國內混凝土攪拌裝置的結構特點和發(fā)展探討

    混凝土是由砂石骨料、水泥、水、外加劑等原材料按一定比例攪拌而成的均質混合料，可分為塑性、半干硬性、干硬性、輕質、重、纖維、大體積、高性能等多類型混凝土。隨著城市建設的發(fā)展和施工技術的進步，人們對混凝土的品質指標和經濟指標提出了更高的要求，從而促進混凝土向高強、輕質、流態(tài)和耐久性方面發(fā)展。國家將逐步壓縮和減少普通混凝土的用量，重點發(fā)展環(huán)保型( 或綠色) 高性能混凝土，主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

    （1 ）大量利用工業(yè)廢料，減少熟料生產和使用，保護環(huán)境。

    （2 ）利用外加劑技術和礦物摻合料，提高混凝土的強度等級，改善混凝土的施工性能和耐久性，爭取到2010年高性能混凝土的用量占混凝土總量達到或超過50%。

    要獲得高性能的混凝土除了配比的重要性外，對其攪拌裝置的要求也逐漸趨向于專業(yè)化、高效化和大型化等。因此探討不同攪拌裝置的優(yōu)缺點，從而進行優(yōu)化設計，掌握其發(fā)展趨勢，無論對于建筑施工還是機械制造業(yè)都有著現(xiàn)實的指導意義和實踐作用。

1 各種混凝土攪拌裝置的功用和原理

    攪拌是混凝土生產工藝過程中極其重要的一道工序，因為混凝土配合比的設計是按細骨料恰好填滿骨料的間隙(見圖1)，而水泥膠質均勻地分布在粗細骨料的表面，只有將配合料攪拌得均勻才能得到最密實的高質量混凝土。同時，通過攪拌可塑化、強化混凝土，所以混凝土攪拌機是混凝土生產的核心裝置之一，用于完成混凝土的均勻拌和，保證其宏觀均質性和微觀均質性。

    同時，混凝土攪拌裝置又受混凝土整個施工工藝的影響，如攪拌裝置的性能和參數要與混凝土施工要求相適應，比如：攪拌機的出料容量應與攪拌輸送車的裝料容量相配套，與工程大小相配套，出料高度應滿足實際運輸設備要求等。一般混凝土攪拌機應用擴散、剪切及對流、擠壓機理達到均化的目的，例如常見的自落式攪拌機主要利用擴散機理使物料在重力作用下相互穿插、翻拌、混合以達到均勻混合的目的，而強制式攪拌機主要是依據剪切原理強制物料沿滑移面產生相互滑動以達到均勻混合。

2 混凝土攪拌裝置的分類及結構特點

    攪拌裝置的攪拌方式和結構特點決定了攪拌機的性能和應用范圍，攪拌裝置從攪拌機理上看，主要分為自落式和強制式兩類。自落式又以雙錐反轉出料為主流形式，偶見有錐形傾翻出料式。自落式攪拌裝置筒體旋轉時，葉片不斷地將拌合料帶到約0.7倍直徑處，下滑角約為45°，然后因自重而沿葉片滑落下來，重新跌入底部進行沖擊拌合，如此反復作用，使混凝土得到均勻拌合。自落式只適于攪拌流動性較大的混凝土，對于干硬性混凝土和輕骨料混凝土攪拌效果不理想。強制式品種較多，以雙臥軸為主流形式，同時單臥軸、渦漿式、行星式等也較常見，其作用機理是強制物料按預定軌跡運動，對半干硬性、干硬性混凝土和輕骨料混凝土攪拌效果理想，但能耗較大，成本高。為了增加細小的水泥顆粒與拌合水進一步均勻分布，增加混凝土的微觀勻質性，采用了一系列強化攪拌措施，如振動攪拌、超聲攪拌及熱攪拌等。

