新型強(qiáng)制振動式攪拌機(jī)裝置的研究

沈逢春 王英杰 王垚 范寶慶

摘 要：普通混凝土攪拌作業(yè)中，攪拌后通常會殘留有10%～30%的水泥未破散開而聚結(jié)在一起形成小泥團(tuán)，為了解決這一問題，設(shè)計(jì)一種強(qiáng)制振動式攪拌機(jī)，可以將水泥顆粒聚結(jié)形成的小泥團(tuán)強(qiáng)制破散開。對C50標(biāo)號的混凝土進(jìn)行試驗(yàn)，控制配合比不變，改變攪拌時間，將設(shè)計(jì)的裝置與普通雙臥軸攪拌機(jī)相比。試驗(yàn)結(jié)果為：當(dāng)混合攪拌時間減少25%時，試塊的抗壓強(qiáng)度提高12%；當(dāng)混合攪拌時間相同時，試塊強(qiáng)度提高29%。將現(xiàn)有雙臥軸振動攪拌機(jī)與該裝置與相比，依然對C50標(biāo)號的混凝土進(jìn)行試驗(yàn)，控制配合比不變，改變攪拌時間，結(jié)果為當(dāng)攪拌時間減少25%時，C50標(biāo)號的混凝土抗壓強(qiáng)度提高約5%；當(dāng)攪拌時間相同時，混凝土強(qiáng)度提高約13%。

關(guān)鍵詞：強(qiáng)制攪拌；振動式攪拌；攪拌機(jī)；水泥混凝土攪拌

中圖分類號：U414? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：2096-6903（2023）05-0065-03

0 引言

在建筑施工和工程應(yīng)用中，水泥混凝土是必不可少的材料，混凝土的強(qiáng)度、和易性和耐久性等技術(shù)性能對建筑施工過程即建筑物耐久性具有重要作用。為了保證施工順利即建筑物的耐久性，通常在施工時對這些性能指標(biāo)進(jìn)行檢測[1]。水泥混凝土是由沙、石、水泥經(jīng)水拌合而成，通常為了滿足施工要求，混合料的配合比及攪拌后的密實(shí)度的十分重要，可以直接影響水泥混凝土的性能。研究發(fā)現(xiàn)，混凝土在攪拌機(jī)中的攪拌質(zhì)量也具有同樣重要，其也可以顯著影響混凝土的性能[2]。

一直以來，混凝土的攪拌質(zhì)量通常以攪拌后的均質(zhì)性來判斷攪拌好壞，但這只表明在宏觀上的混凝土的勻質(zhì)性。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，混凝土宏觀勻質(zhì)的好壞不能等同于混凝土強(qiáng)度的好壞，混凝土的宏觀勻質(zhì)性好僅僅是肉眼可見的一種現(xiàn)象，攪拌質(zhì)量達(dá)勻質(zhì)不代表混凝土強(qiáng)度一定高。這是因?yàn)榛炷翑嚢柽^程中，水泥混凝土的高粘性和較高強(qiáng)度的剪切力會阻止結(jié)構(gòu)的破壞，從而影響水泥在水相中分散開，阻止其與各集料均勻混合，不能在各集料的表面形成水化膜。只有在微觀上水泥顆粒均勻分散開，與各集料結(jié)合得越均勻，才能保證水泥混凝土的強(qiáng)度，普通的攪拌設(shè)備并不能將物料在微觀上分散開，攪拌也變得極為困難[3]。因而，普通攪拌設(shè)備制備的混凝土是有缺陷的，其在微觀上并沒有攪拌均勻。只有宏觀、微觀上均克服缺陷，混凝土凝固后才會具有最大強(qiáng)度。因此，為了更加滿足建筑業(yè)的施工要求，混凝土攪拌還要求微觀上也要將各組分拌透。

1 研究背景

水泥混合料在現(xiàn)有的攪拌機(jī)作用下，能夠很快達(dá)到勻質(zhì)，但這只是宏觀上，在微觀上，依然殘存有10%～30%的水泥團(tuán)，極其微小，肉眼不可見，只有用顯微鏡可見。這是因?yàn)榛旌狭显谖⒂^上并未達(dá)到均勻，從而使未分散開的水泥顆粒粘結(jié)而成。這些小水泥團(tuán)因?yàn)閳F(tuán)聚在一起而不能正常發(fā)揮水泥顆粒的水化作用，降低了水泥的粘結(jié)性能，從而使得水泥的水化作用降低，原料組分無法充分水化而造成水化生成物減少，降低了混凝土的強(qiáng)度。水泥顆粒微觀上的團(tuán)聚現(xiàn)象，嚴(yán)重影響著混凝土的和易性和強(qiáng)度等性能指標(biāo)[4]。

