論機(jī)械強(qiáng)化技術(shù)在混凝土生產(chǎn)中的應(yīng)用

    1 引言

    攪拌是混凝土生產(chǎn)中關(guān)鍵的一道工序，直接影響著混凝土生產(chǎn)的質(zhì)量和水平。攪拌是使混凝土混合料趨于勻質(zhì)化的過程。普通混凝土攪拌機(jī)雖充分利用對流、剪切和擴(kuò)散機(jī)理使混凝土混合料達(dá)到宏觀勻質(zhì)，但還不能使細(xì)小水泥顆粒和水均勻分布，仍有15%～30%的水泥呈團(tuán)粒狀態(tài)，嚴(yán)重影響著混凝土的性能。

    因此在生產(chǎn)中，為提高混凝土的攪拌質(zhì)量，控制其復(fù)雜的結(jié)構(gòu)形成過程，常采用各種強(qiáng)化方法。機(jī)械強(qiáng)化就是其中的一種。它主要是在攪拌過程中利用機(jī)械的方法來促進(jìn)水泥粒子彌散，提高水泥水化反應(yīng)程度，從而改善混凝土的性能。相對于其它類型的強(qiáng)化，機(jī)械強(qiáng)化是一種比較經(jīng)濟(jì)的方法，也是各國學(xué)者多年來努力的方向。目前常用的方法主要有:改進(jìn)攪拌工藝，完善和優(yōu)化攪拌機(jī)構(gòu)以及振動攪拌等。

    2 改進(jìn)攪拌工藝

    與傳統(tǒng)的“一次”法攪拌工藝不同的是，“二次”法攪拌工藝是先將水泥、砂和水充分?jǐn)嚢璩删鶆虻乃嗌皾{后，再加入石子攪拌成合格的混凝土(稱為預(yù)拌水泥砂漿法);或者先將水泥和水充分?jǐn)嚢璩删鶆虻乃鄡魸{后，再加入砂和石子攪拌成混凝土(稱為預(yù)拌水泥凈漿法)。國內(nèi)外很多學(xué)者都對該方法進(jìn)行過深入研究。研究表明:采用傳統(tǒng)的“一次”法攪拌工藝，砂，石子，水泥和水同時(shí)進(jìn)入攪拌機(jī)，水泥遇水后很快成為小水泥團(tuán)，并且很容易附在石子上，水灰比越小，這種結(jié)團(tuán)的現(xiàn)象就越嚴(yán)重。于是在攪拌時(shí)，由于摩擦作用，處在石子運(yùn)動方向背面的水泥團(tuán)被有效保護(hù)起來，粒徑遠(yuǎn)大于水泥團(tuán)的石子成為它們的屏障，使得這些水泥團(tuán)無法被有效的破壞。所以這些水泥團(tuán)僅僅是作為填料填充了骨料的間隙，大大減弱了水泥的水化反應(yīng)程度，從而降低了混凝土的性能。

    “二次”法攪拌工藝則可以保證水泥顆粒與水更充分的接觸使水化更為有效，大大減少甚至避免這種小水泥團(tuán)的產(chǎn)生，使水泥與砂石充分拌和，充分發(fā)揮水泥粘結(jié)、包裹砂石的作用，從而提高混凝土的攪拌質(zhì)量。德國和美國的-- 些廠家針對這種工藝設(shè)計(jì)出了一種雙層攪拌機(jī)(復(fù)式攪拌機(jī))，其上層拌筒攪拌水泥砂漿，攪拌均勻后，再送入下層拌筒與石子一起攪拌成混凝土。還有一些廠家根據(jù)相同的理論，研制出恒功率攪拌機(jī)和雙速攪拌機(jī)，使兩次攪拌工藝在同一個(gè)拌筒中完成，達(dá)到異曲同工的效果。國內(nèi)外的試驗(yàn)均證明，采用“二次”法攪拌施工工藝生產(chǎn)混凝土，可使混凝土強(qiáng)度提高約15%;在強(qiáng)度相同情況下，可節(jié)約水泥約15%～20%。此外，“二次”法攪拌工藝還可用于低水泥含量、低強(qiáng)度集料的混凝土生產(chǎn)，也可用于生產(chǎn)輕型混凝土。

