搅拌设备设计讲座（第十四讲）：混凝土振动搅拌技术.pdf

搅拌设备设计讲座( 第十四讲) 混 凝 土 振 动搅 拌 技 术冰 长安大学 冯忠绪江建卫 于丽娟杜 占领王卫中 摘要： 给出振动搅拌的概念及其作用， 介绍近年来连续式振动搅拌机、 旋转振动搅拌机、 立轴周期式振动搅拌机 及双卧 轴振动搅拌机的 研究 情况。 研究证明， 采用振动搅拌与强制 搅拌相 结合的 方案， 结 构紧 凑， 可明显 提高 搅拌质量： 和 搅 拌 效 率 。 ： 关键词： 混凝土振动搅拌强制搅拌 混凝土振动搅拌技术的研究已有七十多个年头 了， 其显著特点是可强化搅拌过程， 明显地提高搅拌 质量和效率。但由于多种原因， 这项技术迄今未能 在工业生产中得到应用。本文将对这项技术的研究 状况 ， 主要是笔者及其课题组的研究工作予以介绍。 1 振动搅拌的作用 振动搅拌就是在搅拌的同时加以振动作用 ， 使 水泥颗粒处于颤动状态， 从而破坏水泥凝聚团， 使水 泥颗粒均匀分布。同时振动搅拌使混合料颗粒的运 动速度增大， 增加了有效碰撞次数， 加速集料颗粒表 面水化生成物向液相扩散的速度， 使水泥水化加速。 此外 ， 还可净化集料表面， 增加水泥和集料间的粘结 力。因此， 振动搅拌能有效地提高混凝土质量和搅 拌效率， 使新拌混凝土的流动性也有所改善。 2 国内外的研究状况 1 9 3 0 年， 前苏联首先在普通搅拌机壳上使用了 附加激振器的方法来拌和水泥砂浆和预拌水泥浆 体； 1 9 3 7 年用配有振动搅拌叶片的自 落式搅拌机来 生产水泥混凝土。2 O 世纪 4 O 年代开始， 美国、 德国 和 日 本等国也相继进行了振动搅拌技术的研究l1、2 】。 笔者及其课题组是从 1 9 9 2 年开始该项技术研 究的， 主要完成了连续式振动搅拌、 旋转振动搅拌、 立轴周期式振动搅拌、 双卧轴振动搅拌等研究。 2 1 连续式振动搅拌机 图 1 为连续式振动搅拌机的原理图。它主要由 产生圆周振动的激振器 1 、 搅拌叶片 2 、 隔振弹簧 3 、 基金项目： 国家自然科学基金项 目( 5 0 6 7 8 0 2 6 ) 1 产生圆周振动的激振器2 搅拌叶片3 隔振弹簧 4 产生直线运动的激振器 图 1 连续式振动搅拌机试验原理 产生直线运动的激振器 4 等组成。电机驱动皮带传 动， 将动力传给一对参数相同的外啮合齿轮带动两 平行轴上的偏心块同步反向旋转， 产生定向激振力。 在激振力作用下， 搅拌槽作定向直线振动， 从而使搅 拌槽内的混合料沿其底面向前运动。混合料在连续 向前运动过程中， 除频繁地相互碰撞、 交叉混合外 ， 还不断经搅拌叶片分割、撒落和不断地改变着运动 速度和方向， 并依靠叶片实现自落拌和。 搅拌叶片作 为活化源，按要求应工作在共振状态。经过一定距 离， 混合料逐步地拌和均匀。 试验证明翻 ， 该装置能够拌出符合国家标准的稳 定土和水泥混凝土， 拌和稳定土的生产率较高， 单位 产量的能耗为 0 0 2 9 k g - h t ，而目前国外稳定土厂 拌设备的这一指标值为 O 1 k g - h t ， 节能明显； 但拌 和水泥混凝土时， 由于混凝土组份间的黏滞力大， 仅 63 啼 维普资讯 http:/ 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 仅靠激振力作用， 流动速度太慢， 形不成强烈的对流 运动， 生产率太低， 这样就失去了工程应用价值。 2 2 旋转振动搅拌机 图 2 所示旋转振动搅拌机的工作原理是 ： 激振 器 3 上下两端的偏心块被调整成一夹角， 两偏心块 产生的离心力和的合力将使物料绕振动搅拌槽 2 的 轴线旋转 ，而对物料的力矩将使其产生翻滚运动。 因此， 在合力和合力矩的共同作用下， 物料作循环的 螺旋运动， 在运动中又经搅拌叶片不断地分割和撒 落。叶片的固有频率可设计成和激振频率相同， 因 此叶片处在共振状态 ， 强化了物料的运动。混合料 在这样循环的螺旋运动中得到均匀拌和。 1 搅拌 叶片2 搅拌槽3 激振 器4 隔振弹簧 图 2 旋振式振动搅拌机试验原理 显然， 这种搅拌原理和连续式振动搅拌机相近， 只是结构形式不同。试验结果证明网 ， 它对稳定土搅 拌效果好， 但水泥混凝土在振动作用下的沉积现象 比连续式振动搅拌机严重。 