基于超细灌浆水泥的双轴逆向制浆机设备性能及适用性试验

蒋海云 ，张伦超 ，徐剑飞 ，徐军阳 ，4，马晓辉 ，4，龚宏伟

（1.国网新源控股有限公司，北京市 100761；2.江苏句容抽水蓄能有限公司，江苏省句容市 212400；3.河海大学土木与交通学院，江苏省南京市 210098；4.河海大学设计研究院有限公司，江苏省南京市 210098；5.江西大地岩土工程有限公司，江西省九江市 332000）

0 引言

随着灌浆技术的发展，该技术应用越来越广，配套的设备和技术也越来越智能化和高效化。对于水泥基灌浆材料，工程实践表明，为保证浆体的穿透性，制浆材料颗粒粒度D85的平均颗粒尺寸须小于裂隙宽度的1/5；而普通波特兰水泥所拌浆体穿透宽度大于0.5mm的裂缝效果较好，而更窄的裂缝则较差，甚至不能灌进去[1-5]。在某些特殊灌浆工程中，如拟灌岩体裂隙较窄（＜0.5mm）时，为保证灌浆效果，将不得不采用超细水泥。与普通水泥相比，超细水泥的平均粒径在4μm以下，超细水泥在搅拌工程中具有水化速度快、结团等不利现象。这将影响制得浆体的性能，即影响浆体的可灌性。所以，在拌制超细水泥浆体时，对制浆设备要求较高。双轴逆向制浆机的设计正基于此点目标，注重制浆质量和性能要求满足规范和实际项目要求。

目前实际工程应用中，根据搅拌原理可将制浆机分为胶体磨式、叶片式和喷射式3种[6]。其中，胶体磨式的工作原理是利用叶片高速旋转，剪切浆体并形成涡流使浆体充分混合，特点是制浆效率高、可拌制高黏度浆液，但设备结构复杂、总成本较高等；叶片式的工作原理是旋转叶片将浆液抛向桶壁上的固定折流器，而使浆体被混合，特点是制浆效率低，但设备结构简单，综合成本低等；喷射式的工作原理是利用高速水流喷入搅拌腔内产生真空，将料斗中干料吸入搅拌腔，并喷射水流混合，形成浆体，特点是设备结构简单、效率较高，但浆体均匀性较差。

当然，水泥基灌浆料在岩体中的灌注效果不仅仅与水泥颗粒磨细度程度有关，还有其他影响因素，如浆体水灰比、裂缝表面粗糙程度和灌浆压力等。对于灌浆物料能否其最佳特性，搅拌机担负着主要角色。目前超细灌浆水泥主要采用高速制浆机制浆，设备转速一般不小于1200r/min[7]，制浆量受单轴影响较大。设计的双轴逆向制浆机将是一次新的技术创新，本文结合该制浆机的设计和试验测试结果，评价其性能和适用性，为该设备的应用提供参考，特别是超细灌浆水泥浆料的拌和。

1 双轴逆向制浆机简介

1.1 设备设计背景

在灌浆工程中，水泥基浆液搅拌一般采用中心轴加两翼叶片的制浆机。该类型制浆机工作原理是：搅拌介质在离心力作用下，一是与搅拌桶内壁进行碰撞使团状搅拌介质产生分离，二是相互运动的搅拌介质间进行摩擦、碰撞使其搅拌介子也产生分离从而达到混合。特点是中心轴转速越高，离心力越大，单位时间内搅拌介质摩擦、碰撞的次数就越多，搅拌的效果就越好。可分为高速搅拌机和低速搅拌机两种。该类设备的搅拌桶直径的大小也影响着搅拌效果，其直径越大，搅拌效果也相对较差，这是因为搅拌介质与搅拌桶内壁摩擦、碰撞的次数减少所致。所以，搅拌效果的好坏限制了搅拌桶的直径大小，也就限制了制浆量的大小，对于大体量灌浆工程势必影响其应用。还有将浆液搅拌设备设计为偏心轴式的，其搅拌效果比中心轴方式要好些，但也受搅拌桶直径所限，制浆量受到限制，无法满足大灌浆量项目所需。在实践中，设计出一种能满足较大灌浆量要求，又能满足超细粒径介质搅拌的浆液要求的制浆设备，具有重要的意义。

