CN109773968A - 一种超声辅助搅拌水泥混凝土的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于水泥混凝土生产技术领域，具体涉及一种超声辅助搅拌水泥混凝土的装置及方法，包括驱动装置、与驱动装置电连接的电机以及固定连接在电机上的搅拌筒，搅拌筒上端和下端分别装配进料口和出料口，搅拌筒的正后方装配超声系统，搅拌筒由水平转动且固定在电机转轴上的螺旋轴轴杆、安装在螺旋轴轴杆上的螺旋叶片以及搅拌筒壳体构成，超声系统依次由连接在搅拌筒上的超声控制箱体、超声换能器、夹持器和变幅杆组成，在机械搅拌过程中，附加高频率超声波，提高搅拌效率，确保水泥混凝土微观组成分散均匀，并可促进水泥水化，改善硬化水泥浆体的微观结构，从而获得早强、高强水泥混凝土，为节约水泥、降低生产能耗开辟新的途径。

Description

一种超声辅助搅拌水泥混凝土的装置及方法

技术领域

本发明属于水泥混凝土生产技术领域，具体涉及一种超声辅助搅拌水泥混凝土的装置及方法。

背景技术

水泥混凝土是世界上最常用的土木工程材料之一，它是由骨料、水泥、矿物掺合料、水以及外加剂等按一定比例配制而成的多相混合物。大量研究表明，水泥混凝土的搅拌方式对其匀质性有显著影响。现有的水泥混凝土搅拌方式主要有自落式搅拌机和强制式搅拌机两大类型，虽然这些搅拌机能够充分运用机械原理使物料达成宏观上匀质，但近年来外加剂、纳米颗粒材料在混凝土中研究与应用日趋广泛，传统的搅拌方式对水泥浆体亚微观分散效果不均匀，致使大约30％左右的水泥颗粒处于团聚的状态，从而影响了水泥混凝土的强度和耐久性。此外，以上搅拌方式存在速度梯度上的固有缺陷，使得越靠近搅拌轴的区域拌合速度越低，容易产生搅拌低效区。

中国专利“一种单卧轴振动搅拌机(CN202293030U)”中公开了一种振动搅拌辅助搅拌混凝土技术，通过振动搅拌技术提供的机械波(50Hz～70Hz)使得水泥颗粒处于颤振状态，使物料间的内摩擦力大大降低，促使物料中的水泥颗粒从团聚状态变为均匀分布状态，从而改善了水泥浆体与骨料的界面过渡区，提高了水泥混凝土的强度(基准混凝土的10％左右)，充分提高了水泥的利用率。但是，该技术本质上只能改善水泥浆体与骨料的亚微观分散的均质性，无法改变其微观结构的密实度，如促进水泥水化，改善C-S-H凝胶结构，所以，该技术对水泥混凝土的强度和耐久性的贡献有限。

超声波是一种频率高于20kHz的声波，主要是利用超声能量对各种固体和溶液产生作用，提高反应速率和引发新的化学反应，是声学与化学相互交叉渗透而发展起来的一门新兴的边缘学科。超声波因为其独特的功能已经广泛用于航空航天、机械、医学、化学、生物、环保等行业。具体而言，超声波的原理是：当超声波在介质中传播时，基于超声波与介质之间的空化效应，机械效应和热效应，会产生一系列的电学，力学和化学反应。在公开的论文(Nacera Amara，Berthe Ratsimba，Anne-Marie Wilhelm，HenriDelmas.Crystallization of potash alum：effect of power ultrasound[J].Ultrasonics-Sonochemistry，2001，8(3))中，Nacera Amara等人研究了超声对明矾结晶的影响，结果发现超声影响了晶体的形核和生长，同时细化了明矾晶粒。在公开的论文(王伟宁，吕秉玲.超声波在碱式氯化镁结晶中的应用研究[J].无机盐工业，1990(03)：22-23)中，王伟宁等人研究了超声波的引入对碱式氯化镁的结晶过程的影响，结果表明，超声波可以显著加速碱式氯化镁的成核速率，且超声波频率越高，诱导期越短，碱式氯化镁的结晶速率越快。

