（机械设计及理论专业论文）搅拌低效区及其消除方法的研究.pdf

摘要 强制式搅拌机是随着混凝土及其施工工艺的发展而逐渐发展起来的机型，具 有搅拌质量好、生产效率高的优点，因此在目前的混凝土搅拌设备中得到了广泛 应用。搅拌低效区是该类机型的固有缺陷，严重地影响了混凝土的搅拌质量和效 率。但目前国内外普遍对这一问题缺乏认识，没有进行过专门的研究。本文针对 强制式搅拌机的低效区问题，对其产生原因及消除方法进行了系统的研究。 论文首先从混凝土的搅拌理论出发，分析了传统搅拌概念的片面性，通过对 混凝土形成过程中混合料运动规律及搅拌装置与混合料闻相互作用关系的研究， 提出了新的搅拌概念，认为一个完善的搅拌过程，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；并在此基础上，提出了以均匀度和强度为检验指标 的搅拌设备性能评价的新的指标体系。 从搅拌机结构和混凝土的流变特性出发，分析了强制式搅拌机低效区产生的 原因，揭示了搅拌装置存在的速度梯度问题：同时根据新的搅拌概念，提出了3 种消除或减弱低效区的方法，并对各自的消除机理和效果分别进行了阐述，指出 要有效地消除低效区，必须采用其它辅助方式或对现有结构进行改进。 根据提出的振动搅拌和双排搅拌叶片结构，本文以普遍使用的双卧轴搅拌机 为应用目标，分别研制了双卧轴振动搅拌和双排叶片搅拌的试验样机，通过理论 分析和试验研究相结合的方法，研究了相应搅拌机的工作机构参数对搅拌质量的 影响，确定了各参数的合理取值范围及相互匹配关系，测定了样机的工作性能并 与普通强制搅拌进行了对比试验。试验结果表明，振动搅拌法和双排搅拌叶片结 构能有效地消除搅拌低效区，提高混凝土的搅拌质量和效率。 论文最后还对消除低效区的工业化应用进行了研究，分别设计了双卧轴振动 搅拌和双排叶片搅拌的工业样机，并且初步完成了双排叶片搅拌机的工业化试 验证明了这种消除方法的可行性和有效性。 关键词：混凝土搅拌强制式搅拌机低效区搅拌质量效率 消除方法参数优化振动搅拌双排叶片试验研究 r e s e a r c ho nm i x i n gi n e f f i c i e n tz o n ea n d i t se l i m i n a t i n gm e t h o d s a b s t r a c t ：f o r c e da c t i o nc o n c i t em i x e rh a sd e v e l o p e da l o n gw i t ht h ed e v e l o p m e n to f c o n c r e t ea n dc o n s t r u c t i o nt e c h n i q u e i nt h ec u r r e n tc o n c r e t em i x i n ge q u i p m e n t ，t h i s t y p eo fm i x e rh a sb e e nw i d e l yu s e df o ri t sa d v a n t a g eo fh i g hm i x i n gq u a l i t ya n d p r o d u c t i v i t y m i x i n gi n e f f i c i e n tz o n ei st h ei n h e r e n td e f e c to ft h ef o r c e da c t i o nm i x e r , w h i c hs e r i o u s l ya f f e c t st h em i x i n gq u a l i t ya n de f f i c i e n c y h o w e v e r , t h e r ei sn o k n o w l e d g ea n dc o r r e s p o n d i n gr e s e a r c ho nt h ep r o b l e mo f i n e f f i c i e n tz o n ei nt h ew o r l d a tp r e s e n t f o rs o l v i n gt h i sp r o b l e m ，t h ec a u s a t i o na n de l i m i n a t i n gm e t h o d so ft h e i n e f f i c i c n tz o n ew e r es t u d i e d t h i st h e s i sb e g a nw i t hc o n c r e t e m i x i n gt h e o r y , a n a l y z e do n e s i d e d n e s so f t r a d i t i o n a lm i x i n gc o n c e p t a c c o r d i n gt ot h em o v e m e n to fc o n c r e t em i x t u r ea n dt h e m u t u a le f f e c t - r e l a t