1.2 工作原理

双轴逆向制浆机的工作原理是利用逆向旋转的两根轴（叶片）使拌和水裹挟着水泥（或其他介质）碰撞制浆桶内壁的同时，两股逆向旋转浆液也结合部进行相互碰撞，并形成紊流使碰撞次数成几何式增加，更利于拌和物搅拌均匀；双轴逆向制浆机两轴搅拌可以适量加大搅拌桶的体积来满足工程所需量的需求；因为搅拌方式有所变化，通过特有的机械传输方式降低了转速加大了扭矩，而利于搅拌粒径更小的介质。双轴逆向制浆机结构示意图如图1所示。其中，1为动力电机，2为皮带轮，3为皮带，4为进灰口，5为出浆口，6为检修舱门，7为进水口，8为减速机，9为连接滚子链联轴器，10为小伞形齿轮，11为大伞形齿轮，12为联轴器，13为左搅拌轴，14为搅拌叶，15为搅拌桶，16为减速机。

图1 双轴逆向制浆机结构示意图（a）立面图；（b）平面图Figure 1 Schematic diagram of double axis reverse pulping machine structure

1.3 性能参数

双轴逆向制浆机为全封闭式的卧式灰罐智能制浆系统的制浆设备部分。该制浆智能系统上部为全封闭卧式灰罐，下部由供水系统、配料系统、双轴逆向旋转搅拌制浆系统、控制系统、供浆系统组成，水泥浆液拌制采用电子计量，全封闭式制浆作业。采用散装水泥，节约水泥包装、装卸、拆装等成本，并避免制浆过程的扬尘现象，达到了节能减排功效。双轴逆向制浆机的性能参数如表1所示。

2 与其他设备对应指标对比分析

2.1 200/250L双层低速制浆机

通过电动机带动搅拌轴（54r/min）转动，进行水泥浆液拌制，上层搅拌，下层储浆，克服灰浆易产生离析或沉淀的弊病，确保灰浆泵吸料均匀，出料顺利，适用于普通水泥制浆，如图2（a）所示。

2.2 200L高速制浆机

通过电机使叶轮1440r/min高速转动形成涡流制浆，具有制浆速度快、浆液搅拌均匀等特点，适用于普通水泥及超细水泥等灌浆材料制浆，如图2（b）所示。

2.3 600L双轴逆向制浆机

电机带动两根带叶片的搅拌轴逆向200r/min转动，带动水泥浆液旋转并使水泥浆液激烈碰撞形成紊流，从而使浆液搅拌均匀，如图2（c）所示。

3 制浆浆体测试结果分析

3.1 试验设计

本文主要对比双轴逆向制浆机与200/250L双层低速制浆机、200L高速制浆机的制浆性能参数，验证600L双轴逆向制浆机性能优劣及工程应用可行性。试验性能指标包括旋转黏度和马氏漏斗黏度。原材料有水泥A：42.5级海螺牌普通硅酸盐水泥，比表面积为365m2/kg；水泥B：三宝牌改性灌浆超细水泥，比表面积为889m2/kg；水泥C：三宝牌磨细水泥，比表面积为675m2/kg。试验水灰比分别为0.6、0.8、1、2、3。

制浆机搅拌效率主要体现在所拌浆液的流动性能和介质分散性。本试验以浆体流动性指标来分析双轴逆向制浆机的改进效果，以期评估搅拌超细介质时双轴逆向制浆机是否可以替代高速搅拌机。介质分散性采用目测法评价。

图2 试验中所使用各制浆机实物图（a）200/250L双层低速制浆机；（b）200L高速制浆机；（c）双轴逆向制浆机Figure 2 Drawing of each pulping machine used in the test

3.2 试验结果及分析

3.2.1 搅拌时间对浆液流动性的影响

为了解制浆机搅拌时间对浆液的影响，以水泥C为搅拌介质。高速制浆机与双轴逆向旋转制浆机的搅拌时间分别为2、4、6、8min，测试结果如图3所示。

由图3可知，当超细水泥C水灰比小于等于1时，不管高速搅拌机还是双轴逆向搅拌机，浆液黏度随着搅拌时间的增加而减小；对于水灰比大于1时，变化则不明显。当浆体搅拌4min时所测旋转黏度与搅拌2min相比，减小10%～25%；而搅拌时间超过4min后，随搅拌时间的增加，旋转黏度变化趋于稳定。

3.2.2 旋转黏度试验及分析

旋转黏度试验所采用得设备为NDJ-8S数显粘度计。试验工况主要考虑不同水灰比、不同制浆设备。转子和转速参考NDJ-8S数显粘度计使用说明书执行，与浆体水灰比相关。因为超细水泥采用低速制浆机拌制时，水泥浆液有明显的大团块，无法搅拌均匀，浆体质量较差，所以图4中（b）和（c）图只反映高速制浆机和双轴制浆机测试结果，所测得各试样的旋转黏度如图4所示。

图3 制浆机搅拌时间与浆体旋转黏度的关系图（a）高速制浆机；（b）双轴逆向旋转搅拌机Figure 3 Relationship between mixing time and slurry viscosity of pulping machine

