基于超細灌漿水泥的雙軸逆向制漿機設(shè)備性能及適用性試驗

蔣海云 ，張倫超 ，徐劍飛 ，徐軍陽 ，4，馬曉輝 ，4，龔宏偉

（1.國網(wǎng)新源控股有限公司，北京市 100761；2.江蘇句容抽水蓄能有限公司，江蘇省句容市 212400；3.河海大學土木與交通學院，江蘇省南京市 210098；4.河海大學設(shè)計研究院有限公司，江蘇省南京市 210098；5.江西大地巖土工程有限公司，江西省九江市 332000）

0 引言

隨著灌漿技術(shù)的發(fā)展，該技術(shù)應用越來越廣，配套的設(shè)備和技術(shù)也越來越智能化和高效化。對于水泥基灌漿材料，工程實踐表明，為保證漿體的穿透性，制漿材料顆粒粒度D85的平均顆粒尺寸須小于裂隙寬度的1/5；而普通波特蘭水泥所拌漿體穿透寬度大于0.5mm的裂縫效果較好，而更窄的裂縫則較差，甚至不能灌進去[1-5]。在某些特殊灌漿工程中，如擬灌巖體裂隙較窄（＜0.5mm）時，為保證灌漿效果，將不得不采用超細水泥。與普通水泥相比，超細水泥的平均粒徑在4μm以下，超細水泥在攪拌工程中具有水化速度快、結(jié)團等不利現(xiàn)象。這將影響制得漿體的性能，即影響漿體的可灌性。所以，在拌制超細水泥漿體時，對制漿設(shè)備要求較高。雙軸逆向制漿機的設(shè)計正基于此點目標，注重制漿質(zhì)量和性能要求滿足規(guī)范和實際項目要求。

目前實際工程應用中，根據(jù)攪拌原理可將制漿機分為膠體磨式、葉片式和噴射式3種[6]。其中，膠體磨式的工作原理是利用葉片高速旋轉(zhuǎn)，剪切漿體并形成渦流使?jié){體充分混合，特點是制漿效率高、可拌制高黏度漿液，但設(shè)備結(jié)構(gòu)復雜、總成本較高等；葉片式的工作原理是旋轉(zhuǎn)葉片將漿液拋向桶壁上的固定折流器，而使?jié){體被混合，特點是制漿效率低，但設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單，綜合成本低等；噴射式的工作原理是利用高速水流噴入攪拌腔內(nèi)產(chǎn)生真空，將料斗中干料吸入攪拌腔，并噴射水流混合，形成漿體，特點是設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單、效率較高，但漿體均勻性較差。

當然，水泥基灌漿料在巖體中的灌注效果不僅僅與水泥顆粒磨細度程度有關(guān)，還有其他影響因素，如漿體水灰比、裂縫表面粗糙程度和灌漿壓力等。對于灌漿物料能否其最佳特性，攪拌機擔負著主要角色。目前超細灌漿水泥主要采用高速制漿機制漿，設(shè)備轉(zhuǎn)速一般不小于1200r/min[7]，制漿量受單軸影響較大。設(shè)計的雙軸逆向制漿機將是一次新的技術(shù)創(chuàng)新，本文結(jié)合該制漿機的設(shè)計和試驗測試結(jié)果，評價其性能和適用性，為該設(shè)備的應用提供參考，特別是超細灌漿水泥漿料的拌和。

