1 前言

   近年来，随着我国南水北调工程、装配式住房及一些地下管廊、跨海大桥、装配式桥梁、地铁、城际高铁等需要高技术含量的混凝土施工工程的建设，我国建筑设计，建筑施工水平已经迅速与国际发达国家接轨，得到了飞速的发展。同时，我国的混凝土生产技术及混凝土生产设备制造水平也相应得到了快速发展。尤其是预拌混凝土技术，混凝土泵送技术和工艺装备已紧跟国际潮流，迅速实现了现代化[1]。与之相比，预制混凝土、高性能混凝土及RPC混凝土的生产及施工技术水平还远远不及国外先进国家的水平。而影响混凝土品质的因素也是有很多方面，其中是包括混凝土搅拌工艺、施工工艺及工程的安排、协调和监督等等。混凝土搅拌是混凝土生产的核心也是混凝土品质的最基本保障，混凝土的匀质性直接影响工程的质量。本文主要主要介绍了各类混凝土的含义及混凝土搅拌机的发展过程及应用现状，并详细介绍了更能满足预制混凝土、高性能混凝土及超高性能混凝土要求的——立轴行星式混凝土搅拌机。

2 预制混凝土、高性能混凝土定义：

2.1预制混凝土

 预制混凝土（precast concrete）是在工厂内搅拌、成型、养护，到施工现场后装配使用的混凝土制品。预制混凝土与预拌混凝土(ready-mix concrete)相比，预制混凝土骨料粒径小、混凝土塌落度小。如：路面砖、PCCP预应力管道、地铁管片、双块式轨枕、高架桥的预制节段梁、PC构件、管廊、管桩等。预制混凝土制品具有可实现 “三化”（工厂化，装配化，标准化）、节约“三材”（钢材，水泥，木材）、减小能耗及减少现场施工污染等优点。

2.2高性能混凝土

 高性能混凝土不是混凝土的一个品种，是对混凝土性能的强调。自20世纪80年代末美国和日本相继提出高性能混凝土（high- performance concrete））的概念以来，世界各国对其概念理解各不相同。1998年，美国修订高性能混凝土定义为：“高性能混凝土是符合性能组合和匀质性要求的混凝土，采用传统的原材料和一般的拌和、浇筑与养护方法，往往不能大量的生产出这种混凝土。所指特性为：易于浇筑、振捣不离析、早强、密实性、恶劣环境下使用寿命长、……” [2]。高性能混凝土广泛应用于施工难度大、使用环境恶劣、维修困难等建造场所如：高层建筑、跨海大桥、海底隧道、海上采油平台、核反应堆处置工程。

2.3超高性能混凝土

 活性粉末混凝土（Reactive Powder Concrete，以下简称RPC）是继高强、高性能混凝土之后，出现的一种力学性能、耐久性能都非常优越的新型建筑材料。RPC是在20世纪90年代同法国一个实验室开发研究出的新型超高性能材料。它是在DSP(Densified System containing ultra-fine Particles)材料与纤维增强材料相复合的高技术混凝土。根据其组成和热处理方式的不同，这种混凝土的抗压强度可以达到200MPa 至800MPa；抗拉强度可以达到20MPa至50MPa；弹性模量为40Gpa至60Gpa；断裂韧性高达40000J/m2，是普通混凝土的250倍，可与金属铝媲美；氯离子渗透性是高强混凝土的1/25，抗渗透能力极强；300次快速冻融循环后，试样未受损，耐久性因子高达100%；预应力活性粉末混凝土梁的抗弯强度与其自重之比接近于钢梁。RPC在工程结构中的应用可以解决目前的高强与高性能混凝土抗拉强度不够高、脆性大、体积稳定性不良等缺点，同时还可以解决钢结构的投资高、防火性能差、易锈蚀等问题。

3 混凝土搅拌是混凝土生产过程的核心

 混凝土是一种非均质多相复合材料，混凝土的性能影响因素很多：包括混凝土工艺、生产工艺及整个系统工程的安排、协调。混凝土搅拌阶段是获得匀质的新拌混凝土的阶段，而混凝土匀质性是获得混凝土强度的必要条件——混凝土搅拌是混凝土生产过程的核心。