2 3 立轴周期式振动搅拌机 以上的试验研究证明， 振动搅拌不同于振动密 实， 采用国内外惯用的将激振器外置的结构， 由于混 凝土对传递的振动能量衰减大， 往往得不到希望的 结果； 另外， 由于混凝土组份间黏滞力大 ， 要求当激 振器外置时的振动强度很大， 普通振动机械为 4 7 g ， 振动搅拌机需大于 1 5 g ， 造成机器的可靠性和寿 命低。因此， 比较合理的振动搅拌方案是将强制搅 拌与振动搅拌结合使用。 图 3 所示为立轴周期式搅拌机的工作原理图。 它由搅拌叶片驱动机构 1 、 激振器驱动机构 2 、 进料 口3 、 搅拌筒 4 、 搅拌叶片 5 、 深度激振器 6和卸料机 构 7 等组成。机构 1 驱动搅拌叶片 3 旋转时， 将物 料推向位于搅拌室中心的激振器壳体 ， 它的最大振 - 6 4- 6 5 1 搅拌叶片驱动机构2 激振器驱动机构3 进料 口 4 搅拌筒5 搅拌叶片6 深度激振器7 卸料机构 图 3 周期式振动搅拌机结构简图 动强度在 2 0 g 左右， 壳体四周混合料的黏性受振动 作用而下跌， 为高效节能地拌匀混合料创造了条件。 在振动作用下，不断推向激振器壳体的物料形成了 循环。 强制搅拌与振动活化相结合 ， 使物料的对流运 动和扩散运动都在极为有利的条件下完成，保证了 搅拌质量， 同时大大提高了搅拌过程的发展速度， 提 高了搅拌效率。 在混凝土配合比、 搅拌时间、 试验方法等相同， 搅拌条件不同的条件下，通过测定混凝土拌和物的 砂浆密度的相对误差 M、粗骨料质量的相对误差 A G rO 、 混凝土抗压强度平均值 厂 、 强度的标准差 或 离差系数 c 问 来比较振动搅拌与普通立轴强制搅拌 的差异。不同的搅拌条件如下： ( 1 )振动搅拌、 干拌 8 s ， 湿拌 3 0 s ； ( 2 )减少水泥用量 2 0 时振动搅拌，干拌 8 s ， 湿拌 3 0 s ； ( 3 )关闭振动机构仅强制搅拌 ， 干拌 8 s ， 湿拌 1 rai n； ( 4 )同类型的普通搅拌机( J w5 0 型) 强制搅拌， 干拌 8 s ， 湿拌 1 m i n 。 试验结果见表 1 及图 。 图中 曲线高峰为混凝土平均强度 的概率分布密度， 对 应的横坐标为混凝土强度平均值_ o概率分布曲线 窄而高， 说明强度值比较集中， 波动较小， 混凝土均 匀性较好； 曲线宽而矮 ， 说明强度值离散程度较大， 混凝土匀质性较差。与普通强制搅拌的对比试验证 明网 ， 采用本方案， 当混凝土级配和水泥用量不变时， 混凝土抗压强度提高 2 0 3 5 ，离差系数大大减 小； 当混凝土强度不变时， 大约可节约水泥 2 0 ； 另 外， 搅拌时间可缩短近一半， 生产效率明显提高。 维普资讯 http:/ 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 表 1 振动搅拌与强制搅拌的试验比较 搅拌时间 混凝土拌和物匀质性 2 8 d 硬化混凝土试块抗压强度 搅拌条件 S A G f MP a MP a C 1 振动搅拌 3 8 0 3 5 1 5 8 1 7 9 6 0 6 4 0 0 3 6 2 减少水泥用量 2 0 时振动搅拌 3 8 0 3 4 1 5 2 1 4 6 4 0 6 0 0 O 4 1 3 关闭振动电机时强制搅拌 6 8 0 4 2 1 7 8 1 2 9 4 3 7 2 0 2 9 0 4 普通搅拌机( j w5 o ) 6 8 0 6 8 1 6 0 1 4 8 0 1 1 5 0 0 7 8 e 艇 器 祷 饔 强度 f M P a 图4 普通搅拌机不同搅拌条件时混凝土强度的概率分布曲线 2 4 双卧轴振动搅拌机 立轴周期式搅拌机的试验研究证明， 振动搅拌 与强制搅拌相结合的方案是合理的， 但其振动强度 要求为 1 5 2 5 g ， 激振器支承轴承寿命降低， 使机器 的可靠性和耐久性降低。因此 ， 进一步提出了在 目 前普遍使用的双卧轴搅拌机中， 利用搅拌轴、 搅拌臂 及其上安装的搅拌叶片作为振动活化源的方案。强 制搅拌机构和振动机构为同一机构， 搅拌轴边旋转 搅拌边振动， 有效振动面积大， 振动能量需要传播的 距离近，约 4 g 的振动强度就可以使拌筒内的物料 受到足够的振动作用 ， 因此对激振器支承轴承的性 能要求低， 机器寿命易保证。 图5为其工作原理示意图。它主要由搅拌驱动 机构 1 、 同步齿轮 2 、 搅拌筒 3 、 搅拌叶片 4 、 激振器 5 、 振动驱动机构 6 、 带传动装置 7 等组成。 