立式混凝土攪拌機(jī)攪拌參數(shù)設(shè)計(jì)分析

魏海兵　董興亮　張傳平　王斌

摘要：以立式攪拌機(jī)為研究對象，闡述攪拌機(jī)的攪拌過程，分析了攪拌鏟板安裝角、攪拌速度、攪拌機(jī)充盈率等關(guān)鍵參數(shù)對攪拌質(zhì)量的影響。優(yōu)化設(shè)計(jì)了2組最佳攪拌參數(shù)組合，試驗(yàn)對比了2組攪拌參數(shù)條件下的試件性能。研究結(jié)果表明：該設(shè)備在攪拌速度為18r/min、充盈率為0.45、鏟板安裝角為40°時(shí)達(dá)到比較好的生產(chǎn)效果，相關(guān)成果可為立式攪拌機(jī)研制提供參考。

關(guān)鍵詞：立式攪拌機(jī)；結(jié)構(gòu)參數(shù)；優(yōu)化組合；性能測試

0? ?引言

混凝土作為土木工程應(yīng)用最廣泛和最主要的材料，其需求量在逐年上升[1]。經(jīng)過70余年的發(fā)展，中國已成為世界上最大的混凝土生產(chǎn)和消費(fèi)國[2]。當(dāng)前我國的經(jīng)濟(jì)正在由高速增長轉(zhuǎn)向高質(zhì)量發(fā)展，對混凝土需求總量增長的同時(shí)，也對混凝土的性能提出了更高的要求。

混凝土的性能除了和其原材料組成及制備工藝相關(guān)[3]，還和攪拌設(shè)備有關(guān)，攪拌設(shè)備的結(jié)構(gòu)和攪拌關(guān)鍵參數(shù)，直接影響混凝土的性能和生產(chǎn)效率[4]。本文以立式攪拌機(jī)為研究對象，闡述攪拌機(jī)的攪拌過程，分析了攪拌鏟板安裝角、攪拌速度、攪拌機(jī)充盈率等關(guān)鍵參數(shù)對混凝土性能的影響。優(yōu)化設(shè)計(jì)了2組最佳攪拌參數(shù)組合，試驗(yàn)對比了2組攪拌參數(shù)條件下的試件性能。

1? ?基于流變分析攪拌過程

混凝土的攪拌過程十分復(fù)雜，涉及物理變化和化學(xué)變化，因此很難建立一個(gè)準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型來表征攪拌過程。有研究認(rèn)為，新拌混凝土可以看作是賓漢流體，因此基于流變分析的攪拌過程可用賓漢方程表示[5]：

混凝土在攪拌過程中，其屈服應(yīng)力和塑性黏度從零開始不斷增大，并隨著骨料顆粒之間的碰撞和摩擦作用，混凝土各骨料之間的混合達(dá)到微觀層面的均勻，并達(dá)到理論上最佳性能狀態(tài)。但此后如果繼續(xù)攪拌，則可能會破壞已經(jīng)達(dá)到的微觀均勻狀態(tài)，造成骨料離析等不良影響，從而導(dǎo)致混凝土性能的下降[6]，因此如何獲取最佳攪拌參數(shù)是值得研究的。

2? ?攪拌參數(shù)計(jì)算分析

2.1? ?攪拌鏟板安裝角計(jì)算分析

攪拌鏟板是攪拌的關(guān)鍵部件，混凝土骨料在攪拌缸內(nèi)的運(yùn)動(dòng)，主要就是靠攪拌鏟板的推移和剪切作用。對于立式強(qiáng)制攪拌機(jī)來說，攪拌鏟板安裝角度在空間上主要有兩個(gè)方向。其中，攪拌鏟板與攪拌臂所在平面的夾角取45°，能獲得較好攪拌質(zhì)量[7]，為此需對攪拌鏟板與攪拌缸底面的安裝角α進(jìn)行分析。鏟板與攪拌臂平面的夾角如圖1所示。骨料在攪拌鏟板上的密實(shí)核心如圖2所示。

圖2中，安裝角α在兩個(gè)極限位置0°～90°之間存在一個(gè)合理值，在該角度下，混凝土骨料在水平和豎直方向均能得到較好的攪拌。相關(guān)研究表明，攪拌過程中攪拌鏟板AC前方會形成一個(gè)由混凝土骨料組成的密實(shí)核心ABC。攪拌時(shí)，密實(shí)核心前方的骨料，會沿著密實(shí)核心側(cè)邊輪廓AB和BC運(yùn)動(dòng)。將AB與BC的夾角定義為骨料的堆放安息角，通常取值為110～125°[8]。

