振动搅拌理论及其装置的试验研究

第12卷　第3期1999年7月中　国　公　路　学　报China Journal of Hig hw ay and T ransport Vol.12　N o.3July 1999文章编号:1001-7372(1999)03-0122-05收稿日期:1998-11-26基金项目:湖北省交通行业“九五”攻关资助项目;交通部资助项目作者简介:冯忠绪(1950-),男,教授,博士生导师振动搅拌理论及其装置的试验研究冯忠绪,江建卫,于丽娟(西安公路交通大学机械系,陕西西安　710064)摘　要:介绍了三种振动搅拌方案及其试验结果;试验结果证明了按提出的搅拌理论设计的振动搅拌装置具有良好的经济技术指标。

关键词:振动搅拌;搅拌理论;混凝土;均匀度;流变特性中图分类号:U415.522 文献标识码:AThe experiment study of vibratory mixing theory and mixerFEN G Zhong -xu ,JIANG Jian -w ei ,YU Li -juan(Departm ent of M echanical Eng ineering ,X i'an Hig hw ay U niver sity ,Xi'an 710064,China )Abstract :This paper intr oduces three types of vibrato ry m ixers and its per for mances as w ell as the testing data.T he ex periment results prove that the mix er s,w hich are desig ned by autho r based on a new mix ing theo ry,are of the goo d econo mical benefit.Key words :vibratory m ix er ;m ix ing theory ;concrete ;unifo rmity ;r heolo gic characteristics 1　前期的试验方案1.1　连续式振动搅拌图1为连续式振动搅拌方案,其工作原理是:定向激振器4产生使物料作直线运动的激振力,受该力的反复作用,物料沿搅拌槽向前作抛掷运动;与此同时,产生圆周运动的激振器1使物料作圆周运动,以上两种运动的合成为螺旋运动。

物料在作螺旋振动的同时,不断经搅拌叶片2穿叉、撒落而逐渐混合均匀。

搅拌叶片作为振动活化源,按要求应工作在共振状态。

搅拌槽长1.3m ,宽0.35m ,高0.25m 。

在混合料的不同出口时刻,取2～3个试样作均匀性试验[1],测定单位体积拌和物中粗骨料(石子)重量的相对误差$G ,并计算各批拌和料间的离差系数C v 。

测试结果为,稳定土搅拌两遍时,$G 为1.75%,C v 为0.0226。

因此,搅拌两遍就可满足匀质性要求。

经测算,搅拌稳定土的平均生产率为24.58×103kg /h,单位产量1-产生圆周运动的激振器;2-搅拌叶片;3-隔振弹簧;4-产生直线运动的激振器图1　连续式振动搅拌机试验原理的能耗为0.029×10-3kW ・h/kg ,而目前国外稳定土厂拌设备的这一指标值为0.1×10-3kW ・h/kg 以上[2]。

用这种搅拌机拌和水泥混凝土,搅拌三遍时,$G 的变化范围为0.9%～3.03%,平均相对误差R 为1.95%,离差系数C v 为0.098,拌出的混凝土抗压强度比用人工拌和的试样强度提高约13%。

但因为混凝土组分间的粘滞力大,仅依靠激振力作用,物料运动速度太慢,生产率只有2.05×103kg /h,没有工程实用价值[2]。

1.2　周期式振动搅拌图2为周期式振动搅拌机的一种方案,其1-搅拌叶片;2-搅拌槽;3-激振器;4-隔振弹簧图2　周期式振动搅拌机试验原理工作原理是:激振器3上下两端的偏心块被调整成一夹角A ,两偏心块产生的离心力F 1和F 2的合力使物料绕搅拌槽2的轴线旋转,而F 1和F 2对物料的力矩将使其产生翻滚运动。

因此,在合力和合力矩的共同作用下,物料作循环的螺旋运动,在运动中又经搅拌叶片不断地分割和撒落。

叶片的固有频率设计成和激振频率相同,因此,叶片处于共振状态,强化了物料的运动。

混合物在循环的螺旋运动中得到均匀拌和。

试验样机可加料150kg 。

拌和稳定土时,5s 左右就可达到规定的均匀度。

但拌和水泥混凝土时,因物料运动速度太慢,在振动力作用下过早地出现了密实现象,均匀度达不到要求。

2　新的搅拌理论现行的搅拌理论认为,搅拌的主要任务是要达到规定的均匀度。

因此,长期以来均匀度是衡量搅拌质量的主要指标[1,3]。

各式各样的搅拌机构,主要作用是使物料产生剪切和对流的循环流动。

从1953年瑞典人发明强制式搅拌原理以来,这种搅拌理论被沿用了几十年,搅拌机的工作机构也就局限于自落式和强制式两类。

实践证明,用上述两类搅拌机搅拌混凝土,一般在较短的时间内就可达到宏观上的均匀。

但对这种拌和料仔细观察时,发现预拌水泥混凝土中有些骨料表面是干燥的,另外还有一些干的小水泥团。

如果把搅拌后宏观上均匀的混凝土中的水泥浆放在显微镜下,还会发现水泥颗粒并没有均匀地分散在水中。

有10%～30%的水泥颗粒三三两两聚在一起,形成微小的水泥团,如图3a 所示。

水泥的这种团聚现象影响着混凝土的和易性和强度的提高。

因为水泥的水化作用只在水泥颗粒的表面进行,如果水泥颗粒聚团,则水化作用的面积减小,使混凝土具有强度的水化生成物减少。

所以,必须把聚团的水泥颗粒分开,使其尽可能接近图3b 所示的理想分布状态。

123第3期 冯忠绪,等:振动搅拌理论及其装置的试验研究 图3　水泥颗粒的微观分布就自落式和强制式搅拌原理而言,要增加物料颗粒间的碰撞次数,提高混合料各单元参与运动的次数和运动轨迹交叉的频率,在保证生产率不变的情况下,使混合料达到宏观及微观上的均匀,就必须提高工作机构的转速。

