1 引言
攪拌是混凝土生產(chǎn)中關(guān)鍵的一道工序，直接影響著混凝土生產(chǎn)的質(zhì)量和水平。攪拌是使混凝土混合料趨于勻質(zhì)化的過程。普通混凝土攪拌機雖充分利用對流、剪切和擴散機理使混凝土混合料達到宏觀勻質(zhì)，但還不能使細小水泥顆粒和水均勻分布，仍有15%～30%的水泥呈團粒狀態(tài)，嚴重影響著混凝土的性能。
因此在生產(chǎn)中，為提高混凝土的攪拌質(zhì)量，控制其復雜的結(jié)構(gòu)形成過程，常采用各種強化方法。機械強化就是其中的一種。它主要是在攪拌過程中利用機械的方法來促進水泥粒子彌散，提高水泥水化反應程度，從而改善混凝土的性能。相對于其它類型的強化，機械強化是一種比較經(jīng)濟的方法，也是各國學者多年來努力的方向。目前常用的方法主要有:改進攪拌工藝，完善和優(yōu)化攪拌機構(gòu)以及振動攪拌等。
2 改進攪拌工藝
與傳統(tǒng)的“一次”法攪拌工藝不同的是，“二次”法攪拌工藝是先將水泥、砂和水充分攪拌成均勻的水泥砂漿后，再加入石子攪拌成合格的混凝土(稱為預拌水泥砂漿法);或者先將水泥和水充分攪拌成均勻的水泥凈漿后，再加入砂和石子攪拌成混凝土(稱為預拌水泥凈漿法)。國內(nèi)外很多學者都對該方法進行過深入研究。研究表明:采用傳統(tǒng)的“一次”法攪拌工藝，砂，石子，水泥和水同時進入攪拌機，水泥遇水后很快成為小水泥團，并且很容易附在石子上，水灰比越小，這種結(jié)團的現(xiàn)象就越嚴重。于是在攪拌時，由于摩擦作用，處在石子運動方向背面的水泥團被有效保護起來，粒徑遠大于水泥團的石子成為它們的屏障，使得這些水泥團無法被有效的破壞。所以這些水泥團僅僅是作為填料填充了骨料的間隙，大大減弱了水泥的水化反應程度，從而降低了混凝土的性能。
“二次”法攪拌工藝則可以保證水泥顆粒與水更充分的接觸使水化更為有效，大大減少甚至避免這種小水泥團的產(chǎn)生，使水泥與砂石充分拌和，充分發(fā)揮水泥粘結(jié)、包裹砂石的作用，從而提高混凝土的攪拌質(zhì)量。德國和美國的-- 些廠家針對這種工藝設(shè)計出了一種雙層攪拌機(復式攪拌機)，其上層拌筒攪拌水泥砂漿，攪拌均勻后，再送入下層拌筒與石子一起攪拌成混凝土。還有一些廠家根據(jù)相同的理論，研制出恒功率攪拌機和雙速攪拌機，使兩次攪拌工藝在同一個拌筒中完成，達到異曲同工的效果。國內(nèi)外的試驗均證明，采用“二次”法攪拌施工工藝生產(chǎn)混凝土，可使混凝土強度提高約15%;在強度相同情況下，可節(jié)約水泥約15%～20%。此外，“二次”法攪拌工藝還可用于低水泥含量、低強度集料的混凝土生產(chǎn)，也可用于生產(chǎn)輕型混凝土。
3 完善和優(yōu)化攪拌機構(gòu)
據(jù)了解，國內(nèi)的一些學者曾對攪拌機構(gòu)優(yōu)化作過一些研究，主要是以攪拌功率最小為目標，采用常規(guī)的機械工程優(yōu)化方法進行優(yōu)化。然而，攪拌過程是復雜的動態(tài)過程，物料狀態(tài)和結(jié)構(gòu)都發(fā)生了變化既有物理的，也有化學的，因此攪拌機構(gòu)優(yōu)化并不適宜采用常規(guī)的機械工程優(yōu)化方法。我們研究發(fā)現(xiàn):在對攪拌過程分析和模型化的基礎(chǔ)上，通過實驗研究來完成優(yōu)化是可行的，也是有效的。攪拌設(shè)備的首要性能指標是攪拌質(zhì)量，因此優(yōu)化目標必須首先保證攪拌質(zhì)量最優(yōu)。除了己被淘汰的鼓式攪拌機，目前所有合格的攪拌機都能保證機內(nèi)的物料運動在三維空間進行。對于具有圓柱形殼體的攪拌機，可以采用圓柱坐標將物料運動分解為三部分:軸向運動U、周向運動(θ)和徑向運動(r)，如圖1所示。整個攪拌過程就是空間三維坐標方向不同形式運動的有機組合。所以，只有在保證拌筒不同坐標方向的物料，達到要求均勻度的攪拌時間相近時，整機的攪拌時間才能夠最短，這時的攪拌過程才是最理想的。因此保證攪拌質(zhì)量最優(yōu)，就是在給定的攪拌時間內(nèi)，保證拌筒三維坐標方向都能同時達到較好的均勻性。以此為基礎(chǔ)，筆者對雙臥軸攪拌機參數(shù)進行了優(yōu)化，以攪拌質(zhì)量最優(yōu)為目標，通過對雙臥軸攪拌機的攪拌過程和混凝土流變特性的分析，利用正交試驗，對攪拌臂排列形式和相位角，葉片安裝角，拌筒長寬比四個參數(shù)優(yōu)化。試驗證明，用優(yōu)化后的樣機攪拌混凝土，強度可提高5%左右;如果保持混凝土強度不變，則大約節(jié)約水泥3%～5%。與此有關(guān)的理論分析與實驗研究，將分篇另述。
