混凝土攪拌原理及裝置

混凝土攪拌原理及裝置混凝土工程在混凝土結(jié)構(gòu)工程中占有重要地位，混凝土工程質(zhì)量的好壞直接影響到砼結(jié)構(gòu)的承載力、耐久性與整體性?；炷凉こ贪ɑ炷林苽?、運(yùn)輸、澆筑搗實(shí)和養(yǎng)護(hù)等施工過(guò)程，各個(gè)施工過(guò)程相互聯(lián)系和影響，任一施工過(guò)程處理不當(dāng)都會(huì)影響混凝土工程的最終質(zhì)量。近年來(lái)隨著混凝土外加劑技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用的日益深化，特別是隨著商品砼如雨后春筍般地篷勃發(fā)展，這在很大程度上影響了混凝土的性能和施工工藝；此外，自動(dòng)化、機(jī)械化的發(fā)展和新的施工機(jī)械和施工工藝的應(yīng)用，也大大改變了混凝土工程的施工面貌。一、混凝土制備（一）混凝土施工配制強(qiáng)度確定混凝土的施工配合比，應(yīng)保證結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)混凝土強(qiáng)度等級(jí)及施工對(duì)混凝土和易性的要求，并應(yīng)符合合理使用材料，節(jié)約水泥的原則，必要時(shí)還應(yīng)符合與使用環(huán)境相適應(yīng)的耐久性如抗凍性、抗?jié)B性等方面的要求。（二）混凝土攪拌機(jī)理混凝土攪拌的目的是使混凝土中的各組分混合成一種各物料顆粒相互分散、均勻分布的混合物。攪拌好的混凝土是否質(zhì)地均勻，可通過(guò)從混凝土中隨機(jī)抽取一定數(shù)量的試樣進(jìn)行分析來(lái)評(píng)定，如果各試樣的配合比基本相同，便可認(rèn)為該混凝土已混合均勻了。為了使混凝土中的各組分混合均勻，必須在攪拌過(guò)程中使每一組分的顆粒能分散到其他各種組分中去，因此，必須設(shè)法使各組分都產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)，并使他們的運(yùn)動(dòng)軌跡相交，相交次數(shù)越多，混凝土越易混合均勻。根據(jù)迫使各組分產(chǎn)生相交運(yùn)動(dòng)軌跡的方法不同，普通混凝土攪拌機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)所依據(jù)的攪拌機(jī)理基本上有兩種：自落式擴(kuò)散機(jī)理：它是將物料提升到一定高度后，利用重力的作用，自由落下，由于各物料顆粒下落的高度、時(shí)間、速度、落點(diǎn)和滾動(dòng)距離不同。從而使物料顆粒相互穿插、滲透、擴(kuò)散，最后達(dá)到分散均勻的目的，由于物料的分散過(guò)程主要是利用重力作用，故又稱重力擴(kuò)散機(jī)理，自落式混凝土攪拌機(jī)就是根據(jù)這種機(jī)理設(shè)計(jì)的。強(qiáng)制式擴(kuò)散機(jī)理：它是利用運(yùn)動(dòng)著的葉片強(qiáng)迫物料顆粒分別從各個(gè)方向（環(huán)向、徑向和豎向）產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)，使各物料顆粒運(yùn)動(dòng)的方向、速度不同，相互之間產(chǎn)生剪切滑移以致相互穿插、擴(kuò)散，從而使各物料均勻混合。由于物料的擴(kuò)散過(guò)程主要是利用物料顆粒相互間的剪切滑移作用，故又稱剪切擴(kuò)散機(jī)理。強(qiáng)制式混凝土攪拌機(jī)就是根據(jù)這種機(jī)理設(shè)計(jì)而成的。混凝土攪拌裝置：混凝土是由砂石骨料、水泥、水、外加劑等原材料按一定比例攪拌而成的均質(zhì)混合料，可分為塑性、半干硬性、干硬性、輕質(zhì)、重、纖維、大體積、高性能等多類型混凝土。隨著城市建設(shè)的發(fā)展和施工技術(shù)的進(jìn)步，人們對(duì)混凝土的品質(zhì)指標(biāo)和經(jīng)濟(jì)指標(biāo)提出了更高的要求，從而促進(jìn)混凝土向高強(qiáng)、輕質(zhì)、流態(tài)和耐久性方面發(fā)展。