王桂红¹  樊新波²  陈健晖³  潘龙勋³

(1.长沙职业技术学院，湖南长沙 410217;2.湖南工业职业技术学院,湖南长沙 410208;

　　3.中联重科股份有限公司，湖南长沙 410006)

摘　要：对现阶段混凝土搅拌运输车离析现象及影响参数进行了分析，从叶片形式对匀质性影响分析入手，研究了混凝土搅拌运输车搅拌机理及搅拌筒内混凝土实际流动现象，并对预拌混凝土特性及匀质性仿真技术研究现状进行了简述，并分别对不同叶片形式的匀质性表现进行试验测试，得出T形叶片匀质性优于I形叶片。

关键词：混凝土搅拌运输车;叶片;匀质性

中图分类号：U469.6+5    文献标识码：A

　　混凝土离析是影响混凝土施工质量的要素之一，其易造成泵送堵管，影响施工工期及泵送设备寿命;离析严重者可使混凝土结构离析分层，结构强度不能满足要求，导致二次施工。混凝土离析在生产、运输、施工等环节均可能发生^[1]。在对混凝土搅拌运输车匀质性调研时，施工人员反馈混凝土离析一般发生在大方量混凝土搅拌运输车上，在低速搅动时间过长、混凝土坍落度大的工况下易发生离析。对混凝土搅拌运输车工作全过程进行分析，将混凝土匀质性影响因素分为非结构因素及结构因素两类，其中司机驾驶习惯、行驶路况、低速搅拌时间、搅拌筒转速是否恒速、放料前是否高速搅拌等为非结构要素;搅拌筒斜置角度、填充率、搅拌叶片等为结构要素，其中搅拌叶片参数包括螺旋方程式、螺距、螺旋升角、叶片形式等。本文主要从国内混凝土搅拌运输车两种典型的叶片形式入手，对混凝土搅拌运输车运输过程及卸料过程的混凝土匀质性进行探索分析。

1 混凝土拌和及离析

　　现阶段施工用混凝土按拌和方式不同，可分为预拌混凝土和车拌混凝土两种。预拌混凝土一般在商用搅拌站完成混凝土原料称重及输送，由搅拌主机将其拌匀，混凝土搅拌运输车将其运输至施工现场。车拌混凝土是由搅拌站把原料称重后按一定的顺序将物料分别输入搅拌车内，搅拌站不进行物料搅拌，只进行原料称重及输送，混凝土的成品形成与拌匀在搅拌车搅拌筒内进行。国外预拌混凝土和车拌混凝土均有运用，现我国普遍采用预拌混凝土。国内混凝土搅拌车存在两种主流叶片,根据其螺旋叶片断面结构形状特征，分别将其命名为I形叶片和T形叶片，其结构如图1、2所示。若在其中优选能同时适用预拌混凝土和车拌混凝土两种物料的叶片形式，则需比较分析两者的搅拌及匀质性保障能力。

图1 I形叶片

图2 T形叶片

　　混凝土搅拌运输车与搅拌主机的搅拌原理不同，搅拌主机属于强制性搅拌，其利用中间转轴上的叶片高速转动强迫物料相互分散及混合最终均匀化，一般数十秒(一般20〜45s)即可将骨料、粉料及水迅速搅拌均匀，骨料完全被砂浆均匀包裹，满足混凝土的坍落度要求。混凝土搅拌运输车属于半自落半搅拌式搅拌^[2]，混凝土在相隔180度对称布置的两条螺旋叶片围城的通道内流动，随搅拌筒转动，混凝土沿筒壁爬升到一定高度后，受重力作用，骨料及砂浆再次跌落到螺旋通道内，实现各物料的再次拌和。运输过程的搅拌筒转速一般不大于5r/min，速度相对较低。由于粗骨料及砂浆之间存在不同速率的自然沉降，如果搅拌筒太长时间的低速转动，对混凝土的扰动拌匀不足以克服其沉降速度，经过一定时间后，势必造成骨料与砂浆的离析分层。

