振动对立式搅拌均匀性的影响

张健健，赵 悟，赵凯音，高维兵，郭 健，沈威威

（长安大学 工程机械学院，陕西 西安 710064）

0 引 言

混凝土搅拌机是将水泥作为胶凝材料，将砂、石作集料，与水按一定的配合比混合，进行充分搅拌的设备。当前，立式混凝土搅拌机主要依靠传统的搅拌方式（搅拌装置的定轴旋转）来进行拌合，然而在电镜下观察发现，宏观均匀拌合物中的水泥颗粒并没有很好地分散在水中，而是以水泥团的形式存在于其中，这种情况严重影响了混凝土的使用性能［1-4］。故本文利用EDEM软件模拟混凝土的搅拌过程，对同一时间点的不同搅拌方式的搅拌情况进行颗粒均匀性对比，并对卸料后料堆行切片分析，研究振动对拌合物颗粒均匀性的影响。

1 振动搅拌技术

振动搅拌技术是混凝土搅拌的新型技术，其基本原理是在搅拌的同时加以振动作用，通过振动和搅拌的双重作用，使物料颗粒间相互激烈的碰撞，从而加强混合料的对流和扩散，最终达到整体上的匀质性［5-7］。振动技术对搅拌过程的影响主要表现在以下几个方面：增强骨料颗粒运动的同时破坏黏聚在一起的水泥团，使水泥颗粒均匀分散在拌合物中；减小混合料各组分间的黏性和内摩擦力，使活化分子增多，加速物料的对流运动和扩散运动，同时也加强了搅拌剪切作用；混合料的运动加快，增加了颗粒之间的有效碰撞次数，增强了水化反应。普通搅拌与振动搅拌的水泥颗粒分布情况如图1所示。

图1 不同搅拌方式下水泥颗粒分布情况

观察图1可知，振动搅拌下水泥颗粒不再发生团聚现象，分布较为均匀。

2 立式搅拌机模型的建立

利用Pro／E软件建立100L双立轴搅拌机的三维模型，如图2所示。搅拌机采用双拌缸结构，左右各有1组搅拌装置，每组搅拌装置均由6个搅拌臂和6个搅拌叶片组成；振动搅拌机则额外增加了2个激振器。

图2 两种立式搅拌机的简化模型

3 EDEM仿真分析

3.1 颗粒接触模型的选择

EDEM中颗粒模型主要分硬球模型和软球模型，其中软球模型主要用来模拟2个或多个颗粒之间的碰撞过程。Hertz-Mindlin with JKR模型是EDEM软件中颗粒接触模型中的一种，属于软球接触模型，适用于模拟药粉、农作物、矿石、泥土等含湿物料因含湿水分等原因发生的黏结、团聚情况［8-9］。该接触简化物理振动模型如图3所示。

由图3可知，该模型充分考虑了颗粒间的法向力、切向力以及摩擦力等因素，与混凝土搅拌过程中骨料之间的碰撞过程较为符合，能够比较真实地模拟骨料的性质以及水泥的黏结性，故本文利用EDEM进行仿真时采用Hertz-Mindlin with JKR接触模型。

图3 Hertz-Mindlin with JKR接触简化物理振动模型

3.2 EDEM仿真参数设置

材料性质以及颗粒种类与数目是仿真结果合理性的保证。2种立式搅拌机在仿真过程中各部分的材料性质、颗粒的种类和数目、布置方式、搅拌转速、仿真时间均相同。将搅拌机的组成结构材料命名成“steel”，骨料颗粒的材料命名为“particle”，材料属性如表1所示，接触属性如表2所示。

表1 材料属性定义

表2 接触属性定义

仿真时，搅拌速度根据实际搅拌线速度的要求设置为45r·min-1，投入3种直径不同的颗粒，此处采用连续级配，其中12mm的颗粒20 000颗，15 mm的颗粒10 000颗，18mm的颗粒6 000颗［10］。仿真时设置搅拌时间为30s，卸料时间为5s。颗粒布料一般有扇形布料、环形布料、分层布料3种方式，为便于软件操作，仿真时采用分层布料方式，如图4所示。

4 结果分析

4.1 仿真结果分析

选择5、15、25、30s作为一组时间点来比较2种搅拌过程中物料分布的差异性。2种搅拌过程不同时间点的颗粒分布情况如图5、6所示。2种搅拌方式卸料后所取料堆高度方向中间截面效果如图7所示。