國(guó)家將逐步壓縮和減少普通混凝土的用量，重點(diǎn)發(fā)展環(huán)保型（或綠色）高性能混凝土，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：（1）大量利用工業(yè)廢料，減少熟料生產(chǎn)和使用，保護(hù)環(huán)境。（2）利用外加劑技術(shù)和礦物摻合料，提高混凝土的強(qiáng)度等級(jí)，改善混凝土的施工性能和耐久性，爭(zhēng)取到2010年高性能混凝土的用量占混凝土總量達(dá)到或超過(guò)50%。要獲得高性能的混凝土除了配比的重要性外，對(duì)其攪拌裝置的要求也逐漸趨向于專業(yè)化、高效化和大型化等。因此探討不同攪拌裝置的優(yōu)缺點(diǎn)，從而進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，掌握其發(fā)展趨勢(shì)，無(wú)論對(duì)于建筑施工還是機(jī)械制造業(yè)都有著現(xiàn)實(shí)的指導(dǎo)意義和實(shí)踐作用。1各種混凝土攪拌裝置的功用和原理攪拌是混凝土生產(chǎn)工藝過(guò)程中極其重要的一道工序，因?yàn)榛炷僚浜媳鹊脑O(shè)計(jì)是按細(xì)骨料恰好填滿骨料的間隙（見(jiàn)圖1），而水泥膠質(zhì)均勻地分布在粗細(xì)骨料的表面，只有將配合料攪拌得均勻才能得到最密實(shí)的高質(zhì)量混凝土。同時(shí)，通過(guò)攪拌可塑化、強(qiáng)化混凝土，所以混凝土攪拌機(jī)是混凝土生產(chǎn)的核心裝置之一，用于完成混凝土的均勻拌和，保證其宏觀均質(zhì)性和微觀均質(zhì)性。同時(shí)，混凝土攪拌裝置又受混凝土整個(gè)施工工藝的影響，如攪拌裝置的性能和參數(shù)要與混凝土施工要求相適應(yīng)，比如：攪拌機(jī)的出料容量應(yīng)與攪拌輸送車的裝料容量相配套，與工程大小相配套，出料高度應(yīng)滿足實(shí)際運(yùn)輸設(shè)備要求等。一般混凝土攪拌機(jī)應(yīng)用擴(kuò)散、剪切及對(duì)流、擠壓機(jī)理達(dá)到均化的目的，例如常見(jiàn)的自落式攪拌機(jī)主要利用擴(kuò)散機(jī)理使物料在重力作用下相互穿插、翻拌、混合以達(dá)到均勻混合的目的，而強(qiáng)制式攪拌機(jī)主要是依據(jù)剪切原理強(qiáng)制物料沿滑移面產(chǎn)生相互滑動(dòng)以達(dá)到均勻混合。2混凝土攪拌裝置的分類及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)攪拌裝置的攪拌方式和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)決定了攪拌機(jī)的性能和應(yīng)用范圍，攪拌裝置從攪拌機(jī)理上看，主要分為自落式和強(qiáng)制式兩類。自落式又以雙錐反轉(zhuǎn)出料為主流形式，偶見(jiàn)有錐形傾翻出料式。自落式攪拌裝置筒體旋轉(zhuǎn)時(shí)，葉片不斷地將拌合料帶到約0.7倍直徑處，下滑角約為45°，然后因自重而沿葉片滑落下來(lái)，重新跌入底部進(jìn)行沖擊拌合，如此反復(fù)作用，使混凝土得到均勻拌合。自落式只適于攪拌流動(dòng)性較大的混凝土，對(duì)于干硬性混凝土和輕骨料混凝土攪拌效果不理想。強(qiáng)制式品種較多，以雙臥軸為主流形式，同時(shí)單臥軸、渦漿式、行星式等也較常見(jiàn)，其作用機(jī)理是強(qiáng)制物料按預(yù)定軌跡運(yùn)動(dòng)，對(duì)半干硬性、干硬性混凝土和輕骨料混凝土攪拌效果理想，但能耗較大，成本高。為了增加細(xì)小的水泥顆粒與拌合水進(jìn)一步均勻分布，增加混凝土的微觀勻質(zhì)性，采用了一系列強(qiáng)化攪拌措施，如振動(dòng)攪拌、超聲攪拌及熱攪拌等。