单根轴上相邻两个搅拌臂的安装相位角布置有45°、60°和90°^[12],相邻搅拌臂相位布置越小在搅拌臂角速度一定的情况下物料获得越多的流动次数,但过小的相位布置会增加叶片的安装数量减小搅拌缸内有效搅拌空间,所以不宜采用45°相位角,为了使物料在轴向有更多的推搅频次,提高围流与对流的频次,选择单轴搅拌臂安装相位角为60°.

图1 围流与对流结合的料流运动形式
Fig.1 Mixture movement pattern by the wai flow and convective mixing flow

从单根搅拌轴上搅拌臂的相位方向与搅拌轴转动方向的关系来看,在单根搅拌轴上同一相位角的搅拌臂排列可以有正排列或反排列两种形式^[13].其中正排列的规定是:当逆着混凝土的流动方向观察时,搅拌装置上搅拌臂安装的相位方向与搅拌轴的转向相同; 若顺着混凝土的流动方向看,两者方向则相反; 反之则称为反排列.混凝土物料是以连续递推的形式向前流动的,正排列时当第一个推进搅拌叶片将物料向前推动后,需要转过一个搅拌臂安装角后到达下一个推进叶片,同一根搅拌轴上其他的4个正推搅拌叶片需要转过60°、180°、240°、300°才能到达返回搅拌叶片区域,完成混凝土物料的一次循环.反排列时第一个推进搅拌叶片将物料向前推动后,需要转过一个360°减去搅拌臂安装角的角度后到达下一个推进叶片,同一根搅拌轴上其他的4个正推搅拌叶片需要转过300°、600°、900°、1 200°才能到达返回搅拌叶片区域,完成物料的一次循环.因此,当搅拌叶片数目、单轴上搅拌臂安装相位角以及搅拌时间一定时,搅拌臂的正排列要比反排列推料快,在轴向混凝土获得的流动次数更多.通过上述分析确定单个搅拌轴上采用60°搅拌臂正排列安装,有利于混凝土物料获得较多的轴向流动次数.

双轴搅拌臂的安装相位是指两个搅拌装置在同一横截面上搅拌臂的相位关系,可分为两种情况:平行布置和交错布置.设计单轴上的搅拌臂安装相位角为60°在这个相对较小的安装相位角,如果双轴搅拌臂排列方式采用交错布置时,两个搅拌轴相邻的搅拌叶片到达横向交汇区的相位差最小值为30°,即两搅拌叶片到达搅拌区的时间很接近,由于混凝土在两根搅拌轴的横向是逆向运动的,这样就在搅拌交汇区域形成“堵塞”现象,破坏了整个搅拌筒内物料的流畅运动不利于混凝土物料的大循环流动.因此,双轴搅拌臂排列方式采用的是两轴正排列安装、两轴间平行布置的正正平行排列.

在2.1节分析中确定了单轴60°搅拌臂正排列安装的方案,但要达到在轴端形成两个对流区域的目的就必须考虑返回叶片与正推叶片间需要预留一定的交汇空间使得在搅拌时对流漩涡区能有空间和时间有效形成,所以只有7对搅拌叶片的情况下对搅拌叶片进行非连续排列以实现上诉功能,根据前面的分析对于单轴上的7个叶片,从功能上分为5个正推叶片和2个反推叶片,两个反推叶片需与5个正对叶片进行不连续布置,5个正推叶片中靠近轴端的2个正推叶片对应另一个搅拌轴上的是2个反推叶片,这两个正推叶片的功能就是把另一个轴上正反推叶片形成对流漩涡区的物料重新带入到沿轴向的围流大循环中,因此,这2个正推叶片也需要预留对流空间与其他3个叶片进行不连续排列,轴中间3个正推叶片主要形成轴向大循环围流; 这样7个叶片根据不同的功能分为2-3-2三组,三组间的相邻叶片需要不连续正排列,组中的叶片连续正排列.根据上述分析确定双轴搅拌臂的排列位置关系如图2所示.

图2 两搅拌装置的排列位置关系
Fig.2 Arrangement position between the twin mixing device

依据图2两搅拌装置的安装关系,得出表1所示的两轴各搅拌臂到达中央搅拌区域的相位角.

据表1中Ⅰ轴与Ⅱ轴上搅拌臂到达中央搅拌区域的相位关系,可以得出表2的搅拌装置Ⅰ_n -Ⅱ_n+1的对流相位差关系.

Ⅰ_n-Ⅱ_n+1以及Ⅱ_n-Ⅰ_n-1之间的对流相位差值的关系为(Ⅰ_n-Ⅱ_n+1)+(Ⅱ_n-Ⅰ_n-1)=360°.根据表2得出表3的搅拌装置Ⅱn-Ⅰn-1的对流相位差关系.

表1 两搅拌轴的各搅拌臂到达中央搅拌区域的相位角/(°)
Tab.1 Phase angle when each mixing arm of the twin shafts arrives the central region/(°)

表2 Ⅰn -Ⅱn+1的对流相位差关系/(°)
Tab.2 Phase separation ofⅠn-Ⅱn+1 by convective flow/(°)

表3 Ⅱn-Ⅰn-1的对流相位差关系/(°)
Tab.3 Phase separation of Ⅱn-Ⅰn-1 by convective flow/(°)

最终围流与对流相结合的搅拌机的双轴搅拌臂排列方案属于正正平行非连续排列方案,既避免了增加返回叶片数量后在两轴间横向交叉区出现“堵塞”现象,又保证搅拌装置实现大循环的前提下,调整单根搅拌轴上返回搅拌臂的安装相位角,给对流漩涡区预留了充分的交汇碰撞空间且无180°的大对流相位差,能够实现双卧轴搅拌机的高效搅拌.