2.2? ?攪拌速度計(jì)算分析

攪拌速度是攪拌設(shè)備一個(gè)十分關(guān)鍵的參數(shù)，其決定設(shè)備的攪拌質(zhì)量和攪拌效率。當(dāng)攪拌時(shí)間一定時(shí)，要使骨料的混合均勻度最好，從攪拌機(jī)理上來說，應(yīng)當(dāng)是骨料在攪拌缸內(nèi)的循環(huán)流動(dòng)次數(shù)越多越好，骨料之間的相對運(yùn)動(dòng)越充分越好，這就要求攪拌速度盡可能的大。但攪拌速度過大，會造成混凝土的離析。

混凝土的離析現(xiàn)象是指在離心力的作用下，由于不同骨料的密度和質(zhì)量不同，相同骨料會聚集在一起?；炷岭x析嚴(yán)重影響骨料混合的均勻性，導(dǎo)致混凝土質(zhì)量達(dá)不到要求。當(dāng)攪拌速度達(dá)到使得混凝土發(fā)生離析現(xiàn)象的臨界值時(shí)，再繼續(xù)增大攪拌速度非但不會提高攪拌質(zhì)量，還會造成攪拌機(jī)能耗的增加。因此，合理的攪拌速度，可以認(rèn)為是使攪拌過程中骨料不發(fā)生離析的臨界值。

混凝土骨料在攪拌過程中的受力情況十分復(fù)雜，包括骨料與攪拌設(shè)備的摩擦力、攪拌鏟板對其的作用力以及骨料之間的凝聚力和粘滯阻力等。對于立式攪拌機(jī)來說，骨料在攪拌過程中橫向、豎向受力情況如圖3和4所示。其中，離心力可以分解為與摩擦力反向的和垂直于摩擦力方向的。

分析過程中對骨料的受力情況進(jìn)行了簡化，沒有考慮骨料之間粘結(jié)力的影響，而實(shí)際攪拌過程中，骨料之間的粘結(jié)力會阻礙骨料的離心運(yùn)動(dòng)，因此實(shí)際的攪拌速度應(yīng)當(dāng)?shù)陀谏鲜鲇?jì)算值。

2.3? ?攪拌機(jī)充盈率計(jì)算分析

對于混凝土攪拌設(shè)備來說，充盈率是指一次攪拌完成后混凝土的有效出料體積與攪拌缸的幾何體積之比。充盈率的大小同樣也是需要綜合考慮攪拌質(zhì)量和攪拌效率。

當(dāng)充盈率設(shè)定的過小時(shí)，一次攪拌完成所得到的混凝土體積也相對較少，難以滿足工程的需要。當(dāng)充盈率過大時(shí)，骨料達(dá)到混合均勻的時(shí)間就會過長。同時(shí)，過大的充盈率還會影響骨料之間的相對運(yùn)動(dòng)情況。因此理想的充盈率是在保證攪拌質(zhì)量和攪拌效率的同時(shí)，充盈率越大越好。

3? ?試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1? ?攪拌參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)

為了驗(yàn)證參數(shù)設(shè)計(jì)的合理性，本研究首先通過離散元分析軟件EDEM[9-10]對攪拌參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，確定了鏟板安裝角。推薦2組最佳攪拌速度及充盈率組合如表1所示。設(shè)計(jì)制造的立式攪拌機(jī)樣機(jī)如圖5所示。試制設(shè)計(jì)強(qiáng)度為C30的混凝土，采用標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件測試試件的混凝土力學(xué)性能，并對其進(jìn)行對比分析。

3.2? ?坍落度性能對比

坍落度用以表征新拌混凝土的流動(dòng)性，坍落度越大，說明混凝土的流動(dòng)性越好。對比2種攪拌參數(shù)條件下對坍落度的影響，試驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。

國家標(biāo)準(zhǔn)中并沒有給出坍落度的標(biāo)準(zhǔn)值，試驗(yàn)測量結(jié)果只要在設(shè)計(jì)值之上即可。圖6的結(jié)果表明，2種攪拌參數(shù)下混凝土的坍落度基本接近，且均能滿足設(shè)計(jì)要求，但組合一的坍落度值比組合二提高了2.25%，說明試制的混凝土流動(dòng)性更好，有利于提高澆筑質(zhì)量。

3.3? ?混凝土含氣量對比

含氣量的多少決定著混凝土的耐久性能，工程中常通過添加引氣劑增加混凝土內(nèi)部的微小氣泡，從而提高混凝土耐久性，其表示方法用體積百分?jǐn)?shù)顯示。試驗(yàn)中使用含氣量測定儀測試，結(jié)果如圖7所示。

