论机械强化技术在混凝土生产中的应用

    1 引言

    搅拌是混凝土生产中关键的一道工序，直接影响着混凝土生产的质量和水平。搅拌是使混凝土混合料趋于匀质化的过程。普通混凝土搅拌机虽充分利用对流、剪切和扩散机理使混凝土混合料达到宏观匀质，但还不能使细小水泥颗粒和水均匀分布，仍有15%～30%的水泥呈团粒状态，严重影响着混凝土的性能。

    因此在生产中，为提高混凝土的搅拌质量，控制其复杂的结构形成过程，常采用各种强化方法。机械强化就是其中的一种。它主要是在搅拌过程中利用机械的方法来促进水泥粒子弥散，提高水泥水化反应程度，从而改善混凝土的性能。相对于其它类型的强化，机械强化是一种比较经济的方法，也是各国学者多年来努力的方向。目前常用的方法主要有:改进搅拌工艺，完善和优化搅拌机构以及振动搅拌等。

    2 改进搅拌工艺

    与传统的“一次”法搅拌工艺不同的是，“二次”法搅拌工艺是先将水泥、砂和水充分搅拌成均匀的水泥砂浆后，再加入石子搅拌成合格的混凝土(称为预拌水泥砂浆法);或者先将水泥和水充分搅拌成均匀的水泥净浆后，再加入砂和石子搅拌成混凝土(称为预拌水泥净浆法)。国内外很多学者都对该方法进行过深入研究。研究表明:采用传统的“一次”法搅拌工艺，砂，石子，水泥和水同时进入搅拌机，水泥遇水后很快成为小水泥团，并且很容易附在石子上，水灰比越小，这种结团的现象就越严重。于是在搅拌时，由于摩擦作用，处在石子运动方向背面的水泥团被有效保护起来，粒径远大于水泥团的石子成为它们的屏障，使得这些水泥团无法被有效的破坏。所以这些水泥团仅仅是作为填料填充了骨料的间隙，大大减弱了水泥的水化反应程度，从而降低了混凝土的性能。

    “二次”法搅拌工艺则可以保证水泥颗粒与水更充分的接触使水化更为有效，大大减少甚至避免这种小水泥团的产生，使水泥与砂石充分拌和，充分发挥水泥粘结、包裹砂石的作用，从而提高混凝土的搅拌质量。德国和美国的-- 些厂家针对这种工艺设计出了一种双层搅拌机(复式搅拌机)，其上层拌筒搅拌水泥砂浆，搅拌均匀后，再送入下层拌筒与石子一起搅拌成混凝土。还有一些厂家根据相同的理论，研制出恒功率搅拌机和双速搅拌机，使两次搅拌工艺在同一个拌筒中完成，达到异曲同工的效果。国内外的试验均证明，采用“二次”法搅拌施工工艺生产混凝土，可使混凝土强度提高约15%;在强度相同情况下，可节约水泥约15%～20%。此外，“二次”法搅拌工艺还可用于低水泥含量、低强度集料的混凝土生产，也可用于生产轻型混凝土。

    3 完善和优化搅拌机构

    据了解，国内的一些学者曾对搅拌机构优化作过一些研究，主要是以搅拌功率最小为目标，采用常规的机械工程优化方法进行优化。然而，搅拌过程是复杂的动态过程，物料状态和结构都发生了变化既有物理的，也有化学的，因此搅拌机构优化并不适宜采用常规的机械工程优化方法。我们研究发现:在对搅拌过程分析和模型化的基础上，通过实验研究来完成优化是可行的，也是有效的。搅拌设备的首要性能指标是搅拌质量，因此优化目标必须首先保证搅拌质量最优。除了己被淘汰的鼓式搅拌机，目前所有合格的搅拌机都能保证机内的物料运动在三维空间进行。对于具有圆柱形壳体的搅拌机，可以采用圆柱坐标将物料运动分解为三部分:轴向运动U、周向运动(θ)和径向运动(r)，如图1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。所以，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，这时的搅拌过程才是最理想的。因此保证搅拌质量最优，就是在给定的搅拌时间内，保证拌筒三维坐标方向都能同时达到较好的均匀性。以此为基础，笔者对双卧轴搅拌机参数进行了优化，以搅拌质量最优为目标，通过对双卧轴搅拌机的搅拌过程和混凝土流变特性的分析，利用正交试验，对搅拌臂排列形式和相位角，叶片安装角，拌筒长宽比四个参数优化。试验证明，用优化后的样机搅拌混凝土，强度可提高5%左右;如果保持混凝土强度不变，则大约节约水泥3%～5%。与此有关的理论分析与实验研究，将分篇另述。

