干混砂漿原材料特性和計量混合系統(tǒng)設計要求-

1、干混砂漿原材料特性和計量稱重混合系統(tǒng)設計要求蔡冰摘要干混砂漿是按照配方由許許多多不同組分材料的混合物,其組分材料的化學和物理性能(特別是流動性,磨損性.顆粒大小以及形狀可能完全不同.這些往往是給生產(chǎn)工程中的進料,料倉的下料,計量,輸送,混合,包裝等帶來干擾.針對這些不同組分的散體材料的特性和實際生產(chǎn)要求,其計量稱重和混合系統(tǒng)應采用相應的合理設計,從而提高系統(tǒng)的精度和可靠性.本文就常用干粉砂漿組分材料的特性來闡述其對于計量稱重及混合系統(tǒng)的要求和對其計量精度和混合均勻度的統(tǒng)計描述和檢測.Dry mortar is a mixture made of different kind of bulk m

2、aterials according certain recipes, the properties such as flow ability, abrasives, particle size and shape maybe totally different. These different properties can influence the production process like material feeding, silo discharging, dosing, weighing, conveying, mixing, packaging etc. According

3、to the different bulk materials and its final product requirements the dosing and mixing system have to be designed accordingly, in order to increase the reliability and the precision of the systems. Herewith the requirement and performance by using statistical measurement of dosing and mixing syste

4、ms will be described.1 干混砂漿技術干混砂漿技術是將最初級的砂,經(jīng)烘干篩選后加上少量的膠結材(水泥,石膏和微量高科技添加劑按經(jīng)驗科學配方加工而成的均勻粉狀混合物.按照德國工業(yè)標準DIN18557的定義,工業(yè)(商品建筑干粉為一種由多種原材料組成的均勻的混合物,在工地僅僅加水調(diào)和即可使用.這些原材料主要指骨料(如干砂,石灰石粉和膠結材料(主要是如水泥或硬石膏,填料(石粉等以及化學添加劑,有時還要顏料.這些原料根據(jù)不同使用要求,按一定的配方在工廠干拌加工制成的均勻混合物料,就象日常生活中的速溶咖啡一樣與水混合立即可以使用.表一提供了干混砂漿的基本配方成分. 針對不同的要求, 可

5、按照不同的配方,配置出不同用途的干混砂漿產(chǎn)品.干混砂漿產(chǎn)品主要分類為:砌筑砂漿(普通砌筑砂漿,混凝土砌塊專用薄床砌筑砂漿,保溫砌筑砂漿等抹灰砂漿包括內(nèi)外墻壁打底抹灰, 膩子,內(nèi)外墻壁彩色裝飾,隔熱砂漿地平砂漿(普通地平砂漿,自流平砂漿粘結砂漿(瓷板粘結劑,溝縫, 隔熱復合系統(tǒng)專用粘結砂漿特殊砂漿(修復砂漿,防水砂漿,硬化粉等等表一. 建筑干粉基本配方膠結材 集 料 添加劑 參和料 水泥 消石灰粉 細白石灰粉 石膏 硬石膏 砂/粗砂(集料填料輕集料引氣劑增厚劑保水劑防水劑超塑化劑消泡劑速凝劑緩凝劑粘結劑顏料超細礦物粉料纖維現(xiàn)代化學科技的迅速發(fā)展給建筑干粉砂漿帶來巨大的進步,使得許多膠狀產(chǎn)品也能夠

6、以干粉狀生產(chǎn)出來.以前不能做到或不能達規(guī)定要求的產(chǎn)品通過添加微量的化學粉末得以實現(xiàn).化學添加劑在干混砂漿技術中的使用,極大地提高了最終產(chǎn)品的性能以及擴大了應用范圍.通過不同的化學添加劑可以改善和優(yōu)化如下性能:濕砂漿施工性能如可塑性,加速和推遲凝固,稠度,溶解度,發(fā)泡性等最終產(chǎn)品如強度,耐腐蝕,不褪色,密封性等2 散體物料的特性散體物料是指粉狀,顆粒狀松散堆積的材料. 在建筑材料干混砂漿中常用的顆粒直徑為0-5毫米. 散體物料的物理特性由散體物料力學來描述. 主要的特性有:-流動性-流化性-密度-顆粒大小分布-顆粒的形狀這些特性決定著在干混砂漿生產(chǎn)工藝流程及方案的設計,設備的選型,比如干砂機,篩