2.1 JZ系列雙錐反轉出料攪拌裝置

    JZ系列雙錐反轉出料攪拌裝置，屬自落式攪拌裝置，工作時正轉攪拌，反轉出料，可攪拌塑性和半干硬性混凝土以及大骨料混凝土，不適于攪拌流動性很差的干硬性混凝土，適用于一般建筑工程、道路、橋梁工程及各種混凝土構件廠。主要機型有200～1200L，傳動方式分齒輪傳動和磨擦傳動，該機型由于成本低、生產效率較高，應用廣泛。因反轉卸料，該機存在一個重載起動的問題，攪拌機容量不可能做得很大。

    這種裝置的攪拌筒是關系到混凝土質量、生產率、能耗、溢料情況等性能的關鍵部件，其結構形式、傳動形式關系到總體尺寸的大小和布局合理與否。筒體分進料錐、柱體和出料錐三部分（見圖2 ）根據反射角4 5 °最佳的原理，進料錐半角為48°左右，可促使物料在進料錐的作用下竄向筒體，攪拌強烈，從出料速度和出料筒體重心考慮，出料錐角為66°，為節(jié)省材料，攪拌筒整體應設計成類球形；葉片布置：低葉片(主葉片)與拌筒軸線成的夾角為40°(左旋)，而高葉片(付葉片) 與拌筒軸線成的夾角為-40°(右旋)，為了布置方便，齒圈置于進料錐一面，容易實現(xiàn)與上料裝置共用1 個電機。值得注意得是，傳動裝置位置不能亂放，攪拌筒設計完畢后，傳動裝置位置就固定了，放錯位置攪拌筒就會跳高。這種裝置工作時呈現(xiàn)以下特點：

    （1 ）混合料的運動在三維空間進行，并顯現(xiàn)較復雜的運動軌跡。

    （2 ）利用物料重力勢能產生沖擊碰撞外，在軸向較大的范圍內有交錯、穿插，甚至有逆向流動的料流，較大的變形速度使混合料粘性系數下降，混合料呈現(xiàn)較好地流動性，加速了宏觀“勻質”化地進行。同時，由于物料的交錯、穿插、對流，提高了混合料之間摩擦時正壓力中的剪切力，為產生微觀“勻質”的混凝土提供了條件。

    （3 ）混合料運動主要集中在拌筒的柱體部分，攪拌運動影響區(qū)域相對增大。

    由于低葉片斜置6.5°，混合料下落的離心力相對較小，因而拌筒轉速可相應增加，以提高系統(tǒng)時間內混合料的運動頻率，同時，提高了軸向料流的變形速度。

2.2 JS系列雙臥軸混凝土攪拌裝置

    JS系列攪拌裝置適用于各類建筑工程，可攪拌干硬性混凝土、半干硬性混凝土、輕骨料混凝土及各種砂漿。出料容量350～9000L。此類攪拌裝置設計十分緊湊，攪拌系統(tǒng)是由傳動系統(tǒng)、攪拌罐、攪拌裝置、軸端密封等部分組成。攪拌罐內鑲有耐磨襯板，用沉頭螺釘與罐體聯(lián)接緊固，柱體部分的襯板叫弧襯板、端面部分的襯板叫側襯板。

