強制式攪拌機在水工混凝土生產(chǎn)中應(yīng)用的分析與探討

（鄭州三和水工機械有限公司，河南 鄭州 450120）

混凝土攪拌機按攪拌機理的不同，可分為自落式和強制式兩種型式。在水電大壩建造中，主要采用雙錐形，上仰15°，前端進(jìn)料，傾翻出料的機型。該攪拌機由美國約翰遜公司推出，在美國上世紀(jì)前、中期水電大規(guī)模開發(fā)時得到廣泛應(yīng)用。其后，在法國、意大利、日本以及我國生產(chǎn)的攪拌樓上，也主要配用此機型。

強制式攪拌機起源于德國，并在世界各地得到廣泛應(yīng)用，強制式攪拌機有立式盤形和單臥軸、雙臥軸等多種機型。雙臥軸強制式攪拌機于1888年由德國BHS-桑索霍芬公司發(fā)明推出。經(jīng)過上百年的競爭發(fā)展，目前，雙臥軸型式已確立為主導(dǎo)機型。

1 自落式和強制式攪拌機的定性比較分析（相同容量機型）

1）設(shè)備結(jié)構(gòu)和制造難度，自落式較簡單；

2）設(shè)備自重，兩者差別不大；

3）生產(chǎn)效率，強制式比自落式高1倍以上；

4）攪拌性能和質(zhì)量，強制式遠(yuǎn)優(yōu)于自落式；

5）電動機功率，強制式比自落式大1～2倍，但以單方混凝土計的單位能耗兩者基本相當(dāng)，或強制式比自落式更省；

6）對粗骨料粒徑的適應(yīng)性，自落式適應(yīng)性強，而強制式只有較大的機型才能攪拌較大骨料粒徑的水工混凝土；

7）磨損件的消耗，強制式遠(yuǎn)高于自落式；

8）強制式攪拌機進(jìn)料口與進(jìn)料通道間是固定的，密封性好，而自落式的進(jìn)料口回轉(zhuǎn)，只能盡量減少而不易防止灰料不揚出。

2 攪拌機原理分析

混凝土攪拌機的作用是將分別計量的各種組分材料混合均勻，并使粗、細(xì)骨料的表面均勻裹上一層膠凝灰漿。

自落式攪拌機的攪拌過程主要是“拌”，而“攪”則居次。其攪拌過程由兩部分組成：一是大部分物料堆積在拌筒下部，隨葉片沿回轉(zhuǎn)方向前進(jìn)過程中，靠前的物料不斷向后沿后續(xù)料堆表面滾落，起到攪拌作用；二是當(dāng)葉片回轉(zhuǎn)至一定高度時，把尚存于葉片上部的物料繼續(xù)向上提升，后在重力作用下陸續(xù)灑落、拌合。根據(jù)美國混凝土建筑手冊的推薦和我國的設(shè)計經(jīng)驗，攪拌筒內(nèi)徑最大處或葉片外緣處的線速度宜在1.42～1.58m/s之間。雙錐形自落式攪拌機相應(yīng)的轉(zhuǎn)速按出料容量計1.0m3、1.5m3、3.0m3和4.5～5.0m3分別為15、13、10.5和9.5r/min。為獲得合格的攪拌質(zhì)量，根據(jù)試驗和實際運行經(jīng)驗，需要較長的純攪拌時間，分別為60～90s、75～90s、90～120s和100～130s，攪拌的混凝土坍落度高時取較短值，低時取較長值，但骨料粒徑大小對純攪拌時間并無明顯影響。

雙臥軸強制式攪拌機則是“攪”“拌”并重，其呈ω形的攪拌槽是固定的，通過設(shè)在槽內(nèi)兩個平行、相對回轉(zhuǎn)軸具有一定偏角的葉片，深入混凝土組料對其進(jìn)行強制性攪動，使槽內(nèi)物料不斷地進(jìn)行左右、前后和上下三維交換。同時，由于物料是在相互間具有很大壓強的情況下進(jìn)行剪切滑動，大大提高了骨料表面的裹漿效率。