发明内容

有鉴于此，本发明为了解决传统搅拌技术对水泥混凝土的搅拌均匀性差的问题，提供一种超声辅助搅拌水泥混凝土的装置及方法，该超声辅助搅拌水泥混凝土方法，在水泥混凝土搅拌过程中，强制加入高频率超声波，增加了水泥微纳级材料的分散匀质性，可促进水泥水化，改善硬化水泥浆体的微观结构，从而获得抗折强度和抗压强度显著提高的水泥混凝土。

为达到上述目的，本发明提供一种超声辅助搅拌水泥混凝土的装置，包括驱动装置、与驱动装置电连接的电机以及固定连接在电机上的搅拌筒，搅拌筒上端装配有进料口，搅拌筒下端装配有出料口，搅拌筒的正后方装配有超声系统，搅拌筒由水平转动且固定在电机转轴上的螺旋轴轴杆、固定安装在螺旋轴轴杆上的螺旋叶片以及套设在螺旋叶片外的搅拌筒壳体构成，超声系统依次由连接在搅拌筒上的超声控制箱体、超声换能器、夹持器和变幅杆组成，超声换能器将电能转换为机械振动波，夹持器位于零振点处，用于固定超声换能器和变幅杆，变幅杆用于将机械振动波的振幅放大。

进一步，驱动装置的底端固定安装有不锈钢金属底座，电机远离驱动装置的一端底部安装有固定连接在不锈钢金属底座上的金属连杆。

进一步，进料口和出料口上均安装有可控开关，超声系统的装配长度与搅拌筒长度一致。

进一步，搅拌筒的底部固定安装有稳定搅拌筒的两个支座。

进一步，超声系统工作频率为100KHz，输出功率为600W、800W和1000W三档可调。

一种超声辅助搅拌水泥混凝土的方法，包括以下步骤：

A、关闭搅拌筒上的出料口，从搅拌筒的进料口依次加入待搅拌混合的水泥配料，然后依次开启超声系统和电机，其中螺旋叶片转速为180±5r/min，搅拌时间为3～5min；

B、水泥配料搅拌混合后，先关闭驱动装置，通过超声系统对搅拌筒进行振动清洗，然后关闭超声系统，其中超声系统的工作频率为100KHz，输出功率为600W，时间3～5min；

C、打开搅拌筒上的出料口，将搅拌均匀的水泥装模，在振动台上振动1～2min成型，室温放置12～48h后脱模，最后进行养护制得水泥试件，其中养护温度为15～25℃，相对湿度为90～95％以上。

本发明的有益效果在于：

1、本发明所公开的超声辅助搅拌水泥混凝土的装置及方法，针对目前常用水泥混凝土搅拌粗大粒料易均匀，但添加剂与纳米级材料等难均匀分散的问题，其中超声系统中的夹持器起到固定超声换能器和变幅杆的作用，而变幅杆能够将机械振动波的振幅放大，进而将搅拌筒内水泥配料的各个位置均匀振荡，防止水泥混合物中粒料的团聚，改变水泥混合物的微观密实度，并可促进水泥水化，改善硬化水泥浆体的微观结构，整个搅拌过程自动化程度高，搅拌效率高，并且制备的水泥混凝土强度高，耐久性好，获得一种早强、高强水泥混凝土，为节约水泥、降低生产能耗开辟新的途径。

2、本发明所公开的超声辅助搅拌水泥混凝土的装置及方法，在搅拌均匀的水泥出料装模前，可以通过超声系统对搅拌筒进行振动清洗，防止水泥配料粘附在水泥筒内壁上，对混合搅拌后的水泥筒进行振荡清洗，大幅提高水泥配料混合效率，提高工作效率。

本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：

图1为本发明超声辅助搅拌水泥混凝土装置的结构示意图；

图2为本发明超声辅助搅拌水泥混凝土装置中超声系统的结构示意图；

图3为本发明超声辅助搅拌水泥混凝土装置工作示意图；

图4为本发明超声辅助搅拌水泥混凝土装置中超声系统的安装结构示意图；

图5为本发明超声辅助搅拌水泥混凝土装置中超声系统的工作示意图。

附图标记：电机1、转轴2、金属连杆3、不锈钢金属底座4、驱动装置5、进料口6、搅拌筒7、搅拌筒壳体7-0、螺旋轴轴杆7-1、螺旋叶片7-2、超声系统8、超声控制箱体8-0、超声换能器8-1、夹持器8-2、变幅杆8-3、出料口9、支座一10、支座二11。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