圖7中，組合一中混凝土的含氣量為2.72%，組合二為2.65%，組合一相比組合二混凝土含氣量提高了2.64%，這說明組合一條件下攪拌，更容易使混凝土中氣泡破裂均勻并分散至混凝土中，有效改善了混凝土的工作性。

3.4? ?力學(xué)性能分析

力學(xué)性能是指得是混凝土硬化后的性能，它是衡量混凝土性能的主要指標(biāo)之一。國家標(biāo)準(zhǔn)《活性粉末混凝土》（GB/T 31387-2015）中，明確給出的各強(qiáng)度等級下混凝土抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度和彈性模量的標(biāo)準(zhǔn)值。結(jié)合工程設(shè)計(jì)的力學(xué)性能要求值，依據(jù)《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50081-2016）對混凝土試樣進(jìn)行力學(xué)性能測試。

3.4.1? ?抗壓強(qiáng)度

根據(jù)規(guī)范，2種攪拌參數(shù)下各進(jìn)行3組試驗(yàn)，每組各制作1塊試件，試件為邊長100mm的立方體標(biāo)準(zhǔn)試件，將其標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)至28d后進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表2所示：

從表2結(jié)果可以看出，所有試件的抗壓強(qiáng)度都大于30MPa，滿足設(shè)計(jì)要求值。組合一參數(shù)下試件抗壓強(qiáng)度值相比于組合二提高了0.3MPa，從抗壓強(qiáng)度來看，組合一攪拌參數(shù)要優(yōu)于組合二攪拌參數(shù)。

3.4.2? ?抗折強(qiáng)度

依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)要求，同樣進(jìn)行3組試驗(yàn)，每組取同一位置處的混合料分別制作1塊試件。抗折強(qiáng)度試驗(yàn)中的標(biāo)準(zhǔn)試件，為邊長為100mm×100mm×300mm的棱柱體。將試件標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)到28d規(guī)定齡期后進(jìn)行試驗(yàn)，取3組試驗(yàn)測得的抗折強(qiáng)度的算術(shù)平均值作為試驗(yàn)值，試驗(yàn)結(jié)果如表3所示：

根據(jù)表3可知，兩組攪拌參數(shù)下，試件的抗折強(qiáng)度都超過4MPa，均達(dá)到普通混凝土抗折強(qiáng)度2～5MPa的范圍要求。3組試驗(yàn)中，組合一攪拌參數(shù)下的抗折強(qiáng)度較組合二均有提高，平均值提高了0.1MPa。

4? ?結(jié)束語

本文以立式攪拌機(jī)為研究對象，基于攪拌過程對攪拌機(jī)攪拌鏟板安裝角、攪拌速度、攪拌機(jī)充盈率進(jìn)行計(jì)算分析。通過離散元分析軟件EDEM，對攪拌參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，確定2組最佳攪拌參數(shù)組合，并設(shè)計(jì)制造試驗(yàn)樣機(jī)。通過坍落度試驗(yàn)、含氣量試驗(yàn)、抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)、抗折強(qiáng)度試驗(yàn)等，對比分析了2組攪拌參數(shù)條件下的試件性能，得到研究結(jié)果如下：

攪拌機(jī)的攪拌參數(shù)是影響攪拌性能的重要因素，合理的攪拌參數(shù)取值和組合可以顯著提升攪拌機(jī)的攪拌性能。以本文試驗(yàn)樣機(jī)為例，組合一參數(shù)下制備的混凝土試件在流動(dòng)性、長期性能和耐久性能等與組合二參數(shù)相比，力學(xué)性能具有明顯提升，其中坍落度值提高了2.25%，含氣量提高了2.64%，抗壓強(qiáng)度提升了0.3MPa，抗折強(qiáng)度提升了0.1MPa。

攪拌機(jī)的不同攪拌參數(shù)對攪拌性能的影響并不是獨(dú)立的，各個(gè)攪拌參數(shù)之間存在交互作用關(guān)系。就本文研究的試驗(yàn)樣機(jī)來說，攪拌速度對攪拌性能的影響最大，其次是充盈率。

攪拌參數(shù)的合理取值并不完全具有一般性，針對不同的攪拌機(jī)型或同種攪拌機(jī)型的不同尺寸，其相關(guān)參數(shù)的最佳取值都不同，因此對攪拌參數(shù)的研究，應(yīng)當(dāng)結(jié)合具體的攪拌機(jī)結(jié)構(gòu)和尺寸來考慮。

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