强制式搅拌机在水工混凝土生产中应用的分析与探讨

（郑州三和水工机械有限公司，河南 郑州 450120）

混凝土搅拌机按搅拌机理的不同，可分为自落式和强制式两种型式。在水电大坝建造中，主要采用双锥形，上仰15°，前端进料，倾翻出料的机型。该搅拌机由美国约翰逊公司推出，在美国上世纪前、中期水电大规模开发时得到广泛应用。其后，在法国、意大利、日本以及我国生产的搅拌楼上，也主要配用此机型。

强制式搅拌机起源于德国，并在世界各地得到广泛应用，强制式搅拌机有立式盘形和单卧轴、双卧轴等多种机型。双卧轴强制式搅拌机于1888年由德国BHS-桑索霍芬公司发明推出。经过上百年的竞争发展，目前，双卧轴型式已确立为主导机型。

1 自落式和强制式搅拌机的定性比较分析（相同容量机型）

1）设备结构和制造难度，自落式较简单；

2）设备自重，两者差别不大；

3）生产效率，强制式比自落式高1倍以上；

4）搅拌性能和质量，强制式远优于自落式；

5）电动机功率，强制式比自落式大1～2倍，但以单方混凝土计的单位能耗两者基本相当，或强制式比自落式更省；

6）对粗骨料粒径的适应性，自落式适应性强，而强制式只有较大的机型才能搅拌较大骨料粒径的水工混凝土；

7）磨损件的消耗，强制式远高于自落式；

8）强制式搅拌机进料口与进料通道间是固定的，密封性好，而自落式的进料口回转，只能尽量减少而不易防止灰料不扬出。

2 搅拌机原理分析

混凝土搅拌机的作用是将分别计量的各种组分材料混合均匀，并使粗、细骨料的表面均匀裹上一层胶凝灰浆。

自落式搅拌机的搅拌过程主要是“拌”，而“搅”则居次。其搅拌过程由两部分组成：一是大部分物料堆积在拌筒下部，随叶片沿回转方向前进过程中，靠前的物料不断向后沿后续料堆表面滚落，起到搅拌作用；二是当叶片回转至一定高度时，把尚存于叶片上部的物料继续向上提升，后在重力作用下陆续洒落、拌合。根据美国混凝土建筑手册的推荐和我国的设计经验，搅拌筒内径最大处或叶片外缘处的线速度宜在1.42～1.58m/s之间。双锥形自落式搅拌机相应的转速按出料容量计1.0m³、1.5m³、3.0m³和4.5～5.0m³分别为15、13、10.5和9.5r/min。为获得合格的搅拌质量，根据试验和实际运行经验，需要较长的纯搅拌时间，分别为60～90s、75～90s、90～120s和100～130s，搅拌的混凝土坍落度高时取较短值，低时取较长值，但骨料粒径大小对纯搅拌时间并无明显影响。

双卧轴强制式搅拌机则是“搅”“拌”并重，其呈ω形的搅拌槽是固定的，通过设在槽内两个平行、相对回转轴具有一定偏角的叶片，深入混凝土组料对其进行强制性搅动，使槽内物料不断地进行左右、前后和上下三维交换。同时，由于物料是在相互间具有很大压强的情况下进行剪切滑动，大大提高了骨料表面的裹浆效率。

因此，强制式搅拌与自落式相比，具有以下两大显著优点：一是生产效率高，纯搅拌时间仅需20～30s[1]，仅为自落式的40～50%；二是搅拌出的混凝土质量高，双卧轴强制式搅拌机的搅拌轴上一般各设有7片（也有多至8～10片）铲刀，极大部分时间都是深入在组料内部对其进行搅动，且在全部搅拌区内不存在搅拌死角，搅拌出的混凝土中，各种组料尤其是胶凝粉料分布均匀，搅拌质量远优于自落式搅拌机，具体体现在采用相同配比时混凝土可获得更高的强度，或获得相同的强度时可节省10%左右水泥用量。同时，其搅拌出的混凝土在同一盘次中或前后盘次间离差系数小。

同时，其搅拌出的混凝土在同一盘次中或前后盘次间强度波动变化小，即离差系数或欧洲国家所称的强度变化系数小。

3 双卧轴强制式搅拌机在水工混凝土生产应用中的分析

双卧轴强制式搅拌机具有生产效率高和搅拌质量好两大突出优点，所以目前在世界各地和我国绝大部分混凝土生产中都已采用双卧轴强制式搅拌机。在水工碾压混凝土（RCC）生产中，我国目前大部分也已经采用双卧轴强制式搅拌机。但在四级配常态混凝土生产中，业内主导意见还是宜采用自落式搅拌机。