i o nb e t w e e nt h em i x i n gm e c h a n i s ma n dm i x t u r ei nt h em i x i n g p r o c e s s ，an e wm i x i n gc o n c e p tw a sp u tf o r w a r d i ti sc o n s i d e r e dt h a tag o o d c o m b i n a t i o no fc o u n t e r c u r r c n ta n dd i f f u s i v em o v e m e n tn e e dt ob eo b t a i n e df o rt h e m i x t u r ei nt h ep e r f e c tm i x i n gp r o c e s s o nt h eb a s i so ft h en e wm i x i n gc o n c e p t ，an e w c r i t e r i as y s t e mf o rp e r f o r m a n c ea s s e s s l n e n to fc o d c r e t em i x i n ge q u i p m e n tw a s e s t a b l i s h e d ，w h i c hu s e du n i f o r m i t ya n ds t r e n g t ho f c o n c r e t ea st e s t i n gi n d e x e s s t a r t i n gf r o ms t r u c t u r eo f t h em i x e ra n dr h e o l o g i c a lc h a r a c t e r i s t i c so fc o n c r e t e ， t h ec a u s a t i o no fi n e f f i c i e n tz o n ef o rt h ef o r c e da c t i o nm i x e rw a sa n a l y z e d v e l o c i t y 、 g r a d i e n to ft h em i x i n gm e c h a n i s mw a sr e v e a l e d a c c o r d i n gt ot h en e wm i x i n g c o n c e p lp a r a m e t e r so p t i m i z a t i o no fm i x i n gm e c h a n i s m ，v i b r a t o r ym i x i n gm e t h o da n d t h es t r u c t u r eo f d o u b l e - r o wb l a d e sw e r eu s e dt os o l v et h ep r o b l e mo fi n e f f i c i e n tz o n e e l i m i n a t i o np r i n c i p l ea n de f f e c to fd i f f e r e n tm e t h o d sw e i ed i s c u s s e d t h er e s u l t s i n d i c a t et h a ti ti sn e c e s s a r yt ou s ea u x i l i a r ym e a n s o ri m p r o v et h ee x i s t i n gs t r u c t u r eo f t h em i x e rf o re f f e c t i v e l ye l i m i n a t i n gt h ei n e f f i c i e n tz o n e e x p e r i m e n t a lp r o t o t y p e so fv i b r a t o r ym i x e ra n dd o u b l e _ r o wb l a d e sm i x e rw e r e d e s i g n e db a s e do nd o u b l e - h o r i z o n t a l s h a f t sm i x e r b yt h e o r e t i c a la n a l y s i s a n d - a 2 e x p e r k n e n t a lr e s e a r c h ，t h ei n f l u e n c eo fw o r k i n g m e c h a n i s m sp a r a m e t e r so ft h e c o r r e s p o n d i n gm i x e ro nm i x i n gq u a l i t yw a ss t u d i e d ，a n dr a t i o n a lr a n g ea n dm a t