7、分機的選型,物料的輸送,料倉卸料是否順利,結橋如何處理,計量裝置中如何考慮解決時壓效應給計量精度帶來的負作用.除此之外, 考慮干混砂漿中常常加入纖維如何分散, 包裝機的選型等等.流化性是散體物料的最重要的特性之一. 不是所有的物料都能均勻流化.而且均勻流化狀態(tài)也需要一定的時間才能達到.不均勻流化的壞處是密度不均勻,從而導致通過計量器的物料的量隨時間波動大(所謂的計量一致性差.如水泥以及添加劑等在筒倉儲存時間長后都有可能產(chǎn)生不均勻流化. 在這種情形下機械的分散作用往往是必要的. 不均勻流化 c不均勻流化時的計量a 均勻流化 b圖一. 流化狀態(tài)原材料對干粉砂漿的質(zhì)量有至關重要的影響.按使用要求不同

8、,需要哪些原材料和對這些原材料的要求也有所不同. 為提高設備的可靠性建議儲料倉采用必要的助卸料裝置, 如流化,振動等.首先談談原材料中的骨料之一的砂石,大多數(shù)砂漿產(chǎn)品其含砂量達70%至80%,所以它來源和成分以及物理特性不但對最終產(chǎn)品的質(zhì)量是否符合規(guī)定合要求,同時對生產(chǎn)設備的設計和選型和施工機器如磨損,壓力均有不可低估的影響.砂石骨料主要是石英砂,河砂,破碎的石灰石等.在使用前必須檢驗其雜質(zhì)含量及顆粒大小分布,含雜質(zhì)的砂必須沖洗烘干;其最后的濕度必須小于0.5%.砂的顆粒形狀也影響建筑干粉的強度以及施工工地的輸送,機器水灰均混和噴涂.所以,砂石的預先加工和篩分工藝是建筑干粉生產(chǎn)中的關鍵一環(huán)。在

9、作配方試驗應檢驗其粒徑分布曲線,而且盡可能使用生產(chǎn)設備中篩分機篩分的砂石,避免配方誤差.其次是膠結材料.它的作用是將砂之內(nèi)顆粒粘在一起,凝固后產(chǎn)生一定的強度。如表一所列舉的膠結材料主要有水泥,石膏,石灰等。其顆粒粒經(jīng)遠小于1,0毫米.使用不同膠結材料會直接影響成品的性能如防水,收縮,強度等.所以,對其品質(zhì)必須進行進廠檢驗,以保證和在實驗室所作配方要求一致.高效化學添加劑如高分子聚合物等通常是固體粉末狀,比重輕,其化學性能和流動性和溫度壓力有關.這些材料均以微量加入.必須均勻分散,可極大地提高了最終產(chǎn)品的性能.除粉狀化學添加劑之外市面上還有液體的。液體添加劑必須以噴霧式加入攪拌。添加劑是以微量來

10、進行計量的,通常是以一比一千至十萬的比例進行混合。所以計量和攪拌的精確均勻和高效率是非常關鍵的。我們所看見的那些絢麗多彩,富有個性建筑物還需要用到彩色裝飾砂漿.在配制這些干粉砂漿時主要使用對人體無害,自然的礦物顏料粉末.質(zhì)量好的顏料顆粒微小均勻.所以顏料粉末顆粒吸附在一起,必須使用特殊的攪拌方法使之均勻分散在其他骨料顆粒上,形成鮮艷的色彩.對最終產(chǎn)品干混砂漿對以下性能的要求:鮮漿硬化漿體- 施工的和易性, 有時在給定的時間里具有泵送和噴涂能力- 足夠的保水性- 抗壓,抗拉強度- 剪切強度- 黏結強度- 彈性模量(壓力拉力 - 切向變形模量- 導熱性- 抗凍溶阻力這些性能和配方,原材料,生產(chǎn)過程

11、以及施工密切相關.3 計量輸送計量稱重系統(tǒng)計量有很多種方式.下面的表列出常見的幾種.其中用的最廣泛的是數(shù)螺旋輸送原理,精密螺旋輸送計量稱重系統(tǒng)其計量一致性高(輸出密度或重量隨時間變動小,可調(diào)范圍大(1:30. 螺旋計量輸出量的大小和轉子的轉速成線性關系.適用于幾乎所有的物料.滑板閥或蝶閥計量只適用于流動性好的物料,比如,大于1毫米顆粒干燥河砂.由于受最小開口度, 故其流量可調(diào)范圍很小,為1:5.而且其流量和控制閥門開口量(閥位移或轉角是非線性關系,從而可能再一次降低計量精度.所以將粗砂直接儲存在計量斗的上方,水平輸送距離非常短.適合用滑板閥,無須流化,節(jié)省壓縮空氣,運行費用低.表二. 幾種常用