 搅拌是指将两种或两种以上不同性质的物质按照一定的比例混合，使各成分位置重新均一分布，而获得另一种均匀的物质[3]。混凝土的搅拌与通常意义的搅拌有几点不同：首先，被搅拌的物质有固态、 液态、气态三种状态存在；其次，被搅拌的物质的粒径大小不均匀；再次，被搅拌的物质在搅拌的过程中要发生化学反应。混凝土搅拌的实质是获得匀质性。

 具体说，混凝土搅拌是将按顺序投入到搅拌筒内的水泥、砂、石和水混合，混合后，水和水泥组成水泥浆，水泥浆包裹在砂的表面，并填充于砂的空隙成为砂浆，砂浆又包裹在石子表面，并填充石子的空隙，还有未被填充的空隙由空气填充。水泥浆和砂浆在搅拌过程中分别起到润滑砂、石的作用，使混凝土具有施工要求的流动性，并使混凝土密实。硬化后，水泥石及砂石胶结为一个整体，砂、石在混凝土中起到骨架作用（如图1）。只有当个组分分布均匀和每一粒颗粒都被水化物（水和水泥反应产物）膜包裹时，混凝土的胶凝结构才最稳定[4]。

4 高性能混凝土搅拌

 高性能混凝土与普通混凝土（包括预制混凝土及预拌混凝土）及砂浆有所不同：高性能混凝土主要要求高流动性能、抗离析性、填充性及耐久性等。

 德国Institute fǖr bauverfahrens-und Umwelttechnik(结构及环境工程研究大学)实验分析得出：对于混凝土搅拌，如使高性能混凝土获得高的匀质性，搅拌时间是关键问题。如通过测试混凝土匀质性及浓度的关系作为评定搅拌时间标准，发现，搅拌时间的长短与搅拌机形式及被搅拌物料成份关系密切。

  进一步试验得出，标准中规定普通混凝土搅拌时间是不够的，当胶黏剂、外加剂量比例增加时，则需要较多的能量才能将物料搅拌分布均匀，少量的能量输入是不能满足混凝土性能要求的。如果通过提高搅拌时间改善搅拌效果作用是有限的，搅拌时间越长，并不一定搅拌效果越好，因为长时间搅拌，混凝土将产生离析并且会将骨料边缘磨圆或将骨料打碎，而降低混凝土强度。所以搅拌机搅拌方式，搅拌工具的数量，合宜的搅拌速度设计是缩短搅拌时间提高搅拌效果的重要因素。

5预制混凝土、高性能混凝土与超高性能混凝土对搅拌机的要求

由预制混凝土、高性能混凝土及超高性能混凝土的性能及分析混凝土搅拌的实质可得出，搅拌机要满足：

● 迫使被搅拌物料循环地、连续地流动，快速地搅拌成高匀质性新拌混凝土；

● 迫使被搅拌物料间相互挤压、摩擦，去除其表面覆盖的灰尘及粘土，提高物料间的黏附力。

● 要能适应预制混凝土中颜料搅拌，颜料更换，即不仅搅拌匀质性强，还要筒体形状规则、卸料彻底、容易清洗。

● 适合测试温度，湿度仪表安装。

● 还要：低磨损、低能耗、高可靠及低维护、维修成本。

● 能实现变频、调速要求。

● 有专门的纤维分散机构充分使物料中的纤维达到均匀混合。

6 搅拌机的发展历程

6.1原始搅拌机

 ● 1870年前后Tietze 设计的手工操作的槽式搅拌机(如图1)：

             图 1  

● 1893年槽式搅拌机获得德国特许专利批准专利分类号71321(如图2)：

图 2

● 并联双轴系统槽式搅拌机，1910年，混凝土搅拌机，专利Kunz[6](如图3)：

图 3

● 1903年 环形槽式搅拌机(如图4)：

图 4

● 1910年前后行星搅拌机(如图5)：

图 5

6.2 搅拌机使用情况

 目前，由于我国预拌混凝土发展速度比较快，所以市场上混凝土搅拌机主要采用双卧轴混凝土搅拌机（图7），而欧洲等发达国家因预制混凝土产量占混凝土产量比例远远大于我国，并且混凝土性能要求越来越高，预制混凝土品种（包括外形，颜色）也越来越多，盘式搅拌机（图8）及双卧轴混凝土搅拌机渐渐满足不了混凝土性能的要求——立轴行星式混凝土搅拌机（图9）被大量用做搅拌预制混凝土、高性能混凝土及超高性能混凝土等行业。