双卧轴搅拌机的搅拌叶片安装角指的是搅拌轴中心线与搅拌叶片的迎料面之间所形成的锐夹角.双卧轴强制式搅拌机在工作时,具有合理安装角的搅拌叶片应能很好地推动混凝土物料沿搅拌筒体的轴向与横向两个方向上形成强烈有效的循环流动,安装角的取值范围一般在45～55°^[14],当叶片安装角为45°时搅拌叶片推动物料在轴向和横向两个方向上的物料速度相等且均衡,因此,国内外大多数搅拌设备的搅拌叶片的安装角常用值为45°.围流与对流相结合的搅拌机选择搅拌叶片的安装角度为55°.选择较大的搅拌叶片安装角度,在搅拌叶片径向速度满足混凝土搅拌要求的前提下,搅拌叶片轴向的分速度较大,能增加混凝土在搅拌筒体内沿轴向的大循环运动频次,这对加强对流运动的效果是有益的.

为了验证搅拌机的搅拌性能,设定在相同的材料和搅拌工艺下,测定不同的搅拌机新拌的混凝土的均匀性指标.试验材料根据《混凝土搅拌机》GB/T9142-2000(以下简称国标)的规定,选取混凝土强度等级为C20,塌落度5～35 mm,水泥用32.5R普通硅酸盐水泥,粗骨料5～25 mm碎石,中砂为细骨料,配比为:粗骨料、细骨料、水泥和水占百分比分别是53.1%、27.3%、12.8%和6.9%.试验时先投粗骨料、细骨料和水泥,在开始搅拌后加入称好的水,按设定的时间连续搅拌后将料卸出.为了验证搅拌机的搅拌能力除了设定“国标”规定的35 s搅拌时间外,还进行了30 s和25 s两个更短的搅拌时间搅拌试验.

“国标”规定从搅拌机卸出的长条形料堆左右两端1/5处,沿对角方向取样两份新拌混合料进行砂浆密度与单位体积粗骨料质量测定,并计算两处的砂浆密度相对误差ΔM和单位体积粗骨料质量相对误差ΔG,并满足ΔM<0.8%和ΔG<5%时认为搅拌均匀^[15].“国标”的规定仅是搅拌均匀合格性的判定不能评价搅拌均匀性的优劣,为了更科学的评价新拌混凝土的均匀性,应在长条形料堆1/5处、2/5处、3/5处和4/5处分别从料堆的两侧取样进行砂浆密度与单位体积粗骨料质量测定,除了按“国标”规定计算ΔM和ΔG外,还要计算8个试样砂浆密度平均值X^-_M、标准差σ_G、变异系数C_G和单位体积粗骨料质量平均值 、标准差 、变异系数,考察变异系数的大小来评价搅拌均匀性,变异系数越小表示均匀性越好.

通过100 L样机的搅拌试验,在对流与围流相结合的搅拌机进行搅拌试验时对拌缸中物料搅拌过程进行观察如图3所示,由图3可知搅拌时围流与对流相结合的搅拌装置把物料带入到一种新的混凝土物料搅拌状态,混凝土物料在两搅拌装置之间形成物料聚集区,并且聚集区的混凝土物料处于悬浮混合状态; 在搅拌轴轴向存在着强烈的对流流动,且在两搅拌装置之间存在着强烈的物料交叉运动,使混凝土在搅拌筒体内既有大围流循环流动,又同时存在两个对流漩涡区域,实现了混凝土的围流运动形式与对流运动形式的结合有效增加了搅拌强度.

表5给出了两种形式的搅拌机在不同搅拌时间搅拌出的新拌混凝土均匀性的试验结果.

图3 围流与对流结合的混凝土流动
Fig.3 The flow of concrete by the wai flow and convective mixing flow

表5 搅拌均匀性试验结果
Tab.5 Test results of mixing uniformity

由表5可知两种形式的搅拌机在“国标”要求的35 s搅拌时间里都能把混合料搅拌均匀,随着搅拌时间的减少两种搅拌机搅拌物料的砂浆密度变异系数和单位体积粗骨料质量变异系数都有不同程度的增大,表明随着搅拌时间的减少两种搅拌机的搅拌能力都有不同程度的下降,但以围流为主的搅拌机砂浆密度变异系数和单位体积粗骨料质量变异系数增大幅度较快,表明以围流为主的搅拌机缩短搅拌时间后搅拌能力在快速下降,当搅拌时间减少到25 s时以围流为主的搅拌机砂浆密度相对误差ΔM和单位体积粗骨料质量相对误差ΔG都超出了“国标”的要求,混合料均匀性不合格,而围流与对流相结合的搅拌机25 s搅拌出的混合料仍然是合格的混合料.从试验结果可以看出围流与对流相结合的搅拌机有更高的搅拌效率,相比普通的以围流为主的搅拌机搅拌时间减少大约20%.