振動對立式攪拌均勻性的影響

張健健，趙 悟，趙凱音，高維兵，郭 健，沈威威

（長安大學 工程機械學院，陜西 西安 710064）

0 引 言

混凝土攪拌機是將水泥作為膠凝材料，將砂、石作集料，與水按一定的配合比混合，進行充分攪拌的設備。當前，立式混凝土攪拌機主要依靠傳統的攪拌方式（攪拌裝置的定軸旋轉）來進行拌合，然而在電鏡下觀察發現，宏觀均勻拌合物中的水泥顆粒并沒有很好地分散在水中，而是以水泥團的形式存在于其中，這種情況嚴重影響了混凝土的使用性能［1-4］。故本文利用EDEM軟件模擬混凝土的攪拌過程，對同一時間點的不同攪拌方式的攪拌情況進行顆粒均勻性對比，并對卸料后料堆行切片分析，研究振動對拌合物顆粒均勻性的影響。

1 振動攪拌技術

振動攪拌技術是混凝土攪拌的新型技術，其基本原理是在攪拌的同時加以振動作用，通過振動和攪拌的雙重作用，使物料顆粒間相互激烈的碰撞，從而加強混合料的對流和擴散，最終達到整體上的勻質性［5-7］。振動技術對攪拌過程的影響主要表現在以下幾個方面：增強骨料顆粒運動的同時破壞黏聚在一起的水泥團，使水泥顆粒均勻分散在拌合物中；減小混合料各組分間的黏性和內摩擦力，使活化分子增多，加速物料的對流運動和擴散運動，同時也加強了攪拌剪切作用；混合料的運動加快，增加了顆粒之間的有效碰撞次數，增強了水化反應。普通攪拌與振動攪拌的水泥顆粒分布情況如圖1所示。

圖1 不同攪拌方式下水泥顆粒分布情況

觀察圖1可知，振動攪拌下水泥顆粒不再發生團聚現象，分布較為均勻。

2 立式攪拌機模型的建立

利用Pro／E軟件建立100L雙立軸攪拌機的三維模型，如圖2所示。攪拌機采用雙拌缸結構，左右各有1組攪拌裝置，每組攪拌裝置均由6個攪拌臂和6個攪拌葉片組成；振動攪拌機則額外增加了2個激振器。

圖2 兩種立式攪拌機的簡化模型

3 EDEM仿真分析

3.1 顆粒接觸模型的選擇

EDEM中顆粒模型主要分硬球模型和軟球模型，其中軟球模型主要用來模擬2個或多個顆粒之間的碰撞過程。Hertz-Mindlin with JKR模型是EDEM軟件中顆粒接觸模型中的一種，屬于軟球接觸模型，適用于模擬藥粉、農作物、礦石、泥土等含濕物料因含濕水分等原因發生的黏結、團聚情況［8-9］。該接觸簡化物理振動模型如圖3所示。

由圖3可知，該模型充分考慮了顆粒間的法向力、切向力以及摩擦力等因素，與混凝土攪拌過程中骨料之間的碰撞過程較為符合，能夠比較真實地模擬骨料的性質以及水泥的黏結性，故本文利用EDEM進行仿真時采用Hertz-Mindlin with JKR接觸模型。

圖3 Hertz-Mindlin with JKR接觸簡化物理振動模型

3.2 EDEM仿真參數設置

材料性質以及顆粒種類與數目是仿真結果合理性的保證。2種立式攪拌機在仿真過程中各部分的材料性質、顆粒的種類和數目、布置方式、攪拌轉速、仿真時間均相同。將攪拌機的組成結構材料命名成“steel”，骨料顆粒的材料命名為“particle”，材料屬性如表1所示，接觸屬性如表2所示。

表1 材料屬性定義

表2 接觸屬性定義

仿真時，攪拌速度根據實際攪拌線速度的要求設置為45r·min-1，投入3種直徑不同的顆粒，此處采用連續級配，其中12mm的顆粒20 000顆，15 mm的顆粒10 000顆，18mm的顆粒6 000顆［10］。仿真時設置攪拌時間為30s，卸料時間為5s。顆粒布料一般有扇形布料、環形布料、分層布料3種方式，為便于軟件操作，仿真時采用分層布料方式，如圖4所示。

4 結果分析

4.1 仿真結果分析

選擇5、15、25、30s作為一組時間點來比較2種攪拌過程中物料分布的差異性。2種攪拌過程不同時間點的顆粒分布情況如圖5、6所示。2種攪拌方式卸料后所取料堆高度方向中間截面效果如圖7所示。