為了減少自落式攪拌機(jī)的團(tuán)聚現(xiàn)象，一般利用延長攪拌時間來解決混凝土品質(zhì)問題。例如設(shè)置多級攪拌機(jī)。該方法仍采用普通攪拌設(shè)備，攪拌質(zhì)量并未有明顯的提高，卻增加設(shè)備投資成本和占地面積，耗能也變高了，增大了經(jīng)濟(jì)成本。

振動攪拌可以有效阻止水泥顆粒團(tuán)聚，促使水泥顆粒均勻分散。它是通過在攪拌的過程中，在不斷地振動作用下，破壞水泥顆粒之間的粘結(jié)性，從而使得微小的水泥團(tuán)在振動作用下被強(qiáng)制性破壞，水泥組分?jǐn)U散到液相中在集料表面分散均勻。攪拌機(jī)中的混合料在攪拌的同時，伴隨著振動，使得混合料的運(yùn)動速度加快，與水泥顆粒的有效碰撞次數(shù)增加，從而與水泥顆粒均勻混合。水泥水化物在混合料顆粒表面均勻擴(kuò)散，提高了水泥水化速度。振動攪拌過程中，混合料表面也得到了凈化，其與水泥顆粒的粘結(jié)性增加。因此，對水泥混凝土進(jìn)行振動攪拌可以有效地減少混凝土的攪拌時間，提高攪拌效率，提高混凝土質(zhì)量和新拌混凝土的流動性[5]。

強(qiáng)制振動式攪拌機(jī)主要有4種，分別是單一分離式振動攪拌機(jī)、軸周期式振動攪拌機(jī)、螺旋式振動攪拌機(jī)和雙臥軸振動攪拌機(jī)。

雙臥軸振動攪拌機(jī)是目前混凝土攪拌生產(chǎn)中最常用的設(shè)備，是在傳統(tǒng)的雙臥軸攪拌機(jī)基礎(chǔ)上改造而成，振動機(jī)構(gòu)主要由攪拌臂、攪拌軸和其上安裝的攪拌葉片組成。攪拌功能是由攪拌驅(qū)動機(jī)構(gòu)中的攪拌臂通過驅(qū)動同步齒輪，聯(lián)動兩根攪拌軸帶動攪拌葉片旋轉(zhuǎn)，從而使混凝土集料在葉片的推動下，在攪拌筒內(nèi)作軸向和軸間的往復(fù)流動。振動功能是由振動驅(qū)動機(jī)構(gòu)在傳送帶作用下驅(qū)動兩根振動軸高速偏心旋轉(zhuǎn)，使安裝在其上的偏心攪拌軸及安裝在上面的攪拌葉片產(chǎn)生振動，從而使水泥混合料在驅(qū)動機(jī)構(gòu)的攪拌和強(qiáng)制振動的共同作用下，實(shí)現(xiàn)了拌筒空間內(nèi)混合料的宏觀及微觀上的達(dá)到勻質(zhì)[6]。

強(qiáng)制振動式攪拌機(jī)的攪拌軸需要同時發(fā)揮攪拌和振動的作用，攪拌軸邊旋轉(zhuǎn)攪拌邊振動。攪拌機(jī)構(gòu)在旋轉(zhuǎn)攪拌時，不僅要承受攪拌葉片對混凝土的攪拌力，還要同時承受來自振動機(jī)構(gòu)的振動力，攪拌機(jī)構(gòu)或攪拌葉片的磨損較快。更換攪拌機(jī)構(gòu)或攪拌葉片時，需要將攪拌機(jī)構(gòu)和振動機(jī)構(gòu)整體拆下，更換新的攪拌機(jī)構(gòu)后，再將攪拌機(jī)構(gòu)和振動機(jī)構(gòu)整體安裝，這個拆卸安裝過程費(fèi)時費(fèi)力。

在現(xiàn)有的強(qiáng)制振動式攪拌機(jī)的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，設(shè)計(jì)一種攪拌機(jī)構(gòu)和振動機(jī)構(gòu)是相互獨(dú)立的，且攪拌時間相對較少或混凝土強(qiáng)度相對提高的強(qiáng)制振動式攪拌機(jī)。

2 結(jié)構(gòu)原理示意圖及工作流程

2.1 系統(tǒng)工作原理示意圖

如圖1所示，強(qiáng)制振動式攪拌機(jī)安裝于底架上，底架上安裝有強(qiáng)制振動器組，底架的底部安裝有滑軌組。攪拌機(jī)為臥式攪拌機(jī)，底架為鋼架結(jié)構(gòu)焊接而成，強(qiáng)制振動器組包括有一個或多個偏振振動器，滑軌組包括有上滑軌組和下滑軌組。上滑軌組安裝于下滑軌組上，底架安裝于上滑軌組上。