JZ系列雙錐反轉(zhuǎn)出料攪拌裝置JZ系列雙錐反轉(zhuǎn)出料攪拌裝置，屬自落式攪拌裝置，工作時(shí)正轉(zhuǎn)攪拌，反轉(zhuǎn)出料，可攪拌塑性和半十硬性混凝土以及大骨料混凝土，不適于攪拌流動(dòng)性很差的干硬性混凝土，適用于一般建筑工程、道路、橋梁工程及各種混凝土構(gòu)件廠。主要機(jī)型有200?1200L，傳動(dòng)方式分齒輪傳動(dòng)和磨擦傳動(dòng)，該機(jī)型由于成本低、生產(chǎn)效率較高，應(yīng)用廣泛。因反轉(zhuǎn)卸料，該機(jī)存在一個(gè)重載起動(dòng)的問(wèn)題，攪拌機(jī)容量不可能做得很大。這種裝置的攪拌筒是關(guān)系到混凝土質(zhì)量、生產(chǎn)率、能耗、溢料情況等性能的關(guān)鍵部件，其結(jié)構(gòu)形式、傳動(dòng)形式關(guān)系到總體尺寸的大小和布局合理與否。筒體分進(jìn)料錐、柱體和出料錐三部分（見(jiàn)圖2）根據(jù)反射角45°最佳的原理，進(jìn)料錐半角為48°左右，可促使物料在進(jìn)料錐的作用下竄向筒體，攪拌強(qiáng)烈，從出料速度和出料筒體重心考慮，出料錐角為66°，為節(jié)省材料，攪拌筒整體應(yīng)設(shè)計(jì)成類球形；葉片布置：低葉片（主葉片）與拌筒軸線成的夾角為40°（左旋），而高葉片（付葉片）與拌筒軸線成的夾角為-40°（右旋），為了布置方便，齒圈置于進(jìn)料錐一面，容易實(shí)現(xiàn)與上料裝置共用1個(gè)電機(jī)。值得注意得是，傳動(dòng)裝置位置不能亂放，攪拌筒設(shè)計(jì)完畢后，傳動(dòng)裝置位置就固定了，放錯(cuò)位置攪拌筒就會(huì)跳高。這種裝置工作時(shí)呈現(xiàn)以下特點(diǎn)：（1）混合料的運(yùn)動(dòng)在三維空間進(jìn)行，并顯現(xiàn)較復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)軌跡。（2）利用物料重力勢(shì)能產(chǎn)生沖擊碰撞外，在軸向較大的范圍內(nèi)有交錯(cuò)、穿插，甚至有逆向流動(dòng)的料流，較大的變形速度使混合料粘性系數(shù)下降，混合料呈現(xiàn)較好地流動(dòng)性，加速了宏觀“勻質(zhì)”化地進(jìn)行。同時(shí)，由于物料的交錯(cuò)、穿插、對(duì)流，提高了混合料之間摩擦?xí)r正壓力中的剪切力，為產(chǎn)生微觀“勻質(zhì)”的混凝土提供了條件。（3）混合料運(yùn)動(dòng)主要集中在拌筒的柱體部分，攪拌運(yùn)動(dòng)影響區(qū)域相對(duì)增大。由于低葉片斜置6.5°，混合料下落的離心力相對(duì)較小，因而拌筒轉(zhuǎn)速可相應(yīng)增加，以提高系統(tǒng)時(shí)間內(nèi)混合料的運(yùn)動(dòng)頻率，同時(shí)，提高了軸向料流的變形速度。JS系列雙臥軸混凝土攪拌裝置JS系列攪拌裝置適用于各類建筑工程，可攪拌干硬性混凝土、半干硬性混凝土、輕骨料混凝土及各種砂漿。出料容量350?9000L。此類攪拌裝置設(shè)計(jì)十分緊湊，攪拌系統(tǒng)是由傳動(dòng)系統(tǒng)、攪拌罐、攪拌裝置、軸端密封等部分組成。攪拌罐內(nèi)鑲有耐磨襯板，用沉頭螺釘與罐體聯(lián)接緊固，柱體部分的襯板叫弧襯板、端面部分的襯板叫側(cè)襯板。卸料門設(shè)在攪拌筒的下方，用于攪拌機(jī)的卸料。由攪拌罐、攪拌臂、攪拌葉片、襯板組成。攪拌罐呈①形，攪拌罐內(nèi)裝有兩根水平布置的攪拌軸，每根軸上分別裝有攪拌臂，攪拌臂上裝有攪拌葉片，成非連續(xù)螺旋布置，一般有八方軸、六方軸和四方軸形式，攪拌臂相鄰?qiáng)A角有45°、60°、90°、120°、135°、180°，可根據(jù)不同工況進(jìn)行設(shè)計(jì)。對(duì)于大型和特大型攪拌裝置，大都是45°、60°螺旋，這種結(jié)構(gòu)對(duì)于大骨料的混凝土攪拌性能較好。