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搅拌机低效区及其消除方法

搅拌设备是生产混凝土的必需设备 ,其性能对工程建设质量和速度都有着直接的影响。强制式搅拌机作为搅拌设备的主导机型, 国内外普遍认为这一技术是成熟的, 已经沿用多年[ 1] 。作者及其课题组在进行“混凝土搅拌理论及其设备的研究” 课题时 ,却发现现有搅拌设备存在低效区的固有缺陷 ,造
成了搅拌质量和效率的低下[ 2  5] 。而目前关于该方    
面的研究在国内外尚属空白。本文**揭示了搅拌    
设备的低效区现象 ,分析了其成因和对作业质量及    
效率的影响,并在试验的基础上,给出了消除低效区    
的具体方法。      
 

 
1 搅拌低效区现象
 
20 世纪初 ,圆柱形拌筒代替多边形拌筒;20 世纪 50 年代 ,强制式搅拌机开始使用 ,现已发展成为国内外的主导机型。图 1 为这种机型的原理示意图。由于搅拌叶片上各点离搅拌筒中心的距离不同,各点的线速度为线性分布 ,存在着速度梯度。为了使混合料在搅拌过程中不离析 ,叶片端部的**大线速度 vmax 必须受到限制 , 一般在 1. 8 m s - 1 以内[ 1] 。因此 ,在靠近搅拌轴附近的区域内速度很低 , 形成了混合料搅拌的低效区。
 
低效区带来的问题是明显的。首先,低效区内混合料流动缓慢, 搅拌效率低, 搅拌均匀性差 ,尽管低效区与整个搅拌室容积相比所占份额不
大 ,但制约了成套搅拌设备的
 
图 1 强制式搅拌机工作 效能 ,给成品混凝土留下了潜原理及速度梯度示意图 在的缺陷与隐患。另外 ,低效
 
区内混合料流动性差 ,易与搅拌轴粘附 ,产生“抱轴”的现象。还有, 随着搅拌机容量的增大 ,低效区现象愈严重。
 
2 试验验证
 
以某立轴强制搅拌机为例 ,设搅拌室工作容积为Ψ,圆柱壳体的内壁半径为 R1 , 安装叶片的旋转轴半径为 R0 , 取空间圆柱坐标系(Z 、r 、φ), 其坐标原点 0 在底面圆心处,Z 轴与圆柱壳体的几何轴线重合, 方向向上,则搅拌室工作腔的数学描述为
 
{0 <Z ≤H , R0  <r ≤R1 , 0 <φ≤2π}
 
其中 , H 为混合料的高度。
 
试验是在 3 个坐标方向按极限分布加料 , 在不同的搅拌时间测相应的混合料的均匀度, 就可发现搅拌均匀度较差。搅拌水泥混凝土 ,可采用图 2 所示的 3 种极限布料方式。
 
试验用搅拌机主要参数为:R0 =0. 2 m ,R1 = 0. 625 m , H =0. 15 m 。按国标[ 6] 给出搅拌质量, 即
混合料均匀度指标为粗骨料质量的相对误差 G <
5 %, 砂浆容重的相对误差 M <0. 8 %。通过试验 ,

3 搅拌低效区的消除
 
搅拌低效区是圆筒形搅拌机的固有缺陷。经过数年的努力 ,我们课题组提出了几种消除这种现象的方法。
3. 1 振动搅拌
 
图 3 为立轴式振动搅拌机结构示意图[ 2] 。它由搅拌叶片驱动机构 1 、激振器驱动机构 2 、进料器 3 、搅拌筒 4 、搅拌叶片 5 、深度激振器 6 和卸料机构 7 等组成。深度激振器 6 就如同 1 个混凝土振动棒,插在搅拌低效区的中心处。机构 1 驱动搅拌叶片 5 旋转时 ,将物料推向位于搅拌室中心的激振器壳体,它的**大振动加速度为 20 g 左右, 壳体四周混合料的粘性受振动作用而下跌 ,为高效节能拌匀混合料创造了条件。在振动作用下 ,由搅拌叶片不断推向激振器壳体的物料形成了循环, 消除了搅拌低效区。强制搅拌与振动活化相结合 ,使物料的对流运动和扩散运动都在极有利的条件下完成, 大大提高了搅拌过程的发展速度 , 在较短的时间(38 s)内可搅拌出均匀而致密的混凝土。
 
