振動攪拌，攪動行業(yè)
——記德通振動攪拌技術(shù)與設(shè)備發(fā)明人馮忠緒及其科研團隊

文/圖 本刊記者 韓香

振動攪拌，攪動行業(yè)
——記德通振動攪拌技術(shù)與設(shè)備發(fā)明人馮忠緒及其科研團隊

文/圖 本刊記者 韓香

馮忠緒（左一）和張良奇（右一）向中國科學(xué)院院士聞邦椿（左二）、同濟大學(xué)教授石來德（右二）匯報振動攪拌產(chǎn)業(yè)化進展。

長安大學(xué)教授馮忠緒及河南萬里路橋集團研發(fā)團隊發(fā)明的振動攪拌技術(shù)與設(shè)備（簡稱“德通振動攪拌技術(shù)與設(shè)備”），僅在2年間，便迅速推廣至全國20余個省份，產(chǎn)值逾8千萬元。發(fā)展速度之快引起了行業(yè)內(nèi)的高度關(guān)注。在振動攪拌應(yīng)用技術(shù)創(chuàng)新聯(lián)盟路面專家委員會成立大會上，記者采訪到了馮忠緒。

2015年12月26日，由中國科學(xué)院學(xué)部委員聞邦椿任主任委員的鑒定委員會，在認(rèn)真聽取了馮忠緒與其研發(fā)團隊的研究報告，審查了產(chǎn)品檢測報告、國際查新報告等相關(guān)資料，并到生產(chǎn)現(xiàn)場進行了實地考證后，一致同意長安大學(xué)與萬里路橋集團德通振動攪拌技術(shù)有限公司共同完成的混凝土、穩(wěn)定土振動攪拌的兩個產(chǎn)品，通過河南省科技廳組織的科技成果鑒定。鑒定委員會認(rèn)為：產(chǎn)品“屬國際首創(chuàng)，多項技術(shù)填補了國內(nèi)外空白，處于國際領(lǐng)先水平，社會經(jīng)濟效益巨大，推廣前景良好”。消息傳來，馮忠緒及其研發(fā)團隊深受鼓舞。這些成績來之不易，外界也很難想象，這項技術(shù)從無到有，從成熟到實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，歷時近30年之久。

求學(xué)莫斯科 開啟振動攪拌技術(shù)探索之路

1988年至1989年，馮忠緒在前蘇聯(lián)的莫斯科汽車公路學(xué)院學(xué)習(xí)。在學(xué)習(xí)中，馮忠緒了解到，前蘇聯(lián)20世紀(jì)30年代便開始在實驗室開展水泥混凝土振動攪拌原理性試驗的研究。振動攪拌是國際公認(rèn)的、提高混凝土攪拌質(zhì)量和效率的最經(jīng)濟的方法之一。其原因在于，水泥混凝土在振動作用下，內(nèi)部各個顆粒將圍繞某種不穩(wěn)定平衡的中間位置作連續(xù)不斷的顫動，并使相鄰粒子振動發(fā)生位移，物料顆粒間的相對運動頻率增加，混凝土流動的形式及能量分布發(fā)生變化，改善了混凝土的微觀結(jié)構(gòu)；同時，在振動作用下，水泥顆粒處于顫動狀態(tài)，破壞了水泥顆粒團聚，為水泥充分水化提供了可能，有助于水泥漿與骨料間的包裹，改善混凝土的微觀均勻性及其強度等力學(xué)性能，從而提高了混凝土服役的綜合性能。

長期以來，全世界混凝土的制備大多使用靜力攪拌的方法。這種方法最大的問題在于混凝土中固、液、氣三相不能完全分布均勻，不僅浪費了水泥等材料，更降低了混凝土結(jié)構(gòu)的服役性能。僅以生產(chǎn)水泥混凝土?xí)r水泥浪費這一指標(biāo)來說，我國2016年的水泥產(chǎn)量為24億噸，按攪拌不均勻使10%的水泥浪費計算，則浪費水泥2.4億噸。水泥浪費不僅使經(jīng)濟蒙受損失，水泥生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的污染問題則同樣驚人。因此，開展混凝土振動攪拌理論與設(shè)備的研究，具有重大的現(xiàn)實意義。