因?yàn)檫@種設(shè)計(jì)的料流空間大，大骨料可更好地在其內(nèi)部循環(huán)；從另一個(gè)角度看，大骨料的運(yùn)動(dòng)，能起到攪拌的作用，增加了攪拌能力。攪拌臂與大軸用螺栓連接，維修性能好，便于更換；葉片與攪拌臂用螺栓連接，而且攪拌臂上設(shè)有長(zhǎng)條孔便于調(diào)整葉片與襯板間隙，在*近攪拌罐兩端的攪拌臂上，分別裝有側(cè)葉片，用于刮掉端面上的混凝土。攪拌軸上設(shè)有反向旋轉(zhuǎn)的攪拌葉片，能使攪拌物料在①形的攪拌槽內(nèi)呈相互交措、往復(fù)循環(huán)的螺旋狀運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生一個(gè)強(qiáng)的三維立體攪拌空間，特別是在兩個(gè)攪拌循環(huán)中心交界處形成一個(gè)強(qiáng)渦旋的、失重的摻合區(qū)，使物料在攪拌葉片和物料的相互擠壓、揉搓下，短時(shí)間內(nèi)充分拌和（見(jiàn)圖3）；具有攪拌性能強(qiáng)、勻質(zhì)性好、生產(chǎn)率高、能耗低的優(yōu)點(diǎn)。能耗低是因?yàn)樵撗b置采用瞬間失重原理進(jìn)行攪拌，減少了物料相互滑動(dòng)阻力，不易破壞物料的原始狀態(tài)，短時(shí)間內(nèi)就能得到宏觀勻質(zhì)混凝土，而行星攪拌和渦漿攪拌就沒(méi)有這一優(yōu)勢(shì)，它們的能耗顯然就稍高一點(diǎn)。JD系列單臥軸混凝土攪拌裝置JD系列攪拌裝置適用于各類建筑工程，可攪拌干硬性混凝土、半干硬性混凝土、輕骨料混凝土及各種砂漿，出料容量從350?3000L。以德國(guó)ELBA公司為代表，這是該公司專利產(chǎn)品，20世紀(jì)70年代就進(jìn)入市場(chǎng)。該裝置在攪拌臂上對(duì)稱布置兩塊螺旋帶狀葉片。螺旋的方式左右相反，都是將攪拌物料從拌筒兩端推向拌筒中部。一塊螺旋帶狀葉片占據(jù)圓周角110°左右，作業(yè)時(shí)，一會(huì)兒向左，一會(huì)兒向右，從表面上看好象是攪拌物料在整體移動(dòng)（見(jiàn)圖4）。實(shí)際上物料在葉片帶動(dòng)下，強(qiáng)迫物料產(chǎn)生擠壓、剪切、搓動(dòng)等復(fù)雜運(yùn)動(dòng)，就象兩條蛟龍爭(zhēng)斗一樣，攪拌十分強(qiáng)烈，加之輔助葉片的擋料作用，攪拌更加強(qiáng)烈，設(shè)計(jì)水平是相當(dāng)高的。為了提高葉片的使用壽命，葉片寬度常為葉徑的5%?15%之間，通常為10%，用耐磨材料制成，用螺栓固定在攪拌臂，以便磨損后調(diào)整更換。JW系列立軸渦漿式攪拌裝置和卸料裝置JW系列立軸渦漿式攪拌機(jī)攪拌劇烈（見(jiàn)圖5），主要適用于干硬性混凝土的攪拌，用于建筑工程和預(yù)制件的生產(chǎn)，可生產(chǎn)各種混凝土、干砂漿。其攪拌能力比JS系列劇烈，能耗較大，主要機(jī)型有500?4000L。此種結(jié)構(gòu)其攪拌裝置設(shè)置在回轉(zhuǎn)體上，也是由攪拌臂和攪拌葉片組成，其特點(diǎn)是攪拌葉片和內(nèi)外刮料葉片通過(guò)螺旋固定在攪拌臂，可隨葉片磨損進(jìn)行調(diào)整，并且該攪拌臂上設(shè)有防卡料裝置，可減少能耗，提高葉片壽命。攪拌的時(shí)候攪拌葉片可形成渦旋的翻轉(zhuǎn)料流，外環(huán)上的葉片向內(nèi)翻轉(zhuǎn)、內(nèi)環(huán)上的葉片向里翻轉(zhuǎn)，同時(shí)，葉片后形成起落料流，形成沖擊的三維交錯(cuò)料流，攪拌強(qiáng)度大。另外立軸渦漿式攪拌機(jī)拌筒中央部分有一內(nèi)筒，用于放置傳動(dòng)裝置，結(jié)構(gòu)緊湊，傳動(dòng)裝置下置，潤(rùn)滑性能好。缺點(diǎn)是占據(jù)了一定的攪拌空間，維修也不便，而且攪拌機(jī)的裝料高度不宜太高，這種攪拌機(jī)的利用高度僅有拌筒高度的1/3，過(guò)大攪拌效果不理想。攪拌筒的利用系數(shù)低于雙臥軸攪拌機(jī)，拌筒直徑做得都比較大，因此線速度也比較高。