新型强制振动式搅拌机装置的研究

沈逢春 王英杰 王垚 范宝庆

摘 要：普通混凝土搅拌作业中，搅拌后通常会残留有10%～30%的水泥未破散开而聚结在一起形成小泥团，为了解决这一问题，设计一种强制振动式搅拌机，可以将水泥颗粒聚结形成的小泥团强制破散开。对C50标号的混凝土进行试验，控制配合比不变，改变搅拌时间，将设计的装置与普通双卧轴搅拌机相比。试验结果为：当混合搅拌时间减少25%时，试块的抗压强度提高12%；当混合搅拌时间相同时，试块强度提高29%。将现有双卧轴振动搅拌机与该装置与相比，依然对C50标号的混凝土进行试验，控制配合比不变，改变搅拌时间，结果为当搅拌时间减少25%时，C50标号的混凝土抗压强度提高约5%；当搅拌时间相同时，混凝土强度提高约13%。

关键词：强制搅拌；振动式搅拌；搅拌机；水泥混凝土搅拌

中图分类号：U414                                    文献标识码：A                               文章编号：2096-6903（2023）05-0065-03

0 引言

在建筑施工和工程应用中，水泥混凝土是必不可少的材料，混凝土的强度、和易性和耐久性等技术性能对建筑施工过程即建筑物耐久性具有重要作用。为了保证施工顺利即建筑物的耐久性，通常在施工时对这些性能指标进行检测[1]。水泥混凝土是由沙、石、水泥经水拌合而成，通常为了满足施工要求，混合料的配合比及搅拌后的密实度的十分重要，可以直接影响水泥混凝土的性能。研究发现，混凝土在搅拌机中的搅拌质量也具有同样重要，其也可以显著影响混凝土的性能[2]。

一直以来，混凝土的搅拌质量通常以搅拌后的均质性来判断搅拌好坏，但这只表明在宏观上的混凝土的匀质性。实验发现，混凝土宏观匀质的好坏不能等同于混凝土强度的好坏，混凝土的宏观匀质性好仅仅是肉眼可见的一种现象，搅拌质量达匀质不代表混凝土强度一定高。这是因为混凝土搅拌过程中，水泥混凝土的高粘性和较高强度的剪切力会阻止结构的破坏，从而影响水泥在水相中分散开，阻止其与各集料均匀混合，不能在各集料的表面形成水化膜。只有在微观上水泥颗粒均匀分散开，与各集料结合得越均匀，才能保证水泥混凝土的强度，普通的搅拌设备并不能将物料在微观上分散开，搅拌也变得极为困难[3]。因而，普通搅拌设备制备的混凝土是有缺陷的，其在微观上并没有搅拌均匀。只有宏观、微观上均克服缺陷，混凝土凝固后才会具有最大强度。因此，为了更加满足建筑业的施工要求，混凝土搅拌还要求微观上也要将各组分拌透。

1 研究背景

水泥混合料在现有的搅拌机作用下，能够很快达到匀质，但这只是宏观上，在微观上，依然残存有10%～30%的水泥团，极其微小，肉眼不可见，只有用显微镜可见。这是因为混合料在微观上并未达到均匀，从而使未分散开的水泥颗粒粘结而成。这些小水泥团因为团聚在一起而不能正常发挥水泥颗粒的水化作用，降低了水泥的粘结性能，从而使得水泥的水化作用降低，原料组分无法充分水化而造成水化生成物减少，降低了混凝土的强度。水泥颗粒微观上的团聚现象，严重影响着混凝土的和易性和强度等性能指标[4]。

为了减少自落式搅拌机的团聚现象，一般利用延长搅拌时间来解决混凝土品质问题。例如设置多级搅拌机。该方法仍采用普通搅拌设备，搅拌质量并未有明显的提高，却增加设备投资成本和占地面积，耗能也变高了，增大了经济成本。

振动搅拌可以有效阻止水泥颗粒团聚，促使水泥颗粒均匀分散。它是通过在搅拌的过程中，在不断地振动作用下，破坏水泥颗粒之间的粘结性，从而使得微小的水泥团在振动作用下被强制性破坏，水泥组分扩散到液相中在集料表面分散均匀。搅拌机中的混合料在搅拌的同时，伴随着振动，使得混合料的运动速度加快，与水泥颗粒的有效碰撞次数增加，从而与水泥颗粒均匀混合。水泥水化物在混合料颗粒表面均匀扩散，提高了水泥水化速度。振动搅拌过程中，混合料表面也得到了净化，其与水泥颗粒的粘结性增加。因此，对水泥混凝土进行振动搅拌可以有效地减少混凝土的搅拌时间，提高搅拌效率，提高混凝土质量和新拌混凝土的流动性[5]。