從20世紀(jì)30年代開始，前蘇聯(lián)、美國、德國、日本等國都進行了混凝土振動攪拌的試驗研究，但缺乏系統(tǒng)性的研究，更沒有與產(chǎn)品研發(fā)相結(jié)合研究的先例。1989年9月，馮忠緒回國，并立即投入到振動攪拌技術(shù)的研究探索之中。

另辟蹊徑 在積淀中尋求理論與實踐的雙突破

回國后的最初幾年，馮忠緒與國內(nèi)外前輩一樣，采用普通振動機械的結(jié)構(gòu)型式來設(shè)計振動攪拌機，將激振器外置，研制了定向激振器外置的連續(xù)式振動攪拌機、激振器外置的旋振式振動攪拌機。1991年11月“混凝土的振動攪拌裝置”獲得了第一項授權(quán)專利。試驗結(jié)果除驗證了混凝土與穩(wěn)定土振動攪拌高效性外，整體效果并不理想。但這一實驗發(fā)現(xiàn)了混凝土受振動容易沉積與離析，利用不好反而會對材料的混合產(chǎn)生負(fù)面作用；激振器外置于殼體上，振動能量傳到殼體內(nèi)的混凝土?xí)r已衰減得較小，而機架振動卻較大，能量利用率低；特別是做產(chǎn)品時，由于機器質(zhì)量要比實驗室的試驗樣機大得多，要使殼體與殼體內(nèi)的混凝土振動起來，需要的振動能量太大，機器振動強度大與可靠性差的矛盾凸顯。

幾經(jīng)挫折，馮忠緒團隊靜下心來思考振動攪拌的理論問題。首先是能否建立數(shù)學(xué)模型，尋求理論突破以及對試驗的指導(dǎo)。攪拌機械的工作是通過工作機械與介質(zhì)的相互作用完成的。工作機構(gòu)與介質(zhì)相互作用的動態(tài)過程的試驗研究，是機器性能研究的首要任務(wù)，也是研究整機性能的基礎(chǔ)。長期以來，用賓漢姆流變曲線來描述新拌混凝土的性質(zhì)已經(jīng)得到學(xué)界的認(rèn)可，然而，這只是新拌混凝土性質(zhì)的一種靜態(tài)描述，不能描述混凝土攪拌的發(fā)展與變化過程。水泥混凝土攪拌時，砂、石、水泥、水和添加劑等多種材料進入攪拌室后，固體、液體和夾裹的氣體等各成分間既存在物理作用，又存在化學(xué)作用，不論從微觀上還是宏觀上，物料的狀態(tài)和結(jié)構(gòu)既發(fā)生了量的變化，又發(fā)生了質(zhì)的變化，形成了新拌混凝土這種新的結(jié)構(gòu)材料。這種變化既可看成是隨機的“生滅”過程，又可認(rèn)為是確定的，有一定規(guī)律的。長期以來，國內(nèi)外學(xué)者試圖將這一過程定量化，但都未取得令人信服的應(yīng)用結(jié)果。

馮忠緒提出，將攪拌工作裝置的物理模型與擴散方程的數(shù)學(xué)模型相結(jié)合，對攪拌機械的工作機構(gòu)與介質(zhì)間的相互作用過程進行綜合模擬與研究，通過縝密推導(dǎo)，得到了攪拌過程混合料均勻性變化的數(shù)學(xué)表達式，揭示了攪拌過程中混合物均勻性與攪拌時間、攪拌參數(shù)與攪拌速度系數(shù)之間變化規(guī)律。進而根據(jù)該數(shù)學(xué)關(guān)系式，提出了新的攪拌概念：比較完善的攪拌過程，物料的位移必須由良好配合的對流運動和擴散運動來完成。這就為采用振動攪拌技術(shù)來強化擴散運動，采用振動與強制攪拌相結(jié)合的振動攪拌方案提供了理論依據(jù)。

以此得到的攪拌機參數(shù)優(yōu)化的目標(biāo)，按國標(biāo)或生產(chǎn)要求，給定攪拌的均勻度指標(biāo)，若在攪拌室內(nèi)不同坐標(biāo)方向達到給定均勻度的攪拌時間是相近的，那么這種攪拌機械的攪拌時間將最短。攪拌過程的數(shù)學(xué)模型的建立，也為解決攪拌過程的功率計算等動力學(xué)問題，以及應(yīng)用相似理論與量綱分析法解決產(chǎn)品的系列化問題提供了依據(jù)。