因此，強制式攪拌與自落式相比，具有以下兩大顯著優(yōu)點：一是生產(chǎn)效率高，純攪拌時間僅需20～30s[1]，僅為自落式的40～50%；二是攪拌出的混凝土質(zhì)量高，雙臥軸強制式攪拌機的攪拌軸上一般各設(shè)有7片（也有多至8～10片）鏟刀，極大部分時間都是深入在組料內(nèi)部對其進(jìn)行攪動，且在全部攪拌區(qū)內(nèi)不存在攪拌死角，攪拌出的混凝土中，各種組料尤其是膠凝粉料分布均勻，攪拌質(zhì)量遠(yuǎn)優(yōu)于自落式攪拌機，具體體現(xiàn)在采用相同配比時混凝土可獲得更高的強度，或獲得相同的強度時可節(jié)省10%左右水泥用量。同時，其攪拌出的混凝土在同一盤次中或前后盤次間離差系數(shù)小。

同時，其攪拌出的混凝土在同一盤次中或前后盤次間強度波動變化小，即離差系數(shù)或歐洲國家所稱的強度變化系數(shù)小。

3 雙臥軸強制式攪拌機在水工混凝土生產(chǎn)應(yīng)用中的分析

雙臥軸強制式攪拌機具有生產(chǎn)效率高和攪拌質(zhì)量好兩大突出優(yōu)點，所以目前在世界各地和我國絕大部分混凝土生產(chǎn)中都已采用雙臥軸強制式攪拌機。在水工碾壓混凝土（RCC）生產(chǎn)中，我國目前大部分也已經(jīng)采用雙臥軸強制式攪拌機。但在四級配常態(tài)混凝土生產(chǎn)中，業(yè)內(nèi)主導(dǎo)意見還是宜采用自落式攪拌機。

3.1 技術(shù)適應(yīng)性

自落式攪拌機的葉片與筒體是固定的，相互間空間較大，因此，即使小型機也能攪拌最大骨料為150mm的四級配混凝土。而雙臥軸強制式攪拌機由于有在物料內(nèi)攪動的葉片，且攪拌阻力隨骨料粒徑的增大而增加，因此小型機不適應(yīng)攪拌具有大尺寸骨料的混凝土。按實際使用經(jīng)驗，攪拌最大骨料粒徑80mm的三級配混凝土應(yīng)采用2.5～3.0立方及以上機型，骨料粒徑150mm的四級配混凝土應(yīng)采用4.5立方及以上機型。所以，雙臥軸強制式攪拌機應(yīng)用于四級配常態(tài)混凝土在技術(shù)上是適用的，只是由于攪拌大骨料混凝土?xí)r攪拌阻力要大一些，因此選用時應(yīng)比攪拌一般建筑用商品混凝土加大一級機型[2]。

我國采用雙臥軸強制式攪拌機攪拌四級配大壩混凝土始于上世紀(jì)90年代初的水口水電站二期混凝土系統(tǒng)。其后，三峽工程98.7高程混凝土系統(tǒng)、錦屏一級大壩、龍灘混凝土系統(tǒng)均采用德國BHS公司的雙臥軸強制式攪拌機。在經(jīng)受嚴(yán)酷工況和長時間連續(xù)高強度的運行中，該攪拌機不僅適用于攪拌四級配混凝土，且其攪拌效率和攪拌質(zhì)量也遠(yuǎn)優(yōu)于自落式攪拌機。因此，只要選型得當(dāng)，雙臥軸強制式攪拌機不僅能夠適應(yīng)四級配混凝土，而且能夠攪拌出比自落式質(zhì)量更優(yōu)的各種類型的水工混凝土。