强制振动式搅拌机主要有4种，分别是单一分离式振动搅拌机、轴周期式振动搅拌机、螺旋式振动搅拌机和双卧轴振动搅拌机。

雙卧轴振动搅拌机是目前混凝土搅拌生产中最常用的设备，是在传统的双卧轴搅拌机基础上改造而成，振动机构主要由搅拌臂、搅拌轴和其上安装的搅拌叶片组成。搅拌功能是由搅拌驱动机构中的搅拌臂通过驱动同步齿轮，联动两根搅拌轴带动搅拌叶片旋转，从而使混凝土集料在叶片的推动下，在搅拌筒内作轴向和轴间的往复流动。振动功能是由振动驱动机构在传送带作用下驱动两根振动轴高速偏心旋转，使安装在其上的偏心搅拌轴及安装在上面的搅拌叶片产生振动，从而使水泥混合料在驱动机构的搅拌和强制振动的共同作用下，实现了拌筒空间内混合料的宏观及微观上的达到匀质[6]。

强制振动式搅拌机的搅拌轴需要同时发挥搅拌和振动的作用，搅拌轴边旋转搅拌边振动。搅拌机构在旋转搅拌时，不仅要承受搅拌叶片对混凝土的搅拌力，还要同时承受来自振动机构的振动力，搅拌机构或搅拌叶片的磨损较快。更换搅拌机构或搅拌叶片时，需要将搅拌机构和振动机构整体拆下，更换新的搅拌机构后，再将搅拌机构和振动机构整体安装，这个拆卸安装过程费时费力。

在现有的强制振动式搅拌机的基础上进行改进，设计一种搅拌机构和振动机构是相互独立的，且搅拌时间相对较少或混凝土强度相对提高的强制振动式搅拌机。

2 结构原理示意图及工作流程

2.1 系统工作原理示意图

如图1所示，强制振动式搅拌机安装于底架上，底架上安装有强制振动器组，底架的底部安装有滑轨组。搅拌机为卧式搅拌机，底架为钢架结构焊接而成，强制振动器组包括有一个或多个偏振振动器，滑轨组包括有上滑轨组和下滑轨组。上滑轨组安装于下滑轨组上，底架安装于上滑轨组上。

强制振动器组包括4个偏振振动器，分别位于后部、右部、前部和左部。4个偏振振动器分别与各自的偏振电机通过联轴器连接，由偏振电机带动各自对应的偏振振动器进行偏振转动。为了保证底架、上滑轨组和下滑轨组的整体受力均匀，将4个偏振振动器和4个偏振电机按照阵列的形式排布。为了保证搅拌机和底架整体能在上滑轨组或下滑轨组上滑动，偏振振动器和偏振振动器的偏振电机同步以相反的方向旋转，这样就能使得搅拌机同时受到前后左右的振动力。

上滑轨组和下滑轨组的结构相同，滑轨上设置有两个滑块，滑块两侧的滑轨上分别设置有限位孔，与限位孔相配合的设置有一呈n形的限位销。限位销的作用是对上滑轨组或下滑轨组的滑块进行限位锁定，使得上滑轨组或下滑轨组的滑块可以单独滑动。

2.2 操作流程

强制振动式搅拌机的操作包括以下7个步骤。

2.2.1 组装搅拌机、底架和强制振动器组

将搅拌机焊接或螺栓安装于底架的中心处，将底架上焊接或螺栓安装强制振动器组，在底架的后部、右部安、前部和左部分别安装偏振振动器。

2.2.2 对下滑轨组的滑块位置进行限位锁定

将限位插销分别插入位于下滑轨组的限位孔中，将上滑轨组和滑块限位固定于下滑轨组的滑轨中，即将上滑轨组合和滑块整体固定于下滑轨组上，使搅拌机、底架和上滑轨组的滑块，只能在上滑轨组的滑轨上左右往复振动[7]。

2.2.3 搅拌

将搅拌机中加入待搅拌的混合料，开启搅拌机的开关，开始对水泥集料进行搅拌[8]。

2.2.4 启动偏振振动器

启动偏振振动器或偏振电机，偏振电机带动偏振振动器或偏振振动器的偏振振动组件高度偏振转动，间接带动搅拌机和底架在上滑轨组的滑轨上左右往复振动。需要说明的是，偏振振动器可根据实际情况进行合适的选择开启，需要强力振动时，可将偏振振动器和偏振振动器的偏振电机同时开启。偏振电机开启的时间按照施工经验常规设置即可[9]。