如图1～5所示的超声辅助搅拌水泥混凝土的装置，包括驱动装置5、与驱动装置5电连接的电机1以及固定连接在电机1上的搅拌筒7，驱动装置5带动电机1上转轴2转动，进而带动搅拌筒7转动，起到搅拌混凝土的效果。搅拌筒7的底部一体成型固定安装有稳定搅拌筒7的两个支座，分别为支座一10和支座二11。驱动装置5的底端固定安装有不锈钢金属底座4，电机1远离驱动装置5的一端底部安装有固定连接在不锈钢金属底座4上的金属连杆3。金属连杆3的作用是消除电机1的振动。搅拌筒7上端装配有进料口6，搅拌筒7下端装配有出料口9，进料口6和出料口9上均安装有可控开关，搅拌筒7的正后方装配有超声系统8，超声系统8的装配长度与搅拌筒7长度一致。搅拌筒7由水平转动且固定在电机1转轴2上的螺旋轴轴杆7-1、固定安装在螺旋轴轴杆7-1上的螺旋叶片7-2以及套设在螺旋叶片7-2外的搅拌筒壳体7-0构成，超声系统8依次由连接在搅拌筒7上的超声控制箱体8-0、超声换能器8-1、夹持器8-2和变幅杆8-3组成，超声换能器8-1将电能转换为机械振动波，夹持器8-2位于零振点处，用于固定超声换能器8-1和变幅杆8-3，变幅杆8-3用于将机械振动波的振幅放大。超声系统8工作频率为100KHz，输出功率为600W、800W和1000W三档可调。

其中驱动装置驱动电机带动螺旋叶片转动的工作原理是：启动驱动电机1带动电机转轴2上的主动链轮(图中未显示)，使与主动链轮皮带连接且固定在螺旋轴轴杆7-1上的从动链轮开始转动(图中未显示)，从而使螺旋轴轴杆7-1同步转动，以起到搅拌混凝土的作用。超声系统8集成了超声发生电路(图中未显示)，通过动力电缆(图中未显示)和信号电缆(图中未显示)与超声装置连接，控制超声系统8工作，实现超声辅搅拌水泥混凝土的超声系统8由超声控制箱体8-0、超声换能器8-1、夹持器8-2、变幅杆8-3组成，超声控制箱体8-0与搅拌筒7相连接，超声换能器8-1的作用是将电能转换为机械振动波，超声换能器8-1与夹持器8-2的一端连接，夹持器8-2的另一端与变幅杆8-3的一端相连接，变幅杆8-3的另一端与超声控制箱体8-0对接。

一种超声辅助搅拌水泥混凝土的方法包括两个实例，分别是水泥胶砂和水泥混凝土。所有试验中，所用水泥为普通硅酸盐水泥(PO 42.5)，拌合水采用可饮用的自来水，水泥胶砂试验用砂为符合《水泥胶砂强度试验》(GB/T17671-1999)的标准砂，水泥混凝土试验中使用的粉煤灰，矿粉，河砂，骨料和聚羧酸减水剂均是质量合格，各项技术指标符合相应的标准和规范的原材料。

实施例1：

一种超声辅助搅拌水泥混凝土的方法，包括以下步骤：

A、关闭搅拌筒上的出料口，从搅拌筒的进料口依次加入待搅拌混合的水泥胶砂，水泥胶砂按照规范要求的水225±1ml，水泥450±2g，标准砂1350±5g比例加料，加料顺序为：先加入水泥，再加入水，最后加入标准砂，然后依次开启超声系统和电机，其中螺旋叶片转速为180±5r/min，搅拌时间为3～5min；

B、水泥配料搅拌混合后，先关闭驱动装置，通过超声系统对搅拌筒进行振动清洗，然后关闭超声系统，其中超声系统的工作频率为100KHz，输出功率为600W，时间3～5min；

C、打开搅拌筒上的出料口，将搅拌均匀的水泥装模，在振动台上振动1～2min成型，室温放置12～48h后脱模，最后进行养护制得水泥胶砂试件，其中养护温度为20±1℃，相对湿度为90％以上。