由图4（a）可知，当浆液水灰比大于1时，3种制浆机所拌水泥A（普通硅酸盐水泥）浆液旋转黏度相差不大；当浆体水灰比小于1后，高速制浆机所制浆体的旋转黏度值为164.5MPa·s，低速制浆机所测的旋转黏度值为242MPa·s，双轴逆向制浆机所拌浆体对应旋转黏度为218.5MPa·s。一般情况下，浆液的黏度越小，则可灌性越好，说明普通水泥采用高速制浆机较双轴逆向制浆机的制浆效果较好，而低速制浆机搅拌效果最差[7-8]。

由图4（b）和（c）可知，当水灰比大于2时，高速制浆机与双轴逆向制浆机所拌制的浆液旋转黏度大致相当，双轴逆向制浆机略优于高速制浆机。当水灰比小于2时，双轴逆向制浆机所搅拌的浆液旋转黏度较高速制浆机的低。其中在水灰比为0.6时，相对高速制浆机，对于水泥B浆体，双轴逆向制浆机所搅拌的浆液旋转黏度降低了19%，水泥C浆体旋转黏度降低了12.3%。说明对于超细水泥，采用双轴逆向搅拌机较高速制浆机所拌制的浆液的可灌性更好。

3.2.3 马氏漏斗试验及分析

马氏漏斗试验为将马氏漏斗内装有1500mL的水泥浆液自由落体流出，流满946mL容量瓶时所需的时间，单位为s。时间越短说明浆体流动性越好[9-10]。

由图5（a）可知，当水灰比大于0.8时，3种制浆机所拌普通硅酸盐水泥浆液马氏黏度相差不大；当水灰比小于0.8时，3种制浆机所拌浆液的马氏黏度的大小顺序是：低速制浆机>逆向双轴制浆机>高速制浆机。其中水灰比为0.6时，高速拌制的浆液马氏黏度比低速拌制的小12.3%，而比双轴逆向制浆机的小4.9%。

由图5（b）和（c）可知，当水灰比大于1时，高速制浆机与双轴逆向制浆机所拌制的浆液马氏黏度大致相当；当水灰比小于1时，双轴搅拌机拌制的浆液马氏黏度比高速搅拌机拌制的大。其中水灰比为0.6时，对于水泥B浆体，双轴逆向旋转制浆机所拌浆液马氏黏度较高速制浆机的增加了18%，而水泥C浆体则增加了9.3%。

另外，从观察马氏漏斗滤网上的残余料渣发现，随着浆液水灰比的减小，水泥浆包裹末充分搅拌的水泥小悬浮颗粒相应增多，低速搅拌机的滤网残余量最多，其次为双轴逆向搅拌机，高速制浆机最少。

图4 不同浆体的旋转黏度（a）水泥A浆体；（b）水泥B浆体；（c）水泥C浆体Figure 4 Rotation viscosity of different paste

3.2.4 浆体介质分散性分析

水灰比大于1的水泥浆液，经制浆机充分搅拌，3种制浆机所形成的浆液黏度基本一致，悬浮的水泥团粒也较少。当水灰比小于1时，低速制浆机就不适宜浓浆搅拌，浆液搅拌不均匀，存在大形团块；水灰比越小，情况越严重，这对灌浆将造成不利影响。

高速制浆机和双轴逆向制浆机所形成浆液黏大致接近，但在水灰比小于等于1后，双轴逆向搅拌机的拌和的悬浮（表面浆液包裹的水泥）水泥颗粒较高速搅拌机的多，分析主要原因为浆液拌制过程中，双轴逆向搅拌机没有采用边搅拌边加水泥拌和，在水灰比较小的情况下，容易在水泥表面形成浆膜，不能使水泥充分水化，形成颗粒。

图5 不同浆体的马氏漏斗黏度（a）水泥A浆体；（b）水泥B浆体；（c）水泥C浆体Figure 5 Viscosity of marsh funnel of different paste

4 结束语

通过不同制浆机所拌浆体的黏度和均匀性分析，双轴逆向制浆机适用于超细水泥浆体拌制，相比高速制浆机有一定的优点。通过对比试验可得出如下结论：

（1）双轴逆向旋转制浆机所制水泥浆液能满足灌浆规范要求，设备技术经济性较好，特别是超细水泥介质。

（2）对于拌制超细水泥浆液，采用高速或双轴逆向旋转制浆机搅拌时，最佳拌制时间为3～4min。

（3）从浆体介质分散性看，高速制浆机最好，双轴逆向制浆机次之，低速制浆机最差，特别当浆液水灰比小于1时。所以双轴逆向制浆机可应用于灌浆工程。