強(qiáng)制振動器組包括4個偏振振動器，分別位于后部、右部、前部和左部。4個偏振振動器分別與各自的偏振電機(jī)通過聯(lián)軸器連接，由偏振電機(jī)帶動各自對應(yīng)的偏振振動器進(jìn)行偏振轉(zhuǎn)動。為了保證底架、上滑軌組和下滑軌組的整體受力均勻，將4個偏振振動器和4個偏振電機(jī)按照陣列的形式排布。為了保證攪拌機(jī)和底架整體能在上滑軌組或下滑軌組上滑動，偏振振動器和偏振振動器的偏振電機(jī)同步以相反的方向旋轉(zhuǎn)，這樣就能使得攪拌機(jī)同時受到前后左右的振動力。

上滑軌組和下滑軌組的結(jié)構(gòu)相同，滑軌上設(shè)置有兩個滑塊，滑塊兩側(cè)的滑軌上分別設(shè)置有限位孔，與限位孔相配合的設(shè)置有一呈n形的限位銷。限位銷的作用是對上滑軌組或下滑軌組的滑塊進(jìn)行限位鎖定，使得上滑軌組或下滑軌組的滑塊可以單獨(dú)滑動。

2.2 操作流程

強(qiáng)制振動式攪拌機(jī)的操作包括以下7個步驟。

2.2.1 組裝攪拌機(jī)、底架和強(qiáng)制振動器組

將攪拌機(jī)焊接或螺栓安裝于底架的中心處，將底架上焊接或螺栓安裝強(qiáng)制振動器組，在底架的后部、右部安、前部和左部分別安裝偏振振動器。

2.2.2 對下滑軌組的滑塊位置進(jìn)行限位鎖定

將限位插銷分別插入位于下滑軌組的限位孔中，將上滑軌組和滑塊限位固定于下滑軌組的滑軌中，即將上滑軌組合和滑塊整體固定于下滑軌組上，使攪拌機(jī)、底架和上滑軌組的滑塊，只能在上滑軌組的滑軌上左右往復(fù)振動[7]。

2.2.3 攪拌

將攪拌機(jī)中加入待攪拌的混合料，開啟攪拌機(jī)的開關(guān)，開始對水泥集料進(jìn)行攪拌[8]。

2.2.4 啟動偏振振動器

啟動偏振振動器或偏振電機(jī)，偏振電機(jī)帶動偏振振動器或偏振振動器的偏振振動組件高度偏振轉(zhuǎn)動，間接帶動攪拌機(jī)和底架在上滑軌組的滑軌上左右往復(fù)振動。需要說明的是，偏振振動器可根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行合適的選擇開啟，需要強(qiáng)力振動時，可將偏振振動器和偏振振動器的偏振電機(jī)同時開啟。偏振電機(jī)開啟的時間按照施工經(jīng)驗(yàn)常規(guī)設(shè)置即可[9]。

2.2.5 對上滑軌組的滑塊進(jìn)行限位鎖定

關(guān)閉偏振振動器或偏振振動器的偏振電機(jī)，將下滑軌組的限位銷拔出，插入上滑軌組的限位孔中，將攪拌機(jī)和底架限位固定于上滑軌組的滑軌中。將攪拌機(jī)、底架和上滑軌組整體固定于下滑軌組上，使攪拌機(jī)、底架和上滑軌組，只能在下滑軌組的滑軌上前后往復(fù)振動。

2.2.6 重新啟動偏振振動器

打開偏振振動器或偏振電機(jī)，使偏振電機(jī)帶動偏振振動器或偏振振動器高度偏振轉(zhuǎn)動，間接帶動攪拌機(jī)和底架、上滑軌組在下滑軌組的滑軌上前后往復(fù)振動。需要說明的是，偏振振動器和偏振振動器可根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行合適的選擇開啟，需要強(qiáng)力振動時，可將偏振振動器和偏振振動器的偏振電機(jī)同時開啟。偏振電機(jī)開啟的時間，按照施工經(jīng)驗(yàn)常規(guī)設(shè)置即可。

2.2.7 關(guān)閉偏振振動器

關(guān)閉偏振振動器或偏振電機(jī)，關(guān)閉攪拌機(jī)的攪拌電機(jī)，將攪拌好的混合料從攪拌機(jī)的底部卸料即可。其中上述步驟，步驟2.2.4和步驟2.2.6可以互換順序，步驟2.2.5做相對應(yīng)調(diào)整。

