王桂紅¹  樊新波²  陳健暉³  潘龍勛³

(1.長沙職業技術學院，湖南長沙 410217;2.湖南工業職業技術學院,湖南長沙 410208;

　　3.中聯重科股份有限公司，湖南長沙 410006)

摘　要：對現階段混凝土攪拌運輸車離析現象及影響參數進行了分析，從葉片形式對勻質性影響分析入手，研究了混凝土攪拌運輸車攪拌機理及攪拌筒內混凝土實際流動現象，并對預拌混凝土特性及勻質性仿真技術研究現狀進行了簡述，并分別對不同葉片形式的勻質性表現進行試驗測試，得出T形葉片勻質性優于I形葉片。

關鍵詞：混凝土攪拌運輸車;葉片;勻質性

中圖分類號：U469.6+5    文獻標識碼：A

　　混凝土離析是影響混凝土施工質量的要素之一，其易造成泵送堵管，影響施工工期及泵送設備壽命;離析嚴重者可使混凝土結構離析分層，結構強度不能滿足要求，導致二次施工。混凝土離析在生產、運輸、施工等環節均可能發生^[1]。在對混凝土攪拌運輸車勻質性調研時，施工人員反饋混凝土離析一般發生在大方量混凝土攪拌運輸車上，在低速攪動時間過長、混凝土坍落度大的工況下易發生離析。對混凝土攪拌運輸車工作全過程進行分析，將混凝土勻質性影響因素分為非結構因素及結構因素兩類，其中司機駕駛習慣、行駛路況、低速攪拌時間、攪拌筒轉速是否恒速、放料前是否高速攪拌等為非結構要素;攪拌筒斜置角度、填充率、攪拌葉片等為結構要素，其中攪拌葉片參數包括螺旋方程式、螺距、螺旋升角、葉片形式等。本文主要從國內混凝土攪拌運輸車兩種典型的葉片形式入手，對混凝土攪拌運輸車運輸過程及卸料過程的混凝土勻質性進行探索分析。

1 混凝土拌和及離析

　　現階段施工用混凝土按拌和方式不同，可分為預拌混凝土和車拌混凝土兩種。預拌混凝土一般在商用攪拌站完成混凝土原料稱重及輸送，由攪拌主機將其拌勻，混凝土攪拌運輸車將其運輸至施工現場。車拌混凝土是由攪拌站把原料稱重后按一定的順序將物料分別輸入攪拌車內，攪拌站不進行物料攪拌，只進行原料稱重及輸送，混凝土的成品形成與拌勻在攪拌車攪拌筒內進行。國外預拌混凝土和車拌混凝土均有運用，現我國普遍采用預拌混凝土。國內混凝土攪拌車存在兩種主流葉片,根據其螺旋葉片斷面結構形狀特征，分別將其命名為I形葉片和T形葉片，其結構如圖1、2所示。若在其中優選能同時適用預拌混凝土和車拌混凝土兩種物料的葉片形式，則需比較分析兩者的攪拌及勻質性保障能力。

圖1 I形葉片

圖2 T形葉片

　　混凝土攪拌運輸車與攪拌主機的攪拌原理不同，攪拌主機屬于強制性攪拌，其利用中間轉軸上的葉片高速轉動強迫物料相互分散及混合最終均勻化，一般數十秒(一般20?45s)即可將骨料、粉料及水迅速攪拌均勻，骨料完全被砂漿均勻包裹，滿足混凝土的坍落度要求。混凝土攪拌運輸車屬于半自落半攪拌式攪拌^[2]，混凝土在相隔180度對稱布置的兩條螺旋葉片圍城的通道內流動，隨攪拌筒轉動，混凝土沿筒壁爬升到一定高度后，受重力作用，骨料及砂漿再次跌落到螺旋通道內，實現各物料的再次拌和。運輸過程的攪拌筒轉速一般不大于5r/min，速度相對較低。由于粗骨料及砂漿之間存在不同速率的自然沉降，如果攪拌筒太長時間的低速轉動，對混凝土的擾動拌勻不足以克服其沉降速度，經過一定時間后，勢必造成骨料與砂漿的離析分層。