而对于自落式搅拌机,当其滚筒转速超过临界转速时,物料在离心力的作用下会依附于滚筒壁内侧与之共转,不能达到搅拌目的。

对于强制式搅拌机,搅拌速度过快时,混凝土硬化后的强度较低,搅拌效果不佳(图4)。

这是因为离心力较大,混合料中质量不同的各组分会以不同的速度抛离搅拌叶片,造成物料离析,使物料难于均匀分布。

1-0.6m/s ;2-1.3m/s ;3-1.8m/s ;4-2.3m /s 图4　圆周速度、搅拌时间与相对强度的关系可见,按现有的搅拌原理和设备,难以使建筑混合料达到微观均匀,必须采用其他的辅助方式或新的搅拌原理。

为此,必须研究混凝土拌和的动态过程,研究搅拌机工作机构与混凝土混合料相互作用时的结构流变特性。

混凝土搅拌过程中伴随着拌匀与离析同时存在的两种现象,是一动态的发展和变化过程。

这可用曲线来定性地描述,如图5所示。

开始阶段的拌匀主要是靠物料的循环流动来实现(Ⅰ段)。

此时搅拌过程在宏观水平进行。

组分间的相界面小,因此各组分间的扩散现象不明显,离析的影响较小,搅拌过程的发展速度主要取决于物料流的运动特点。

t k 时刻起各组分在搅拌室内的扩散分布图5　混凝土均匀度与搅拌时间的关系加快,循环流动与扩散运动在拌和过程中起的作用趋于相近。

此时各组分,包括粘性组分的重新分布已在微观水平上进行,并且从某一时刻起扩散运动起主要作用(Ⅱ段),与此同时,粘结在一起的各组分再分离的过程也加快。

拌匀与离析这两种相反的过程从某时刻t m 起基本上趋于动态平衡。

此后,搅拌的实际意义不大,因为均匀度变化很小(Ⅲ段)。

个别情况时,上述相反过程的平衡要比均匀度最好的t m 时刻稍晚(Ⅲ段曲线2)。

在段Ⅱ和段Ⅲ,物料颗粒重新分布的速度不仅取决于物料的运动特点,而且取决于物料的结构流变特性:颗粒的大小、相间表面积的大小及粘结力的值等。

水泥混凝土各组分的尺寸从0.001m m 到30m m 或更大。

它是极具分散性的多相混合物。

在搅拌过程中,各组分间不仅存在着物理作用,而且存在着化学作用;不仅混合物总容积发生了量的变化,而且其状态和性能也发生了质的变化。

各相界面间的表面现象对混合物形成过程有很大影响。

相表面间不仅存在着物理吸附作用,还存在着水化反应等作用。

对搅拌124 中　国　公　路　学　报 1999年过程来说,影响表面现象的最主要因素是相表面间的吸附与扩散的速度。

它取决于骨料颗粒的移动性、活化的相表面积的大小、粘性组分的分散程度、搅拌过程的工序特点和其他因素。

众所周知,水泥混凝土是分散的介质分子的水化物薄膜层粘结各相颗粒而形成的胶凝结构。

这种结构是具有高的剪切强度、粘性、弹性模量、内应力释放时间等物理—力学性能的空间结构。

前两者使得混合物各组分均匀分散的搅拌过程变得特别困难。

只有当所有组分均匀分布和每一骨料颗粒都被水化物薄膜包围时,换言之,各相成分从微观上也达到均匀分布时,混合物的胶凝结构才最稳定。

这样的结构消除了混凝土内部的宏观及微观缺陷,凝固后才会具有最大强度。

搅拌的目的应在于此。

为了达到这一目的,搅拌过程中物料的位移必须由两种运动来实现。

第一种称为对流运动,各组分在宏观上的均布,主要由搅拌室内的循环流动来保证。

这种运动在搅拌过程中是最主要的,特别是在搅拌的开始阶段。

现有的搅拌机械主要就是按这种要求来设计工作机构的,但是,只有这种运动是不够的。

为使各相表面间良好的结合,达到微观上的均布,主要是粘性组分(水泥和水,或沥青等)的均布,相间还必须形成较快的扩散运动。

附加振动作用、电磁波作用等辅助机构,主要是强化扩散运动。

第一种运动只能保证混凝土使用的基本要求,第二种运动则能改善混凝土性能。

比较完善的搅拌过程,物料的位移必须由良好配合的对流运动和扩散运动来完成,这就是笔者提出的搅拌理论。

它的提出,基于对建筑材料性能及其结构形成过程的研究,也是对前期试验结果的总结。

实际中也存在一些矛盾的问题,要求人们用新的理论来解释。

例如,添加剂作为混凝土的改性材料得到了广泛使用。

在均匀度不变的情况下,添加剂的使用改善了混凝土性能,这间接地证明了通过微观结构的改进,来提高混凝土性能的可行性。

根据提出的搅拌理论,建议增加混凝土试样强度的平均值及其标准差、离差系数的大小,作为衡量搅拌质量的指标。

强度是混凝土使用的主要性能,由标准差或离差系数能知道搅拌的微观均匀程度[4]。

3　振动搅拌的近期试验结果按新的搅拌理论,重新制定了周期式振动搅拌的方案:利用强制搅拌实现物料宏观的对流运动的同时,附加振动作用来强化物料的扩散运动,犹如在强制搅拌机叶片运动的空隙中插入深度振动棒。