立式混凝土搅拌机搅拌参数设计分析

2023-10-18魏海兵董兴亮张传平王斌

工程机械与维修 2023年5期

魏海兵　董兴亮　张传平　王斌

摘要：以立式搅拌机为研究对象，阐述搅拌机的搅拌过程，分析了搅拌铲板安装角、搅拌速度、搅拌机充盈率等关键参数对搅拌质量的影响。优化设计了2组最佳搅拌参数组合，试验对比了2组搅拌参数条件下的试件性能。研究结果表明：该设备在搅拌速度为18r/min、充盈率为0.45、铲板安装角为40°时达到比较好的生产效果，相关成果可为立式搅拌机研制提供参考。

关键词：立式搅拌机；结构参数；优化组合；性能测试

0 引言

混凝土作为土木工程应用最广泛和最主要的材料，其需求量在逐年上升[1]。经过70余年的发展，中国已成为世界上最大的混凝土生产和消费国[2]。当前我国的经济正在由高速增长转向高质量发展，对混凝土需求总量增长的同时，也对混凝土的性能提出了更高的要求。

混凝土的性能除了和其原材料组成及制备工艺相关[3]，还和搅拌设备有关，搅拌设备的结构和搅拌关键参数，直接影响混凝土的性能和生产效率[4]。本文以立式搅拌机为研究对象，阐述搅拌机的搅拌过程，分析了搅拌铲板安装角、搅拌速度、搅拌机充盈率等关键参数对混凝土性能的影响。优化设计了2组最佳搅拌参数组合，试验对比了2组搅拌参数条件下的试件性能。

1 基于流变分析搅拌过程

混凝土的搅拌过程十分复杂，涉及物理变化和化学变化，因此很难建立一个准确的数学模型来表征搅拌过程。有研究认为，新拌混凝土可以看作是宾汉流体，因此基于流变分析的搅拌过程可用宾汉方程表示[5]：

混凝土在搅拌过程中，其屈服应力和塑性黏度从零开始不断增大，并随着骨料颗粒之间的碰撞和摩擦作用，混凝土各骨料之间的混合达到微观层面的均匀，并达到理论上最佳性能状态。但此后如果继续搅拌，则可能会破坏已经达到的微观均匀状态，造成骨料离析等不良影响，从而导致混凝土性能的下降[6]，因此如何获取最佳搅拌参数是值得研究的。

2 搅拌参数计算分析

2.1 搅拌铲板安装角计算分析

搅拌铲板是搅拌的关键部件，混凝土骨料在搅拌缸内的运动，主要就是靠搅拌铲板的推移和剪切作用。对于立式强制搅拌机来说，搅拌铲板安装角度在空间上主要有两个方向。其中，搅拌铲板与搅拌臂所在平面的夹角取45°，能获得較好搅拌质量[7]，为此需对搅拌铲板与搅拌缸底面的安装角α进行分析。铲板与搅拌臂平面的夹角如图1所示。骨料在搅拌铲板上的密实核心如图2所示。

图2中，安装角α在两个极限位置0°～90°之间存在一个合理值，在该角度下，混凝土骨料在水平和竖直方向均能得到较好的搅拌。相关研究表明，搅拌过程中搅拌铲板AC前方会形成一个由混凝土骨料组成的密实核心ABC。搅拌时，密实核心前方的骨料，会沿着密实核心侧边轮廓AB和BC运动。将AB与BC的夹角定义为骨料的堆放安息角，通常取值为110～125°[8]。

2.2 搅拌速度计算分析

搅拌速度是搅拌设备一个十分关键的参数，其决定设备的搅拌质量和搅拌效率。当搅拌时间一定时，要使骨料的混合均匀度最好，从搅拌机理上来说，应当是骨料在搅拌缸内的循环流动次数越多越好，骨料之间的相对运动越充分越好，这就要求搅拌速度尽可能的大。但搅拌速度过大，会造成混凝土的离析。

混凝土的离析现象是指在离心力的作用下，由于不同骨料的密度和质量不同，相同骨料会聚集在一起。混凝土离析严重影响骨料混合的均匀性，导致混凝土质量达不到要求。当搅拌速度达到使得混凝土发生离析现象的临界值时，再继续增大搅拌速度非但不会提高搅拌质量，还会造成搅拌机能耗的增加。因此，合理的搅拌速度，可以认为是使搅拌过程中骨料不发生离析的临界值。

混凝土骨料在搅拌过程中的受力情况十分复杂，包括骨料与搅拌设备的摩擦力、搅拌铲板对其的作用力以及骨料之间的凝聚力和粘滞阻力等。对于立式搅拌机来说，骨料在搅拌过程中横向、竖向受力情况如图3和4所示。其中，离心力可以分解为与摩擦力反向的和垂直于摩擦力方向的。

分析过程中对骨料的受力情况进行了简化，没有考虑骨料之间粘结力的影响，而实际搅拌过程中，骨料之间的粘结力会阻碍骨料的离心运动，因此实际的搅拌速度应当低于上述计算值。

2.3 搅拌机充盈率计算分析

对于混凝土搅拌设备来说，充盈率是指一次搅拌完成后混凝土的有效出料体积与搅拌缸的几何体积之比。充盈率的大小同样也是需要综合考虑搅拌质量和搅拌效率。

当充盈率设定的过小时，一次搅拌完成所得到的混凝土体积也相对较少，难以满足工程的需要。当充盈率过大时，骨料达到混合均匀的时间就会过长。同时，过大的充盈率还会影响骨料之间的相对运动情况。因此理想的充盈率是在保证搅拌质量和搅拌效率的同时，充盈率越大越好。

