振动搅拌技术：突破小技术 改善大工程

文/本刊记者 汪玚

振动搅拌技术领军专家、长安大学教授冯忠绪

在交通工程中，无论港珠澳大桥等全球瞩目的世纪工程，还是串联起“最后一公里”的乡间小道，水泥混凝土都是必不可少且毫不起眼的建筑混合料，而它的质量，直接影响着工程建设的质量和水平。

有这样一种技术，它的创新普及，或将在行业里掀起一场质量大升级的风暴。以“小技术”的突破带动“大工程”的改善——这就是振动搅拌技术。

振动搅拌技术缘何如此重要？

搅拌作为水泥混凝土、水泥稳定土等建筑混合料最基本的制备方法，应用于混合料趋于匀质化的过程，是各种建筑混合材料生产中一道关键工序，混合料是否均匀，直接影响着水泥混凝土及水泥稳定土的质量。振动搅拌更是国际公认的、提高混凝土搅拌质量和效率的最经济的方法之一。

振动搅拌技术为何如此重要？

原因在于，水泥混凝土在振动作用下，内部各个颗粒将围绕某种不稳定平衡的中间位置作连续不断的颤动，并使相邻粒子振动发生位移，物料颗粒间的相对运动频率增加，混凝土流动的形式及能量分布发生变化，可以改善混凝土的微观结构；同时，在振动作用下，水泥颗粒处于颤动状态，破坏了水泥颗粒团聚，为水泥充分水化提供了可能，有助于水泥浆与骨料间的包裹，改善混凝土的微观均匀性及其强度等力学性能，从而提高混凝土服役的综合性能。

研究发现，常规的搅拌技术虽然短时间内将混合料在宏观上搅拌均匀，但如果通过显微镜观察，会发现看似已经搅拌均匀的混合料中的水泥颗粒并未较好地均匀分散在水中，仍有10%-30%的水泥颗粒三三两两地聚集在一起，形成微小的水泥团。这种团聚现象不但降低了水泥的利用率，造成浪费，而且严重地影响了混凝土的和易性和强度。

振动搅拌技术则是在强制搅拌的同时加以振动作用，使水泥颗粒处于颤振状态，破坏混凝土混合料间的粘性联接，使物料间的内摩擦力大大降低，促使物料中的水泥颗粒从的结团状态变为均匀分布状态，有效减弱水泥颗粒的团聚现象，充分提高水泥利用率及混合料质量。

从“取经”到探索：在积淀中寻求理论与实践的双突破

实际上，对水泥混凝土混合效果的研究，从上世纪已经开始。

1931年，前苏联、德国等国家的科学家发现混凝土微观重大缺陷，提升混凝土微观均匀程度的科学探索由此启动。1972年，前苏联实验机（下置式振动）完成室内试验验证，但由于机械结构设计问题无法实现工业化，世界振动搅拌技术研究及工业化陷入停滞。

虽然前苏联、美国、德国、日本等国都进行了混凝土振动搅拌的试验研究，但缺乏系统性研究，更无与产品研发相结合研究的先例。

1992年，长安大学教授冯忠绪以全新理念开启振动搅拌技术研发，历经失败与曲折，解决了一系列技术难题，终于研发成功。

在技术上取得突破后，我国学者又将目标瞄准在装备上。

2012年，德通公司与长安大学合作，成功研发出水泥混凝土振动搅拌主机，在HZS50混凝土搅拌设备中成功应用。2014年，德通公司成功研发出水泥稳定土振动搅拌主机，实现震碎混合料中的水泥团、灰团，使其均匀分布在混合料中，防止离析发生，科学减少水泥用量，减少半刚性基层裂纹发生。

作为技术领军专家和带头人，可以说，冯忠绪在该领域的探索与深耕，奠定了振动搅拌技术的研发基础，而冯教授也是从“取经”开始的。

1988年至1989年，冯忠绪在前苏联的莫斯科汽车公路学院学习。在充分吸收了前苏联学科经验后，冯忠绪于1989年9月回国，并立即投身到振动搅拌技术的研究探索中。

回国后的最初几年，冯忠绪与国内外前辈一样，采用普通振动机械的结构型式来设计振动搅拌机，将激振器外置研制了定向激振器外置的连续式振动搅拌机、激振器外置的旋振式振动搅拌机。1991年11月，“混凝土的振动搅拌装置”获得了第一项授权专利。试验结果除验证了混凝土与稳定土振动搅拌高效性外，整体效果并不理想。但实验发现混凝土受振动容易沉积与离析，利用不好反而会对材料的混合产生负面作用；激振器外置于壳体上，振动能量传到壳体内的混凝土时已衰减得较小，而机架振动却较大，能量利用率低；而制作产品时，由于机器质量要比实验室的试验样机大得多，要使壳体与壳体内的混凝土振动起来，需要的振动能量太大，机器振动强度大与可靠性差的矛盾凸显等问题。

