混凝土搅拌机理及其设备

1、混凝土搅拌机理及其设备混凝土是当今肚界上使用昴广泛的建筑材料Z-,大量应用于工业*农业、水利.交通、市酸、民用以及国防等基础设施掘设工林中，井在国民经济中占有非常重要的地位。混凝土是一种固体复合材料.它是山凝胶材料与骨料胶结而成的棍抓凝胶材料的不同可分为水泥混朕土和沥音混凝土等.通常所说的混凝土多指水泥混凝土°在各种建筑工程中水泥混凝土用途最广、州虽最大，可通过不同的物料配合比来实现工稗中不同的性能需求"气水泥混凝上是由水泥、石、砂和水等物料按一定的配合比进行搅拌混合而成.理想的水泥混凝土状态是，水和水泥组成水泥浆后包裹在秋粒的表血,并填充于砂粒之间的空I®申形成

2、水泥砂萊，水泥砂桨又包袅在石子的表面，并填充予石子之何的空隙。水泥浆和水泥砂浆在混凝土浇筑的初期分别起到润滑砂、石的作用，歿得混凝土满足在施匚过稈中要求具侖的流动性°待其浇筑完毕硬化后，又可将砂、石粘结超来形成-个牢固地整体.使混凝土昴终达到并具有定强度的重耍性能I四W水利水电工程建设中用于修建挡水、输水、排沙*泄洪、发电等不同类型的水工建規物的混凝土，称为水王混凝土.由于实品工程中水工建筑物的使用条件大名比较严酷，会经常或周期性地受到坏境水的作用.因此水工混凝土无论是原材料选择还是配含比设计都有英特殊性.要求必须严格枝照工程的便用条件和实际需求进行便其n有更品的物理性能、力学件能和

3、耐久性梃尊口工程中根据建筑物大小不同.水工混凝土可分为大体积混凝土和普通澜聲土平根拥使用坏境的不同'大体积混凝土又分为外部混凝上和内部混凝土。水工泯凝土种类繁寥、用途广泛，可用于水上、水下以及水位变动区谱多种部位.因用途和使用目的不同農求茸具仃的技术特性也不同：经常与环境水相接融时，通常婆求具有良好的抗港性：在严寒地区、特别建应用水位变动区时，蜜求具有较强的抗拣性；经常与带有侵谀性的水郴接触时，则要求具备良好的耐烛ft；使用于大体稅建筑物时，为防上出现温度裂缝，翌求具有低热性和低收缩率；在赠用于经常受到高逢水流冲刷的部位时，则要求具有抗冲刷、离耐瞎性及抗气蚀性筹。水工混濮土是水利水电工

4、程中，特别是大型工程中最主要最基础的建筑材料.中国近三十年來建成的大、中型混凝土结构的闸、坝达数百座，其中有些大型工程中混凝土用量高达1000力立方米以上，如著名的长江三峡工程、葛洲坝工程和位于台湾省的德基大坝等，除此以外水工混凝土还大量应用于农田水利、河港建设以及地下防水工程中I役水工混凝土密实度奇，捣实后的体枳质鱼通常在2.52.7t/m髙于普通商品混凝土的2.4t/m3；普通商品混凝土所使用的骨料粒径通常较小都在6cm以下,而水工混凝土用于级配的骨料粒径通常很夬可达15cm18cm,甚至可能出现在搅拌机额定粒径规格基础上仍然超径5%的情况：与背通商品混凝土典有的流动性好、坍落度大等特性相

5、比，水工碾压混凝上的流动性差、坍落度小（通常为8cm以下，一般用微析值來衡？：）：与普通商品混凝土相比，水工混凝土所使用的机制砂石粉含量可高达16%20%,粗骨料中的石英含虽高达50%80%；普通商品混凝土每次循环搅拌时间一般在2060s之何，水工混凝土会根据混凝土标号不同以及混凝土出机口温度要求与环境温度的关系进行调整。表2将水工（磔压）混凝土与普通商呂混凝土的性能进行比较。表2.1水工（碾压）混屐上与泮通商給混礙土的性能对照表水工（礪压）混凝土常态混凝土适用范国水工建筑物普通商混建筑物密度2.52.7t/n?2.4t/m3流动性差好埸落度坍落度小坍落度较大骨料粒径可达18cm6cm以下骨料

6、石英含虽低搅拌时间长短搅拌均匀度不易搅拌均匀容易搅拌均匀在实际工程中使用时，一般耍求混礙土具有较好的和易性、耐久性、高强度、经济性等性能。而达到这些性能娶求则主夏取决于混凝土的内部结构，通常体现在两方面：混凝土配比和搅样均匀程度。混凝土配比设计合理且搅拌后各组分分布均匀，混凝土质量就较高。从微观来看，水泥混凝土是由分散的介质分子的水化物晦脸层粘结各相颗粒而形成的胶凝结构。这种结构具有很高的粘性、剪切强度、弹性模塑和内应力，其中前两者是搅拌设备在搅拌过程中受到阻力的上要來源。可见，在微观上各组分达到均匀分布时，即当所有组分均匀分布并且每一粒骨料都被水化物曲股包寸，混合物的胶凝结构刀具有最稳定的状

