混凝土拌合過程電流信號特征及影響因素研究

張毅， 何彥琪， 蔣震， 劉斌

（中建西部建設(shè)湖南有限公司）

1 引言

近年來，隨著商品混凝土原材料供應(yīng)的變化，如機(jī)制砂、石粉、外加劑等的使用，混凝土的性能較以往更容易出現(xiàn)波動[1]，給預(yù)拌廠質(zhì)量控制提出了更高的要求。新拌混凝土性能直接影響著混凝土運輸、澆筑、成形及到場交付等關(guān)鍵環(huán)節(jié)，而通常預(yù)拌廠混凝土出廠檢測主要依靠質(zhì)檢員的經(jīng)驗或坍落度指標(biāo)進(jìn)行判斷，其做法不僅存在因人而異的不穩(wěn)定性風(fēng)險，而且也無法做到出機(jī)前的及時檢測和調(diào)整[2-3]，難以滿足預(yù)拌廠新拌混凝土質(zhì)量控制的要求。

電流信號是混凝土拌合過程中產(chǎn)生的電學(xué)信號，具有直觀、實時、易獲取等特點。相關(guān)研究表明，新拌混凝土的某些性能與攪拌機(jī)消耗功率存在關(guān)聯(lián)[1,4]，例如勻質(zhì)性[5]。基于這一事實，本文研究了新拌混凝土拌合過程的電流信號規(guī)律及其影響因素，旨在為進(jìn)一步通過電流信號實時監(jiān)測新拌混凝土性能提供基礎(chǔ)依據(jù)和參考。

2 新拌混凝土拌合過程及電流信號

2.1 新拌混凝土拌合過程分析

新拌混凝土的拌合過程是各種原材料在攪拌主機(jī)作用下由散亂狀態(tài)混合為均勻狀態(tài)的過程[2]，也是攪拌葉片克服拌合物作用力做功、由電能轉(zhuǎn)化為動能的過程。通常包括投料、攪拌、穩(wěn)定和放料幾個階段[6]。投料階段--各原材料投入攪拌筒內(nèi)，呈散亂不均勻狀態(tài)，攪拌葉片主要受原材料重力、砂石之間的嵌擠力和摩擦力作用；攪拌階段--物料投畢，材料混合均勻，水泥漿體形成，重力恒定、嵌擠力和摩擦力不斷減小，粘聚力形成；穩(wěn)定階段--材料拌合充分，呈懸浮狀態(tài)，受力穩(wěn)定；放料階段--混凝土放出，重力不斷減小，其他力較為穩(wěn)定[7-8]。

2.2 拌合過程電流信號的獲取

電流信號是攪拌主機(jī)在新拌混凝土成形過程中產(chǎn)生的重要電學(xué)信號。本文依托拌合站生產(chǎn)線的混凝土流變性能動態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)主機(jī)BY-DTJK 19/A型（見圖1），對攪拌全過程的電流信號進(jìn)行記錄。表1為記錄的部分電流信號數(shù)據(jù)，包括時間及其對應(yīng)電流、電壓和小門開關(guān)狀態(tài)。

表1 某新拌混凝土成形過程對應(yīng)電流信號數(shù)據(jù)（截取）

圖1 電流信號實時監(jiān)測主機(jī)

圖2為通過新拌混凝土電流信號實時監(jiān)測主機(jī)采集的某項目某車5個盤次C30混凝土生產(chǎn)過程的電流信號，由于不同盤次間隔時間很短，所使用的原材料、配合比、攪拌方量、設(shè)備狀態(tài)可以視為相同。可以看出，各盤次拌合過程電流信號曲線具有顯著的一致性，且表現(xiàn)出先以較快的速度增大至峰值（稱為峰值電流），隨后經(jīng)歷電流較快降低、基本穩(wěn)定、逐漸降低的變化過程，其變化趨勢與進(jìn)料、攪拌、穩(wěn)定及放料等過程的受力相對應(yīng)。

圖2 電流信號散點圖（C30）

2.3 拌合過程與電流信號的關(guān)聯(lián)分析

在轉(zhuǎn)速恒定和電壓恒定條件下，攪拌主機(jī)功率將隨受力大小變化而變化[4]。圖3是拌合過程與電流信號的關(guān)聯(lián)關(guān)系，新拌混凝土拌合過程是電能轉(zhuǎn)化為動能，進(jìn)而轉(zhuǎn)化為克服重力、嵌擠力、摩擦力、粘聚力等做功的過程，不同拌合過程的總做功大小具有差異，同一攪拌過程的不同時刻的瞬時功率的大小也是不斷變化的。

圖3 新拌混凝土拌合過程與電流信號的關(guān)聯(lián)路徑

3 電流信號影響因素及分析

研究影響電流信號的因素及分析其規(guī)律是進(jìn)行電流信號表征新拌混凝土性能的基礎(chǔ)，具有十分重要的意義。按照來源，影響因素可以分為性能因素（內(nèi)因）和生產(chǎn)因素（外因）（見圖4）。其中，包括原材料種類、配合比以及標(biāo)號在內(nèi)的性能因素主要是通過改變新拌混凝土的內(nèi)摩擦力、嵌擠力、粘聚力等內(nèi)力來影響電流信號；而攪拌方量、攪拌機(jī)等生產(chǎn)因素則是通過影響攪拌機(jī)所受重力、外部摩擦力等來影響電流信號。

圖4 電流信號的主要影響因素

3.1 性能因素對電流信號的影響

為研究混凝土稀稠狀態(tài)對電流信號的影響，通過目測和坍落度指標(biāo)對新拌混凝土的狀態(tài)進(jìn)行了稀、干和正常三種狀態(tài)的評價，選取三種狀態(tài)共6組新拌混凝土的電流信號計算了對應(yīng)電流信號散點圖（曲線）（見圖5）的平均斜率，結(jié)果如表2所示。