4 振動攪拌
振動攪拌是最重要的，也是最有效的一種機械強化方法。眾所周知，混凝土在振動時，它內(nèi)部的各個顆粒在脈沖的影響下，將圍繞某種不穩(wěn)定平衡的中間位置作連續(xù)不斷的振動，并且使相鄰粒子振動發(fā)生位移，物料顆粒間的相對運動頻率增加，從而使顆粒之間的摩擦力和粘著力急劇減小。振動攪拌就是利用混凝土這一特性，在攪拌的同時加以振動，使水泥顆粒處于顫動狀態(tài)，從而破壞水泥凝聚團，使水泥顆粒均勻分布，以達到混凝土在宏觀和微觀上的勻質(zhì)。同時，振動攪拌使水泥顆粒的運動速度增加，并能增加物料顆粒間相互碰撞的次數(shù)和加快水泥水化作用。此外，還可凈化集料表面，增加水泥和集料間的粘結(jié)力。
前蘇聯(lián)是研究和應用振動攪拌技術(shù)最早的國家。在20世紀30年代，前蘇聯(lián)首先使用在普通攪拌機殼體上附加激振器的方法來拌和水泥砂漿和預拌水泥漿體;在30年代末用配有振動攪拌葉片的自落式攪拌機來生產(chǎn)水泥混凝土;到70年代末成功研制出了振動螺旋式攪拌器。20 世紀40～50 年代開始，美國、德國和日本等國也相繼進行了振動攪拌機的研究。筆者所在的課題組從20 世紀90 年代開始振動攪拌技術(shù)的研究，目前已獲得大量研究成果。我們發(fā)現(xiàn)振動攪拌的關(guān)鍵是選擇合理的振動方案和振動參數(shù)。圖2是我們根據(jù)最新方案設(shè)計出的雙臥軸強制式振動攪拌機。它主要由攪拌驅(qū)動機構(gòu)、振動驅(qū)動機構(gòu)、攪拌葉片、激振器、攪拌筒等組成。它最大的特點是攪拌軸和攪拌葉片也是激振器的一部分，攪拌葉片是邊攪拌邊振動，因而振動的有效作用范圍更大，可遍及整個拌筒空間，攪拌效果更好。其工作原理是:攪拌機構(gòu)動力由攪拌電機輸出，經(jīng)減速器減速后傳遞給一對同步齒輪，使兩根攪拌軸作反向同步轉(zhuǎn)動;同時，振動機構(gòu)動力由振動電機輸出，經(jīng)帶傳動后，驅(qū)動攪拌軸內(nèi)偏心安裝的振動軸高速旋轉(zhuǎn)，使攪拌軸和安裝在其上的攪拌葉片產(chǎn)生振動。攪拌葉片的排列形式與傳統(tǒng)雙臥軸攪拌機一樣，具有渦旋攪拌特征。于是混合料在攪拌軸和攪拌葉片的振動下以及攪拌葉片的強制攪拌下，很快就能實現(xiàn)均勻拌和。需要指出的是，攪拌軸內(nèi)偏心安裝的振動軸經(jīng)過動平衡設(shè)計(這一點很重要)，所以在振動攪拌過程中，只有攪拌軸和攪拌葉片產(chǎn)生振動，而包括攪拌筒在內(nèi)的其它部件都不會振動，這樣就消除了振動的不良影響，保證了攪拌機良好的工作可靠性，同時還節(jié)省了減振機構(gòu)。試驗樣機公稱容量為100L，攪拌葉片線速度為1.6m/s，生產(chǎn)率為8m3/h，每小時可循環(huán)攪拌80次，單位生產(chǎn)量能耗為0.765kW·h/m3。試驗證明，該試驗樣機的振動攪拌與常規(guī)攪拌相比，在相同的混凝土配合比下，當攪拌時間不變時，混凝土試件強度提高約26%;當攪拌時間減小1/2時，混凝土試件強度提高約16%。
5 結(jié)語
1. 機械強化能夠提高攪拌質(zhì)量，改善混凝土性能。常用的主要有改進攪拌工藝，完善和優(yōu)化攪拌機構(gòu)以及振動攪拌三種方法。
2. 攪拌機構(gòu)優(yōu)化應以攪拌質(zhì)量最優(yōu)為目標，在理論分析和攪拌過程模型化的基礎(chǔ)上，建議通過試驗研究來完成優(yōu)化。
3. 振動攪拌能夠顯著提高混凝土的宏觀和微觀均勻度，是一種最為有效的機械強化方法。振動攪拌應選擇合理的運動參數(shù)和與這些參數(shù)相應的工作機構(gòu)，從而保證既能按需要的振動參數(shù)來工作，又能保證工作機構(gòu)的可靠性和耐久性。