几经挫折，冯忠绪和团队成员静心思考振动搅拌的理论问题。他们将关注点聚焦在能否建立数学模型，寻求理论突破以及对试验的指导。

由于搅拌机械的工作主要是通过工作机械与介质的相互作用完成的，而工作机构与介质相互作用的动态过程的试验研究，是机器性能研究的首要任务，也是研究整机性能的基础。长期以来，用宾汉姆流变曲线来描述新拌混凝土性质，已经得到学界认可。

然而，这种认可也并非“无懈可击”。该曲线只能完成新拌混凝土性质的静态描述，无法完全描述出混凝土搅拌的发展与变化过程。水泥混凝土搅拌时，砂、石、水泥、水和添加剂等多种材料进入搅拌室后，固体、液体和夹裹的气体等各成分间同时存在物理作用和化学作用，从微观上还是宏观上，物料的状态和结构均发生了量和质的变化，形成了新拌混凝土新的结构材料。这种变化既可看成是随机的“生灭”过程，又可认为是确定的，有一定规律的。长期以来，国内外学者试图将这一过程定量化，但都未取得令人信服的应用结果。

冯忠绪提出，将搅拌工作装置的物理模型与扩散方程的数学模型相结合，对搅拌机械的工作机构与介质间的相互作用过程进行综合模拟与研究，通过缜密推导，得到了搅拌过程混合料均匀性变化的数学表达式，揭示了搅拌过程中混合物均匀性与搅拌时间、搅拌参数与搅拌速度系数之间的变化规律，并根据该数学关系式，提出了新的搅拌概念：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。这为采用振动搅拌技术来强化扩散运动，采用振动与强制搅拌相结合的振动搅拌方案提供了理论依据。

以此得到的搅拌机参数优化的目标，按国标或生产要求，给定搅拌的均匀度指标，若在搅拌室内不同坐标方向达到给定均匀度的搅拌时间相近，那么此种搅拌机械的搅拌时间将最短。搅拌过程的数学模型的建立，也为解决搅拌过程的功率计算等动力学问题，以及应用相似理论与量纲分析法解决产品的系列化问题提供了依据。

1998年，冯忠绪团队采用振动与搅拌相结合的振动搅拌方案，设计了在工作过程中空间力系能够动平衡的单立轴振动搅拌机。激振器内置在混凝土中，振动能量直接被混凝土吸收，采用动平衡计算和动平衡实验相结合的办法，较好解决了振动强度大和机器工作可靠性要求高的矛盾。

试验证明，这种振动搅拌方式有效改善了混凝土的搅拌性能，保证了混凝土的搅拌质量，混凝土拌和物的均匀性符合国家标准要求；与普通强制搅拌相比，当水泥用量不变时，混凝土强度提高20%至35%；当混凝土强度不变时，可节约水泥15%至20%；同时搅拌时间约可缩短一半，比普通强制式搅拌机约节能25%；不仅对普通水泥混凝土，对RCC、SFSC和CA砂浆等多种材料均具有良好的适应性。

振动搅拌涉及机械工程、建筑材料、施工工艺与试验科学等学科与领域，研究搅拌机构与混凝土的相互作用机理，振动搅拌过程对混凝土结构-流变特性的变化，振动搅拌与强制搅拌相结合的较佳实现方式，均是以提高混凝土的搅拌质量与搅拌效率为出发点与落脚点。

冯忠绪团队发现，振动搅拌强化混凝土搅拌过程的机理主要包括六方面：对混凝土的结构-流变特性的影响，对新拌混凝土中水泥团粒的破坏，对新拌混凝土中粗骨料表面的净化及其粘结强度的增强，对新拌混凝土中气相生成物的影响，对低效区的改善，对多种材料的适应性等。对振动搅拌机理不断深入的研究，揭示了振动作用下材料的结构-流变特性的变化规律，为从材料的角度选择合理的振动方式与振动参数提供了依据。

