混凝土搅拌中的机械强化技术要点分析

陈锦潮

（梧州市桐丰混凝土有限公司 广西梧州 543000）

混凝土搅拌中的机械强化技术要点分析

陈锦潮

（梧州市桐丰混凝土有限公司 广西梧州 543000）

在混凝土搅拌过程中不足之处主要为水泥团聚和搅拌低效区，导致混凝土搅拌的质量和效率下降。在搅拌的过程中进行机械强化，能够降低搅拌设备存在的缺陷。搅拌方法主要有振动搅拌、双排叶片搅拌和综合搅拌，能够大大提高混凝土的强度和工作效率。采用不同的机械强化方式，探究其对混凝土搅拌效率、质量有何影响。

混凝土；机械强化；搅拌技术

1 引言

混凝土作为最大的建筑材料，在国家经济建设中占有及其重要的地位。搅拌作为混凝土生产过程中必要的工序，将直接决定混凝土的质量和效率。混凝土搅拌的好坏与设备和材料及施工工艺等密切相关，但由于学科不同导致相互脱离，使得混凝土在搅拌过程中其生产原材料的容积和性质均发生了改变，人们对这个过程认知不足，仍然停留在宏观上。

搅拌能够使混凝土的混合料更加均匀，普通混凝土搅拌机虽然能够利用对流、剪切以及扩散机理使混凝土的混合料更加均匀，但它无法使水泥颗粒和水均匀分布，仍然会有大约15～30%的水泥以团粒状态存在，这严重降低了混凝土的性能。因此，为了提高混凝土的性能，需要控制其形成过程，可以采用机械强化等方法。

机械强化是指在混凝土搅拌过程中充分利用机械的方法来分散水泥粒子，提高水泥的水化反应程度，进一步改善混凝土的基本性能。与其它类型的强化相比，机械强化经济性比较高，同时也是各国学者所努力的方向。

2 机械强化方法分析

2.1 振动搅拌法

振动搅拌能够充分强化混凝土的搅拌过程，目前已被各国学者认可。关于该技术国内外学者已进行了70多年的研究，主要特点是在搅拌的过程中同时加以振动，使得水泥颗粒一直处于颤动状态，这样就使得水泥颗粒无法凝聚团，同时各种原材料颗粒之间的摩擦力以及粘着力都在急剧减小，此时物料作用在搅拌机上的阻力明显降低，物料的流动和扩散得到加强。所以，振动搅拌可以有效提高混凝土的搅拌质量和效率，同时还可以改善混凝土的流动性。

混凝土振动搅拌技术最早是前苏联开始研究的，在20世纪30年代最开始将激振器附加在普通混凝土搅拌机外壳上的方法来生产水泥砂浆；30年代末开始使用附有搅拌叶片的搅拌机来生产混凝土；到了70年代末研发出振动螺旋式混凝土搅拌器。从20世纪40～50年代开始，日本、美国以及德国等国也开始研究混凝土振动搅拌机。

现在振动搅拌法大部分都采用惯性激振器，普通机械振动的方法。把搅拌和振动分离开来，降低了振动面积小。搅拌时所需强度要大于15，同时还存在可靠性差、振动控制差以及寿命短的问题，这些都会造成物料沉积和离析。当把搅拌轴和搅拌臂以及搅拌叶片作为振动源时，就将强制搅拌与振动相结合，这种方法完全可以应用在双卧轴式的混凝土搅拌机中。通过把搅拌和振动一体化，可以保证搅拌边与搅拌叶的振动，使得振动作用的空间和面积都比较大，能够均匀分配振动能量，使得机械的使用寿命大大延长，有利于保持工作可靠性。

2.2 双排叶片搅拌法

现如今使用的强制式搅拌机，其搅拌装置只有一排搅拌叶片，沿拌筒的径向存在速度梯度，使得在搅拌轴附近通常会出现低效区，也就是说有一部分物料搅拌不均匀。所以，要解决低效区的问题就需要改善靠近搅拌轴的物料的搅拌问题。

如图1所示为一种新型搅拌机。其主叶和副叶片均有各自的径向安装角以及轴向安装角，互补影响，固定在搅拌轴两侧，因此当搅拌轴按某一固定旋向转动时，主叶和副叶片能够分别在周向Z、Y和径向X产生推力，使得物料沿3个方向不断地循环运动。与普通的混凝土强制搅拌机相比，这种该结构增强了物料的径向运动，同时并且主叶和副叶片还可以推动着物料向相反的方向运动，这就使靠近搅拌筒内壁的物料与靠近搅搅拌轴的物料形成逆流运动，从而大大改善了低效区内的物料搅拌性能，使得混凝土搅拌更加均匀。