1998年，馮忠緒團隊采用振動與攪拌相結(jié)合的振動攪拌方案，設(shè)計了在工作過程中空間力系能夠動平衡的單立軸振動攪拌機。激振器內(nèi)置在混凝土中，振動能量直接被混凝土吸收，采用動平衡計算和動平衡實驗相結(jié)合的辦法，較好地解決了振動強度大和機器工作可靠性要求高的矛盾。試驗證明，這種振動攪拌方式有效地改善了混凝土的攪拌性能，保證了混凝土的攪拌質(zhì)量，混凝土拌和物的均勻性符合國家標(biāo)準(zhǔn)要求；與普通強制攪拌相比，當(dāng)水泥用量不變時，混凝土強度提高20%至35%；當(dāng)混凝土強度不變時，可節(jié)約水泥15%至20%；同時攪拌時間約可縮短一半，比普通強制式攪拌機約節(jié)能25%；不僅對普通水泥混凝土，對RCC、SFSC和CA砂漿等多種材料均具有良好的適應(yīng)性。

振動攪拌涉及機械工程、建筑材料、施工工藝與試驗科學(xué)等學(xué)科與領(lǐng)域，研究攪拌機構(gòu)與混凝土的相互作用機理，振動攪拌過程對混凝土結(jié)構(gòu)-流變特性的變化，振動攪拌與強制攪拌相結(jié)合的較佳實現(xiàn)方式，都是以提高混凝土的攪拌質(zhì)量與攪拌效率為出發(fā)點與落腳點。

馮忠緒團隊發(fā)現(xiàn)，振動攪拌強化混凝土攪拌過程的機理主要包括六方面：振動攪拌對混凝土的結(jié)構(gòu)-流變特性的影響；振動攪拌對新拌混凝土中水泥團粒的破壞；振動攪拌對新拌混凝土中粗骨料表面的凈化及其粘結(jié)強度的增強；振動攪拌對新拌混凝土中氣相生成物的影響；振動攪拌對低效區(qū)的改善；振動攪拌對多種材料的適應(yīng)性等。對振動攪拌機理不斷深入的研究，揭示了振動作用下材料的結(jié)構(gòu)-流變特性的變化規(guī)律，為從材料的角度選擇合理的振動方式與振動參數(shù)提供了依據(jù)。

根據(jù)材料特性選取攪拌裝置的工作方式與參數(shù)，是馮忠緒團隊進行振動攪拌研究的主要特點之一。根據(jù)雙臥軸攪拌機是國內(nèi)外主導(dǎo)機型的現(xiàn)狀，針對雙臥軸攪拌機的特點，馮忠緒團隊提出了攪拌裝置與激振器一體化設(shè)計的強制攪拌與振動攪拌相結(jié)合技術(shù)。攪拌裝置與激振器的一體化設(shè)計，攪拌結(jié)構(gòu)邊強制攪拌邊振動，振動面積大，所需振動強度小，機器可靠性好；攪拌結(jié)構(gòu)邊強制攪拌邊振動，在充分發(fā)揮強制攪拌使混合料在大范圍內(nèi)的循環(huán)與對流作用的同時，振動攪拌又強化了混合料的擴散運動，攪拌的混凝土的微觀均勻性好，改變了混凝土的固、液、氣三相結(jié)構(gòu)，使得水泥石與骨料間的連接和孔分布狀態(tài)改善，攪拌的穩(wěn)定土質(zhì)量好，且性能穩(wěn)定。

堅守“陣地” 推動科研成果產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用

科研成果要轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)力，才能體現(xiàn)出價值。2011年，馮忠緒團隊開始探索振動攪拌成果的轉(zhuǎn)化問題，當(dāng)時一些知名企業(yè)想高價收買這項國際獨創(chuàng)的技術(shù)成果，馮忠緒及其團隊不為利益所動，全力扶持在讀博士生創(chuàng)業(yè)。此時的河南萬里路橋集團董事長張良奇正是馮忠緒的在讀博士生，師生二人把產(chǎn)業(yè)化與持續(xù)研究的重任扛在了肩上。