c h i n g r e l a t i o n s h i po fp a r a m e t e r sw e r er e c o m m e n d e d f i n a l l w o r k i n gp e r f o r m a n c ew a s t e s t e d , a n dc o 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 ef o r c e da c t i o nm i x e rw a sm a d e t h e e x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tt h em e t h o d so fv i b r a t o r ym i x i n ga n dd o u b l e - r o wb l a d e s c a r te l i m i n a t et h ei n e f f i c i e n tz o n e ，a n di m p r o v em i x i n gq u a l i t ya n de f f i c i e n c y a tl a s t , i n d u s t r i a la p p l i c a t i o no f t h e d i m i n a f i n gm e t h o d sw a sp r e s e n t e d i n d u s t r i a l p r o t o t y p e so fv i b r a t o r ym i x e r 、析t 1d o b l e h o r i z o n t a ls h a l e sa n dd o u b l e - r o wb l a d e s m i x e rw g r ed e s i g n e d b a s e do nt h ei n d u s t r i a le x p e r i m e n to f d o u b l e r o wb l a d e sm i x e r , t h e f e a s i b i l i t ya n de f f i c i e n c yo f t h i sm e t h o dw a sv e d f i e d k e yw o r d s ：c o n c l * e t em i x i n gf o r c e da c t i o nm i x e ri n e f f i c i e n tz o n e m i x i n gq u a l i t y m i x i n ge f f i c i e n c ye l i m i n a t i n gm e t h o d sp a r a m e t e r so p t i m i z a t i o n v i b r a t o r y m i x i n g d o u b l e - r o wb l a d e s e x p e r i m e n t a lr e s e a r c h 。a 3 第一章引言 1 1 搅拌技术和搅拌设备发展综述 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。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f l 】。 国外生产搅拌设备的时间比较早。1 9 世纪4 0 年代出现的以蒸汽机为动力源 的自落式搅拌机，其拌简是多面体状的木制拌筒，使用国家有美国、德国和俄国 等。1 9 世纪8 0 年代开始用铁或钢件代替木板制成搅拌简，形状仍为多面体。1 8 8 8 年法国申请登记了第一个用于修筑战前公路的搅拌机专利。2 0 世纪初，圆柱形 的搅拌筒才开始普及，形状的改进避免了混凝土的凝固沉积，提高了搅拌质量和 效率。1 9 0 3 年德国在s t a r b e r g 建造了世界上第一座预拌混凝土搅拌站，开创了预 拌混凝土的先河。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 动机成为了主要的动力源。美国从1 9 1 3 年开始生产预拌混凝土，日本从1 9 4 9 年 开始生产预拌混凝土。随着对工程质量要求的提高和环境保护意识的加强，预拌 混凝土技术的推广势在必行。6 0 7 0 年代是国外预拌混凝土高速发展时期，在 8 0 年代达到全盛。目前，美国、西欧、日本等经济发达国家的商品混凝土已达 到混凝土总量的7 0 9 0 左右【2 i 。 我国从2 0 世纪5 0 年代才开始制造搅拌机械。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士搅拌机，进料容量为4 0 0 l 和1 0 0 0 l 。 5 0 6 0 年代初期，我国的产品仅限于j g 型鼓筒式搅拌机。1 9 6 4 年。在测绘国外 样机盼基础上研制出j w 型立轴式搅拌机，开始了我国强制式搅拌机生产的新篇 章。