜自身的最佳振动频率，而单一频 率的振动只能使部分组成材料得到最佳振动却不能顾及全部。所以，从振动效果 上看，理想的情况是对混凝土采用多级频率振动“1 。但实际上，由于每次搅拌 的混凝土组分和配合比都可能不同，以及振动在混凝土中传播的衰减，很难做到 对所有材料的适应性，而且多频振动也大大增加了工作机构的复杂程度，故一般 情况下仍采用单频振动。振动圆频率的取值范围可根据振动强度和振幅的大小来 确定。 2 2 3 工艺参数 搅拌工艺主要是指搅拌制度，主要考虑搅拌时间、容积利用系数以及投料顺 序等参数，也是搅拌机设计的重要内容。 l 、投料顺序 确定原材料投入搅拌机的先后顺序，应综合考虑提高混凝土的搅拌质量、减 少混合料粘罐和扬尘现象、降低能耗、提高生产率等几方面因素，其中搅拌质量 占首要地位。常采用的投料顺序有一次投料法和二次投料法等1 ”。一次投料法 是将砂、水泥、石子和水一同加入搅拌筒内进行搅拌。此时，供水方式对搅拌质 量和搅拌时间有较大的影响。二次投料法也称先拌水泥砂浆法，是先将砂、水泥 和水加入搅拌筒内制成水泥砂浆后，再投入石子搅拌成均匀的混凝土。目前工程 实际中，大多采用一次投料法。 2 、搅拌时间 搅拌时间是指从所有物料投入搅拌筒时起至混凝土混合料开始卸出时为止 所经历的时间。它直接决定了物料在搅拌机内受各种搅拌作用的持续时间，是影 响搅拌质量的重要因素。不同类型的搅拌机和不同坍落度的混凝土有着不同的最 佳搅拌时间。在保证混凝土搅拌质量的前提下，搅拌时间的选取应尽可能的短。 3 、容积利用系数 搅拌机的容积利用系数是指搅拌机的出料容积与几何容积之比，它的确定主 要以搅拌质量的优劣为依据。显然，在确保搅拌质量的前提下，容积利用系数越 大，搅拌机的生产能力也就越大。但是，随着容积利用系数的增加，搅拌功率急 剧上升，而且由于物料的拥挤，也减少了被翻拌的机会，降低了搅拌效果，从而 导致搅拌质量恶化。因此，容积利用系数的增加是有限的。根据设计标准规定， 搅拌机的出料容积与进料容积之比为0 6 2 5 ，而几何容积应大于进料容积。此外， 搅拌机还应具备l o 的超载能力。于是， 容积利用系数2 等瓦五募老万丽铷5 8 ( 2 _ 2 ) 综上所述，影响搅拌质量的参数较多，各参数之间也相互制约，相互影响。 具体参数的取值应综合考虑其它因素，并通过试验来确定各参数之间合理的匹配 关系。 1 9 第三章振动强化方法的试验研究 3 1 试验样机设计 3 1 1 样机总体设计 根据已确定的振动搅拌方案，在现有的双卧轴搅拌机的基础上设计了振动搅 拌试验样机。样机主要性能见表3 一l ，结构如图3 1 所示。 表3 - 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 l1 0 0 搅拌轴线速度n 以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4m m 1 o 可调 振 振动圆频率 s 12 3 0 1 可调 器 振动强度d4 1 3a 2 慷 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d 劬5 0可调 振电 型号y l l 一2 动机 功率 l 【w 3 输出转速“蛐 3 0 0 0可调 ( a ) 样机结构总图 ( b ) 搅拌传动结构图( c ) 振动传动结构图 图3 1 试验样机结构图 由于试验条件的限制并且也为了简化设计，样机没有拌筒衬板和上料机构， 2 0 在试验过程中依靠人工进行投料。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。 样机拌筒可实现长宽比的变化。在搅拌筒中横置挡板，即保持拌筒宽度不变 而对拌筒长度进行调节。挡板的形状与搅拌筒横截面是一致的，可以通过螺栓固 定在与拌筒焊接的角钢上，从而改变拌筒长宽比。设计拌筒长宽比分别有1 1 1 、 1 以及0 7 8 三种形式。不同长宽比时拌筒的 容积利用系数分别为：拌筒长宽比为1 1 1 ( 窄长形) 的利用率为o 1 8 ，长宽比 为1 ( 方形) 时为0 2 1 ，长宽比