对比例1

对比例1与实施例1的区别在于，不开启超声系统。

实施例1与对比例1性能测试结果见表1：

表1

本实施例1所制备的水泥胶砂结构密实，强度较高。相比对比例1，实施例1的水泥胶砂早期抗折强度相对于对比例提高了25％～35％，抗压强度提高了20％～25％；28d强度提高较少，抗折强度和抗压强度均提高了10％～15％，这是由于超声波促进了水泥的水化，使得水泥石结构更加密实，从而有效的改善了水泥胶砂的力学性能。

实施例2

一种超声辅助搅拌水泥混凝土的方法，包括以下步骤：

A、关闭搅拌筒上的出料口，从搅拌筒的进料口依次加入待搅拌混合的水泥混凝土，每10L水泥混凝土中需分别加入水泥1.89kg，粉煤灰1.01kg，矿粉1.26kg，河砂7.75kg，粗骨料7.31kg，细骨料3.23kg，聚羧酸减水剂0.42kg。然后依次开启超声系统和电机，其中螺旋叶片转速为180±5r/min，搅拌时间为3～5min；

B、水泥配料搅拌混合后，先关闭驱动装置，通过超声系统对搅拌筒进行振动清洗，然后关闭超声系统，其中超声系统的工作频率为100KHz，输出功率为600W，时间3～5min；

C、打开搅拌筒上的出料口，将搅拌均匀的水泥装模，在振动台上振动1～2min成型，室温放置12～48h后脱模，最后进行养护制得水泥混凝土试件，其中养护温度为20±2℃，相对湿度为95％以上。

对比例2

对比例2与实施例2的区别在于，不开启超声系统。

实施例2与对比例2性能测试结果见表2：

表2

本实施例2所制备的水泥混凝土结构密实，强度较高。相比对比例2，实施例2的抗折强度提高了15％～20％；抗压强度提高了10％～15％，这是由于超声波促进了水泥的水化，使得水泥石结构更加密实，从而有效的改善了水泥混凝土的力学性能。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (6)

1.一种超声辅助搅拌水泥混凝土的装置，其特征在于，包括驱动装置、与驱动装置电连接的电机以及固定连接在电机上的搅拌筒，所述搅拌筒上端装配有进料口，搅拌筒下端装配有出料口，所述搅拌筒的正后方装配有超声系统，所述搅拌筒由水平转动且固定在电机转轴上的螺旋轴轴杆、固定安装在螺旋轴轴杆上的螺旋叶片以及套设在螺旋叶片外的搅拌筒壳体构成，所述超声系统依次由连接在搅拌筒上的超声控制箱体、超声换能器、夹持器和变幅杆组成，所述超声换能器将电能转换为机械振动波，所述夹持器位于零振点处，用于固定超声换能器和变幅杆，所述变幅杆用于将机械振动波的振幅放大。

2.如权利要求1所述超声辅助搅拌水泥混凝土的装置，其特征在于，所述驱动装置的底端固定安装有不锈钢金属底座，所述电机远离驱动装置的一端底部安装有固定连接在不锈钢金属底座上的金属连杆。

3.如权利要求2所述超声辅助搅拌水泥混凝土的装置，其特征在于，所述进料口和出料口上均安装有可控开关，所述超声系统的装配长度与搅拌筒长度一致。

4.如权利要求3所述超声辅助搅拌水泥混凝土的装置，其特征在于，所述搅拌筒的底部固定安装有稳定搅拌筒的两个支座。

5.如权利要求4所述超声辅助搅拌水泥混凝土的装置，其特征在于，所述超声系统工作频率为100KHz，输出功率为600W、800W和1000W三档可调。

6.如权利要求1～4任一所述超声辅助搅拌水泥混凝土的方法，其特征在于，包括以下步骤：

A、关闭搅拌筒上的出料口，从搅拌筒的进料口依次加入待搅拌混合的水泥配料，然后依次开启超声系统和电机，其中螺旋叶片转速为180±5r/min，搅拌时间为3～5min；

B、水泥配料搅拌混合后，先关闭驱动装置，通过超声系统对搅拌筒进行振动清洗，然后关闭超声系统，其中超声系统的工作频率为100KHz，输出功率为600W，时间3～5min；

C、打开搅拌筒上的出料口，将搅拌均匀的水泥装模，在振动台上振动1～2min成型，室温放置12～48h后脱模，最后进行养护制得水泥试件，其中养护温度为15～25℃，相对湿度为90～95％以上。