1 9 6 6 年，长沙建设机械研究院与华东建筑机械厂联合研制出第一台搅拌站， 生产率为1 5 m 3 m 。7 0 年代8 0 年代初，我国陆续开发了j z 型双锥自落式和j d 、 j s 型卧轴强制式等新系列搅拌机产品，并于1 9 8 6 年完成了鼓筒式搅拌机的淘汰 和新系列搅拌机的升级换代。1 9 8 8 年以后，我国混凝土机械技术进步重点转向 开发商品混凝土成套设备。1 9 9 4 年，建设部将发展商品混凝土应用技术列为建 设部推广的1 0 项新技术之首。2 0 0 1 年，国家经贸委发布的散装水泥发展“十 血”规划中明确提出，到2 0 0 5 年，我国预拌混凝土生产能力要达到3 亿立方 米，预拌混凝土占混凝土浇注总量的比例将达到2 0 ，其中大中城市要达到5 0 d a 上1 3 1 。与经济发达国家相比，我国商品混凝土应用技术还属于起步阶段。 目前，国内外混凝土搅拌设备各总成的协调工作均由计算机控制来完成，可 根据混凝土产量和配合比要求实现自动化生产。我国产品与国外相比，在质量和 技术先进性方面存在着一些差距。随着知识经济的到来，高新技术已成为各国争 夺的焦点，智能化工程机械成为国内外工程机械的发展趋势【4 】。搅拌设备的智能 化就是要针对不同材料及配合b e ，对投料顺序、搅拌作业参数、搅拌时间进行集 成优化与控制，保证搅拌质量和效率最佳【5 1 。可以预测，搅拌过程的智能控制和 计算机管理将是今后搅拌技术和设备发展的重点和方向。 无论是传统的现场施工搅拌技术，还是现代的预拌混凝土搅拌技术，搅拌机 都是实施搅拌的直接设备，其功能是把配好的物料拌成均匀的符合质量要求的混 合物。搅拌机是随着混凝土的发展，以及对混凝土施工要求和规模的不断扩大而 逐渐发展起来。经过一个多世纪的发展，已形成了多种机型来满足不同混凝士的 搅拌要求。各机型在结构和性能上各具特色，可从不同角度进行分类，见表卜1 6 o 就其原理而言，基本可分为自落式和强制式两大类。 裹1 - 1 混凝土搅拌机的分类 分类方式作业方式搅拌原理安装方式 出料方式搅拌筒外形 周期式自落式固定式倾翻式梨形，锥形，鼓形 形式 连续式强制式移动式非倾翻式盘形，槽形，其它形 自落式搅拌机是依据物料的自落原理进行搅拌。其工作原理如图卜1 ( a ) 所 示，搅拌机工作机构为筒体，沿其内壁圆周方向固定有若干搅拌叶片。工作时， 拌筒绕一根水平轴线或倾斜轴线旋转，利用叶片对筒内物料进行分割和提升，直 到物料与搅拌叶片之间的摩擦力小于使物料下滑的重力分力时，物料靠自身重力 跌落，从而使各部分物料的相互位置不断进行重新分布丽得到均匀搅拌。通过搅 拌叶片相对旋转轴线成一定的偏角，可使物料产生轴向窜动，改善搅拌效果。这 种机型结构简单、功率消耗和叶片磨损均较小，但其搅拌强度不够剧烈，一般只 适宜搅拌塑性和半塑性混凝土。常用的这类搅拌机有：双锥反转出料搅拌机，双 锥倾翻出料搅拌机等。 双锥反转出料搅拌机是我国使用最广泛的现场搅拌单机【7 】。由于它采用正转 搅拌，反转出料的工作方式，因此存在一个重载启动的问题，搅拌机容量不能做 得很大，一般不超过l m 3 【引。双锥倾翻出料搅拌机则通过改变拌筒旋转轴线与水 平面的夹角来实现搅拌和出料。它的优点是容量大，容积利用系数高，而且由于 物料在拌筒内提升的高度不大，叶片不易被撞坏，所以特别适合搅拌含有大粒径 骨料的混凝土，因而在水工混凝土搅拌设备中应用较为广泛。 ( a ) 自落式搅拌机( b ) 立轴强制式搅拌机( c ) 卧轴强制式搅拌机 图1 - 1 混凝土搅拌机的工作原理示意图 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 ) 和( c ) 所示，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。常见的这类搅拌机有：立轴 涡桨式搅拌机，单卧轴搅拌机和双卧轴搅拌机等。 立轴涡桨式搅拌机的拌筒为环槽型，有效容积较小，因而拌简直径一般都设 计的比较大，导致叶片线速度比较高，磨损和能耗很大。卧轴式搅拌机的容积利 用系数要高于立轴式，因而在同等容量下，拌简直径小，叶片线速度低，磨损和 功率消耗小，并且物料不易离析，其经济技术指标要优于立轴式。单卧轴与双卧 轴相比，后者更适合做成大容量机型，而且综合性能最好 9 1 ，因而在我国目前的 混凝土搅拌设备中得到了最广泛的应用【旧】。 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。近年来，包括行星式【l i 】、复式1 2 ，13 1 、连续式1 1 3 1 4 1 搅拌机等在 内的新搅拌技术和搅拌机不断涌现，在降低能耗、提高搅拌质量和效率等方面都 有了新的突破，并有着较好的发展和应用。 行星式搅拌机是在立轴涡桨式的基础上发展起来的。根据结构形式可分为定 盘式和转盘式。其结构特点是：搅拌叶片的回转中心与拌简的几何中心不重合， 二者之间有一个偏心距。工作时，搅拌叶片除了有绕自身轴线的自转运动外，其 转轴与拌简中心轴线还有相对转动，如图卜2 所示。这种搅拌机叶片的运动轨迹 比较复杂，可以涉及到拌筒底面的任何位置，因而能对拌筒内的所有物料进行有 效搅拌。