图3 搅拌筒内混凝土流动状态

　　在运输途中，观察不同坍落度混凝土在搅拌筒内的流动时发现，相对较低坍落度混凝土与大坍落度混凝土在搅拌筒内的流动状态在一些细节方面存在细微差别，I形叶片和T形叶片的液流状态存在部分共性表现。(1)液面状态：低坍落度混凝土在搅拌筒内螺旋通道内的液面呈“犁耕状态的田畦沟垄”，叶片边界车辆行驶方向侧为“垄”(图3箭头所指位置)，螺旋通道内为“沟”;大坍落度混凝土在筒内的流动液面相对平滑，螺旋叶片经过处只现线状分界线，因其流动性强，一般不出现明显的“垄”。(2)粗骨料及砂浆爬升后的跌落：低坍落度混凝土粗骨料及砂浆跌落地点更接近;大坍落度混凝土粗骨料与砂浆分散相对分散。(3)搅拌筒尾端混凝土流动状态：低坍落度混凝土从饱和螺旋通道爬升最终滚入跌落至相邻空通道后，骨料及砂浆回流至搅拌筒内时，两者流速基本一致，尾部匀质性易保证;I形叶片和T形叶片低坍落度混凝土流动现象类似。大坍落度混凝土沿饱和螺旋通道爬升后迅速冲入相邻空通道，此时I形叶片部分车次在空通道内砂浆回流速度快于粗骨料，粗骨料滞后形成小区域堆积现象，这种粗骨料的堆积最终导致出料时的首料粗骨料偏多。T形叶片搅拌筒混凝土基本保持了相对匀质状态。

2 混凝土匀质性仿真技术研究现状

　　目前已有部分高校和企业运用仿真手段模拟混凝土，为设备改进及基础研究提供理论支撑。在研究过程中，多采用预拌混凝土为研究介质。很多学者对预拌混凝土本构模型进行了探索及研究，在可体现流动、屈服、塑性粘度等力学要素的诸多数学模型中，如牛顿模型、宾汉姆模型、幂律模型、Casson模型、Herschel-Bulkley模型、Yahia-Khayat模型等，优选了宾汉姆模型 ^[3-6]。

　　宾汉姆模型：

τ = τ_y + η_bγ    (1)

　　式中：τ—剪切应力;τ_y —屈服应力;

　　η_b —塑性黏度;γ—剪切速率。

　　现阶段对混凝土搅拌运输车搅动性能研究模拟仿真多以多相流体流场模型^[7]、颗粒离散元^[6]、运动学和动力学分析等途径进行研究分析^[6〜8]。王安麟^[7]等采用欧拉欧拉双流体模型将混凝土粗骨料作为拟流体(颗粒相), 砂浆作为流体(液相)，并对螺旋叶片螺旋角及搅拌筒斜置角度对混凝土离析的影响进行了分析。邓熔、谭援强^[6]等采用颗粒离散元法，混凝土流变模型采用宾汉姆流体模型，将预拌混凝土中的水、水泥、粗骨料、细骨料、砂及外加剂等实际物料简化为砂浆与骨料颗粒，并在两者之间赋予一定流变特性，两种颗粒在搅拌筒内的流动及分布状态形似混凝土粗骨料及砂浆的流动及匀质性分布，此种方法图形清晰，易于观察理解。邓熔对影响混凝土搅拌运输车匀质性影响度的多项参数进行了比较分析，在叶片类型、出料转速、斜置角、搅拌转速三者比较排序时，得出叶片类型影响度最大;在叶片形状、叶片高度、螺距、叶片摆搭角度等比对排序时，得出影响最大的参数是叶片形状，其余依次为叶片高度、螺距、叶片摆搭角;在对叶片形状的匀质性影响分析中，认为T形叶片对匀质性的影响优于I形叶片。

3 混凝土匀质性验证

　　目前混凝土搅拌运输车匀质性测试可参照国标QC/T 667-2010^[12]及GB/T 9142-2000^[11]执行。混凝土匀质性评价指标有三项：(1)混凝土中砂浆密度的相对误差△M最大允许值为0.8%;(2)单位体积混凝土中粗骨料质量的相对误差△G最大允许值为5%;(3)每罐混凝土的坍落度差值△T最大允许值为20mm;这三项指标需同时满足^[9〜17]。