3.2 運行經(jīng)濟性

1）雙臥軸強制式攪拌機經(jīng)濟性的最大正面因素是攪拌質(zhì)量好。在水口水電站實際生產(chǎn)過程中，對比結(jié)果如下：

①同一標(biāo)號且相同配比的混凝土，強制式比自落式的強度均值高11.5%～18.3%。

②當(dāng)獲得相同強度時，強制式比自落式攪拌可減少水泥用量10%～15%；

③強制式攪拌混凝土的離差系數(shù)均值為0.14，而自落式為0.17，即前者不同盤次和同一盤次中取樣的混凝土比較均勻，強度波動小20%左右。

2)雙臥軸強制式攪拌機經(jīng)濟性的最大負(fù)面因素是葉片和襯板的磨損比較大；磨琢性高的石英砂巖和花崗巖與磨琢性最低的灰?guī)r和安山巖相比，葉片、襯板等耐用壽命可相差5～10倍。水口水電站的骨料為天然砂卵石，其中少部份大骨料由超徑料人工破碎。據(jù)統(tǒng)計，中下部最易磨損部位的襯板平均耐用壽命為1.2萬盤次，葉片為1.7萬盤次。平均每攪拌1m3混凝土的耗鋼量為0.05kg，按當(dāng)時價格折合費用為0.2元/m3。

3）攪拌能耗。就攪拌二級配普通混凝土而言，相同容量的雙臥軸強制式攪拌機的功率約為自落式的2倍，強制式攪拌時間短，不到自落式的一半，所以攪拌單方混凝土的電耗低20%以上。但攪拌大骨料的水工混凝土?xí)r，強制式的機型要加大一擋，電機功率約為自落式的3倍，但考慮到攪拌時間，兩種機型攪拌單方混凝土的電耗基本相當(dāng)。

4 攪拌機攪拌時間

1）我國DL/T5144-2001《水工混凝土施工規(guī)范》規(guī)定的最少拌和時間，拌和機容量大于1m3小于等于3m3時，自落式為120s，強制式為75s，大于3m3時,自落式為150s，強制式為90s。

通過攪拌機電機電流的變化可以辨別混凝土攪拌的成熟程度，一般規(guī)律是開始進(jìn)料后電機電流迅即上升，并隨進(jìn)料的增加而增大，約10～15s時達(dá)到峰值，隨著攪拌的進(jìn)行，電流均值逐漸下降，漸趨平緩，表明混凝土已基本攪拌成熟。大型機功率曲線的拐點約在進(jìn)料結(jié)束后30～35s，此后電流雖還會有些下降，但更趨平緩。

2）攪拌碾壓混凝土?xí)r是否需要延長攪拌時間

攪拌機的作用，一是將組料拌勻，二是使骨料表面充分裹漿。碾壓混凝土的密實過程是，在碾輪的重力和激振力的作用下，將粗骨料向較小的組料中擠，砂漿、漿液和空氣則被擠流向較粗組料的空隙中。碾壓時，碾輪下的混凝土形成三角形分布，漿液在大壓力條件下沿骨料表面進(jìn)行擠動，使骨料表面得到又一次裹漿的機會，即使在攪拌時有一部分表面裹漿不太好的骨料，經(jīng)多次反復(fù)碾壓，裹漿情況會得到補償而改善[3]。而常態(tài)混凝土的密實過程是利用振搗器的振動力使周邊混凝土組料處于振動狀態(tài)而減少內(nèi)磨擦，在重力作用下，較細(xì)的物料流向并填充較粗物料間的空隙，多余的漿液浮向表層，并將絕大部分的空氣趕出。

因此，碾壓混凝土的攪拌時間，不僅不需延長，甚至可以適當(dāng)減少，以提高設(shè)備的生產(chǎn)能力，并節(jié)省成本。

5 小結(jié)

1）雙臥軸強制式攪拌機的攪拌機理比自落式先進(jìn)，具有攪拌質(zhì)量好、生產(chǎn)效率高等顯著優(yōu)勢，已成為各行業(yè)攪拌混凝土的首選機型。

2）雙臥軸強制式攪拌機用于攪拌水工混凝土?xí)r，只要選用與骨料最大粒徑相適應(yīng)的較大機型，技術(shù)和性能上不存任何障礙，且同樣具有攪拌質(zhì)量好、生產(chǎn)效率高的優(yōu)勢。

3）強制式攪拌機純攪拌時間應(yīng)按廠家規(guī)定而不再人為延長，以避免無謂的增大能耗、磨耗和攪拌熱，并降低攪拌成本。