    卸料門設在攪拌筒的下方，用于攪拌機的卸料。由攪拌罐、攪拌臂、攪拌葉片、襯板組成。攪拌罐呈ω形，攪拌罐內裝有兩根水平布置的攪拌軸，每根軸上分別裝有攪拌臂，攪拌臂上裝有攪拌葉片，成非連續(xù)螺旋布置，一般有八方軸、六方軸和四方軸形式，攪拌臂相鄰夾角有45°、60°、90°、120°、135°、180°，可根據不同工況進行設計。對于大型和特大型攪拌裝置，大都是45°、60°螺旋，這種結構對于大骨料的混凝土攪拌性能較好。因為這種設計的料流空間大，大骨料可更好地在其內部循環(huán)；從另一個角度看，大骨料的運動，能起到攪拌的作用，增加了攪拌能力。攪拌臂與大軸用螺栓連接，維修性能好，便于更換；葉片與攪拌臂用螺栓連接，而且攪拌臂上設有長條孔便于調整葉片與襯板間隙，在靠近攪拌罐兩端的攪拌臂上，分別裝有側葉片，用于刮掉端面上的混凝土。攪拌軸上設有反向旋轉的攪拌葉片，能使攪拌物料在ω形的攪拌槽內呈相互交措、往復循環(huán)的螺旋狀運動，產生一個強的三維立體攪拌空間，特別是在兩個攪拌循環(huán)中心交界處形成一個強渦旋的、失重的摻合區(qū)，使物料在攪拌葉片和物料的相互擠壓、揉搓下，短時間內充分拌和（見圖3）；具有攪拌性能強、勻質性好、生產率高、能耗低的優(yōu)點。能耗低是因為該裝置采用瞬間失重原理進行攪拌，減少了物料相互滑動阻力，不易破壞物料的原始狀態(tài)，短時間內就能得到宏觀勻質混凝土，而行星攪拌和渦漿攪拌就沒有這一優(yōu)勢，它們的能耗顯然就稍高一點。

2.3 JD系列單臥軸混凝土攪拌裝置

    JD系列攪拌裝置適用于各類建筑工程，可攪拌干硬性混凝土、半干硬性混凝土、輕骨料混凝土及各種砂漿，出料容量從350～3000L。以德國ELBA公司為代表，這是該公司專利產品，20世紀70年代就進入市場。該裝置在攪拌臂上對稱布置兩塊螺旋帶狀葉片。螺旋的方式左右相反，都是將攪拌物料從拌筒兩端推向拌筒中部。一塊螺旋帶狀葉片占據圓周角110°左右，作業(yè)時，一會兒向左，一會兒向右，從表面上看好象是攪拌物料在整體移動（見圖4）。實際上物料在葉片帶動下，強迫物料產生擠壓、剪切、搓動等復雜運動，就象兩條蛟龍爭斗一樣，攪拌十分強烈，加之輔助葉片的擋料作用，攪拌更加強烈，設計水平是相當高的。為了提高葉片的使用壽命，葉片寬度常為葉徑的5%～15%之間，通常為10%，用耐磨材料制成，用螺栓固定在攪拌臂，以便磨損后調整更換。

2.4 JW系列立軸渦漿式攪拌裝置和卸料裝置

    JW系列立軸渦漿式攪拌機攪拌劇烈（見圖5），主要適用于干硬性混凝土的攪拌，用于建筑工程和預制件的生產，可生產各種混凝土、干砂漿。其攪拌能力比JS系列劇烈，能耗較大，主要機型有500～4000L。此種結構其攪拌裝置設置在回轉體上，也是由攪拌臂和攪拌葉片組成，其特點是攪拌葉片和內外刮料葉片通過螺旋固定在攪拌臂，可隨葉片磨損進行調整，并且該攪拌臂上設有防卡料裝置，可減少能耗，提高葉片壽命。攪拌的時候攪拌葉片可形成渦旋的翻轉料流，外環(huán)上的葉片向內翻轉、內環(huán)上的葉片向里翻轉，同時，葉片后形成起落料流，形成沖擊的三維交錯料流，攪拌強度大。另外立軸渦漿式攪拌機拌筒中央部分有一內筒，用于放置傳動裝置，結構緊湊，傳動裝置下置，潤滑性能好。缺點是占據了一定的攪拌空間，維修也不便，而且攪拌機的裝料高度不宜太高，這種攪拌機的利用高度僅有拌筒高度的1/3，過大攪拌效果不理想。攪拌筒的利用系數低于雙臥軸攪拌機，拌筒直徑做得都比較大，因此線速度也比較高。而大型攪拌機線速度一般最大不超過3m/s，過快會因離心運動，骨料拋向拌筒外壁，產生混凝土離析。