2.3 實(shí)施效果

偏振振動器或偏振振動器的偏振電機(jī)同步以相反的方向旋轉(zhuǎn)，工作過程中振幅及頻率不受負(fù)載影響，振動性能穩(wěn)定，設(shè)備可靠性高，經(jīng)濟(jì)成本低。振動頻率可達(dá)12 000～15 000次/min，振動效率高。

對C50標(biāo)號的混凝土進(jìn)行試驗(yàn)，控制混合料配合比不變，改變攪拌時間。將本發(fā)明的強(qiáng)制振動式攪拌機(jī)與普通雙臥軸攪拌機(jī)相比，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：當(dāng)攪拌時間減少25%時，混凝土抗壓強(qiáng)度提高約12%；當(dāng)攪拌時間相同時，混凝土強(qiáng)度提高約29%。

同樣對C50標(biāo)號的混凝土進(jìn)行試驗(yàn)，控制混合料配合比不變，改變攪拌時間。將本發(fā)明的強(qiáng)制振動式攪拌機(jī)與現(xiàn)有雙臥軸振動攪拌機(jī)相比，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：當(dāng)攪拌時間減少25%時，混凝土抗壓強(qiáng)度提高約5%；當(dāng)攪拌時間相同時，混凝土強(qiáng)度提高約13%。

3 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)的強(qiáng)制振動式攪拌機(jī)，可以在集料的攪拌過程中同時實(shí)現(xiàn)攪拌機(jī)構(gòu)機(jī)械攪拌和振動機(jī)構(gòu)的強(qiáng)制振動，振動機(jī)構(gòu)的振動攪拌為前后左右4個方向的振動攪拌，在機(jī)械強(qiáng)制攪拌的宏觀對流運(yùn)動基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)振動機(jī)構(gòu)的振動攪拌的微觀擴(kuò)散。

本強(qiáng)制振動式攪拌機(jī)在攪拌過程同時振動，強(qiáng)迫團(tuán)聚粘結(jié)在一起的水泥顆粒分散開來，可以增加物料顆粒的有效碰撞次數(shù)，使水泥顆粒均勻附著在集料顆粒表面，增大水泥顆粒與集料表面的接觸面積。同時還可以讓水泥在集料表面形成水化膜，提高水泥的水化作用，增強(qiáng)水泥與物料的粘結(jié)強(qiáng)度，從而改善混凝土中最為薄弱的環(huán)節(jié)，改善混凝土微細(xì)觀結(jié)構(gòu)，提高攪拌后混凝土的流動性，使得混凝土澆筑后更容易夯實(shí)。這不僅有利于增加混凝土密實(shí)度，提高混凝土力學(xué)強(qiáng)度，還有利于延長混凝土建筑的耐久性。

參考文獻(xiàn)

[1]楊和平，段文玉，呂明.采用振動攪拌混凝土的橋梁荷載試驗(yàn)研究[J].城市建筑，2020，17（6）：160-162+180.

[2]黃天勇，陳旭峰，李勝，等.振動攪拌對混凝土性能的影響及其應(yīng)用前景分析[J].混凝土，2020（1）：123-126.

[3]郝彤，王帥，冷發(fā)光，等.振動攪拌對再生混凝土力學(xué)性能強(qiáng)化的試驗(yàn)研究[J].新型建筑材料，2020，47（7）：29-34.

[4]宋淑琴，劉芝敏，張愛勤，等.振動攪拌對水泥混凝土性能影響的試驗(yàn)研究[J].山東交通科技，2020（3）：16-19.

[5]李海潮，王福，肖周.基于振動攪拌的水泥穩(wěn)定碎石基層性能試驗(yàn)[J].筑路機(jī)械與施工機(jī)械化，2019，36（5）：57-60.

[6]索穎浩.振動攪拌技術(shù)在高速公路水穩(wěn)混合料中的應(yīng)用[J].中國公路，2019（4）：118-120.

[7] 秦仁杰，張認(rèn)，鄧洛斌，等.高頻振動攪拌配制C50機(jī)制砂混凝土性能[J].蘭州理工大學(xué)學(xué)報，2021，47（01）：144-149.

[8] 倪凱，吳旭輝.基于振動攪拌的混凝土性能試驗(yàn)研究[J].公路交通技術(shù)，2022，38（01）：31-36.

[9] 馬保亮.振動攪拌過程中混凝土結(jié)構(gòu)演變的試驗(yàn)分析[J].廣東建材，2021，37（10）：11-13.

[10] 馬建峰，高育欣，高達(dá)等.振動攪拌時間對大流態(tài)混凝土性能影響[J].混凝土世界，2021（08）：74-78.