振動(dòng)攪拌技術(shù)：突破小技術(shù) 改善大工程

文/本刊記者 汪玚

振動(dòng)攪拌技術(shù)領(lǐng)軍專家、長安大學(xué)教授馮忠緒

在交通工程中，無論港珠澳大橋等全球矚目的世紀(jì)工程，還是串聯(lián)起“最后一公里”的鄉(xiāng)間小道，水泥混凝土都是必不可少且毫不起眼的建筑混合料，而它的質(zhì)量，直接影響著工程建設(shè)的質(zhì)量和水平。

有這樣一種技術(shù)，它的創(chuàng)新普及，或?qū)⒃谛袠I(yè)里掀起一場質(zhì)量大升級(jí)的風(fēng)暴。以“小技術(shù)”的突破帶動(dòng)“大工程”的改善——這就是振動(dòng)攪拌技術(shù)。

振動(dòng)攪拌技術(shù)緣何如此重要？

攪拌作為水泥混凝土、水泥穩(wěn)定土等建筑混合料最基本的制備方法，應(yīng)用于混合料趨于勻質(zhì)化的過程，是各種建筑混合材料生產(chǎn)中一道關(guān)鍵工序，混合料是否均勻，直接影響著水泥混凝土及水泥穩(wěn)定土的質(zhì)量。振動(dòng)攪拌更是國際公認(rèn)的、提高混凝土攪拌質(zhì)量和效率的最經(jīng)濟(jì)的方法之一。

振動(dòng)攪拌技術(shù)為何如此重要？

原因在于，水泥混凝土在振動(dòng)作用下，內(nèi)部各個(gè)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(dòng)，并使相鄰粒子振動(dòng)發(fā)生位移，物料顆粒間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)頻率增加，混凝土流動(dòng)的形式及能量分布發(fā)生變化，可以改善混凝土的微觀結(jié)構(gòu)；同時(shí)，在振動(dòng)作用下，水泥顆粒處于顫動(dòng)狀態(tài)，破壞了水泥顆粒團(tuán)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(qiáng)度等力學(xué)性能，從而提高混凝土服役的綜合性能。

研究發(fā)現(xiàn)，常規(guī)的攪拌技術(shù)雖然短時(shí)間內(nèi)將混合料在宏觀上攪拌均勻，但如果通過顯微鏡觀察，會(huì)發(fā)現(xiàn)看似已經(jīng)攪拌均勻的混合料中的水泥顆粒并未較好地均勻分散在水中，仍有10%-30%的水泥顆粒三三兩兩地聚集在一起，形成微小的水泥團(tuán)。這種團(tuán)聚現(xiàn)象不但降低了水泥的利用率，造成浪費(fèi)，而且嚴(yán)重地影響了混凝土的和易性和強(qiáng)度。

振動(dòng)攪拌技術(shù)則是在強(qiáng)制攪拌的同時(shí)加以振動(dòng)作用，使水泥顆粒處于顫振狀態(tài)，破壞混凝土混合料間的粘性聯(lián)接，使物料間的內(nèi)摩擦力大大降低，促使物料中的水泥顆粒從的結(jié)團(tuán)狀態(tài)變?yōu)榫鶆蚍植紶顟B(tài)，有效減弱水泥顆粒的團(tuán)聚現(xiàn)象，充分提高水泥利用率及混合料質(zhì)量。

從“取經(jīng)”到探索：在積淀中尋求理論與實(shí)踐的雙突破

實(shí)際上，對(duì)水泥混凝土混合效果的研究，從上世紀(jì)已經(jīng)開始。

1931年，前蘇聯(lián)、德國等國家的科學(xué)家發(fā)現(xiàn)混凝土微觀重大缺陷，提升混凝土微觀均勻程度的科學(xué)探索由此啟動(dòng)。1972年，前蘇聯(lián)實(shí)驗(yàn)機(jī)（下置式振動(dòng)）完成室內(nèi)試驗(yàn)驗(yàn)證，但由于機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)問題無法實(shí)現(xiàn)工業(yè)化，世界振動(dòng)攪拌技術(shù)研究及工業(yè)化陷入停滯。

雖然前蘇聯(lián)、美國、德國、日本等國都進(jìn)行了混凝土振動(dòng)攪拌的試驗(yàn)研究，但缺乏系統(tǒng)性研究，更無與產(chǎn)品研發(fā)相結(jié)合研究的先例。