图4 分层布料方式

图5 普通搅拌各个时间点的搅拌效果

图6 振动搅拌各个时间点的搅拌效果

图7 两种搅拌方式卸料切片效果

由图5～7可知，振动搅拌颗粒的均匀性明显优于普通搅拌，搅拌效果更优。

4.2 物料均匀性分析

混凝土是一种非均质多相复合材料［11］，其拌合物颗粒的均匀性是衡量混凝土搅拌设备性能好坏的重要指标。离散系数是表征物料均匀性的标志性指标，其值越小表明物料分布越均匀［12-13］。仿真结束后，将整个模型划分网格，如图8所示。随机选取颗粒数目较多的网格，输出这些网格中各颗粒的数目，整理并分别计算不同搅拌方式下各粒径颗粒的离散系数，以时间间隔2s绘制离散系数折线图，如图9～11所示。

图8 模型网格划分

图9 12mm颗粒离散系数

图10 15mm颗粒离散系数

图11 18mm颗粒离散系数

由图9～11可知，随着搅拌时间的推移，振动搅拌的拌合物颗粒离散系数呈减小趋势，且趋势越来越平缓，说明随着搅拌过程的进行，颗粒分布越来越趋于较理想的均匀状态。对比之下，普通搅拌拌合物的离散系数虽大体呈递减趋势，但其变化过程很不稳定。而且，振动搅拌在搅拌状态趋于稳定的时间段内（10～30s），其离散系数比普通搅拌降低30%以上，且趋势稳定。

仿真完成后，选择搅拌低效区部分区域的颗粒，输出其在搅拌过程中的平均动能，分析振动搅拌对搅拌低效区的影响作用。图12～14分别为10～30 s内各粒径颗粒平均动能变化情况。

图12 12mm颗粒动能随时间的变化

图13 15mm颗粒动能随时间的变化

图14 18mm颗粒动能随时间的变化

观察图12～14可知，与普通搅拌相比，振动搅拌过程中颗粒获得的动能更大，使得颗粒间的有效碰撞更多，物料之间的交汇混合更充分，拌合物的分布更加均匀。进一步整理数据发现，当振动强度选择恰当时，振动搅拌过程中，沿径向分布的同一粒径的颗粒所获得的动能近乎相等，这说明振动搅拌可以在一定程度上消除搅拌低效区。

5 试验对比

在实验室对2种不同搅拌方式作对比试验。为了比较振动搅拌与普通搅拌在改变混凝土的匀质性和提高混凝土强度上的差异，采用相同的混凝土配合比及试验方法［14］。试验样机如图15所示，具体试验结果如表3所示。

图15 双立轴搅拌试验样机

表3 不同搅拌方式下试验结果

在表3中，ΔM指砂浆密度的相对误差；ΔG指单位体积粗骨料质量的相对误差（匀质混凝土是指砂浆密度的相对误差及粗骨料质量的相对误差均小于5%的混凝土）；f-指混凝土试块的平均抗压强度值；σ指混凝土试块的抗压强度值的标准差；Cv指混凝土试块强度值离差系数；σ、Cv值越小，说明混凝土质量越好［15-17］。

由表3可知，振动搅拌拌制的拌合物ΔM、ΔG值均明显小于普通搅拌，说明振动搅拌与普通搅拌相比，更能使拌合物达到宏观均匀。振动搅拌拌制的拌合物的f-值大于普通搅拌，而且σ、Cv值均小于普通搅拌，说明振动搅拌与普通搅拌相比，更能使拌合物达到微观均匀。

6 结 语

与普通搅拌相比，振动搅拌过程中颗粒获得的动能更大，使得颗粒间的有效碰撞更多，破坏了水泥团聚，同时使得物料之间的交汇混合更加充分，使拌合物颗粒的分布更加均匀。而且，对混合料进行振动搅拌，使物料颗粒具有一定振动频率下的振幅后处于颤振状态，从而破坏混合料间的黏性联接，使物料间的内摩擦力大大降低，便于物料中的水泥颗粒从结团状态变为均匀分布状态，加快水化反应和砂浆包裹骨料的速度，改善混凝土的综合性能。当振动强度选择恰当时，在振动搅拌过程中，沿径向分布的同一粒径的颗粒所获得的动能近乎相等，说明振动搅拌可以在一定程度上消除搅拌低效区。