2.5 JN 系列立軸行星攪拌裝置

    JN系列立軸行星攪拌機攪拌劇烈，主要適用于干硬性混凝土（碾壓混凝土）的攪拌，用于砌塊和預制件的生產，可生產鋼纖維混凝土、彩色混凝土、干砂漿。主要機型500～3000L。對細骨料攪拌性能優(yōu)越，國內有些廠家稱之為碾輪，攪拌強度很大。主要有定軸式和定盤式兩種。定軸式就是軸僅自轉不公轉，轉盤旋轉而實現(xiàn)攪拌，能耗較大；定盤式就是盤不轉，由立軸的公轉與自轉帶動攪拌裝置運動，實現(xiàn)攪拌，見圖6。

    其攪拌裝置同樣是由攪拌臂和攪拌葉片組成，它們固定在從動盤上和行星架上，與行星架相連的攪拌葉片僅作公轉運動，不自轉，用于實現(xiàn)刮料功能，從動盤相連的攪拌葉片，即自轉又公轉，用于實現(xiàn)攪拌功能。它們均采用螺栓聯(lián)接，便于調整和更換。

    由其攪拌軌跡（見圖7）可以看出攪拌臂在從動軸的帶動下作公轉與自轉運動，形成非常復雜的攪拌運動，每個從動軸上的攪拌臂，每時每刻都做不同的變速運動( 采用復變函數，由向量合成可求) ，形成復雜的變速流場，攪拌劇烈，形成兩大股渦旋料流，而且攪拌沒有死角，攪拌性優(yōu)越，攪拌物料能在拌筒充分攪拌。

    若采用對流攪拌，兩大股渦旋料流相互沖擊，攪拌作用更為強烈，能使那些難溶的材料或小劑料的材料快速得到攪拌，特別適用于制備細顆?；炷痢５珜α魇綌嚢栌捎跀嚢杷俣容^高，受攪拌動力學及磨損的限制，骨料最大粒徑應小于60mm。

3 攪拌裝置發(fā)展探討

    以上幾種攪拌裝置雖然各有不同，但都是由攪拌臂和可裝拆的攪拌葉片及襯板作為其基本單元，所以其結構設計的復雜程度和準確性、對各種混凝土的適應性及材料的強度和耐磨性是混凝土攪拌裝置的關鍵所在。因此將各種不同攪拌裝置的優(yōu)點集于一體從而改進它們之間的設計也是提高性能最為直接的途徑。雙螺旋連續(xù)葉片攪拌裝置便是在此基礎上開發(fā)的新型裝置之一，見圖8。

    雙螺旋連續(xù)葉片攪拌機是JS系列雙臥軸混凝土攪拌機與JD系列單臥軸混凝土攪拌機相結合的產物，外形上，同JS系列攪拌機一樣，沒有任何區(qū)別，關鍵是攪拌裝置采用了雙螺旋連續(xù)葉片，攪拌性能與普通主機相比，只要用普通攪拌主機的一半攪拌時間即可達到均質攪拌。

    對于普通混凝土只需20s可達到均質攪拌；對于高性能混凝土只需40s可達到均質攪拌。目前市場上的主要機型有2000L、3000L。

    該種攪拌裝置的水平攪拌臂上所裝攪拌葉片成連續(xù)螺旋布置，分主葉片和輔助葉片，攪拌臂與大軸用螺栓連接，維修性能好，便于更換；葉片與攪拌臂用螺栓連接，而且攪拌臂上還有長條孔，便于調整葉片與襯板間隙；在靠近攪拌罐兩端面的攪拌臂上，分別裝有側葉片，用于刮掉端面上的混凝土。同時攪拌軸上設有反向旋轉的攪拌葉片。因此該裝置既有單臥軸的特點又有雙臥軸攪拌的優(yōu)點，能使攪拌物料在ω形的攪拌槽內呈相互交錯、往復循環(huán)的螺旋狀運動，產生一個強勢的三維立體攪拌空間，特別是在兩個攪拌循環(huán)中心交界處形成一個強渦旋的、失重的摻合區(qū)，又物料在攪拌葉片和物料的相互擠壓、揉搓下，短時間內充分拌和。該攪拌裝置攪拌能力強，特別是細骨料和高性能混凝土攪拌時間短，微觀勻質性能好。