1992年，長安大學(xué)教授馮忠緒以全新理念開啟振動(dòng)攪拌技術(shù)研發(fā)，歷經(jīng)失敗與曲折，解決了一系列技術(shù)難題，終于研發(fā)成功。

在技術(shù)上取得突破后，我國學(xué)者又將目標(biāo)瞄準(zhǔn)在裝備上。

2012年，德通公司與長安大學(xué)合作，成功研發(fā)出水泥混凝土振動(dòng)攪拌主機(jī)，在HZS50混凝土攪拌設(shè)備中成功應(yīng)用。2014年，德通公司成功研發(fā)出水泥穩(wěn)定土振動(dòng)攪拌主機(jī)，實(shí)現(xiàn)震碎混合料中的水泥團(tuán)、灰團(tuán)，使其均勻分布在混合料中，防止離析發(fā)生，科學(xué)減少水泥用量，減少半剛性基層裂紋發(fā)生。

作為技術(shù)領(lǐng)軍專家和帶頭人，可以說，馮忠緒在該領(lǐng)域的探索與深耕，奠定了振動(dòng)攪拌技術(shù)的研發(fā)基礎(chǔ)，而馮教授也是從“取經(jīng)”開始的。

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)。在充分吸收了前蘇聯(lián)學(xué)科經(jīng)驗(yàn)后，馮忠緒于1989年9月回國，并立即投身到振動(dòng)攪拌技術(shù)的研究探索中。

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(dòng)機(jī)械的結(jié)構(gòu)型式來設(shè)計(jì)振動(dòng)攪拌機(jī)，將激振器外置研制了定向激振器外置的連續(xù)式振動(dòng)攪拌機(jī)、激振器外置的旋振式振動(dòng)攪拌機(jī)。1991年11月，“混凝土的振動(dòng)攪拌裝置”獲得了第一項(xiàng)授權(quán)專利。試驗(yàn)結(jié)果除驗(yàn)證了混凝土與穩(wěn)定土振動(dòng)攪拌高效性外，整體效果并不理想。但實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)混凝土受振動(dòng)容易沉積與離析，利用不好反而會(huì)對(duì)材料的混合產(chǎn)生負(fù)面作用；激振器外置于殼體上，振動(dòng)能量傳到殼體內(nèi)的混凝土?xí)r已衰減得較小，而機(jī)架振動(dòng)卻較大，能量利用率低；而制作產(chǎn)品時(shí)，由于機(jī)器質(zhì)量要比實(shí)驗(yàn)室的試驗(yàn)樣機(jī)大得多，要使殼體與殼體內(nèi)的混凝土振動(dòng)起來，需要的振動(dòng)能量太大，機(jī)器振動(dòng)強(qiáng)度大與可靠性差的矛盾凸顯等問題。

幾經(jīng)挫折，馮忠緒和團(tuán)隊(duì)成員靜心思考振動(dòng)攪拌的理論問題。他們將關(guān)注點(diǎn)聚焦在能否建立數(shù)學(xué)模型，尋求理論突破以及對(duì)試驗(yàn)的指導(dǎo)。

由于攪拌機(jī)械的工作主要是通過工作機(jī)械與介質(zhì)的相互作用完成的，而工作機(jī)構(gòu)與介質(zhì)相互作用的動(dòng)態(tài)過程的試驗(yàn)研究，是機(jī)器性能研究的首要任務(wù)，也是研究整機(jī)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性質(zhì)，已經(jīng)得到學(xué)界認(rèn)可。

然而，這種認(rèn)可也并非“無懈可擊”。該曲線只能完成新拌混凝土性質(zhì)的靜態(tài)描述，無法完全描述出混凝土攪拌的發(fā)展與變化過程。水泥混凝土攪拌時(shí)，砂、石、水泥、水和添加劑等多種材料進(jìn)入攪拌室后，固體、液體和夾裹的氣體等各成分間同時(shí)存在物理作用和化學(xué)作用，從微觀上還是宏觀上，物料的狀態(tài)和結(jié)構(gòu)均發(fā)生了量和質(zhì)的變化，形成了新拌混凝土新的結(jié)構(gòu)材料。這種變化既可看成是隨機(jī)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(kuò)散方程的數(shù)學(xué)模型相結(jié)合，對(duì)攪拌機(jī)械的工作機(jī)構(gòu)與介質(zhì)間的相互作用過程進(jìn)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(dá)式，揭示了攪拌過程中混合物均勻性與攪拌時(shí)間、攪拌參數(shù)與攪拌速度系數(shù)之間的變化規(guī)律，并根據(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(duì)流運(yùn)動(dòng)和擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)來完成。這為采用振動(dòng)攪拌技術(shù)來強(qiáng)化擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，采用振動(dòng)與強(qiáng)制攪拌相結(jié)合的振動(dòng)攪拌方案提供了理論依據(jù)。