    4 振动搅拌

    振动搅拌是最重要的，也是最有效的一种机械强化方法。众所周知，混凝土在振动时，它内部的各个颗粒在脉冲的影响下，将围绕某种不稳定平衡的中间位置作连续不断的振动，并且使相邻粒子振动发生位移，物料颗粒间的相对运动频率增加，从而使颗粒之间的摩擦力和粘着力急剧减小。振动搅拌就是利用混凝土这一特性，在搅拌的同时加以振动，使水泥颗粒处于颤动状态，从而破坏水泥凝聚团，使水泥颗粒均匀分布，以达到混凝土在宏观和微观上的匀质。同时，振动搅拌使水泥颗粒的运动速度增加，并能增加物料颗粒间相互碰撞的次数和加快水泥水化作用。此外，还可净化集料表面，增加水泥和集料间的粘结力。

    前苏联是研究和应用振动搅拌技术最早的国家。在20世纪30年代，前苏联首先使用在普通搅拌机壳体上附加激振器的方法来拌和水泥砂浆和预拌水泥浆体;在30年代末用配有振动搅拌叶片的自落式搅拌机来生产水泥混凝土;到70年代末成功研制出了振动螺旋式搅拌器。20 世纪40～50 年代开始，美国、德国和日本等国也相继进行了振动搅拌机的研究。笔者所在的课题组从20 世纪90 年代开始振动搅拌技术的研究，目前已获得大量研究成果。我们发现振动搅拌的关键是选择合理的振动方案和振动参数。图2是我们根据最新方案设计出的双卧轴强制式振动搅拌机。它主要由搅拌驱动机构、振动驱动机构、搅拌叶片、激振器、搅拌筒等组成。它最大的特点是搅拌轴和搅拌叶片也是激振器的一部分，搅拌叶片是边搅拌边振动，因而振动的有效作用范围更大，可遍及整个拌筒空间，搅拌效果更好。其工作原理是:搅拌机构动力由搅拌电机输出，经减速器减速后传递给一对同步齿轮，使两根搅拌轴作反向同步转动;同时，振动机构动力由振动电机输出，经带传动后，驱动搅拌轴内偏心安装的振动轴高速旋转，使搅拌轴和安装在其上的搅拌叶片产生振动。搅拌叶片的排列形式与传统双卧轴搅拌机一样，具有涡旋搅拌特征。于是混合料在搅拌轴和搅拌叶片的振动下以及搅拌叶片的强制搅拌下，很快就能实现均匀拌和。需要指出的是，搅拌轴内偏心安装的振动轴经过动平衡设计(这一点很重要)，所以在振动搅拌过程中，只有搅拌轴和搅拌叶片产生振动，而包括搅拌筒在内的其它部件都不会振动，这样就消除了振动的不良影响，保证了搅拌机良好的工作可靠性，同时还节省了减振机构。试验样机公称容量为100L，搅拌叶片线速度为1.6m/s，生产率为8m³/h，每小时可循环搅拌80次，单位生产量能耗为0.765kW·h/m³。试验证明，该试验样机的振动搅拌与常规搅拌相比，在相同的混凝土配合比下，当搅拌时间不变时，混凝土试件强度提高约26%;当搅拌时间减小1/2时，混凝土试件强度提高约16%。

    5 结语

    1. 机械强化能够提高搅拌质量，改善混凝土性能。常用的主要有改进搅拌工艺，完善和优化搅拌机构以及振动搅拌三种方法。

    2. 搅拌机构优化应以搅拌质量最优为目标，在理论分析和搅拌过程模型化的基础上，建议通过试验研究来完成优化。

    3. 振动搅拌能够显著提高混凝土的宏观和微观均匀度，是一种最为有效的机械强化方法。振动搅拌应选择合理的运动参数和与这些参数相应的工作机构，从而保证既能按需要的振动参数来工作，又能保证工作机构的可靠性和耐久性。