           

图7  双卧轴搅拌机    

 图8  盘式搅拌机

图 9

7 立轴行星式混凝土搅拌机

7.1 立轴强制式混凝土搅拌机的分类[5]

 立轴强制式混凝土搅拌机是一种适用于搅拌干硬性、高强和轻质混凝土的搅拌机。立轴强制式混凝土搅拌机分涡桨式和行星式，其搅拌筒均为水平布置的圆盘。

7.1.1 强制式涡桨混凝土搅拌机

 强制式涡桨混凝土搅拌机的圆盘中央有一根竖立转轴，轴上装有搅拌叶片。它是以对混凝土拌合料的剪切和对流作用为主的搅拌形式，内外铲片在旋转过程中产生大量的切割面，使一部分拌合料的位置作较大的变换。与此同时，铲片前端的拌合料与铲片作相对的挤压式对流。挤压力的大小等于混凝土拌合料对铲片的正向阻力值。使混凝土间产生强烈的内摩擦。这种结构的铲片对屈服应力值较大的干硬性混凝土有较好的切割效果和较强的挤压对流作用。但质量大的骨料由于离心力的作用而易分离到搅拌筒边缘。对骨料的匀质性有一定的影响。

7.1.2 强制式行星搅拌机

 强制式行星搅拌机分为标准立轴行星式搅拌机和立轴行星式快速搅拌机。标准立轴行星式搅拌机是由电机驱动减速装置带动搅拌臂和刮板臂做定轴的公转，在公转的同时搅拌臂还可以实现自转。立轴行星式快速搅拌机在实现标准立轴行星式搅拌机工作原理的同时，又单独添加了快速的分散装置并具备变频调速功能。

7.2 立轴行星式混凝土搅拌机特点

 立轴行星式搅拌机适合大部分搅拌行业，如预制混凝土，高性能混凝土，预拌混凝土，砂浆，化工，环保等，立轴行星式快速搅拌机适合超高性能混凝土和各种含纤维的混凝土。

立轴行星式具有显著的优点：

● 搅拌臂既有自转又有公转，为搅拌工具运动轨迹，可见，搅拌为连续的，循环的对流运动。搅拌效果与双卧轴及盘式搅拌机相比毋庸置疑。而且搅拌机公转一周，搅拌叶片覆盖整个搅拌筒底，搅拌机内无搅拌低效区及死区。

● 搅拌筒底面是平面，更适合安装各种温度，湿度测试仪。

● 可以根据需要，安装1－4个卸料门。

● 没有双卧轴搅拌机轴头漏浆问题。

● 检修，维护费用低。

7.3立轴行星式混凝土搅拌机结构及工作原理

 引进德国搅拌技术，研制开发的CO-NELE MP系列立轴行星式混凝土搅拌机，其生产能力范围为：出料容量（compacted concrete volume per batch捣实混凝土出料容量） 50-4500L。.主要结构如下：

 传动装置：（图10）传动结构由电机，联轴器，专用减速箱组成。减速箱是搅拌机的机械核心，CO-NELE MP系列减速箱采用硬齿面、斜齿轮、行星式结构，该结构已经获得国家专利。从出料容量750L及以上，可以装配液力耦合器，缓冲启动冲击，实现满载启动。

图10 传动装置

 筒盖及支撑（见图9）：立轴行星式搅拌机筒盖开门与卸料门相对位置可以根据搅拌站设计及接料设备任意调整。筒盖采用大开门方式，维护、清洗方便。专门密封，减少工作环境粉尘污染。