    3 完善和優(yōu)化攪拌機(jī)構(gòu)

    據(jù)了解，國內(nèi)的一些學(xué)者曾對攪拌機(jī)構(gòu)優(yōu)化作過一些研究，主要是以攪拌功率最小為目標(biāo)，采用常規(guī)的機(jī)械工程優(yōu)化方法進(jìn)行優(yōu)化。然而，攪拌過程是復(fù)雜的動態(tài)過程，物料狀態(tài)和結(jié)構(gòu)都發(fā)生了變化既有物理的，也有化學(xué)的，因此攪拌機(jī)構(gòu)優(yōu)化并不適宜采用常規(guī)的機(jī)械工程優(yōu)化方法。我們研究發(fā)現(xiàn):在對攪拌過程分析和模型化的基礎(chǔ)上，通過實(shí)驗(yàn)研究來完成優(yōu)化是可行的，也是有效的。攪拌設(shè)備的首要性能指標(biāo)是攪拌質(zhì)量，因此優(yōu)化目標(biāo)必須首先保證攪拌質(zhì)量最優(yōu)。除了己被淘汰的鼓式攪拌機(jī)，目前所有合格的攪拌機(jī)都能保證機(jī)內(nèi)的物料運(yùn)動在三維空間進(jìn)行。對于具有圓柱形殼體的攪拌機(jī)，可以采用圓柱坐標(biāo)將物料運(yùn)動分解為三部分:軸向運(yùn)動U、周向運(yùn)動(θ)和徑向運(yùn)動(r)，如圖1所示。整個(gè)攪拌過程就是空間三維坐標(biāo)方向不同形式運(yùn)動的有機(jī)組合。所以，只有在保證拌筒不同坐標(biāo)方向的物料，達(dá)到要求均勻度的攪拌時(shí)間相近時(shí)，整機(jī)的攪拌時(shí)間才能夠最短，這時(shí)的攪拌過程才是最理想的。因此保證攪拌質(zhì)量最優(yōu)，就是在給定的攪拌時(shí)間內(nèi)，保證拌筒三維坐標(biāo)方向都能同時(shí)達(dá)到較好的均勻性。以此為基礎(chǔ)，筆者對雙臥軸攪拌機(jī)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，以攪拌質(zhì)量最優(yōu)為目標(biāo)，通過對雙臥軸攪拌機(jī)的攪拌過程和混凝土流變特性的分析，利用正交試驗(yàn)，對攪拌臂排列形式和相位角，葉片安裝角，拌筒長寬比四個(gè)參數(shù)優(yōu)化。試驗(yàn)證明，用優(yōu)化后的樣機(jī)攪拌混凝土，強(qiáng)度可提高5%左右;如果保持混凝土強(qiáng)度不變，則大約節(jié)約水泥3%～5%。與此有關(guān)的理論分析與實(shí)驗(yàn)研究，將分篇另述。

    4 振動攪拌

    振動攪拌是最重要的，也是最有效的一種機(jī)械強(qiáng)化方法。眾所周知，混凝土在振動時(shí)，它內(nèi)部的各個(gè)顆粒在脈沖的影響下，將圍繞某種不穩(wěn)定平衡的中間位置作連續(xù)不斷的振動，并且使相鄰粒子振動發(fā)生位移，物料顆粒間的相對運(yùn)動頻率增加，從而使顆粒之間的摩擦力和粘著力急劇減小。振動攪拌就是利用混凝土這一特性，在攪拌的同時(shí)加以振動，使水泥顆粒處于顫動狀態(tài)，從而破壞水泥凝聚團(tuán)，使水泥顆粒均勻分布，以達(dá)到混凝土在宏觀和微觀上的勻質(zhì)。同時(shí)，振動攪拌使水泥顆粒的運(yùn)動速度增加，并能增加物料顆粒間相互碰撞的次數(shù)和加快水泥水化作用。此外，還可凈化集料表面，增加水泥和集料間的粘結(jié)力。