与立轴涡桨式相比，其突出的优点是拌筒容积利用系数高，叶片线速度 较低，功耗和磨损较小。转盘式由于功率消耗节约不明显，目前己逐渐为定盘式 所代替。 ( a ) 定盘式( b ) 转盘式 ( a ) 定盘式( b ) 转盘式 圈卜2 行星式搅拌机愿理及其物料轨迹示意图 复式搅拌机是为实施二次搅拌技术而开发的新机型。与传统的一次搅拌相 比，二次搅拌技术通过预拌水泥砂浆或水泥净浆的方法来保证水泥颗粒的充分水 化，从而提高搅拌质量。研究表明，在配合比不变的情况下，二次搅拌可以提高 混凝土强度约8 1 7 t 15 1 。该装置通过两台立轴涡桨式搅拌机上下叠放来实现二 次投料和二次搅拌，结构如图i - 3 所示。 工作时，首先在上层搅拌机中，用水泥、 砂和部分水预拌水泥砂浆，搅拌均匀后 送入下层搅拌机中，加入石子和另一部 分水一起搅拌成混凝土。这种搅拌机不 但能改善混凝土的搅拌质量，而且由于 上下两台搅拌机同时工作，生产效率也 得到显著提高。 圈i - 3 复式搅拌机结构示意圉 连续式搅拌机具有效率高、能耗低、可靠性好的优点，在发达国家的工程建 设领域，特别是路面工程中得到了广泛应用【嘲。其技术特点是连续进料、连续搅 拌和连续出料。与周期式搅拌机相比，其生产率高，而且还能够保证拌出的混合 料具有相同的性能和指标。该机型一般为卧轴强制式，可分为单卧轴和双卧轴。 其结构形式为窄长形槽筒，在槽简的始端设有进料口，在末端设有出料口，如图 卜4 所示。搅拌作用是建立在叶片螺旋与拌筒内壁之间形成的摩擦及叶片与物料 之间摩擦的基础上。工作时，搅拌轴 按某一固定方向转动，搅拌叶片则像 螺旋一样对物料不断地进行强制搅拌 和输送，使物料逐渐地推移到出料口， 并且连续卸料。影响物料在拌简内停 留时间的因素是搅拌叶片安装角，搅 拌臂排列形式，搅拌轴转速和物料的 层高等因素。 进料口 出料口 圈卜4 连续式搅拌机结构原理示意固 此外，还有摆盘式搅拌机【”，1 剐，声波搅拌机【1 9 1 自落一强制式搅拌机【2 0 ，2 1 1 ， 变速搅拌机阱2 3 】和振动搅拌机 2 4 , 2 5 增。这些新型搅拌机在结构形式和搅拌原理 上各具特点，但同时也存在着适用范围小、结构复杂、可靠性低的诸多缺陷，因 而目前并未得到十分广泛的应用。 总的来看，搅拌机是自落式和强制式并存发展的趋势，并且与混凝土的发展 密切相关【z 6 。随着商品混凝土的大力推广和工程建设施工的高效率化、高质量化 和高效益化，有力地促进了混凝土搅拌机在使用性能和技术水平方面的迅速提 高，并不断的向大型化和多功能化方向发展。 1 2 课题的提出及研究意义 1 2 。1 课题的提出 目前国内外除小型及零星工程仍保留有小容量搅拌机型外，混凝土搅拌设备 配置主机的大容量化成为发展趋势【2 7 】。这是因为大容量搅拌机具有效率高、单位 生产率的能耗小、骨料适应性好、运行成本低的优点，因此搅拌设备中普遍采用 单机大容量或少机大容量的配置方式。如美国的倾翻自落式搅拌机，目前的最大 容量已达1 1 5 = 3 ；双卧轴搅拌机的规格也从0 3 5 m 3 发展到4 m 3 以上，欧洲和日 本的产品甚至达到6 9 m 3 【2 扪。 对于这些大容量的卧轴强制式搅拌机，其搅拌简的半径尺寸要比搅拌叶片的 高度大得多，因此当搅拌轴转动时，叶片只能搅动靠近拌简内壁的一层物料，料 层高即为叶片的高度，而处于搅拌叶片和搅拌轴之间的很大一段距离的物料无法 得到很好的搅拌【2 9 1 。特别是靠近搅拌轴的地方，由于搅拌速度相对较低，对物料 的搅拌作用微弱，因此很容易形成搅拌低效区甚至死区。低效区产生的危害是显 著的。一方面，低效区内混合料运动缓慢，各相间的对流、渗透作用不剧烈，搅 拌质量和效率得不到保证，尽管低效区与整个拌筒容积相比所占份额不大，但制 约了成套搅拌设备的效率，给成品混凝土留下了潜在的缺陷与隐患；另一方面， 低效区内混合料流动性差，易与搅拌轴粘附，产生抱轴现象。并且，随着搅拌机 容量的增大，低效区现象愈严重。 对于立轴强制式搅拌机，存在着同样的低效区问题。虽然这类搅拌机采用了 环槽形拌筒，在一定程度上减弱了低效区造成的影响，但是在拌筒中央设置的内 简，也直接导致了搅拌机有效容积的减小。因此，同等容量下它的拌筒尺寸要比 卧轴式大的多，这不但对移动式搅拌设备的运输造成不变，而且也使搅拌线速度 增大，从而加大了叶片和衬板的磨损以及混合料因离心力过大而产生的离析现象。 搅拌低效区是强制式搅拌机的固有现象，它严重地影响了搅拌设备的作业质 量和效率。但目前国内外普遍对这一问题缺乏认识，所有关于混凝土搅拌机技术 的研究都主要集中在搅拌机的搅拌机理研究【3 0 1 、搅拌机结构设计 3 - 3 4 、搅拌机 参数分析1 3 5 3 9 j 、搅拌工艺改进1 4 0 - - 4 3 、搅拌机应用研究q 等几个方面，对于低 效区问题却没有人指出并进行过专门的研究。因此，本文提出了搅拌低效区及其 消除方法的研究课题，在国内外首次揭示了强制式搅拌机的低效区现象，并以提 高混凝土搅拌质量和效率为目标给出了具体消除或减弱低效区的方法，这既是对 现有搅拌技术的深入探讨，更是进一步的技术提升和创新，对提高我国搅拌设备 的技术水平以及工程建设的质量和速度都具有重要的理论和实用价值，并有着良 好的经济效益和广阔的应用前景。 