圖4 分層布料方式

圖5 普通攪拌各個時間點的攪拌效果

圖6 振動攪拌各個時間點的攪拌效果

圖7 兩種攪拌方式卸料切片效果

由圖5～7可知，振動攪拌顆粒的均勻性明顯優于普通攪拌，攪拌效果更優。

4.2 物料均勻性分析

混凝土是一種非均質多相復合材料［11］，其拌合物顆粒的均勻性是衡量混凝土攪拌設備性能好壞的重要指標。離散系數是表征物料均勻性的標志性指標，其值越小表明物料分布越均勻［12-13］。仿真結束后，將整個模型劃分網格，如圖8所示。隨機選取顆粒數目較多的網格，輸出這些網格中各顆粒的數目，整理并分別計算不同攪拌方式下各粒徑顆粒的離散系數，以時間間隔2s繪制離散系數折線圖，如圖9～11所示。

圖8 模型網格劃分

圖9 12mm顆粒離散系數

圖10 15mm顆粒離散系數

圖11 18mm顆粒離散系數

由圖9～11可知，隨著攪拌時間的推移，振動攪拌的拌合物顆粒離散系數呈減小趨勢，且趨勢越來越平緩，說明隨著攪拌過程的進行，顆粒分布越來越趨于較理想的均勻狀態。對比之下，普通攪拌拌合物的離散系數雖大體呈遞減趨勢，但其變化過程很不穩定。而且，振動攪拌在攪拌狀態趨于穩定的時間段內（10～30s），其離散系數比普通攪拌降低30%以上，且趨勢穩定。

仿真完成后，選擇攪拌低效區部分區域的顆粒，輸出其在攪拌過程中的平均動能，分析振動攪拌對攪拌低效區的影響作用。圖12～14分別為10～30 s內各粒徑顆粒平均動能變化情況。

圖12 12mm顆粒動能隨時間的變化

圖13 15mm顆粒動能隨時間的變化

圖14 18mm顆粒動能隨時間的變化

觀察圖12～14可知，與普通攪拌相比，振動攪拌過程中顆粒獲得的動能更大，使得顆粒間的有效碰撞更多，物料之間的交匯混合更充分，拌合物的分布更加均勻。進一步整理數據發現，當振動強度選擇恰當時，振動攪拌過程中，沿徑向分布的同一粒徑的顆粒所獲得的動能近乎相等，這說明振動攪拌可以在一定程度上消除攪拌低效區。

5 試驗對比

在實驗室對2種不同攪拌方式作對比試驗。為了比較振動攪拌與普通攪拌在改變混凝土的勻質性和提高混凝土強度上的差異，采用相同的混凝土配合比及試驗方法［14］。試驗樣機如圖15所示，具體試驗結果如表3所示。

圖15 雙立軸攪拌試驗樣機

表3 不同攪拌方式下試驗結果

在表3中，ΔM指砂漿密度的相對誤差；ΔG指單位體積粗骨料質量的相對誤差（勻質混凝土是指砂漿密度的相對誤差及粗骨料質量的相對誤差均小于5%的混凝土）；f-指混凝土試塊的平均抗壓強度值；σ指混凝土試塊的抗壓強度值的標準差；Cv指混凝土試塊強度值離差系數；σ、Cv值越小，說明混凝土質量越好［15-17］。

由表3可知，振動攪拌拌制的拌合物ΔM、ΔG值均明顯小于普通攪拌，說明振動攪拌與普通攪拌相比，更能使拌合物達到宏觀均勻。振動攪拌拌制的拌合物的f-值大于普通攪拌，而且σ、Cv值均小于普通攪拌，說明振動攪拌與普通攪拌相比，更能使拌合物達到微觀均勻。

6 結 語

與普通攪拌相比，振動攪拌過程中顆粒獲得的動能更大，使得顆粒間的有效碰撞更多，破壞了水泥團聚，同時使得物料之間的交匯混合更加充分，使拌合物顆粒的分布更加均勻。而且，對混合料進行振動攪拌，使物料顆粒具有一定振動頻率下的振幅后處于顫振狀態，從而破壞混合料間的黏性聯接，使物料間的內摩擦力大大降低，便于物料中的水泥顆粒從結團狀態變為均勻分布狀態，加快水化反應和砂漿包裹骨料的速度，改善混凝土的綜合性能。當振動強度選擇恰當時，在振動攪拌過程中，沿徑向分布的同一粒徑的顆粒所獲得的動能近乎相等，說明振動攪拌可以在一定程度上消除攪拌低效區。