2.2.5 对上滑轨组的滑块进行限位锁定

关闭偏振振动器或偏振振动器的偏振电机，将下滑轨组的限位销拔出，插入上滑轨组的限位孔中，将搅拌机和底架限位固定于上滑轨组的滑轨中。将搅拌机、底架和上滑轨组整体固定于下滑轨组上，使搅拌机、底架和上滑轨组，只能在下滑轨组的滑轨上前后往复振动。

2.2.6 重新启动偏振振动器

打开偏振振动器或偏振电机，使偏振电机带动偏振振动器或偏振振动器高度偏振转动，间接带动搅拌机和底架、上滑轨组在下滑轨组的滑轨上前后往复振动。需要说明的是，偏振振动器和偏振振动器可根据实际情况进行合适的选择开启，需要强力振动时，可将偏振振动器和偏振振动器的偏振电机同时开启。偏振电机开启的时间，按照施工经验常规设置即可。

2.2.7 关闭偏振振动器

关闭偏振振动器或偏振电机，关闭搅拌机的搅拌电机，将搅拌好的混合料从搅拌机的底部卸料即可。其中上述步骤，步骤2.2.4和步骤2.2.6可以互换顺序，步骤2.2.5做相对应调整。

2.3 实施效果

偏振振动器或偏振振动器的偏振电机同步以相反的方向旋转，工作过程中振幅及频率不受负载影响，振动性能稳定，设备可靠性高，经济成本低。振动频率可达12 000～15 000次/min，振动效率高。

对C50标号的混凝土进行试验，控制混合料配合比不变，改变搅拌时间。将本发明的强制振动式搅拌机与普通双卧轴搅拌机相比，结果发现：当搅拌时间减少25%时，混凝土抗压强度提高约12%；当搅拌时间相同时，混凝土强度提高约29%。

同样对C50标号的混凝土进行试验，控制混合料配合比不变，改变搅拌时间。将本发明的强制振动式搅拌机与现有双卧轴振动搅拌机相比，结果发现：当搅拌时间减少25%时，混凝土抗壓强度提高约5%；当搅拌时间相同时，混凝土强度提高约13%。

3 结束语

本文设计的强制振动式搅拌机，可以在集料的搅拌过程中同时实现搅拌机构机械搅拌和振动机构的强制振动，振动机构的振动搅拌为前后左右4个方向的振动搅拌，在机械强制搅拌的宏观对流运动基础上，实现振动机构的振动搅拌的微观扩散。

本强制振动式搅拌机在搅拌过程同时振动，强迫团聚粘结在一起的水泥颗粒分散开来，可以增加物料颗粒的有效碰撞次数，使水泥颗粒均匀附着在集料颗粒表面，增大水泥颗粒与集料表面的接触面积。同时还可以让水泥在集料表面形成水化膜，提高水泥的水化作用，增强水泥与物料的粘结强度，从而改善混凝土中最为薄弱的环节，改善混凝土微细观结构，提高搅拌后混凝土的流动性，使得混凝土浇筑后更容易夯实。这不仅有利于增加混凝土密实度，提高混凝土力学强度，还有利于延长混凝土建筑的耐久性。

参考文献

[1]杨和平，段文玉，吕明.采用振动搅拌混凝土的桥梁荷载试验研究[J].城市建筑，2020，17（6）：160-162+180.

[2]黄天勇，陈旭峰，李胜，等.振动搅拌对混凝土性能的影响及其应用前景分析[J].混凝土，2020（1）：123-126.

[3]郝彤，王帅，冷发光，等.振动搅拌对再生混凝土力学性能强化的试验研究[J].新型建筑材料，2020，47（7）：29-34.

[4]宋淑琴，刘芝敏，张爱勤，等.振动搅拌对水泥混凝土性能影响的试验研究[J].山东交通科技，2020（3）：16-19.

[5]李海潮，王福，肖周.基于振动搅拌的水泥稳定碎石基层性能试验[J].筑路机械与施工机械化，2019，36（5）：57-60.

[6]索颖浩.振动搅拌技术在高速公路水稳混合料中的应用[J].中国公路，2019（4）：118-120.

[7] 秦仁杰，张认，邓洛斌，等.高频振动搅拌配制C50机制砂混凝土性能[J].兰州理工大学学报，2021，47（01）：144-149.

[8] 倪凯，吴旭辉.基于振动搅拌的混凝土性能试验研究[J].公路交通技术，2022，38（01）：31-36.

[9] 马保亮.振动搅拌过程中混凝土结构演变的试验分析[J].广东建材，2021，37（10）：11-13.

[10] 马建峰，高育欣，高达等.振动搅拌时间对大流态混凝土性能影响[J].混凝土世界，2021（08）：74-78.