1 2 2 课题的研究意义 我国水泥产量连续多年居世界第一，目前年产水泥混凝土约1 5 亿m 3 ，搅拌 机年产量也居世界首位。相对而言，我国混凝土搅拌设备技术含量较低，仿制产 品多，新产品少，有自主知识产权和特色的产品以及能出口创汇的产品更少。各 厂家的产品由于缺乏核心技术，从外观到内部结构几乎千篇一律，市场竞争还停 留在相互拼价格的“叫卖式”层面。而且，我国每拌和l 立方米混凝土要比发达 国家多消耗水泥8 0 公斤f 4 7 1 ，这其中虽然有材料的问题，但很大程度上也是由于 搅拌设备技术水平低造成的。此外，从市场需求看，用户对施工质量的要求也越 来越高，一些传统产品由于自身的不足，已无法满足越来越高的施工要求。 搅拌低效区及其消除方法的研究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。通过该课题的研究，必将推动搅拌设备性能和技术水平的全 面提高，增强产品技术附加值，推出适应市场要求、具有较强竞争力的产品，从 而赢得良好的经济效益。本课题研究成果应用到各种工程建设中，必然带来明显 的施工综合效益和稳定、优异的施工质量，并在旌工企业中产生良好的示范作用， 从而进一步推动搅拌设备技术的研究开发和推广应用，最终带动整个行业的技术 进步。通过本课题，也将形成一批专利和有自主知识产权的技术，从根本上走出 工程机械低水平模仿设计的怪圈，真正走上依靠技术创新的发展之路。 该研究有着良好的经济效益和应用前景。如仅就生产水泥混凝土时可节约水 泥这一单向指标来说，我国2 0 0 4 年的水泥产量为9 3 4 亿吨，若3 0 用于水泥 混凝土则需水泥约2 8 亿吨。采用振动搅拌法消除低效区后，可保证混凝- i - 强度 不变的情况下节约水泥1 5 2 0 t 4 8 j ，则可节约水泥0 4 2 o 5 6 亿吨。以市场价 每吨3 0 0 元计，每年节约水泥价值约人民币1 2 6 1 6 8 亿元。 此外，随着公路交通事业的快速发展，我国已成为沥青混凝土生产大国。对 于沥青混凝土搅拌设备中的间歇式双卧轴搅拌机以及稳定土厂拌设备中的连续 式双卧轴搅拌机，同样由于自身结构的特点存在着低效区问题，因此本文的研究 成果对提高沥青混凝土及稳定材料的搅拌质量和效率也是适用的。 1 3 主要研究内容和方法 为解决强制式搅拌机的低效区问题，提高搅拌质量和效率，本文提出以下研 究内容： i 、搅拌理论的研究 搅拌设备的工作是通过搅拌装置与混合料的相互作用完成的。搅拌装置与混 合料相互作用的动态过程，决定着搅拌设备的搅拌质量、工作效率和使用性能。 因此，在这一部分的内容中重点研究了混凝土形成过程中混合料的运动规律，以 及搅拌装置与混合料间的相互作用关系，分析了以宏观均匀度作为搅拌质量主要 评判标准的片面性。在此基础上，提出了新的搅拌概念和新的搅拌设备性能评价 指标，为搅拌设备的创新设计和合理使用指明了方向。 2 、低效区产生的原因及其消除方法的研究 圆筒形强制搅拌机由于自身结构的特点，存在着低效区的固有缺陷，很大程 度上影响着混凝的搅拌质量和效率。因此，研究搅拌过程中低效区产生的原因， 从而确定影响低效区的诸因素以及消除或减弱低效区的方法和措施，是本部分研 究的主要内容。 3 、双卧轴振动搅拌机的试验研究 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经济方法。通过 在搅拌低效区的中心处设置振动源，采用振动活化与强制搅拌相结合的技术能有 效地消除低效区，但如何解决振动参数与机器工作可靠性问的矛盾是决定其能否 得到工业应用的关键。本研究提出在目前普遍使用的双卧轴搅拌机中，利用搅拌 轴和搅拌叶片作为振动活化源，振动和强制搅拌相结合的方案，设计和制造了相 应的试验样机。在大量试验的基础上，分析了振动作用下的混凝土结构流变特性， 研究了叶片安装角、搅拌线速度等搅拌参数以及振幅和振动圆频率等振动参数对 搅拌质量的影响，确定了各参数的合理取值范围及相互匹配关系，同时检测了样 机的工作性能，并与普通强制搅拌进行了对比试验。 4 、双排叶片搅拌机的试验研究 现有的强制式搅拌机中，搅拌装置仅有一排靠近拌筒内壁的搅拌叶片，由于 搅拌机自身结构的固有缺陷，在搅拌轴附近出现了低效区。因此，如何使靠近搅 拌轴的物料得到有效搅拌，是搅拌装置结构改进的关键。为此，本研究提出了双 排叶片结构的搅拌装置来消除低效区，并在普通双卧轴搅拌机的基础上，研制了 搅拌参数可调的试验样机。通过大量的实验室试验，研究了叶片安装角、搅拌臂 排列形式、主副叶片关系、拌简长宽比和搅拌线速度等参数对混凝土搅拌质量的 影响，分析了双排叶片的搅拌原理以及不同搅拌参数的选择和合理匹配问题，并 检测了样机的工作性能，为进一步的工业化研究提供了依据。 5 、消除搅拌低效区的工业化研究 实验室试验虽具有诸多优点，但受客观条件限制，尚不可能替代工业试验。 工业试验可以发现实验室试验过程中未发现或无法发现的问题，为检验模型试验 的准确性、可信度，完善模型试验提供进一步的依据。根据实验室的研究结果， 分别设计了双卧轴振动搅拌机和双排叶片搅拌机的工业样机。由于时间和条件的 限制，本次研究只进行了双排搅拌叶片的工业化试验。