1 雙軸逆向制漿機簡介

1.1 設(shè)備設(shè)計背景

在灌漿工程中，水泥基漿液攪拌一般采用中心軸加兩翼葉片的制漿機。該類型制漿機工作原理是：攪拌介質(zhì)在離心力作用下，一是與攪拌桶內(nèi)壁進行碰撞使團狀攪拌介質(zhì)產(chǎn)生分離，二是相互運動的攪拌介質(zhì)間進行摩擦、碰撞使其攪拌介子也產(chǎn)生分離從而達到混合。特點是中心軸轉(zhuǎn)速越高，離心力越大，單位時間內(nèi)攪拌介質(zhì)摩擦、碰撞的次數(shù)就越多，攪拌的效果就越好?？煞譃楦咚贁嚢铏C和低速攪拌機兩種。該類設(shè)備的攪拌桶直徑的大小也影響著攪拌效果，其直徑越大，攪拌效果也相對較差，這是因為攪拌介質(zhì)與攪拌桶內(nèi)壁摩擦、碰撞的次數(shù)減少所致。所以，攪拌效果的好壞限制了攪拌桶的直徑大小，也就限制了制漿量的大小，對于大體量灌漿工程勢必影響其應用。還有將漿液攪拌設(shè)備設(shè)計為偏心軸式的，其攪拌效果比中心軸方式要好些，但也受攪拌桶直徑所限，制漿量受到限制，無法滿足大灌漿量項目所需。在實踐中，設(shè)計出一種能滿足較大灌漿量要求，又能滿足超細粒徑介質(zhì)攪拌的漿液要求的制漿設(shè)備，具有重要的意義。

1.2 工作原理

雙軸逆向制漿機的工作原理是利用逆向旋轉(zhuǎn)的兩根軸（葉片）使拌和水裹挾著水泥（或其他介質(zhì)）碰撞制漿桶內(nèi)壁的同時，兩股逆向旋轉(zhuǎn)漿液也結(jié)合部進行相互碰撞，并形成紊流使碰撞次數(shù)成幾何式增加，更利于拌和物攪拌均勻；雙軸逆向制漿機兩軸攪拌可以適量加大攪拌桶的體積來滿足工程所需量的需求；因為攪拌方式有所變化，通過特有的機械傳輸方式降低了轉(zhuǎn)速加大了扭矩，而利于攪拌粒徑更小的介質(zhì)。雙軸逆向制漿機結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。其中，1為動力電機，2為皮帶輪，3為皮帶，4為進灰口，5為出漿口，6為檢修艙門，7為進水口，8為減速機，9為連接滾子鏈聯(lián)軸器，10為小傘形齒輪，11為大傘形齒輪，12為聯(lián)軸器，13為左攪拌軸，14為攪拌葉，15為攪拌桶，16為減速機。

圖1 雙軸逆向制漿機結(jié)構(gòu)示意圖（a）立面圖；（b）平面圖Figure 1 Schematic diagram of double axis reverse pulping machine structure

1.3 性能參數(shù)

雙軸逆向制漿機為全封閉式的臥式灰罐智能制漿系統(tǒng)的制漿設(shè)備部分。該制漿智能系統(tǒng)上部為全封閉臥式灰罐，下部由供水系統(tǒng)、配料系統(tǒng)、雙軸逆向旋轉(zhuǎn)攪拌制漿系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、供漿系統(tǒng)組成，水泥漿液拌制采用電子計量，全封閉式制漿作業(yè)。采用散裝水泥，節(jié)約水泥包裝、裝卸、拆裝等成本，并避免制漿過程的揚塵現(xiàn)象，達到了節(jié)能減排功效。雙軸逆向制漿機的性能參數(shù)如表1所示。

2 與其他設(shè)備對應指標對比分析

2.1 200/250L雙層低速制漿機

通過電動機帶動攪拌軸（54r/min）轉(zhuǎn)動，進行水泥漿液拌制，上層攪拌，下層儲漿，克服灰漿易產(chǎn)生離析或沉淀的弊病，確保灰漿泵吸料均勻，出料順利，適用于普通水泥制漿，如圖2（a）所示。

2.2 200L高速制漿機

通過電機使葉輪1440r/min高速轉(zhuǎn)動形成渦流制漿，具有制漿速度快、漿液攪拌均勻等特點，適用于普通水泥及超細水泥等灌漿材料制漿，如圖2（b）所示。

2.3 600L雙軸逆向制漿機

電機帶動兩根帶葉片的攪拌軸逆向200r/min轉(zhuǎn)動，帶動水泥漿液旋轉(zhuǎn)并使水泥漿液激烈碰撞形成紊流，從而使?jié){液攪拌均勻，如圖2（c）所示。