12、的計量形式計量形式適應范圍控制量(粗細范圍計量流量的波動 % 計量輸送螺旋幾乎所有的物料, 無脈動 1:30 1-5振動輸送計量器易流動的粉顆粒料, 碎片 1:10 10計量輸送皮帶機易流動的粉顆粒料, 不適合碎片1:20 1-5旋轉閘閥喂料機有限制地用于易變形的顆粒,有脈動1:10 2-10計量閘閥適合易流動的粉料, 不適合粘附和不流化的粉料, 可用于硬和易碎顆粒, 不適合易變形和碎片料1:10 5計量蝶閥(和閘閥基本相同 1:10 5以螺旋計量稱重為例, 來分析過程的系統(tǒng)誤差. 該系統(tǒng)有螺旋給料機(暫不考慮進料的影響, 稱斗配傳感器和支持結構, 蝶閥和控制器組成. 給料的控制有變頻馬達控制

13、螺旋機的轉速來實現(xiàn). 給料控制分粗流量和小流量計量. W圖二. 螺旋計量稱重系統(tǒng)由圖所示, 計量的精度是一喂料和稱重的相互系統(tǒng)描述. 該系統(tǒng)是一反饋控制系統(tǒng). 計量系統(tǒng)的誤差主要和以下因素有關: 環(huán)境的影響 靜態(tài)稱的精度 計量喂料精度- 外界的振動, 沖擊 - 溫度 - 空氣流動等- 機械機構誤差(支撐系統(tǒng)- 傳感器的精度 - 控制和傳輸誤差 - 不同連接如電纜, 氣管,補償結點等- 停啟開關誤差- 遲后殘留誤差 - 開關閥的關閉時間- 卸料殘留誤差 系統(tǒng)的誤差為所有誤差的平方和: 22221.n f f f F +=人們常用的計量精度表示是在最大稱量值時的相對誤差, 以0/00千分數(shù)來表示.

14、 完整和可靠的檢測是統(tǒng)計學的方差分析. 因此,按照生產(chǎn)干混砂漿的實際要求在整個計量過程中使用絕對誤差. 必須注意, 每個稱都有最大和最小稱量, 否則低于最小稱量的相對誤差太大不能滿足實際要求. 所以在稱量不同材料和量的時候, 按照質(zhì)量標準要求使用不同稱量范圍的計量稱重. 目前廣泛使用精密螺旋輸送計量稱重系統(tǒng)有以下主要優(yōu)點:1 適合于幾乎所有的物料2 可調(diào)范圍大3 通過螺旋葉片的設計滿足輸送物料的要求4 計量精度高.5 耐磨損(改進設計和材料6 維修簡單,費用低7 運行費用低(無需流化用壓縮空氣4 混合系統(tǒng)的要求和混合均勻過程描述混合機是干混砂漿生產(chǎn)中最關鍵的一環(huán),也即是工廠的心臟.數(shù)十年來人們

15、針對不同的物料特性和產(chǎn)品要求通過試驗研究開發(fā)和應用了不同混合原理及設計.對于干混砂漿廣泛認為高效的混合技術的基本要求是1 盡可能只有一個攪拌區(qū),混合時間短 40-120秒鐘.2 卸料時殘余量少,容易或不用清理3 卸料速度快10-15秒鐘4 能耗低5 配有高速刀片,能高效混合纖維和顏料.6 整體耐磨損設計7 維修保養(yǎng)方便,費用低8 備品備件庫存少.為了達到適當?shù)脑O計, 分析了解混合的一般機理非常有幫助. 混合的定義較廣, 這里僅限于干混砂漿生產(chǎn)中的混合過程. 混合的目的是降低物料中的溶度,溫度,密度等的不同性或梯度. 圖三: 完全離析和均勻混合狀態(tài) 混合過程的機理有宏觀和微觀過程. 在干混合中有