 搅拌装置：立轴行星式混凝土搅拌工具分搅拌臂，刮板臂 （底刮板，侧刮板），及其叶片。通常搅拌臂指安装在行星轴上的搅拌工具（如图11），搅拌臂随着减速箱公转的同时，绕行星轴自转。工作时，搅拌臂推动前面物料向前移动：被搅拌物料受离心力做水平面圆周循环、对流运动；物料之间的相对运动产生的挤压、剪切力作用也有向上翻运动；同时，搅拌臂后面物料填充前面留出的空隙，物料又受重力做向下运动。即被搅拌物料既有水平运动又有垂直运动。刮板臂 （底刮板，侧刮板）安装在公转体上，做公转运动。整个运动轨迹（见图12）遍布整个搅拌筒。工作时，侧刮板将黏在筒壁上的物料刮下并推向筒体中心，参与搅拌臂的搅拌，而底刮板参与搅拌的同时，可以提高卸料速度。

 另外，搅拌工具数量、角度设计，不仅与搅拌效果，而且与搅拌能耗，及磨损密切相关。好的设计不仅可以提高搅拌效率、提高卸料速度、降低能耗、还能降低磨损、减少使用成本。CO-NELE MP系列搅拌机作了最优化的设计。

图11 搅拌装置

图12 运动轨迹

 耐磨件：搅拌机耐磨件的磨损是没有办法根本解决的，CO-NELE MP系列搅拌机不仅在搅拌工具的设计上做到最优化外，还提供不同材料衬板及叶片。衬板有HARDOX耐磨板、XAR耐磨板，厚度10－15mm； 高铬铸造衬板，厚度15－20mm；搅拌叶片及刮板叶片采用高铬合金。

 卸料系统：搅拌机卸料装置可以采用液压（如图13）及气动卸料，如采用液动卸料时，配备了手动卸料单元，当停电等紧急情况下手动打开卸料门，卸出搅拌筒内物料，防止结块。

图13 液压卸料

 供水管路：由分布在搅拌筒盖下几个均匀分布的喷水口及水管组成（如图14）：根据客户要求可以安装喷雾喷头。

图14 雾状喷水

 温度湿度测试仪安装：经过多年积累的经验，我公司与国外知名企业共同研发了温度测试仪、湿度测试仪，确保高性能混凝土及混凝土预制件的质量（如图15）。

图15 温度、湿度测试仪安装

8 立轴行星式混凝土搅拌机使用建议：

 混凝土的搅拌性能影响因素复杂，对于搅拌机获得最理想的工作性能也有其要求：所以搅拌机使用时，根据多年的经验，我们建议以下几点：

● 混凝土生产时，建议投料顺序——骨料、颜料、水泥、纤维、水（带或不带外加剂）

● 合理设计进料口形状，保证粉料，颜料、纤维及其他辅料下料顺畅；

● 采用喷雾喷头，搅拌机进水口处供水压力保证不低于2-3bar；

● 搅拌机进料口布置合理，且各物料进料不能对着温度、湿度测试仪；

● 搅拌机安装时，搅拌站设计平台与搅拌电机间要留出检修空间；

9 总结

 混凝土生产水平与混凝土建筑水平是密切相关的：高质量的混凝土可以保证高品质的混凝土建筑，同时，新的混凝土建筑技术也不断促进、要求更高的混凝土生产水平。所以混凝土搅拌是一个要求不断实践、不断发展的技术，相信，在混凝土行业人员的不断努力、钻研下，我国预制混凝土、高性能混凝土及超高性能混凝土搅拌技术一定会越来越完善，很快地赶超国际发达国家水平。

参考文献

[1]对预制混凝土行业发展的思考            

李学智，刘冬《混凝土与水泥制品》2005年第2期

[2]对“高性能混凝土”十年来推广应用的反思  

  廉慧珍 《全国建筑科学核心期刊》2003年第7期

[3]《搅拌与混合设备设计选用手册》  化学工业出版社

[4]搅拌设备设计，冯忠绪 姚录延《工程机械》 2005年第1期

[5]陈宜通  盛春芳  陈润余《混凝土机械》