3 制漿漿體測試結(jié)果分析

3.1 試驗設(shè)計

本文主要對比雙軸逆向制漿機與200/250L雙層低速制漿機、200L高速制漿機的制漿性能參數(shù)，驗證600L雙軸逆向制漿機性能優(yōu)劣及工程應用可行性。試驗性能指標包括旋轉(zhuǎn)黏度和馬氏漏斗黏度。原材料有水泥A：42.5級海螺牌普通硅酸鹽水泥，比表面積為365m2/kg；水泥B：三寶牌改性灌漿超細水泥，比表面積為889m2/kg；水泥C：三寶牌磨細水泥，比表面積為675m2/kg。試驗水灰比分別為0.6、0.8、1、2、3。

制漿機攪拌效率主要體現(xiàn)在所拌漿液的流動性能和介質(zhì)分散性。本試驗以漿體流動性指標來分析雙軸逆向制漿機的改進效果，以期評估攪拌超細介質(zhì)時雙軸逆向制漿機是否可以替代高速攪拌機。介質(zhì)分散性采用目測法評價。

圖2 試驗中所使用各制漿機實物圖（a）200/250L雙層低速制漿機；（b）200L高速制漿機；（c）雙軸逆向制漿機Figure 2 Drawing of each pulping machine used in the test

3.2 試驗結(jié)果及分析

3.2.1 攪拌時間對漿液流動性的影響

為了解制漿機攪拌時間對漿液的影響，以水泥C為攪拌介質(zhì)。高速制漿機與雙軸逆向旋轉(zhuǎn)制漿機的攪拌時間分別為2、4、6、8min，測試結(jié)果如圖3所示。

由圖3可知，當超細水泥C水灰比小于等于1時，不管高速攪拌機還是雙軸逆向攪拌機，漿液黏度隨著攪拌時間的增加而減小；對于水灰比大于1時，變化則不明顯。當漿體攪拌4min時所測旋轉(zhuǎn)黏度與攪拌2min相比，減小10%～25%；而攪拌時間超過4min后，隨攪拌時間的增加，旋轉(zhuǎn)黏度變化趨于穩(wěn)定。

3.2.2 旋轉(zhuǎn)黏度試驗及分析

旋轉(zhuǎn)黏度試驗所采用得設(shè)備為NDJ-8S數(shù)顯粘度計。試驗工況主要考慮不同水灰比、不同制漿設(shè)備。轉(zhuǎn)子和轉(zhuǎn)速參考NDJ-8S數(shù)顯粘度計使用說明書執(zhí)行，與漿體水灰比相關(guān)。因為超細水泥采用低速制漿機拌制時，水泥漿液有明顯的大團塊，無法攪拌均勻，漿體質(zhì)量較差，所以圖4中（b）和（c）圖只反映高速制漿機和雙軸制漿機測試結(jié)果，所測得各試樣的旋轉(zhuǎn)黏度如圖4所示。

圖3 制漿機攪拌時間與漿體旋轉(zhuǎn)黏度的關(guān)系圖（a）高速制漿機；（b）雙軸逆向旋轉(zhuǎn)攪拌機Figure 3 Relationship between mixing time and slurry viscosity of pulping machine

由圖4（a）可知，當漿液水灰比大于1時，3種制漿機所拌水泥A（普通硅酸鹽水泥）漿液旋轉(zhuǎn)黏度相差不大；當漿體水灰比小于1后，高速制漿機所制漿體的旋轉(zhuǎn)黏度值為164.5MPa·s，低速制漿機所測的旋轉(zhuǎn)黏度值為242MPa·s，雙軸逆向制漿機所拌漿體對應旋轉(zhuǎn)黏度為218.5MPa·s。一般情況下，漿液的黏度越小，則可灌性越好，說明普通水泥采用高速制漿機較雙軸逆向制漿機的制漿效果較好，而低速制漿機攪拌效果最差[7-8]。

由圖4（b）和（c）可知，當水灰比大于2時，高速制漿機與雙軸逆向制漿機所拌制的漿液旋轉(zhuǎn)黏度大致相當，雙軸逆向制漿機略優(yōu)于高速制漿機。當水灰比小于2時，雙軸逆向制漿機所攪拌的漿液旋轉(zhuǎn)黏度較高速制漿機的低。其中在水灰比為0.6時，相對高速制漿機，對于水泥B漿體，雙軸逆向制漿機所攪拌的漿液旋轉(zhuǎn)黏度降低了19%，水泥C漿體旋轉(zhuǎn)黏度降低了12.3%。說明對于超細水泥，采用雙軸逆向攪拌機較高速制漿機所拌制的漿液的可灌性更好。

