基于EDEM的立式骨料旧砂浆去除机的除砂浆规律研究

刘宝?赵宁宁?常德凡

摘 要 随着建筑业的飞速发展，长期对砂石骨料等自然资源的肆意开采，产生了大规模废弃混凝土，对于废弃混凝土资源回收利用迫在眉睫。本文通过立式骨料旧砂浆去除机，利用EDEM软件对多块物料旧砂浆去除规律进行仿真实验研究，结果表明，在仿真范围内，转子转速和叶片安装角对物料表面水泥砂浆的脱落影响较大，得到一组最佳方案：物料数量6块、转子转速400rpm、叶片安装角45°、腔体倾角45°，通过该方案验证了物料集群间摩擦效应带来旧砂浆的明显脱落。

关键词 骨料;仿真研究;EDEM;旧砂浆

引言

针对再生骨料本身的性质缺陷，如：表面附着大量水泥砂浆等，目前主要采用物理强化法研究，如：三菱公司研究加热研磨法，对骨料进行高温、脱水、研磨处理，达到去除砂浆的目的[1-2];李秋义等人研发机械强化技术，通过骨料高速自击和摩擦作用除砂浆[3-4];姬永生等人设计了再生骨料砂浆剥离装置，通过骨料与搅拌器间的摩擦，去除骨料表面的砂浆[5]。

本文在研究分析颗粒离散元理论及总结立式破碎机结构和工作原理的基础上，通过设计一种立式骨料旧砂浆去除机结构，利用正交仿真实验探究骨料旧砂浆的去除规律。

1立式骨料旧砂浆去除机结构及工作原理

立式骨料旧砂浆去除机结构如图1，分为6个部分：进料口、装置外壳、腔体、转子、电机箱、集料器。工作过程大致可分三个阶段：进料、除砂浆、排料。进料阶段，物料通过进料口竖直落入装置内部，经分料锥作用后把物料均分到转子内;除砂浆阶段，物料与叶片和转子内凹面的摩擦使物料脱落部分砂浆，物料离开转子进入腔体，与腔体内壁的摩擦使物料再次脱落一部分砂浆;排料阶段，物料经转子和腔体作用后从出料口排出，进入集料器。

2仿真模型建立与结果分析

2.1 仿真模型的确立

普通混凝土粗骨料粒径取值为5～40mm，细骨料粒径取值为0.16～5mm，为便于构建物料模型，选择骨料粒径为25mm，细骨料粒径为2.5mm，每个物料均简化为正四面体状，如图2，颗粒间共有三种键：骨料-骨料键、骨料-水泥键、水泥-水泥键。装置的仿真模型如图3，仿真因素水平取值见表1。

2.2 结果分析

仿真实验完毕后，结果见表2。其中K为某因素一水平实验结果的和，k为K的均值，均值k越大，则说明水平选取越好;极差为某因素各水平值差值的最大值，极差越大，则说明因素对结果的影响更加显著。

水泥脱落率与骨料损失率结果分析如下：

通过图4可以得出，各因素对水泥脱落率影响大小排列顺序为：叶片安装角>转子转速>物料数量>腔体倾角，最佳因素为叶片安装角;对骨料损失率影响大小排列顺序为：转子转速>叶片安装角>腔体倾角>物料数量，最佳因素为转子转速，最佳水平为400rpm。

图4（a）中k1-k2之间，随着腔体倾角的增大，水泥脱落率降低幅度较大，k2-k3之间，水泥脱落率降低幅度较小;k1-k3之间，叶片安装角逐渐增大，水泥脱落率快速增加到平缓增加，转子转速逐渐增大，水泥脱落率快速增加到平緩减小，腔体倾角、叶片安装角、转子转速三个影响因子在k2处的水泥脱落率取值无明显差别;随着物料数量k值增加，水泥脱落率直线向下，实际应用中受转子直径等因素限制，导致转子不能容纳太多物料，在一定范围内，物料数量越多对骨料损失率的影响虽越小，但水泥脱落率也会随之降低，考虑到工作效率，物料填入量应不宜过大。在图4（b）中，k1-k2之间，骨料损失率随着物料数量的k值增加而大幅减小，k2-k3之间，骨料损失率增加趋势及其平缓，在k2处取得极小值，此时转子转速为400rpm、叶片安装角为45°、腔体倾角为45°。

综上所述，在实验范围内，最佳方案为：物料数量6块、转子转速400rpm、叶片安装角45°、腔体倾角45°，即实验2号方案。

对实验2分析可知，叶片与物料接触至第一个物料飞离转子的时间段为1.505～1.588s，该仿真时段内，物料开始与叶片接和物料到达叶片弧型面与盛料盘内壁面结合处时，物料集群效应较明显，这两个时刻段大致在1.510～1.525s和1.570～1.588s，如图5，在1.510～1.513s、1.514～1.516s、1.573～1.575s、1.577～1.579s时间段内的曲线段斜率明显存在突变，表明物料之间摩擦效应能导致水泥颗粒的明显脱落。

3结束语

本文通过对多物料的仿真实验研究，分析了物料数量、转子转速、叶片安装角和腔体倾角四因素与物料旧砂浆去除规律之间的关系，得出结论：仿真范围内，转子转速和叶片安装角实验结果影响较大，腔体倾角和物料数量对其影响较小，最佳方案是：物料数量6块、转子转速400rpm、叶片安装角45°、腔体倾角45°;对最佳方案进行分析，验证了物料集群间摩擦效应带来水泥颗粒明显脱落的现象。

参考文献

[1] 全洪珠，立屋敷久志，嵩雄等.各种水泥使用高强度混凝土回收的高度化处理再生骨材的诸性质（第2报）[r].日本建筑学会学术演讲集，2002;8：17-1020.

[2] Japanese Road Association. Guideline for Recycling Pavement Technology in Plant [Z] In Japanese，1993：25-26.

[3] 李秋义，李云霞，朱崇绩，等. 再生混凝土骨料强化技术研究[J]. 混凝土，2006，（1）：74-77.

[4] 李秋义. 再生混凝土强化技术研究[J]. 混凝土，2006，（1）：74-77.

[5] 姬永生，徐圣楠，张莉，等. 一种再生混凝土粗骨料砂浆剥离装置[P].中国专：CN108483961A，2018-09-04.

作者简介

刘宝（1969-），男，河南省焦作市;学历：博士，教授，现就职单位：河南理工大学 机械与动力工程学院，研究方向：现代机械装备与计算机测控。