7、态，凝固后的混磺土才会具有锻大强度。为了达到混凝土各组分的均匀分布,战终形成良好的内部微观纽织结构，“搅拌”作为駁基本的方法和手段，对制备混凝土起着极为重要的作用综合左观和微观两方面分析混凝土搅拌的目的1'31）促进各组分均匀分布，实现汰观和微观上的匀质；2）消除水泥颗粒团聚现象，打破包鉴在水泥颗粒农面的初始水化物薄膜层；促便水浸润每个颗粒表面，加快水泥的水化作用；加快弥散现彖的发展，进而提高水泥浆的活化性能，形成理想的水化生成物：促进水泥颗粒与其他组分颗粒的结合：3）由于骨料表面常覆盖灰尘层或粘有粘土等，将妨碍骨料与其它组分形成界面结合层，故可通过搅拌使骨料颗粒间相互碰撞和摩擦，以降

8、低灰尘薄膜的影响；4）増加混合物料各单元体参与混合运动的次数，提高其在运动轨迹中相互交叉的频率.以加速达到匀质化.为了使混;疑土各组分在宏观和微观上均达到匀质，要保证使其各组分颗粒和液滴在搅拌过程中都能产生运动，并使它们的运动轨迹相互交叉。简单來说，交叉运动越剧烈、交叉次数越频緊，混凝土各组分越容易混合均匀。在实际搅拌过程中要使混凝土泯合料达到均匀，其混合的机理十分复杂.通常根据混合物各组分在搅拌时产生运动的不同方武，将其总结描述为对流运动、扩散运动和剪切运动，以下将对三种运动分别进行说明I，3,f,71：1）对流运动对流运动是指物料颗粒在较大尺度范困内的规则流动。在搅拌过程中这种流动是最主要

9、的，也是最呈本的，可促使物料达到一种宏观上的匀质化。可以直观地理解为，通过外力的n接作用，物料各纠分之间发生相对流动，促使各种不同粒径的粒子群大幅度地移动位賈，山于不同颗粒的运动速度和各自的运动轨迹不同，从而形成多种环流，使物料相互混合.可知由搅拌产生的对流运动对大粒径、体积相近的组分的泯合效果和效率是非常显著的。它的存在能够保证混凝土达到使用的基本要求.2）扩敵运动扩散运动是指物料颗粒在较小尺度范田内进行的随机移动。通常发生扩散运动的对象都是粒径很小的组分，形成的一种亚微观上的局部混合.物料颗粒的扩敞运动通常发生在两种情况下：一是粒子相互Z间的移动频率增加，二是在不断产生的新的混合料表而上物

10、料的再分伤。所以，可以通过増加单个粒子的移动性来促进物料颗粒的扩侬运动。对比对流运动，扩散运动的速度明显降低，但它却能更好地促进各组分相接触表面间的良好结合，从而达到亚澈观上的均匀.如果对流运动是使混凝上在宏观上拌匀，那么扩散运动则能使混濮土在亚微观上拌透。扩散运动可以显著提鬲混凝土的性能，对改善搅拌效果具有重要意义。3）剪切运动剪切运动是抬物料颗粒凝聚体沿着具滑动面发生剪切变形时产生的位林。在混凝土搅拌过程中，由于粒子样内部不同组分的速度分布不同，造成各粒子间产生相互滑动和碰撞，就形成了剪切运动。粉状协料的凝聚体是发生剪切运动的主体。在搅拌初期，水泥与水接触后，由于水乍在表面张力，而水泥微粒

11、的附着性大且易团聚成小水泥球，这些原因严重彫响了混合料的微观均匀性。所以搅拌时，剪切运动必须通过克服这些凝聚体的表面张力、剪应力、内聚力、甚至分子间的库仑力，才能促使这些团聚颗粒的分敕、破碎，保证水泥等粉状物料的混合在微观上的均匀分布。拔样混凝土混合料的搅拌机理是非常复杂的，搅拌过程中出现的对流、扩散和剪切三种运动不是左各自的区域内独立存在并起作用的，而是会同时岀现在攬拌的每一个过程中，通过不同形式的组合达到下变万化的搅拌效果。混合料中各物料之间通过搅拌发生相厲碰撞、对流和扩散，从而达到促进物料颗粒（特别是水泥颗粒）的弥散分布，使其充分包裹于骨料表面，最终实现混凝土在宏观和微观上的匀质。为了更