以此得到的攪拌機(jī)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(dá)到給定均勻度的攪拌時(shí)間相近，那么此種攪拌機(jī)械的攪拌時(shí)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(jì)算等動(dòng)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(tuán)隊(duì)采用振動(dòng)與攪拌相結(jié)合的振動(dòng)攪拌方案，設(shè)計(jì)了在工作過程中空間力系能夠動(dòng)平衡的單立軸振動(dòng)攪拌機(jī)。激振器內(nèi)置在混凝土中，振動(dòng)能量直接被混凝土吸收，采用動(dòng)平衡計(jì)算和動(dòng)平衡實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的辦法，較好解決了振動(dòng)強(qiáng)度大和機(jī)器工作可靠性要求高的矛盾。

試驗(yàn)證明，這種振動(dòng)攪拌方式有效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(qiáng)制攪拌相比，當(dāng)水泥用量不變時(shí)，混凝土強(qiáng)度提高20%至35%；當(dāng)混凝土強(qiáng)度不變時(shí)，可節(jié)約水泥15%至20%；同時(shí)攪拌時(shí)間約可縮短一半，比普通強(qiáng)制式攪拌機(jī)約節(jié)能25%；不僅對(duì)普通水泥混凝土，對(duì)RCC、SFSC和CA砂漿等多種材料均具有良好的適應(yīng)性。

振動(dòng)攪拌涉及機(jī)械工程、建筑材料、施工工藝與試驗(yàn)科學(xué)等學(xué)科與領(lǐng)域，研究攪拌機(jī)構(gòu)與混凝土的相互作用機(jī)理，振動(dòng)攪拌過程對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)-流變特性的變化，振動(dòng)攪拌與強(qiáng)制攪拌相結(jié)合的較佳實(shí)現(xiàn)方式，均是以提高混凝土的攪拌質(zhì)量與攪拌效率為出發(fā)點(diǎn)與落腳點(diǎn)。

馮忠緒團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，振動(dòng)攪拌強(qiáng)化混凝土攪拌過程的機(jī)理主要包括六方面：對(duì)混凝土的結(jié)構(gòu)-流變特性的影響，對(duì)新拌混凝土中水泥團(tuán)粒的破壞，對(duì)新拌混凝土中粗骨料表面的凈化及其粘結(jié)強(qiáng)度的增強(qiáng)，對(duì)新拌混凝土中氣相生成物的影響，對(duì)低效區(qū)的改善，對(duì)多種材料的適應(yīng)性等。對(duì)振動(dòng)攪拌機(jī)理不斷深入的研究，揭示了振動(dòng)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(dòng)方式與振動(dòng)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(tuán)隊(duì)進(jìn)行振動(dòng)攪拌研究的主要特點(diǎn)之一。根據(jù)雙臥軸攪拌機(jī)是國內(nèi)外主導(dǎo)機(jī)型的現(xiàn)狀，針對(duì)雙臥軸攪拌機(jī)的特點(diǎn)，他們提出攪拌裝置與激振器一體化設(shè)計(jì)的強(qiáng)制攪拌與振動(dòng)攪拌相結(jié)合技術(shù)。這種一體化設(shè)計(jì)攪拌結(jié)構(gòu)邊強(qiáng)制攪拌邊振動(dòng)，振動(dòng)面積大，所需振動(dòng)強(qiáng)度小，機(jī)器可靠性好；在充分發(fā)揮強(qiáng)制攪拌使混合料在大范圍內(nèi)的循環(huán)與對(duì)流作用的同時(shí)，強(qiáng)化了混合料的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，攪拌出混凝土的微觀均勻性好，改善了水泥石與骨料間的連接和孔分布狀態(tài)，攪拌的穩(wěn)定土質(zhì)量好，且性能穩(wěn)定。