3 试验验证

3.1 搅拌参数优化设计

为了验证参数设计的合理性，本研究首先通过离散元分析软件EDEM[9-10]对搅拌参数进行了优化设计，确定了铲板安装角。推荐2组最佳搅拌速度及充盈率组合如表1所示。设计制造的立式搅拌机样机如图5所示。试制设计强度为C30的混凝土，采用标准养护条件测试试件的混凝土力学性能，并对其进行对比分析。

3.2 坍落度性能对比

坍落度用以表征新拌混凝土的流动性，坍落度越大，说明混凝土的流动性越好。对比2种搅拌参数条件下对坍落度的影响，试验结果如图6所示。

国家标准中并没有给出坍落度的标准值，试验测量结果只要在设计值之上即可。图6的结果表明，2种搅拌参数下混凝土的坍落度基本接近，且均能满足设计要求，但组合一的坍落度值比组合二提高了2.25%，说明试制的混凝土流动性更好，有利于提高浇筑质量。

3.3 混凝土含气量对比

含气量的多少决定着混凝土的耐久性能，工程中常通过添加引气剂增加混凝土内部的微小气泡，从而提高混凝土耐久性，其表示方法用体积百分数显示。试验中使用含气量测定仪测试，结果如图7所示。

图7中，组合一中混凝土的含气量为2.72%，组合二为2.65%，组合一相比组合二混凝土含气量提高了2.64%，这说明组合一条件下搅拌，更容易使混凝土中气泡破裂均匀并分散至混凝土中，有效改善了混凝土的工作性。

3.4 力学性能分析

力学性能是指得是混凝土硬化后的性能，它是衡量混凝土性能的主要指标之一。国家标准《活性粉末混凝土》（GB/T 31387-2015）中，明确给出的各强度等级下混凝土抗压强度、抗折强度和弹性模量的标准值。结合工程设计的力学性能要求值，依据《普通混凝土力学性能试验方法标准》（GB/T 50081-2016）对混凝土试样进行力学性能测试。

3.4.1 抗压强度

根据规范，2种搅拌参数下各进行3组试验，每组各制作1块试件，试件为边长100mm的立方体标准试件，将其标准养护至28d后进行试验，试验结果如表2所示：

从表2结果可以看出，所有试件的抗压强度都大于30MPa，满足设计要求值。组合一参数下试件抗压强度值相比于组合二提高了0.3MPa，从抗压强度来看，组合一搅拌参数要优于组合二搅拌参数。

3.4.2 抗折强度

依据标准试验要求，同样进行3组试验，每组取同一位置处的混合料分别制作1块试件。抗折强度试验中的标准试件，为边长为100mm×100mm×300mm的棱柱体。将试件标准养护到28d规定龄期后进行试验，取3组试验测得的抗折强度的算术平均值作为试验值，试验结果如表3所示：

根据表3可知，兩组搅拌参数下，试件的抗折强度都超过4MPa，均达到普通混凝土抗折强度2～5MPa的范围要求。3组试验中，组合一搅拌参数下的抗折强度较组合二均有提高，平均值提高了0.1MPa。

4 结束语

本文以立式搅拌机为研究对象，基于搅拌过程对搅拌机搅拌铲板安装角、搅拌速度、搅拌机充盈率进行计算分析。通过离散元分析软件EDEM，对搅拌参数进行了优化设计，确定2组最佳搅拌参数组合，并设计制造试验样机。通过坍落度试验、含气量试验、抗压强度试验、抗折强度试验等，对比分析了2组搅拌参数条件下的试件性能，得到研究结果如下：

搅拌机的搅拌参数是影响搅拌性能的重要因素，合理的搅拌参数取值和组合可以显著提升搅拌机的搅拌性能。以本文试验样机为例，组合一参数下制备的混凝土试件在流动性、长期性能和耐久性能等与组合二参数相比，力学性能具有明显提升，其中坍落度值提高了2.25%，含气量提高了2.64%，抗压强度提升了0.3MPa，抗折强度提升了0.1MPa。

搅拌机的不同搅拌参数对搅拌性能的影响并不是独立的，各个搅拌参数之间存在交互作用关系。就本文研究的试验样机来说，搅拌速度对搅拌性能的影响最大，其次是充盈率。

搅拌参数的合理取值并不完全具有一般性，针对不同的搅拌机型或同种搅拌机型的不同尺寸，其相关参数的最佳取值都不同，因此对搅拌参数的研究，应当结合具体的搅拌机结构和尺寸来考虑。

参考文献

[1] 赵建，曹正峰，李鑫，等.混凝土搅拌机防抱轴技术研究[J].建筑机械化，2019（8）：7-10.

[2] 张红.四个维度看我国混凝土行业迈向高质量发展[J].混凝土世界，2020（2）：8-11.

[3] 张云升，张文华，陈振宇.综论超高性能混凝土：设计制备·微观结构·力学与耐久性·工程应用[J].材料导报，2017，31（23）：1-16.

[4] 马建，孙守增，芮海田，等.中国筑路机械学术研究综述[J].中国公路学报，2018，31（6）：72-76.

[5] 黄大能，谢尧生.新拌混凝土的流变概念[J].硅酸盐学报，1984（3）：363-370.

[6] 王秋莉.混凝土的搅拌工艺[J].科技风，2015（4）：200.

[7] 赵悟. 搅拌装置参数优化的研究[D].西安：长安大学，2005.75-76

[8] 王国强.离散单元法及其在EDEM上的实践[M].西安：西北工业大学出版社，2013.

[9] 胡国明. 颗粒系统的离散元素法分析仿真：离散元素法的工业应用与EDEM软件简介[M].武汉理工大学出版社，2010.