16、兩種主要的機理:1 對流混合是在機械外力作用下產(chǎn)生的剪切運動. 大塊物料團互相剪切交換而達到均勻混合目的. 2 分散運動是隨著大塊物料團的運動而產(chǎn)生的紊流使物料顆粒產(chǎn)生交換運動. 分散混合 對流混合 圖四. 干混砂漿混合機理 為了能夠檢測所要求的混合質(zhì)量, 必須確定以下情況:1 重要的產(chǎn)品特性E 和特征表述X 如質(zhì)量溶度c M ,密度等.2 混合好壞(均勻度的檢測度M (例如標準方差s 和平均值M c 的比值得到方差系數(shù). M c s/V =3 取樣值 M p (取樣質(zhì)量或取樣體積4 要求的混合均勻度 F5 能夠達到的混合均勻度 Z (和顆粒大小有關6 取樣數(shù)量 k (k 決定了檢測的安全性混

17、合均勻性的描述:k 個取樣的質(zhì)量溶度波動的經(jīng)驗方差s=2M i M,2c (c 1k 1s其中平均值為=i M,M c k1c 和真正的方差2是有區(qū)別的, 因為, 僅用到了有限取樣數(shù)k k . 統(tǒng)計學表明在測量的標準方差s 其方差落在一定的區(qū)間范圍, 取樣數(shù)k值越大, 該區(qū)間越小. 實際中常采用t-分布來處理取樣數(shù)據(jù). 隨機混合均勻性 混合過程是有效的, 當混合均勻度的方差隨時間收斂. 也就是, 隨著混合時間, 方差越來越小趨向一固定區(qū)間. 完全理想的混合過程. 其方差應趨于零. 實際中我們只能達到一個較小的值, 即隨機混合過程. 一個一致的隨機混合過程出現(xiàn), 當一個混合元素在任何一個所觀測的

18、空間 的部分區(qū)間出現(xiàn)的概率在任何時間點對于所有的相同部分區(qū)間都相同時. 故實際的混合均勻度方差為為混合過程的方差M以及隨機混合過程的方差z和: 2 2 = M + z2 Mixing time is defined as the time, in which the experimental variances of random samples variances fall in the confidence interval of the stationary end condition. Variance of random samples confidence interval mix

19、ing time mixing duration 圖五. 混合均勻度方差曲線 通過方差的曲線可以確定所需的混合時間. 通常, 混合系統(tǒng)應具備在線取樣裝置. 特殊配方的 混合時間通過混合試驗測定. 離析現(xiàn)象的分析 粉體材料混合后通過運動可能會產(chǎn)生離析現(xiàn)象. 它對干混砂漿的生產(chǎn)工藝設計和產(chǎn)品的物流 (儲存,運輸,工地的氣力輸送等以及施工都有重要的影響. 當混合物中的組分在 a 顆粒大小 b比重有差異時均可能產(chǎn)生離析. 比如保溫砂漿中的粉體黏結劑和聚苯顆粒在受到振動等運 動是, 輕質(zhì)的聚苯顆粒必能會浮向表面, 所謂的浮起現(xiàn)象. 故人們只在施工現(xiàn)場將兩種材料和 水混合, 在施工. 由于顆粒大小不一或比

20、重不同的顆粒的空氣中沉降速度不同, 因此, 在物料 的筒倉進料, 卸料, 輸送均產(chǎn)生不同程度的離析. 當然, 離析給產(chǎn)品質(zhì)量的影響需通過取樣檢 測來確定, 所使用的生產(chǎn)工藝, 施工方法是否正確. 混合機的類型 混合機的原理有多種, 粉體材料中常用的是 - 重力混合 強制式動力混合 氣力混合 現(xiàn)代干混砂漿的混合技術是建立在相似力學和試驗的基礎上. 考慮干混砂漿中組分特性的差 異, 強制式的動力混合原理得以進一步應用. 一些具有很強附著力粉體材料如顏料需要足夠 的剪切力方能分散, 使得微細顏料顆粒通過分散混合以及 van-der-Waals 力附著在其他顆粒 外表, 而形成鮮艷的色澤. 高速分散還能混合短纖維及難混合的材料. 圖六中列舉了一些混合 機的形式. 單軸臥式強制混合機 雙軸臥式強制混合機 椎形螺旋混合機 重力筒倉混合 圖六. 混合原理 雙軸立式混合機 選擇混合機是一相艱難的工作. 必須考慮到所用物料的特