图4 不同坍落度的混凝土出料料堆状态

图5 两种叶片的匀质性指标值比较

　　因受试验条件的限制，目前施工现场采用目测或抽查混凝土坍落度等评价匀质性合格与否。观察点及取样点仍参照旧标准QC/T 668-2000^[16]，在卸料后的料堆上进行了取样测试。在50mm以下坍落度混凝土因其流动性差，混凝土料堆与出料槽混凝土状态相近;坍落度70mm以上的混凝土，尤其180mm以上的大坍落度混凝土，即使搅拌车出料槽内的混凝土是相对均匀的，在混凝土地面堆积过程中，粗骨料下落惯性大，液态砂浆的流动性强，就出现粗骨料落地瞬间向液流方向滚动并局部堆积，砂浆迅速向四周流走，并在料堆后方形成明显的砂浆偏多区域。若继续在料堆中取样测定，匀质性数据已严重失真。2010年发布并实施的QC/T 667-2010代替QC/T 667-2000和QC/T 668-2000，并对取样方法及取样点进行了更合理的修订，由料堆取样改为出料槽处取样。

　　在开展I形叶片与T形叶片对混凝土匀质性影响试验时，取样及测试过程参照QC/T 667-2010执行，评价参照QC/T 667-2010、GB/T 9142-2000进行。因现行标准GB/T 9142-2000中“不含空气的砂浆密度Mi”此项计算公式不合理，此项内容参照旧标准 GB/T4477-1995执行，除此之外，参照GB/T 9142-2000执行。I形叶片和T形叶片搅拌车分别在卸料15% 、50%、85%处分别取样，并对应标记为试样1、试样2、试样3，将每车次内的试样1和试样3分别与试样2进行比对，求出同车次的混凝土中砂浆密度的相对误差△M、单位体积混凝土中粗骨料质量的相对误差△G、每罐混凝土的坍落度差值△T^[10〜12]，进行匀质性评判。同一车次指标相对差值越小，说明试样之间物料组成更接近，匀质性更好。在进行不同车次匀质性比对时，各项指标相对差值越小，认定其匀质性更优。经过比对分析，T形叶片搅拌车的匀质性指标相对差值更低，其匀质性优于I形叶片搅拌车。

4 结论

　　1)运输过程中，低坍落度混凝土液面呈“犁耕状态的田畦沟垄”，叶片经过之处形成“垄”，此现象表明叶片对混凝土进行了翻转推移，同时也与搅拌机理中的混凝土沿叶片爬升然后跌落描述相契合。

　　2)通过在行驶过程中的搅拌筒内混凝土液面及流动状态的观察分析，目测到I形叶片和T形叶片的表现具有一定的共性，但其如何进行精准比对，如同一坍落度混凝土，两种叶片的爬升高度与回落点能否测量，是否一致，后续还需进一步探索分析。

　　3)在相同试验条件下进行匀质性测试，T形叶片搅拌车匀质性优于I形叶片。

参考文献

[1]裴志军.关于搅拌运输车混凝土离析的探讨[J].建筑机械化，2014,35(06):82-84.

[2]何永荣.混凝土搅拌运输车拌筒转速和混凝土匀质性的关系[J].建筑机械，2007(17):66-68.

[3]王复生.水泥混凝土统一流变模型[J].武汉建材学院学报，1984(01):67-70.

[4]黄大能，沈威.新拌混凝土的结构和流变特征[M].北京：中国建筑工业出版社，1983.

[5]小原孝之.材料拌和离散元模拟系统的开发与应用[D].清华大学，2007.

[6]邓熔.搅拌车中混凝土流变性研究及应用[D].湘潭大学，2016.

[7]王安麟，孟井泉，杨兴，姜涛，刘方兴.基于双流体模型的简易化两相搅拌流场数值模拟[J].机械设计,2007(06):45-49.

[8]王海英.混凝土搅拌运输车搅拌筒内部流动的实验研究[D].吉林大学，2005.

[9]徐仁建，温旭宇.关于混凝土搅拌运输车搅动性能试验方法的研究[J].建设机械技术与管理，2011,24(11):119-120.

[10]王桂红，潘龙勋，樊新波.关于混凝土搅拌运输车搅动性能的测评方法探讨[J].建设机械技术与管理,2017,30(05):58-60.

[11] GB/T 9142-2000.混凝土搅拌机[S].

[12] QC/T 667-2010.《混凝土搅拌运输车技术条件和试验方法》[S].

[13] GB/T 14902-2012.《预拌混凝土》[S].

[14] GB/T 14902-2012.《预拌混凝土》[S].

[15] JG/T5094-1997. 《混凝土搅拌运输车》[S].

[16] QC/T 668-2000. 《混凝土搅拌运输车试验方法》[S].

[17] GB/T4477-1995.《混凝土搅拌机性能试验方法》[S].

（责任编辑：休鱼）