为了比较振动搅拌法与普通搅拌法在改变混凝土的匀质性和提高混凝土强度上的差异 , 在混凝土

配合比及试验方法相同 ,而在不同的搅拌条件时 ,测
定混凝土拌和物的匀质性[ 6] 和硬化混凝土试块的抗
压强度[ 7] 。不同的搅拌条件如下: (1)按设计配合比振动搅拌,干拌 8 s ,湿拌 30 s ; (2)减少水泥用量 20 %, 其余组份用量不变时
 
振动搅拌 ,干拌 8 s ,湿拌 30 s ; (3)关闭振动电机 ,按传统强制搅拌, 干拌 8 s ,
 
湿拌 1 min ;
 
(4)普通强制搅拌机(JW50 型), 干拌 8 s , 湿拌
 
1 min 。
 
其中一组测试结果如表 1 所示。利用混凝土抗压强度平均值 R 和标准差 σ(或离差系数 Cv),绘制不同搅拌条件下混凝土强度的概率分布曲线(图 4)。
图 4  不同搅拌条件下混凝土强度的概率分布曲线
 
由表 1 和图 4 可见, 在各种搅拌条件下, 由于混凝土拌和物的匀质性的相关指标是宏观值, 它们相差并不大 ,而硬化混凝土试块的抗压强度却存在较大的差异性。采用振动搅拌法 , 不仅混凝土强度大
 
有提高 ,而且强度的标准差和离差系数大为下降 ,表现为强度概率分布曲线窄而高 , 离散程度较小。这说明振动搅拌提高了混凝土的微观匀质性 ,消除了有低效区现象时的微观缺陷。试验数据证明 :采用振动搅拌法来消除低效区, 当设计配合比不变时 ,混凝土强度提高 20 %~ 35 %, 离差系数大大减小;当混凝土强度不变时 ,大约可节约水泥 20 %;另外 ,搅拌时间缩短 ,搅拌效率提高。进一步 ,我们对双卧轴振动搅拌机进行了试验研究[ 3] ,得到了类似的结论。
3. 2 双卧轴搅拌机工作装置的优化
 
双卧轴搅拌机是目前广泛使用的一种机型。对单轴上搅拌臂的相位及其排列 (90°、60°或45°, 正排列或反排列)、双轴相位及其排列(交错或平行, 正反、正正或反反)进行优化, 并使其与叶片安装角、转速、长宽比等结构和运动参数相匹配 ,就可使物料形成良好的轴向大循环运动和轴间的合理逆流 ,如图 5 所示 。轴间的合理逆流有效地减弱了低效区所造成的影响,当配合比与搅拌时间不变时,混凝土试块的抗压强度比普通搅拌机提高了约 8 %[ 4 , 8] 。
3. 3 双排搅拌叶片结构
 
通过在与大搅拌叶片相对的一侧、靠近搅拌轴处安装小搅拌叶片, 可以使靠近搅拌轴的物料与靠近拌筒内壁的物料在径向形成对流, 消除搅拌低效区。工作原理如图 6 所示。与普通搅拌法的对比试验证明 ,当配合比与搅拌时间不变时 ,混凝土试块的抗压强度提高了约 25 %;同时 , 由于搅拌线速度下降了 30 %,节能约 20 %,实现了高效低耗[ 5] 。

拌质量,提高搅拌效率。    
  (4)研究消除搅拌低效区的方法和措施, 有着重  
要的社会和经济效益 ,以及良好的工业应用前景。    [ 5]

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