創(chuàng)新有曲折，創(chuàng)業(yè)更艱辛。由于實際產(chǎn)品與實驗室試驗樣機存在巨大差別，要使新型振動機械實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，生產(chǎn)設(shè)備、人員、質(zhì)量保障體系都必須從零開始。馮忠緒團隊重新梳理了歷年的研究成果，并反復(fù)試驗，將理論與實踐重復(fù)結(jié)合，最終促使新型振動機械在2014年走向市場。該產(chǎn)品的使用結(jié)果證明，振動攪拌水泥混凝土與穩(wěn)定土，確實能夠節(jié)約水泥等材料，能提高混凝土與穩(wěn)定土的工程質(zhì)量。兩年多來，已在國內(nèi)20多個省（區(qū)、市）得以應(yīng)用?！罢駝訑嚢?，改變世界”，這一目標(biāo)正在逐漸變?yōu)楝F(xiàn)實。

30年來，馮忠緒團隊完成混凝土振動攪拌理論與設(shè)備的研究項目16項，設(shè)計與制造了定向激振器外置的連續(xù)式振動攪拌樣機、激振器外置的旋振式振動攪拌樣機、激振器內(nèi)置的單立軸式振動攪拌樣機、振動與攪拌結(jié)構(gòu)一體化的雙臥軸振動攪拌樣機、振動與攪拌結(jié)構(gòu)一體化的單臥軸振動攪拌樣機、立軸行星攪拌樣機、普通雙臥軸強制攪拌樣機、螺旋無軸攪拌樣機、雙立軸振動攪拌樣機等試驗樣機9臺（套），以水泥混凝土、高強混凝土、瀝青混合料等多種試驗材料為對象，完成了大量的理論研究與攪拌性能的試驗研究，以及多個攪拌機械使用性能的試驗研究，最終設(shè)計成功了工業(yè)用混凝土與穩(wěn)定土振動攪拌機并完成了攪拌性能試驗。同時，培養(yǎng)了一大批優(yōu)秀人才，出版專著4部，獲授權(quán)專利70余項，其中發(fā)明專利近30項，“一種攪拌裝置” 獲陜西省專利獎二等獎，“混凝土攪拌理論及其設(shè)備的研究”和“節(jié)約生產(chǎn)混凝土的關(guān)鍵技術(shù)及其裝置的研究”分別獲陜西省科學(xué)技術(shù)二等獎。

馮忠緒團隊深入研究了雙臥軸振動攪拌機的攪拌機構(gòu)參數(shù)與振動參數(shù)的合理匹配技術(shù)。攪拌機構(gòu)參數(shù)與振動參數(shù)的合理匹配，保證了強制攪拌與振動攪拌作用的充分發(fā)揮與結(jié)合，使得這種振動攪拌方式對間歇式、連續(xù)式攪拌都適用，對多種材料的適應(yīng)性都很好，擴大了振動攪拌的應(yīng)用范圍。通過關(guān)鍵技術(shù)的深入研究與大量的試驗，積累了豐富的材料與工作裝置的信息，為產(chǎn)品的開發(fā)提供了可靠的依據(jù)，為產(chǎn)品工業(yè)化與推廣應(yīng)用奠定了牢固的基礎(chǔ)。

在談及其團隊成員做混凝土試驗的場景時，馮忠緒感慨到：“混凝土試驗又臟又累，篩沙子與石料、人工上料、做試樣、清理廢棄物，天天循環(huán)，日日如此。每個人需要做1噸水泥的試驗，實驗量相當(dāng)之大，從3月到11月的實驗期，備料、攪拌、做正方體及小梁試樣、測抗壓與抗折強度，一個試驗周期28天，需要持續(xù)1年到2年，酷暑時汗流浹背，衣服全濕透了?！痹?0多年的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)之路上，團隊里的每個人都在用青春養(yǎng)育科技，用智慧與汗水澆灌成果之花。

目前，我國混凝土攪拌裝備技術(shù)水平較低，有自主知識產(chǎn)權(quán)的產(chǎn)品較少，且普遍存在能源和原材料消耗高、攪拌不均勻等問題。在國家大力推進節(jié)能環(huán)保事業(yè)發(fā)展的情況下，混凝土行業(yè)也必須轉(zhuǎn)變發(fā)展模式，混凝土振動攪拌設(shè)備的產(chǎn)業(yè)化是一個新起點。馮忠緒團隊在該領(lǐng)域取得了可喜的成績，今后，他們將繼續(xù)深化振動攪拌理論與設(shè)備的研究，進一步探索振動攪拌技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化之路。