圖3 攪拌筒內混凝土流動狀態

　　在運輸途中，觀察不同坍落度混凝土在攪拌筒內的流動時發現，相對較低坍落度混凝土與大坍落度混凝土在攪拌筒內的流動狀態在一些細節方面存在細微差別，I形葉片和T形葉片的液流狀態存在部分共性表現。(1)液面狀態：低坍落度混凝土在攪拌筒內螺旋通道內的液面呈“犁耕狀態的田畦溝壟”，葉片邊界車輛行駛方向側為“壟”(圖3箭頭所指位置)，螺旋通道內為“溝”;大坍落度混凝土在筒內的流動液面相對平滑，螺旋葉片經過處只現線狀分界線，因其流動性強，一般不出現明顯的“壟”。(2)粗骨料及砂漿爬升后的跌落：低坍落度混凝土粗骨料及砂漿跌落地點更接近;大坍落度混凝土粗骨料與砂漿分散相對分散。(3)攪拌筒尾端混凝土流動狀態：低坍落度混凝土從飽和螺旋通道爬升最終滾入跌落至相鄰空通道后，骨料及砂漿回流至攪拌筒內時，兩者流速基本一致，尾部勻質性易保證;I形葉片和T形葉片低坍落度混凝土流動現象類似。大坍落度混凝土沿飽和螺旋通道爬升后迅速沖入相鄰空通道，此時I形葉片部分車次在空通道內砂漿回流速度快于粗骨料，粗骨料滯后形成小區域堆積現象，這種粗骨料的堆積最終導致出料時的首料粗骨料偏多。T形葉片攪拌筒混凝土基本保持了相對勻質狀態。

2 混凝土勻質性仿真技術研究現狀

　　目前已有部分高校和企業運用仿真手段模擬混凝土，為設備改進及基礎研究提供理論支撐。在研究過程中，多采用預拌混凝土為研究介質。很多學者對預拌混凝土本構模型進行了探索及研究，在可體現流動、屈服、塑性粘度等力學要素的諸多數學模型中，如牛頓模型、賓漢姆模型、冪律模型、Casson模型、Herschel-Bulkley模型、Yahia-Khayat模型等，優選了賓漢姆模型 ^[3-6]。

　　賓漢姆模型：

τ = τ_y + η_bγ    (1)

　　式中：τ—剪切應力;τ_y —屈服應力;

　　η_b —塑性黏度;γ—剪切速率。

　　現階段對混凝土攪拌運輸車攪動性能研究模擬仿真多以多相流體流場模型^[7]、顆粒離散元^[6]、運動學和動力學分析等途徑進行研究分析^[6?8]。王安麟^[7]等采用歐拉歐拉雙流體模型將混凝土粗骨料作為擬流體(顆粒相), 砂漿作為流體(液相)，并對螺旋葉片螺旋角及攪拌筒斜置角度對混凝土離析的影響進行了分析。鄧熔、譚援強^[6]等采用顆粒離散元法，混凝土流變模型采用賓漢姆流體模型，將預拌混凝土中的水、水泥、粗骨料、細骨料、砂及外加劑等實際物料簡化為砂漿與骨料顆粒，并在兩者之間賦予一定流變特性，兩種顆粒在攪拌筒內的流動及分布狀態形似混凝土粗骨料及砂漿的流動及勻質性分布，此種方法圖形清晰，易于觀察理解。鄧熔對影響混凝土攪拌運輸車勻質性影響度的多項參數進行了比較分析，在葉片類型、出料轉速、斜置角、攪拌轉速三者比較排序時，得出葉片類型影響度最大;在葉片形狀、葉片高度、螺距、葉片擺搭角度等比對排序時，得出影響最大的參數是葉片形狀，其余依次為葉片高度、螺距、葉片擺搭角;在對葉片形狀的勻質性影響分析中，認為T形葉片對勻質性的影響優于I形葉片。