12、好的了解混凝土搅拌与其均匀性的关系，就需要研究物料在搅拌过程中的运动规律，并分析物斜与搅拌机构间的相互作用关系。搅拌过程中混凝土状态的动态变化和发展情况，可大致描述为如图2.1所示的“混凝土均匀度与搅拌时间的关系”曲线I。-在搅拌的初级阶段主要是存在物料的循坏流动（图中I段），此时的搅拌是在图2.1況板土均匀度与搅持时河的关系图2.1況板土均匀度与搅持时河的关系宏观水平下进行的，各组分间的相临界面小，其扩散现皱不明显，而分离现象的影响也较小，在此阶段搅拌进程的发展速度主要决定于拌筒中物料的运动特性。从tk时刻起在拌筒内各组分的扩散分命逐步加快，循环流动和扩散运动在搅拌中的作用效果将趋于相近。此

13、时，各组分的混合已在微观水平上进行，并从其中某一时刻起扩散运动开始起主耍作用（II段），与此同时，原來已经粘结在一超的备组分发生离析的过程也在加快。从某时刻/力开始,混合与离析这两种截然相反的过程将展本上达到动态平衝。此后，般來说物料的均匀度变化很小（山段），搅样对于物料混合的实际童义不大。个别情况时，上述混合和离析过程的平衡时刻要比均匀度最好的时刻（III段靠下曲线）稍晚岀现。在II、III阶段，物料纽分重新分布的速度一方面取决于物料的运动特性，列一方面也取决于物料的结构流变特性，比如物料额粒的粒径大小，相间表面的大小以及粘结力的数值等等（冋。分析物料在搅拌工作腔内的左观运动，其形武可以分为

14、六种，即沿空间三个方向的平移运动和绕这三个方向的旋传运动"只提供单一运动形式的搅拌机工作机构无疑是最简单最容易实现的，但显然单调的物料运动形式既不能保证搅拌质显也不能提高搅样效率，而能同时具有上述六种运动形式的搅拌机工作机构又因为太复杂而难以实现。因此，对搅拌机构设计技术的完善和改进，从根本上来说就是对这些运动形式的增加和强化。所冇合格的搅拌机构都要能保证物料在有限的三维空间内获得充分的运动，提供其充分混合的机会，只有这样才能保证搅拌质量。通过以上分析可见，搅拌是混凝土生产过程中最关键的一道工序，它的优劣会直接影响到生产混凝土的质童和水平。随着国家对混凝土的大力推广，各种基础设施建设

15、对混凝土的需求虽和质最祁提出了更高的要求，这就必然会涉及到混凝土搅拌方法的更新、搅拌设备的改进和相关理论的研究。2.3混凝土搅拌设备目前市场上最广泛使用的混凝土搅拌设备按照按拌机理可分为两种：自落式搅拌机和强制式搅拌机。前者主要用于水利水电工程中水工混凝土的生产，而归属于后者的双卧轴搅拌机则是目前商品混凝土市场的主流机型。自落式搅拌机设备工作时，驱动装翰带动筒体绕芯轴以一定速度旋转，进入漁简内的物料在安装于简体内壁的搅拌叶片的带动下产生蜩滚、穿叉、相互混合，最终达到搅拌效果。自落式搅样机因其具有结构简单紧凑、运行平稳可靠、构件质损小、超载能力强、搅拌性能优越、噪音小、能耗低、维护简便等优点被广

16、泛应用于水利水电工程中水工大体枳及碾丘混漩土的生产，具有很好的社会经济效益。其貝体的工作原理及搅拌过程详见本文3.2部分，此处不再累述。双卧轴搅拌机顾名思义其搅扌芋装逊是山两根平行且呈水平放誉的搅拌轴组成的，两根水平轴在沿圆周方向依次错落的安装若干组螺旋型搅拌叶片，在驱动装置作用下两轴分别按相反方向转动，使物料在呈“co”型的两个搅拌筒内得到搅拌。搅拌过程中叶片在将位于搅拌筒中部和底部的物料向上胡动的同时又将其沿轴向推动，进而形成强烈的交叉料流，最终促使混凝土匀质化。由其工作原理可知双卧轴式搅拌机具有以下优点：结构合理坚同适丁制造大容量设备，搅挂质量好效率高，工作可靠性高，叶片和衬板磨祯小、使

17、用寿命长，使用维修方便，装载运输便利，浪凝上适应范田广等但它同吋存在结构复杂、制造成本偏高的不足之处，而且通常双卧轴搅拌机的标准是以商品混凝土为主体，所以对于生产水工混凝土，还存在以下局限性：生产水工混凝土时要降级使用，即产量要乘以0.75的系数；针对水工混疑土密实度髙、碾压混凝土砂石粉及石英含量高等因素，搅拌机容量、叶片臂夹角、功率配置以及耐爲措施都应采取持鬆措施；生产过程中能耗大的大容虽的强制式搅样机配置的液压站系统噪音和扳动郁非常大；当生产需要加大呈的片冰或特种外加剂的预冷混凝土时，要延长搅拌时间（此时失去强制式搅拌机搅拌时间短的优势），同时设备磨损量也加大；当骨料的石英含屋髙于50%时，强制式搅丼机的磨损量为自落式搅拌机的4倍以上，将大大增加维修工作莹和更换易损件的运行成