搅拌驱动 机构通过同步齿轮， 驱动两根搅拌轴和其上安装的 搅拌叶片同步旋转 ， 不断地推动物料在搅拌筒内作 轴向和轴间的循环运动； 同时， 振动驱动机构经过带 传动， 驱动两根振动轴高速旋转， 强迫安装在其上的 偏心搅拌轴和搅拌叶片产生振动， 于是在搅拌机构 的强制搅拌和振动的共同作用下， 实现了物料在整 个拌筒空间的均匀搅拌。 在混凝土组成材料及配合比和试验方法相同而 1 搅拌驱动机构2 同步齿轮3 搅拌筒4 搅拌 叶片5 激振器6 振动驱动机构7 带传动装置 图5 双卧轴振动搅拌机结构示意图 搅拌条件不同的情况下进行对比试验网 ， 通过测定混 凝土的匀质性指标和强度指标的方法来比较与普通 双卧轴搅拌机的差异。 不同的搅拌条件如下： ( 1 )振动搅拌， 干拌 8 s ， 湿拌 3 0 s ； ( 2 )关闭振动仅强制搅拌， 干拌 8 S ， 湿拌 6 0 s ； ( 3 )关闭振动仅强制搅拌， 干拌 8 S ， 湿拌 3 0 S 。 对比试验结果见表 2 及图6嘲 。从试验数据可 知， 当配合比不变而搅拌时间减小一半时， 混凝土抗 S 趟 襁 梧 糌 窭 强度 f M P a 图 6 振动搅拌机不同搅拌条件时混凝土强度的概率分布曲线 一 65 维普资讯 http:/ 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 表2 两种搅拌法的对比试验结果 搅拌机 混凝土拌和物匀质性 2 8 d 硬化混凝土试块抗压强度 L 搅拌条件 型式 埘 G f M P a ， M P a C ( 1 ) 振动搅拌 0 2 1 1 2 3 2 1 7 6 3 0 4 5 6 0 0 2 1 ( 2 ) 普通强制搅拌 O 3 0 l I 3 O 1 8 7 4 l 0 6 8 0 0 0 3 6 ( 3 ) 普通强制搅拌 O 4 3 2 - 3 2 1 7 2 1 5 3 2 4 9 0 1 8 9 压强度提高约 1 6 ； 当配合比不变而搅拌时间相同 2 冯忠 绪 振动 搅拌理论及其装置的 研究D 西安：西 时， 混凝土强度提高约 2 6 。 安公路交i 臣 大学， 1 9 9 8 生 士 亩 江 3 1 于明娟 连续式振动搅拌机的试验研究【 D 西安： 西 3 ； 日术 厢 安公路交通大学 ，1 9 9 7 由于混凝土的结构流变特性，振动搅拌是强化 4 冯忠绪 混凝土搅拌理论与 设备M 北京：人民 交 搅拌过程的有效途径。但是， 由于搅拌室容积有限， 通出版社， 2 0 0 1 室内安装着搅拌装置，国内外大多数研究者采取传 5 1江建卫 周期式振动搅拌机的 试验 研究【D 西安西 统的普通振动机械的激振方式，将激振器安装在搅 安公路交通大学， 1 9 9 8 拌室外， 事实证明效果并不好。 本文提出的将振动搅 6 杜占 领 双卧轴 振动 搅拌机的 试验研究D 西安长 黧 拌 和 强 制 搅 拌 相 结 合 的 方 案 ，结 构 紧 凑 ，效 果 好 ，为 安大学 ，2004 1 进 步 的 工 业 应 用 奠 定 了 基 础 。 (待 续 ) 7 C-BT9142-2000昆凝土搅拌机S北京 ：中国标 准 1 出版社 2。00 1 B - A K y 3 b M 巩e B ， M e T O A 姗 I , I M O 咖 r r p 。 咖H 通信地圭 止_ 陕西省西安市南二环中段 长安 道路施工赉 I I p O e K T I -I p o B a t t Y l B H 6 p a u M O r l H , I X C M e C H T e J I b H b l X 术与装备” 教育部重点实验室( 7 1 0 0 6 4 ) M a mm a J ， I e H r mr p a ， ,O K T O p C K a H A H c c e p T a l r m， ( 收稿 E I ： 2 0 0 7 - 0 9 - 2 1 4 1 9 8 8 ， 1 7 ( 4 ) 7 1 7 6 。 。 l _ 墨 墨 曩 一 疆 一 _ 一 露 l _ 黧 一 l l 疆鳆 l 豳 鋈 圈 圈 豳 鳗目 一 曩 l 黼 霞 麓 黼 阔 聪 麟 l 霾 糊 霞 黪 蟹 露 糊 圈 嘲u 鹱 i l i i l g 龋謦 l 疆 鞠 i l 麟酒 醚 日 嘲 i 麟 _ 圈鳃 ， 圈 躜 强 豳 礴 i豳 豳 豳 躁 目 墨 鏊 豳 霾 霞 豳 霞 豳 圈 _ 豳 一 6 6 维普资讯 http:/ 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m