图1 双排叶搅拌原理示意图

3 改进搅拌工艺

与“一次”法搅拌法相比，“二次”搅拌法则是先把原材料水泥、砂和水加入到搅拌桶内进行充分搅拌成水泥砂浆后，再把石子加入其中进行搅拌成，生成的混凝土，这种方法称为预拌水泥砂浆法；或者是先将水泥和水加入到搅拌桶内充分搅拌成水泥净浆，然后再加入砂以及石子进行搅拌，此种方法为为预拌水泥净浆法。目前国内外许多学者针对二次搅拌法进行了深入的研究。取得了大量的研究成果：当“一次”法搅拌法搅拌混凝土时，砂、石子、水泥和水同时加入到搅拌机中，此时水泥与水相遇形成小水泥团，然后附着在石子上，降低了水泥水胶比，进一步加重了水泥的凝聚现象。因此在搅拌的过程中，由于存在摩擦现象，使得石子背面的水泥团被保护起来，粒径大的石子成为水泥团的屏障，导致水泥团无法被破坏，不参与搅拌。此时这些水泥团只是作为填料填充了骨料的间隙，从而大大降低了水泥的水化反应程度，使得混凝土性能降低，无法达到预期目的。但“二次”搅拌法则可以促进水泥颗粒和水的接触，使得水泥水化更为有效，从而大大减少了小水泥团的形成，使得水泥与砂、石子拌和更加充分，充分发挥了水泥的粘结和包裹砂石作用，使得混凝土性能得到增强。一些厂家根据二次搅拌的理论，成果研制出恒功率的搅拌机与双速搅拌机，这就使得两次搅拌工艺在同一个拌筒中完成，大大提高的水泥的水化程度，改善了混凝土的基本性能。国内外的研究成果均表明，采用“二次”搅拌法生产的混凝土，其强度提高了约15%；而在强度相同的情况下，能够节约大约15～20%的水泥。另外，“二次”搅拌法还能够用于生成水泥含量低、强度集料低的混凝土，还可以用于生产轻型的混凝土。

4 完善和优化搅拌机构

一台性能良好的搅拌机必须具有结构设计先进、搅拌性能良好的搅拌机构，否则其它方面再好也没有意义。但是关于这部分的设计方法现在还不成熟，设计依据主要是多年的实际经验值，或者是采用类比的方法进行设计。但是由于涉及到的搅拌机构参数较多，且大部分比较复杂，所以设计质量的好坏只能通过样机来进行测试，然后进行评定和进一步修改，这就使得设计周期延长，严重影响到产品的开发以及行业技术的进步。但更为重要则是因为不清楚这些参数的内在规律，也就不能达到最优，因而也就不能充分的地发挥混凝土搅拌机的作用和效率。

根据调查得知，国内的许多学者在对搅拌机构进行优化的过程中，主要是想以降低搅拌功率为目标，按照普通的机械优化方法来进行设计。但是，混凝土的搅拌过程却是一个非常复杂的动态过程，在搅拌的过程中，物料的形态和结构所发生的变化不仅有物理的，还有化学的。所以，搅拌机构的优化无法按照机械工程的普通优化方法进行优化。

在对混凝土搅拌过程的分析和模型优化的基础上，需要通过实验的研究来完成系统的优化。搅拌质量是混凝土搅拌设备的首要指标，所以优化目标需要保证搅拌的质量最优。除了已经被淘汰了的鼓式搅拌机，现在合格的搅拌机都可以保证内部的物料是在三维空间内运动的。对于圆柱形壳体搅拌机，能够采用圆柱形坐标把物料的运动分成三个部分：轴向运动U、周向运动（θ）以及径向运动（r）。此时混凝土搅拌过程是在三维空间内以不同的形式进行运动。因此，只有保证搅拌筒内的物料以不同的方向运动，达到要求的均匀度，整个搅拌机的搅拌时间才能达到最短，这样的搅拌过程才是最理想的。所以要保证搅拌的质量最号，就需要在给定的搅拌时间内，使得搅拌内的物料在三维坐标方向同时达到较好的均匀性。试验表明，当采用优化后的搅拌机搅拌混凝土时，其强度能够提高5%左右：当保持混凝土的强度不变时，可以节约水泥大约3～5%。

图2 双卧轴强制式振动搅拌机

需要指出的是，搅拌轴的内偏心安装中的振动轴需要经过动平衡设计，因此在混凝土振动搅拌的过程中只有搅拌轴与搅拌叶片发生振动，但是包括混凝土搅拌筒在内的其它部件则不会振动，这样就减少了振动所带来的不良影响，不仅保证了搅拌机工作的可靠性，而且还节约了减振机构。

5 结语

机械强化搅拌可以有效提高混凝土的搅拌质量，提高改善混凝土的基本性能。通常采用的改善方法有：改进搅拌工艺，完善并优化了搅拌机构和振动搅拌。

搅拌的机构优化的目标为混凝土搅拌质量达到最优，在理论分析与搅拌过程相结合的基础上，通过试验的研究来完成优化，效果最好。

采用振动搅拌的方法可以有效提高混凝土的宏观与微观的均匀度，这是一种非常有效的机械强化方法。振动搅拌需要选择合理的运动参数以及与这些参数相应的工作机构，这样才能够保证既可以按需要的振动参数来工作，又可以保证工作机构的可靠性以及耐久性。

[1]赵利军.搅拌低效区及其消除方法的研究[D].西安：长安大学，2005.

[2]张海军.搅拌过程的机械强化方法及其试验研究[D].西安：长安大学，2006.

[3]赵利军.双卧轴搅拌机参数优化及其试验研究[D].西安：长安大学，2002.

TU755

A

1004-7344（2016）32-0233-02

2016-10-27

陈锦潮（1988-），男，汉族，广西梧州人，本科，主要从事试验室试验工作。