根据材料特性选取搅拌装置的工作方式与参数，是冯忠绪团队进行振动搅拌研究的主要特点之一。根据双卧轴搅拌机是国内外主导机型的现状，针对双卧轴搅拌机的特点，他们提出搅拌装置与激振器一体化设计的强制搅拌与振动搅拌相结合技术。这种一体化设计搅拌结构边强制搅拌边振动，振动面积大，所需振动强度小，机器可靠性好；在充分发挥强制搅拌使混合料在大范围内的循环与对流作用的同时，强化了混合料的扩散运动，搅拌出混凝土的微观均匀性好，改善了水泥石与骨料间的连接和孔分布状态，搅拌的稳定土质量好，且性能稳定。

坚守“阵地”推动科研成果产业化应用

科研成果要转化为生产力，才能体现出价值。

2011年，冯忠绪团队开始探索振动搅拌成果的转化问题。当时一些知名企业想高价收买这项国际独创的技术成果，冯忠绪及团队不为利益所动，全力扶持在读博士生创业。当时河南万里路桥集团董事长张良奇是冯忠绪的在读博士生，二人把产业化与持续研究的重任扛在了肩上。

创新有曲折，创业更艰辛。由于实际产品与实验室试验样机存在巨大差别，要使新型振动机械实现产业化，生产设备、人员、质量保障体系都必须从零开始。冯忠绪团队重新梳理了历年的研究成果，并反复试验，将理论与实践重复结合，最终促使新型振动机械在2014年走向市场。使用结果证明，振动搅拌水泥混凝土与稳定土，确实能够节约水泥等材料，能提高混凝土与稳定土的工程质量。两年多来，已在国内20多个省（区、市）得以应用，产值逾8千万元。

2015年12月，鉴定委员会专家一致同意长安大学与万里路桥集团德通振动搅拌技术有限公司共同完成的混凝土、稳定土振动搅拌的两个产品，通过河南省科技厅组织的科技成果鉴定，认可其产品“属国际首创，多项技术填补了国内外空白，处于国际领先水平，社会经济效益巨大，推广前景良好”。

成绩来之不易。这项技术从无到有，从成熟到实现产业化，历时近30年之久。

30年来，团队共完成混凝土振动搅拌理论与设备的研究项目16项，设计与制造了定向激振器外置的连续式振动搅拌样机、激振器外置的旋振式振动搅拌样机、激振器内置的单立轴式振动搅拌样机、振动与搅拌结构一体化的双卧轴振动搅拌样机、振动与搅拌结构一体化的单卧轴振动搅拌样机等试验样机9台（套），以水泥混凝土、高强混凝土、沥青混合料等多种试验材料为对象，完成了大量的理论研究与搅拌性能的试验研究，以及多个搅拌机械使用性能的试验研究，最终设计成功了工业用混凝土与稳定土振动搅拌机并完成了搅拌性能试验。

同时，培养了一大批优秀人才，出版专著4部，获授权专利70余项，其中发明专利近30项，“一种搅拌装置”获陕西省专利奖二等奖，“混凝土搅拌理论及其设备的研究”和“节约生产混凝土的关键技术及其装置的研究”分别获陕西省科学技术二等奖。

水泥混凝土主机系列

在谈及混凝土试验场景时，冯忠绪感慨：“混凝土试验又脏又累，筛沙子与石料、人工上料、做试样、清理废弃物，天天循环，日日如此。每个人的实验量都相当大，从3月到11月的实验期，备料、搅拌、做正方体及小梁试样、测抗压与抗折强度，一个试验周期28天，需要持续1年到2年，酷暑时汗流浃背，衣服全湿透了。”在创新创业之路上，团队成员用青春养育科技，用智慧与汗水浇灌成果之花。

目前，我国混凝土搅拌装备技术水平较低，有自主知识产权的产品较少，且普遍存在能源和原材料消耗高、搅拌不均匀等问题。在国家大力推进节能环保事业发展的背景下，混凝土行业转变发展模式势在必行，混凝土振动搅拌设备的产业化正处于一个新起点。

冯忠绪团队在该领域取得了可喜的成绩，今后，他们将继续深化振动搅拌理论与设备的研究，进一步探索振动搅拌技术的产业化之路。