3.2.3 馬氏漏斗試驗及分析

馬氏漏斗試驗為將馬氏漏斗內(nèi)裝有1500mL的水泥漿液自由落體流出，流滿946mL容量瓶時所需的時間，單位為s。時間越短說明漿體流動性越好[9-10]。

由圖5（a）可知，當水灰比大于0.8時，3種制漿機所拌普通硅酸鹽水泥漿液馬氏黏度相差不大；當水灰比小于0.8時，3種制漿機所拌漿液的馬氏黏度的大小順序是：低速制漿機>逆向雙軸制漿機>高速制漿機。其中水灰比為0.6時，高速拌制的漿液馬氏黏度比低速拌制的小12.3%，而比雙軸逆向制漿機的小4.9%。

由圖5（b）和（c）可知，當水灰比大于1時，高速制漿機與雙軸逆向制漿機所拌制的漿液馬氏黏度大致相當；當水灰比小于1時，雙軸攪拌機拌制的漿液馬氏黏度比高速攪拌機拌制的大。其中水灰比為0.6時，對于水泥B漿體，雙軸逆向旋轉(zhuǎn)制漿機所拌漿液馬氏黏度較高速制漿機的增加了18%，而水泥C漿體則增加了9.3%。

另外，從觀察馬氏漏斗濾網(wǎng)上的殘余料渣發(fā)現(xiàn)，隨著漿液水灰比的減小，水泥漿包裹末充分攪拌的水泥小懸浮顆粒相應增多，低速攪拌機的濾網(wǎng)殘余量最多，其次為雙軸逆向攪拌機，高速制漿機最少。

圖4 不同漿體的旋轉(zhuǎn)黏度（a）水泥A漿體；（b）水泥B漿體；（c）水泥C漿體Figure 4 Rotation viscosity of different paste

3.2.4 漿體介質(zhì)分散性分析

水灰比大于1的水泥漿液，經(jīng)制漿機充分攪拌，3種制漿機所形成的漿液黏度基本一致，懸浮的水泥團粒也較少。當水灰比小于1時，低速制漿機就不適宜濃漿攪拌，漿液攪拌不均勻，存在大形團塊；水灰比越小，情況越嚴重，這對灌漿將造成不利影響。

高速制漿機和雙軸逆向制漿機所形成漿液黏大致接近，但在水灰比小于等于1后，雙軸逆向攪拌機的拌和的懸?。ū砻鏉{液包裹的水泥）水泥顆粒較高速攪拌機的多，分析主要原因為漿液拌制過程中，雙軸逆向攪拌機沒有采用邊攪拌邊加水泥拌和，在水灰比較小的情況下，容易在水泥表面形成漿膜，不能使水泥充分水化，形成顆粒。

圖5 不同漿體的馬氏漏斗黏度（a）水泥A漿體；（b）水泥B漿體；（c）水泥C漿體Figure 5 Viscosity of marsh funnel of different paste

4 結(jié)束語

通過不同制漿機所拌漿體的黏度和均勻性分析，雙軸逆向制漿機適用于超細水泥漿體拌制，相比高速制漿機有一定的優(yōu)點。通過對比試驗可得出如下結(jié)論：

（1）雙軸逆向旋轉(zhuǎn)制漿機所制水泥漿液能滿足灌漿規(guī)范要求，設(shè)備技術(shù)經(jīng)濟性較好，特別是超細水泥介質(zhì)。

（2）對于拌制超細水泥漿液，采用高速或雙軸逆向旋轉(zhuǎn)制漿機攪拌時，最佳拌制時間為3～4min。

（3）從漿體介質(zhì)分散性看，高速制漿機最好，雙軸逆向制漿機次之，低速制漿機最差，特別當漿液水灰比小于1時。所以雙軸逆向制漿機可應用于灌漿工程。