    前蘇聯(lián)是研究和應(yīng)用振動攪拌技術(shù)最早的國家。在20世紀(jì)30年代，前蘇聯(lián)首先使用在普通攪拌機(jī)殼體上附加激振器的方法來拌和水泥砂漿和預(yù)拌水泥漿體;在30年代末用配有振動攪拌葉片的自落式攪拌機(jī)來生產(chǎn)水泥混凝土;到70年代末成功研制出了振動螺旋式攪拌器。20 世紀(jì)40～50 年代開始，美國、德國和日本等國也相繼進(jìn)行了振動攪拌機(jī)的研究。筆者所在的課題組從20 世紀(jì)90 年代開始振動攪拌技術(shù)的研究，目前已獲得大量研究成果。我們發(fā)現(xiàn)振動攪拌的關(guān)鍵是選擇合理的振動方案和振動參數(shù)。圖2是我們根據(jù)最新方案設(shè)計(jì)出的雙臥軸強(qiáng)制式振動攪拌機(jī)。它主要由攪拌驅(qū)動機(jī)構(gòu)、振動驅(qū)動機(jī)構(gòu)、攪拌葉片、激振器、攪拌筒等組成。它最大的特點(diǎn)是攪拌軸和攪拌葉片也是激振器的一部分，攪拌葉片是邊攪拌邊振動，因而振動的有效作用范圍更大，可遍及整個(gè)拌筒空間，攪拌效果更好。其工作原理是:攪拌機(jī)構(gòu)動力由攪拌電機(jī)輸出，經(jīng)減速器減速后傳遞給一對同步齒輪，使兩根攪拌軸作反向同步轉(zhuǎn)動;同時(shí)，振動機(jī)構(gòu)動力由振動電機(jī)輸出，經(jīng)帶傳動后，驅(qū)動攪拌軸內(nèi)偏心安裝的振動軸高速旋轉(zhuǎn)，使攪拌軸和安裝在其上的攪拌葉片產(chǎn)生振動。攪拌葉片的排列形式與傳統(tǒng)雙臥軸攪拌機(jī)一樣，具有渦旋攪拌特征。于是混合料在攪拌軸和攪拌葉片的振動下以及攪拌葉片的強(qiáng)制攪拌下，很快就能實(shí)現(xiàn)均勻拌和。需要指出的是，攪拌軸內(nèi)偏心安裝的振動軸經(jīng)過動平衡設(shè)計(jì)(這一點(diǎn)很重要)，所以在振動攪拌過程中，只有攪拌軸和攪拌葉片產(chǎn)生振動，而包括攪拌筒在內(nèi)的其它部件都不會振動，這樣就消除了振動的不良影響，保證了攪拌機(jī)良好的工作可靠性，同時(shí)還節(jié)省了減振機(jī)構(gòu)。試驗(yàn)樣機(jī)公稱容量為100L，攪拌葉片線速度為1.6m/s，生產(chǎn)率為8m³/h，每小時(shí)可循環(huán)攪拌80次，單位生產(chǎn)量能耗為0.765kW·h/m³。試驗(yàn)證明，該試驗(yàn)樣機(jī)的振動攪拌與常規(guī)攪拌相比，在相同的混凝土配合比下，當(dāng)攪拌時(shí)間不變時(shí)，混凝土試件強(qiáng)度提高約26%;當(dāng)攪拌時(shí)間減小1/2時(shí)，混凝土試件強(qiáng)度提高約16%。

    5 結(jié)語

    1. 機(jī)械強(qiáng)化能夠提高攪拌質(zhì)量，改善混凝土性能。常用的主要有改進(jìn)攪拌工藝，完善和優(yōu)化攪拌機(jī)構(gòu)以及振動攪拌三種方法。

    2. 攪拌機(jī)構(gòu)優(yōu)化應(yīng)以攪拌質(zhì)量最優(yōu)為目標(biāo)，在理論分析和攪拌過程模型化的基礎(chǔ)上，建議通過試驗(yàn)研究來完成優(yōu)化。

    3. 振動攪拌能夠顯著提高混凝土的宏觀和微觀均勻度，是一種最為有效的機(jī)械強(qiáng)化方法。振動攪拌應(yīng)選擇合理的運(yùn)動參數(shù)和與這些參數(shù)相應(yīng)的工作機(jī)構(gòu)，從而保證既能按需要的振動參數(shù)來工作，又能保證工作機(jī)構(gòu)的可靠性和耐久性。