利用设计的工业样机，在 商品混凝土搅拌楼中进行了大量试验，测定了搅拌机的工作性能；通过与普通强 制搅拌机在不同搅拌条件下的对比试验，验证了搅拌低效区的消除效果。 研究主要采用理论分析和试验研究相结合的方法。一方面通过理论分析，在 新搅拌理论的基础上，针对低效区产生的原因，提出消除或减弱低效区的方法： 另一方面，利用设计的试验样机进行实验室研究，验证和完善理论分析，确定不 同工作参数的取值范围和合理匹配关系，完成样机工作性能的测定。最后，根据 实验室的研究结果，完成工业样机设计和工业试验，进一步验证和完善各关键技 术，为新技术的工业化应用提供依据。 2 1 1 传统的搅拌概念 第二章新的搅拌理论 2 1 新的搅拌概念 长期以来，均匀度是衡量混凝土搅拌质量的主要指标，这种规定是传统概念 的产物。传统的搅拌理论认为，搅拌的主要任务是达到规定的均匀度。具有代表 的观点是英国著名混凝土学者a m n e v i l l e 于1 9 6 3 年提出的“搅拌的目的是使 全部骨料表面都被水泥浆包裹使混凝土各组成材料混合成一种均匀的物质；而 且，由搅拌机往外卸料的过程中这种匀质性也要保持不破坏。”【4 9 】在这个理论的 指导下，搅拌设备的开发与改进、搅拌机性能的检测、搅拌工艺的改革等，均以 是否满足新拌混凝土的匀质性为依据。 然而在实践中也发现，用现有的搅拌设各生产混凝土，一般在较短的时间内 就可以达到宏观上的均匀。但对这种拌和料仔细观察时，发现新拌水泥混凝土中 有些骨料表面是干燥的，另外还有一些干的小水泥团。如果把搅拌后宏观上均匀 的混凝土中的水泥浆放在显微镜下，还会发现水泥颗粒并没有均匀分散在水中， 有1 0 3 0 的水泥颗粒三三两两聚在一起，形成微小的水泥团，如图2 1 ( a ) 所 示剐j 。显然，宏观上均匀的混合料微观上并未达到均匀。 ( a ) 水泥颗粒的团聚现象( b ) 水泥颗粒均匀分布 圈2 - 1 水泥颗粒分布情况 水泥的这种团聚现象影响着混凝土的和易性和强度的提高。因为水泥的水 化作用只在水泥颗粒的表面进行，如果水泥颗粒聚团，则水化作用的面积减小， 使混凝土具有强度的水化生成物减少。所以，必须把聚团的水泥颗粒分开，使其 使混凝土具有强度的水化生成物减少。所以，必须把聚团的水泥颗粒分开，使其 1 0 第二章新的搅拌理论 2 1 新的搅拌概念 2 1 1 传统的搅拌概念 长期以来，均匀度是衡量混凝土搅拌质量的主要指标，这种规定是传统概念 的产物。传统的搅拌理论认为，搅拌的主要任务是达到规定的均匀度。具有代表 的观点是英国著名混凝土学者a m n e v i l l e 于1 9 6 3 年提出的“搅拌的目的是使 全部骨料表面都被水泥浆包裹，使混凝土各组成材料混合成一种均匀的物质；而 且，由搅拌机往外卸料的过程中这种匀质性也要保持不破坏。” 4 9 1 在这个理论的 指导下，搅拌设备的开发与改进、搅拌机性能的检测、搅拌工艺的改革等，均以 是否满足新拌混凝土的匀质性为依据。 然而在实践中也发现，用现有的搅拌设备生产混凝土，一般在较短的时间内 就可以达到宏观上的均匀。但对这种拌和料仔细观察时，发现新拌水泥混凝土中 有些骨料表面是干燥的，另外还有一些干的小水泥团。如果把搅拌后宏观上均匀 的混凝土中的水泥浆放在显微镜下，还会发现水泥颗粒并没有均匀分散在水中， 有1 0 3 0 的水泥颗粒三三两两聚在一起，形成微小的水泥团，如图2 一l ( a ) 所 示1 5 0 1 。显然，宏观上均匀的混合料，微观上并未达到均匀。 ( a ) 水泥颗粒的团聚现象( b ) 水泥颗粒均匀分布 圈2 - 1 水泥鞭粒分布情况 水泥的这种团聚现象影响着混凝土的和易性和强度的提高。因为水泥的水 化作用只在水泥颗粒的表面进行，如果水泥颗粒聚团，则水化作用的面积减小， 使混凝土具有强度的水化生成物减少。所以，必须把聚团的水泥颗粒分开，使其 1 0 尽可能接近图2 一l ( b ) 所示的理想分布状态。因此在搅拌过程中，常采用各种强 化方法，来控制混凝土复杂的结构形成过程，提高混合料的均匀度【1 9 5 i 】。 添加剂作为混凝土的改性材料得到了广泛应用。在均匀度相同的情况下，添 加剂的使用改善了混凝土的性能i s 2 1 。这间接地证明了通过微观结构的改变，来提 高混凝土性能的可行性。 采用多步搅拌工艺，可以从微观上达到水泥颗粒的均匀分布和较完全的水化 反应，使混凝土强度提高约1 0 2 5 4 2 1 。在其它条件相同的情况下，搅拌过程 中采用声波和电磁波作用等辅助手段，可提高混凝土强度2 0 3 0 1 9 1 ，诸如此 类事实不少。这些用传统的搅拌概念是无法解释的。 近年来，随着商品混凝土的全面推广，有力地推动了搅拌设备和搅拌工艺的 改进和发展。针对传统搅拌理论的片面性和局限性，急需寻求一种新的搅拌理论 来指导搅拌设备的创新设计和合理使用。 2 1 2 新的搅拌概念 为了获得均匀的混合料，必须研究混凝土形成过程中物料的运动规律，研究 搅拌机工作机构与混合料间相互作用的关系。 混凝土的搅拌过程中，同时存 在着拌和与分离的两种现象，是一 动态的发展和变化过程，可用图 2 2 所示的曲线来定性地描述f 5 3 1 。 开始阶段的拌和主要是靠物 料的循环流动来实现( i 段) 口此 时搅拌过程在宏观水平进行。