堅(jiān)守“陣地”推動(dòng)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(jià)值。

2011年，馮忠緒團(tuán)隊(duì)開始探索振動(dòng)攪拌成果的轉(zhuǎn)化問題。當(dāng)時(shí)一些知名企業(yè)想高價(jià)收買這項(xiàng)國際獨(dú)創(chuàng)的技術(shù)成果，馮忠緒及團(tuán)隊(duì)不為利益所動(dòng)，全力扶持在讀博士生創(chuàng)業(yè)。當(dāng)時(shí)河南萬里路橋集團(tuán)董事長張良奇是馮忠緒的在讀博士生，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(shí)際產(chǎn)品與實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)樣機(jī)存在巨大差別，要使新型振動(dòng)機(jī)械實(shí)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(tuán)隊(duì)重新梳理了歷年的研究成果，并反復(fù)試驗(yàn)，將理論與實(shí)踐重復(fù)結(jié)合，最終促使新型振動(dòng)機(jī)械在2014年走向市場。使用結(jié)果證明，振動(dòng)攪拌水泥混凝土與穩(wěn)定土，確實(shí)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(gè)省（區(qū)、市）得以應(yīng)用，產(chǎn)值逾8千萬元。

2015年12月，鑒定委員會(huì)專家一致同意長安大學(xué)與萬里路橋集團(tuán)德通振動(dòng)攪拌技術(shù)有限公司共同完成的混凝土、穩(wěn)定土振動(dòng)攪拌的兩個(gè)產(chǎn)品，通過河南省科技廳組織的科技成果鑒定，認(rèn)可其產(chǎn)品“屬國際首創(chuàng)，多項(xiàng)技術(shù)填補(bǔ)了國內(nèi)外空白，處于國際領(lǐng)先水平，社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益巨大，推廣前景良好”。

成績來之不易。這項(xiàng)技術(shù)從無到有，從成熟到實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，歷時(shí)近30年之久。

30年來，團(tuán)隊(duì)共完成混凝土振動(dòng)攪拌理論與設(shè)備的研究項(xiàng)目16項(xiàng)，設(shè)計(jì)與制造了定向激振器外置的連續(xù)式振動(dòng)攪拌樣機(jī)、激振器外置的旋振式振動(dòng)攪拌樣機(jī)、激振器內(nèi)置的單立軸式振動(dòng)攪拌樣機(jī)、振動(dòng)與攪拌結(jié)構(gòu)一體化的雙臥軸振動(dòng)攪拌樣機(jī)、振動(dòng)與攪拌結(jié)構(gòu)一體化的單臥軸振動(dòng)攪拌樣機(jī)等試驗(yàn)樣機(jī)9臺(tái)（套），以水泥混凝土、高強(qiáng)混凝土、瀝青混合料等多種試驗(yàn)材料為對(duì)象，完成了大量的理論研究與攪拌性能的試驗(yàn)研究，以及多個(gè)攪拌機(jī)械使用性能的試驗(yàn)研究，最終設(shè)計(jì)成功了工業(yè)用混凝土與穩(wěn)定土振動(dòng)攪拌機(jī)并完成了攪拌性能試驗(yàn)。

同時(shí)，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(xiàng)，其中發(fā)明專利近30項(xiàng)，“一種攪拌裝置”獲陜西省專利獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)，“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(jiǎng)。

水泥混凝土主機(jī)系列

在談及混凝土試驗(yàn)場景時(shí)，馮忠緒感慨：“混凝土試驗(yàn)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(gè)人的實(shí)驗(yàn)量都相當(dāng)大，從3月到11月的實(shí)驗(yàn)期，備料、攪拌、做正方體及小梁試樣、測(cè)抗壓與抗折強(qiáng)度，一個(gè)試驗(yàn)周期28天，需要持續(xù)1年到2年，酷暑時(shí)汗流浹背，衣服全濕透了。”在創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)之路上，團(tuán)隊(duì)成員用青春養(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(shí)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(jìn)節(jié)能環(huán)保事業(yè)發(fā)展的背景下，混凝土行業(yè)轉(zhuǎn)變發(fā)展模式勢(shì)在必行，混凝土振動(dòng)攪拌設(shè)備的產(chǎn)業(yè)化正處于一個(gè)新起點(diǎn)。

馮忠緒團(tuán)隊(duì)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(dòng)攪拌理論與設(shè)備的研究，進(jìn)一步探索振動(dòng)攪拌技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化之路。