3 混凝土勻質性驗證

　　目前混凝土攪拌運輸車勻質性測試可參照國標QC/T 667-2010^[12]及GB/T 9142-2000^[11]執行。混凝土勻質性評價指標有三項：(1)混凝土中砂漿密度的相對誤差△M最大允許值為0.8%;(2)單位體積混凝土中粗骨料質量的相對誤差△G最大允許值為5%;(3)每罐混凝土的坍落度差值△T最大允許值為20mm;這三項指標需同時滿足^[9?17]。

圖4 不同坍落度的混凝土出料料堆狀態

圖5?兩種葉片的勻質性指標值比較

　　因受試驗條件的限制，目前施工現場采用目測或抽查混凝土坍落度等評價勻質性合格與否。觀察點及取樣點仍參照舊標準QC/T 668-2000^[16]，在卸料后的料堆上進行了取樣測試。在50mm以下坍落度混凝土因其流動性差，混凝土料堆與出料槽混凝土狀態相近;坍落度70mm以上的混凝土，尤其180mm以上的大坍落度混凝土，即使攪拌車出料槽內的混凝土是相對均勻的，在混凝土地面堆積過程中，粗骨料下落慣性大，液態砂漿的流動性強，就出現粗骨料落地瞬間向液流方向滾動并局部堆積，砂漿迅速向四周流走，并在料堆后方形成明顯的砂漿偏多區域。若繼續在料堆中取樣測定，勻質性數據已嚴重失真。2010年發布并實施的QC/T 667-2010代替QC/T 667-2000和QC/T 668-2000，并對取樣方法及取樣點進行了更合理的修訂，由料堆取樣改為出料槽處取樣。

　　在開展I形葉片與T形葉片對混凝土勻質性影響試驗時，取樣及測試過程參照QC/T 667-2010執行，評價參照QC/T 667-2010、GB/T 9142-2000進行。因現行標準GB/T 9142-2000中“不含空氣的砂漿密度Mi”此項計算公式不合理，此項內容參照舊標準 GB/T4477-1995執行，除此之外，參照GB/T 9142-2000執行。I形葉片和T形葉片攪拌車分別在卸料15% 、50%、85%處分別取樣，并對應標記為試樣1、試樣2、試樣3，將每車次內的試樣1和試樣3分別與試樣2進行比對，求出同車次的混凝土中砂漿密度的相對誤差△M、單位體積混凝土中粗骨料質量的相對誤差△G、每罐混凝土的坍落度差值△T^[10?12]，進行勻質性評判。同一車次指標相對差值越小，說明試樣之間物料組成更接近，勻質性更好。在進行不同車次勻質性比對時，各項指標相對差值越小，認定其勻質性更優。經過比對分析，T形葉片攪拌車的勻質性指標相對差值更低，其勻質性優于I形葉片攪拌車。

4 結論

　　1)運輸過程中，低坍落度混凝土液面呈“犁耕狀態的田畦溝壟”，葉片經過之處形成“壟”，此現象表明葉片對混凝土進行了翻轉推移，同時也與攪拌機理中的混凝土沿葉片爬升然后跌落描述相契合。

　　2)通過在行駛過程中的攪拌筒內混凝土液面及流動狀態的觀察分析，目測到I形葉片和T形葉片的表現具有一定的共性，但其如何進行精準比對，如同一坍落度混凝土，兩種葉片的爬升高度與回落點能否測量，是否一致，后續還需進一步探索分析。

　　3)在相同試驗條件下進行勻質性測試，T形葉片攪拌車勻質性優于I形葉片。

參考文獻

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（責任編輯：休魚）