组分 间的相界面小，因此各组分间的扩 散现象不明显，分离现象的影响也 田2 - 2 搅拌过程曲线 较小，搅拌过程的发展速度主要取决于搅拌机中物料流的运动特点。 t k 时刻起各组分在搅拌机工作容积内的扩散分布加快，循环流动与扩散运动 在拌和中起的作用趋于相近。此时各组分，包括粘性组分的重新分布已在微观水 平上进行，并且从某一时刻起扩散运动起主要作用( 1 i 段) ，与此同时，粘结在 一起的各组分再分离开来的过程也加快。拌和与分离这两种相反的过程从某时刻 ，。起基本上达到动态平衡。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均匀度最好的f 。时刻稍晚( i i i 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，而且取决于物料的结构流变特性：颗粒的大小，相间表面的大小及粘结力的 值等。 搅拌过程可按搅拌机内物料的运动形式来分类，可能有空间3 个方向的平移 和绕这三个方向的旋转6 种运动：v 。、v ，、v ：、v 。、”矿v 。只存在1 种运动的 搅拌机工作机构最简单，但单调的物料运动形式不能保证搅拌质量，能保证同时 具有这6 种运动形式的工作机构又太复杂而难以实现。搅拌机的完善实际就是这 些运动形式的增加和强化。 对于普通水泥混凝土而言，它是极具分散性的多相混合物，各组分的尺寸从 o o o i m m 到4 0 r a m 或更大。在搅拌过程中，各组分间不仅存在着物理作用而且存 在着化学作用：不仅混合物总容积发生了量的变化，而且其状态和性能也发生了 质的变化。各相界面间的表面现象对混合物形成过程有很大的影响。相表面间不 仅存在着物理吸附作用，还存在水化反应等作用。对搅拌作用来说，影响表面现 象的最主要因素是相表面间的吸附与扩散速度。它取决于骨料颗粒的移动性，活 化的相表面积的大小，粘性组分的分散速度，搅拌过程的工序特点和其它因素。 众所周知，水泥混凝土作为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，具有高的剪切强度、粘性、弹性模量、内应力释放时间等物理 一力学性斛5 4 】。前两者使得混合物各组分均匀分散的搅拌过程变得特别困难。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围时，即各组分从微观 上也达到均匀分布时，混合物的胶凝结构才最稳定。这样的结构消除了混凝土内 部的宏观及微观缺陷，凝固后才会有最大强度。 因此，混凝土搅拌的主要任务应从宏观和微观两方面考虑，具体如下： ( 1 ) 各组分均匀分布，达到宏观及微观上的均质： ( 2 ) 破坏水泥粒子团聚现象，使各颗粒表面被水浸润，促使弥散现象的发展； ( 3 ) 破坏水泥粒予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，有碍界面结合层的形成，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的交叉频率，以加速达 到均质化。 为了达到上述目的，搅拌过程中物料的位移必须由两种运动来实现。第一种 称为对流运动，各组分在宏观上的均布，必须由拌筒内的循环流动来保证。这种 运动在搅拌过程中是最重要的，也是最基本的，特别是在搅拌的开始阶段。传统 的搅拌机械主要就是按这种要求来设计工作机构的。但是，只有这种运动是不够 的。为使各相表面间良好的结合，达到微观上的分布，主要是粘性组分的分布， 相间还必须形成较快的扩散运动。简言之，第一种运动是为了拌匀，第二种运动 是为了拌透：第一种是物料的宏观运动，第二种则主要是微观上的局部混合；第 一种运动能保证混凝土使用的基本要求，第二种运动则能改善混凝土性能。 因此，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。它的提出，主要基于对建筑材料性能及其结 构形成过程和搅拌机工作机构与混合料间相互作用关系的研究。 2 2 新的搅拌设备性能评定指标 2 2 1 现行的评定指标 混凝土是重要的建筑材料，提高搅拌质量至为重要。为此，我国制定了混凝 土搅拌机( g b t 9 1 4 2 2 0 0 0 ) 等有关标准，将搅拌性能作为搅拌机性能的首要指标， 规定：“搅拌机的搅拌性能以混凝土拌合物的匀质性来评定。即以同一罐不同部 位的混凝土拌合物中砂浆密度的相对误差m 和单位体积混凝土拌合物中粗骨 料质量的相对误差a g 作为评定指标。”1 5 5 混凝土拌合物中砂浆密度及相对误差肼按下式计算： 炉毒惫 。 一( 巧+ 卫) 式中： f 不含空气的砂浆密度，k g l ； 形棍凝土试样质量，蝇； k 含气量测定仪的容积，l ： 阡名5 衄筛上粗骨料的饱和面干状态时的质量，蚝； 昕含气体的体积，l ；= 容器的容积( k ) 含气量( 爿) 相骨料的饱和面干视密度，k g l 。 分别求出前、后两部分试样的混凝土拌合物中砂浆密度m 、m ：后，按下式 求得混凝土拌合物中砂浆密度的相对误差m a m = ：；l _ i ； 。 c z z ，