3.1 技术适应性

自落式搅拌机的叶片与筒体是固定的，相互间空间较大，因此，即使小型机也能搅拌最大骨料为150mm的四级配混凝土。而双卧轴强制式搅拌机由于有在物料内搅动的叶片，且搅拌阻力随骨料粒径的增大而增加，因此小型机不适应搅拌具有大尺寸骨料的混凝土。按实际使用经验，搅拌最大骨料粒径80mm的三级配混凝土应采用2.5～3.0立方及以上机型，骨料粒径150mm的四级配混凝土应采用4.5立方及以上机型。所以，双卧轴强制式搅拌机应用于四级配常态混凝土在技术上是适用的，只是由于搅拌大骨料混凝土时搅拌阻力要大一些，因此选用时应比搅拌一般建筑用商品混凝土加大一级机型[2]。

我国采用双卧轴强制式搅拌机搅拌四级配大坝混凝土始于上世纪90年代初的水口水电站二期混凝土系统。其后，三峡工程98.7高程混凝土系统、锦屏一级大坝、龙滩混凝土系统均采用德国BHS公司的双卧轴强制式搅拌机。在经受严酷工况和长时间连续高强度的运行中，该搅拌机不仅适用于搅拌四级配混凝土，且其搅拌效率和搅拌质量也远优于自落式搅拌机。因此，只要选型得当，双卧轴强制式搅拌机不仅能够适应四级配混凝土，而且能够搅拌出比自落式质量更优的各种类型的水工混凝土。

3.2 运行经济性

1）双卧轴强制式搅拌机经济性的最大正面因素是搅拌质量好。在水口水电站实际生产过程中，对比结果如下：

①同一标号且相同配比的混凝土，强制式比自落式的强度均值高11.5%～18.3%。

②当获得相同强度时，强制式比自落式搅拌可减少水泥用量10%～15%；

③强制式搅拌混凝土的离差系数均值为0.14，而自落式为0.17，即前者不同盘次和同一盘次中取样的混凝土比较均匀，强度波动小20%左右。

2)双卧轴强制式搅拌机经济性的最大负面因素是叶片和衬板的磨损比较大；磨琢性高的石英砂岩和花岗岩与磨琢性最低的灰岩和安山岩相比，叶片、衬板等耐用寿命可相差5～10倍。水口水电站的骨料为天然砂卵石，其中少部份大骨料由超径料人工破碎。据统计，中下部最易磨损部位的衬板平均耐用寿命为1.2万盘次，叶片为1.7万盘次。平均每搅拌1m³混凝土的耗钢量为0.05kg，按当时价格折合费用为0.2元/m³。

3）搅拌能耗。就搅拌二级配普通混凝土而言，相同容量的双卧轴强制式搅拌机的功率约为自落式的2倍，强制式搅拌时间短，不到自落式的一半，所以搅拌单方混凝土的电耗低20%以上。但搅拌大骨料的水工混凝土时，强制式的机型要加大一挡，电机功率约为自落式的3倍，但考虑到搅拌时间，两种机型搅拌单方混凝土的电耗基本相当。

4 搅拌机搅拌时间

1）我国DL/T5144-2001《水工混凝土施工规范》规定的最少拌和时间，拌和机容量大于1m³小于等于3m³时，自落式为120s，强制式为75s，大于3m³时,自落式为150s，强制式为90s。

通过搅拌机电机电流的变化可以辨别混凝土搅拌的成熟程度，一般规律是开始进料后电机电流迅即上升，并随进料的增加而增大，约10～15s时达到峰值，随着搅拌的进行，电流均值逐渐下降，渐趋平缓，表明混凝土已基本搅拌成熟。大型机功率曲线的拐点约在进料结束后30～35s，此后电流虽还会有些下降，但更趋平缓。

2）搅拌碾压混凝土时是否需要延长搅拌时间

搅拌机的作用，一是将组料拌匀，二是使骨料表面充分裹浆。碾压混凝土的密实过程是，在碾轮的重力和激振力的作用下，将粗骨料向较小的组料中挤，砂浆、浆液和空气则被挤流向较粗组料的空隙中。碾压时，碾轮下的混凝土形成三角形分布，浆液在大压力条件下沿骨料表面进行挤动，使骨料表面得到又一次裹浆的机会，即使在搅拌时有一部分表面裹浆不太好的骨料，经多次反复碾压，裹浆情况会得到补偿而改善[3]。而常态混凝土的密实过程是利用振捣器的振动力使周边混凝土组料处于振动状态而减少内磨擦，在重力作用下，较细的物料流向并填充较粗物料间的空隙，多余的浆液浮向表层，并将绝大部分的空气赶出。

因此，碾压混凝土的搅拌时间，不仅不需延长，甚至可以适当减少，以提高设备的生产能力，并节省成本。

5 小结

1）双卧轴强制式搅拌机的搅拌机理比自落式先进，具有搅拌质量好、生产效率高等显著优势，已成为各行业搅拌混凝土的首选机型。

2）双卧轴强制式搅拌机用于搅拌水工混凝土时，只要选用与骨料最大粒径相适应的较大机型，技术和性能上不存任何障碍，且同样具有搅拌质量好、生产效率高的优势。

3）强制式搅拌机纯搅拌时间应按厂家规定而不再人为延长，以避免无谓的增大能耗、磨耗和搅拌热，并降低搅拌成本。