而大型攪拌機(jī)線速度一般最大不超過(guò)3m/s，過(guò)快會(huì)因離心運(yùn)動(dòng)，骨料拋向拌筒外壁，產(chǎn)生混凝土離析。JN系列立軸行星攪拌裝置JN系列立軸行星攪拌機(jī)攪拌劇烈，主要適用于十硬性混凝土（碾壓混凝土）的攪拌，用于砌塊和預(yù)制件的生產(chǎn)，可生產(chǎn)鋼纖維混凝土、彩色混凝土、干砂漿。主要機(jī)型500?3000L。對(duì)細(xì)骨料攪拌性能優(yōu)越，國(guó)內(nèi)有些廠家稱之為碾輪，攪拌強(qiáng)度很大。主要有定軸式和定盤式兩種。定軸式就是軸僅自轉(zhuǎn)不公轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)盤旋轉(zhuǎn)而實(shí)現(xiàn)攪拌，能耗較大；定盤式就是盤不轉(zhuǎn)，由立軸的公轉(zhuǎn)與自轉(zhuǎn)帶動(dòng)攪拌裝置運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)攪拌，見(jiàn)圖6。其攪拌裝置同樣是由攪拌臂和攪拌葉片組成，它們固定在從動(dòng)盤上和行星架上，與行星架相連的攪拌葉片僅作公轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，不自轉(zhuǎn)，用于實(shí)現(xiàn)刮料功能，從動(dòng)盤相連的攪拌葉片，即自轉(zhuǎn)又公轉(zhuǎn)，用于實(shí)現(xiàn)攪拌功能。它們均采用螺栓聯(lián)接，便于調(diào)整和更換。由其攪拌軌跡（見(jiàn)圖7）可以看出攪拌臂在從動(dòng)軸的帶動(dòng)下作公轉(zhuǎn)與自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，形成非常復(fù)雜的攪拌運(yùn)動(dòng)，每個(gè)從動(dòng)軸上的攪拌臂，每時(shí)每刻都做不同的變速運(yùn)動(dòng)（采用復(fù)變函數(shù)，由向量合成可求），形成復(fù)雜的變速流場(chǎng)，攪拌劇烈，形成兩大股渦旋料流，而且攪拌沒(méi)有死角，攪拌性優(yōu)越，攪拌物料能在拌筒充分?jǐn)嚢?。若采用?duì)流攪拌，兩大股渦旋料流相互沖擊，攪拌作用更為強(qiáng)烈，能使那些難溶的材料或小劑料的材料快速得到攪拌，特別適用于制備細(xì)顆?；炷?。但對(duì)流式攪拌由于攪拌速度較高，受攪拌動(dòng)力學(xué)及磨損的限制，骨料最大粒徑應(yīng)小于60mm。3攪拌裝置發(fā)展探討以上幾種攪拌裝置雖然各有不同，但都是由攪拌臂和可裝拆的攪拌葉片及襯板作為其基本單元，所以其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的復(fù)雜程度和準(zhǔn)確性、對(duì)各種混凝土的適應(yīng)性及材料的強(qiáng)度和耐磨性是混凝土攪拌裝置的關(guān)鍵所在。因此將各種不同攪拌裝置的優(yōu)點(diǎn)集于一體從而改進(jìn)它們之間的設(shè)計(jì)也是提高性能最為直接的途徑。雙螺旋連續(xù)葉片攪拌裝置便是在此基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)的新型裝置之一，見(jiàn)圖8。雙螺旋連續(xù)葉片攪拌機(jī)是JS系列雙臥軸混凝土攪拌機(jī)與JD系列單臥軸混凝土攪拌機(jī)相結(jié)合的產(chǎn)物，外形上，同JS系列攪拌機(jī)一樣，沒(méi)有任何區(qū)別，關(guān)鍵是攪拌裝置采用了雙螺旋連續(xù)葉片，攪拌性能與普通主機(jī)相比，只要用普通攪拌主機(jī)的一半攪拌時(shí)間即可達(dá)到均質(zhì)攪拌。對(duì)于普通混凝土只需20s可達(dá)到均質(zhì)攪拌；對(duì)于高性能混凝土只需40s可達(dá)到均質(zhì)攪拌。目前市場(chǎng)上的主要機(jī)型有2000L、3000L。該種攪拌裝置的水平攪拌臂上所裝攪拌葉片成連續(xù)螺旋布置，分主葉