表2 不同狀態(tài)混凝土及電流信號參數(shù)

圖5 1#～6#測試組對應(yīng)的電流曲線散點圖（曲線）

從表2和圖5可以看出，不同狀態(tài)的混凝土對應(yīng)的電流曲線在形態(tài)上具有明顯的差異，即空載電流、峰值電流和穩(wěn)定電流及對應(yīng)時間等存在顯著不同。通過分析其峰值電流、穩(wěn)定時間及所用時間進(jìn)行平均斜率的計算，可以發(fā)現(xiàn)，新拌混凝土狀態(tài)越干稠（坍落度越小），對應(yīng)電流曲線的平均斜率絕對值越大，表明電流信號在攪拌階段下降速度越快（電機(jī)功率下降越迅速）。結(jié)合穩(wěn)定階段的受力分析，在平均斜率計算區(qū)間（攪拌階段），主要是混凝土內(nèi)部摩擦力、嵌擠力、粘聚力變化的過程，當(dāng)新拌混合料過稀時，常常伴隨著泌水、骨料分離的現(xiàn)象，材料均勻性差，骨料間的嵌擠力和摩擦力仍十分明顯，下降速度慢且水泥漿體的潤滑作用有限，骨料間的嵌擠力和摩擦力下降較快，表現(xiàn)為攪拌過程電流降低過程較為緩慢；而當(dāng)新拌混凝土處于正常和過干狀態(tài)時，內(nèi)力變化穩(wěn)定，比起過稀狀態(tài)時，混凝土屬于懸浮狀態(tài)，內(nèi)部嵌擠力和摩擦力較小，電流（功率）下降速度較快。

此外，本文還對比了不同標(biāo)號（C30、C35、C55、C60）新拌混凝土拌合過程的電流信號。如圖6所示，標(biāo)號的變化直接影響峰值電流、穩(wěn)定電流和對應(yīng)時間等。究其原因，是因為標(biāo)號變化意味著原材料、配合比的變化，進(jìn)而改變新拌混凝土內(nèi)部的嵌擠力、摩擦力、內(nèi)聚力等，引起攪拌機(jī)功率的變化。

圖6 不同標(biāo)號對應(yīng)的電流信號散點圖

3.2 生產(chǎn)因素對電流信號的影響

圖7是相鄰車次（一車4或5盤）、攪拌方量分別為2.6、2.8和3.0方的混凝土拌合過程對應(yīng)的電流散點圖，由于時間間隔很小、原材料、配比相同，可認(rèn)為除攪拌方量之外，其他因素均相同。可以看到，攪拌方量的不同在電流信號上的變化主要體現(xiàn)在峰值電流和穩(wěn)定電流信號上，攪拌方量為2.6、2.8和3.0方對應(yīng)的峰值電流平均值分別為：106.0A、104.2A和112.2A，穩(wěn)定電流則分別為：69.2A、70.3A和71.8A。

圖7 不同攪拌量對電流信號的影響

進(jìn)一步地通過分析獲取的不同攪拌方量及對應(yīng)空載電流、峰值電流和穩(wěn)定電流（見表3），假設(shè)攪拌方量為0時的峰值電流和穩(wěn)定電流均為空載電流的值）。結(jié)果表明攪拌方量與峰值電流以及穩(wěn)定電流存在線性關(guān)系（見圖8）。

表3 不同攪拌方量的電流信號特征值

圖8 攪拌方量與電流特征值的關(guān)系圖

圖9為同一配比（C30）在固定生產(chǎn)線在不同時間點（攪拌機(jī)狀態(tài)不同，主要差別為攪拌罐罐壁殘留混凝土情況）生產(chǎn)過程的空載電流記錄，在記錄的30天內(nèi)該生產(chǎn)線的空載電流呈現(xiàn)出較大的周期性波動。其最大差值達(dá)到了12.76A，表明攪拌主機(jī)狀態(tài)對電流信號空載電流的影響是明顯的。是由于生產(chǎn)線（攪拌機(jī)）使用一段時間后，罐壁會殘留部分混凝土，并隨著時間不斷加厚，導(dǎo)致攪拌葉片空轉(zhuǎn)時與罐壁的摩擦力大小的變化，從而導(dǎo)致功率（空載電流值）大小的變化，而其周期性的波動，則主要與拌合站生產(chǎn)線周期性的清罐維護(hù)相關(guān)。

圖9 不同時間攪拌機(jī)的空載電流

4 結(jié)語

①新拌混凝土拌合過程主要受到重力、嵌擠力、摩擦力、粘聚力等，其受力種類及大小的變化是新拌混凝土攪拌過程變化的實質(zhì)，是引起攪拌機(jī)電流變化的內(nèi)在原因。

②新拌混凝土拌合過程的電流信號受性能因素和生產(chǎn)因素的影響。其中，稀稠狀態(tài)變化表現(xiàn)為電流信號曲線穩(wěn)定階段平均斜率的變化；混凝土標(biāo)號越高，對應(yīng)的峰值電流、穩(wěn)定電流和所用時間均有所增長；攪拌方量主要影響峰值電流、穩(wěn)定電流的數(shù)值；而攪拌主機(jī)罐壁殘留混凝土狀態(tài)將顯著影響空載電流的大小。

③新拌混凝土電流信號與其拌合過程具有良好的關(guān)系性，對其出廠質(zhì)量檢測具有重要應(yīng)用價值，但其影響因素較多且機(jī)理較為復(fù)雜，因而需要進(jìn)一步對電流信號信息進(jìn)行篩選和挖掘。