【摘要】针对混凝土在搅拌过程中容易出现的离析问题，本文参考现在主流的混凝土搅拌车建立非等边角螺旋线混凝土搅拌罐的几何模型，并对搅拌罐中的混凝土进行多相流仿真分析;同时，作者通过对仿真分析同类型混凝土搅拌车的不同搅拌卸料阶段混凝土进行采样，对样本进行科学系统分析。最后，将实际分析结果与流体仿真结果进行分析对比，两种分析结果表现出较高的一致性。
【关键词】混凝土;离析;多相流仿真;采样分析
Abstract：For concrete mixing process is prone to segregation problem，this paper refer to refer to the prevailing concrete mixing to establish non-equi angular spiral concrete tank body ，and to do the concrete mixing tank multiphase flow simulation analysis;Meanwhile，through the simulation analysis of the same type of concrete mixer concrete discharge phase difference stir sampled for analysis of samples for scientific system.Finally，the actual analysis results and the fluid simulation results are analyzed，two kinds of analysis results showed a high consistency.
Key words：concrete;segregation;multiphase flow simulation;sampling analysis
引言
在混凝土搅拌运输过程中，除混凝土本身物理因素如水泥标号，塌落度等引起的拌和质量问题外，混凝土的离析便是另一影响混凝土施工质量的因素，尤其是在经混凝土搅拌运输车输送到目的地后的质量，更加重要。
离析是一种混凝土拌合物组成的材料间，由于粘聚力难以阻止粗集料下沉而产生的现象，其具体的表现包括了混凝土中骨料分层、分离、抓底以及和易性差等方面[1]，文章中对混凝土搅拌运输车罐体进行三维建模及多相流仿真，对比罐体前锥、中筒及后锥部分中混凝土的运动机理，寻找混凝土搅拌不均匀的部分。另一方面通过实验对采样的混凝土进行砂石分离及普查，验证仿真分析与实际情况的差异。
1.混凝土搅拌运输车中混凝土多相流仿真
多相流所指的是在流体的运动中有至少两种以上相的物质存在，在流体运动中具有一定的相互作用与影响，根据混凝土的基本组成，为了研究混凝土在搅拌罐内的运动机理，就需要利用多相流仿真的方法。
1.1 混凝土搅拌运输车中混凝土运动机理分析
混凝土搅拌运输车中混凝土的运动机理将通过ANSYS软件中的Fluent模块进行多相流的仿真，从仿真结果中能较为直观的分析出各状态下混凝土在搅拌罐中的运动流场、路径等运动机理。
对非等边角螺旋线型的混凝土搅拌运输车中混凝土实体模型的建模，经由Fluent流体计算分析可以得搅拌罐内不同部分，其混凝土的运动轨迹各不相同，且混凝土在搅拌罐内的运动直接影响着混凝土的搅拌质量。
图1 速度流线图
1.2 速度流线仿真结果分析
速度流线图利用了不同颜色线条[2]，来表示质点的运动轨迹，将计算域内所包含的无质量粒子流动的情况可视化表达。可指定粒子从哪个表面上释放出来，用混凝土的速度流线图来直观描述混凝土在搅拌罐内的运动轨迹，图1所示。
相同条件设定下，非等变角螺旋线的混凝土速度流线图[3]。
通过此可以分析出，在混凝土搅拌运输车搅拌罐处于正常工况下，其前锥部分在搅拌骨料过程中骨料不断被推向前锥封头处，使得较大体积石块沉淀较多，拌和效果不如中筒部分理想;后锥部分由于叶片的搅拌线速度低，所以后锥部分粗骨料数量较多，砂子与小体积的骨料较为集中。
1.3 湍流强度强度分析
在影响混凝土搅拌罐中混凝土运动的因素中，搅拌罐内各处所产生的湍流强度也是其中之一[4]，产生湍流的地方其附近混凝土的各相受力就相对较强，运动也较为充分，非等变角螺旋线与等变角螺旋线罐体产生的多相流湍流强度如图2所示。
图2 湍流强度切片图
根据湍流图，在搅拌罐速度等条件一定的情况下，不同罐体部位中，其强度在混凝土搅拌罐体的内壁与螺旋叶片附近较为明显，在混凝土内部的湍流较弱，在非等变角螺旋线罐体中的混凝土湍流强度较强，效果更好。
2.攪拌混凝土输送后质量的实验分析
2.1 实验目的
实验的目的在于利用采集混凝土搅拌运输车搅拌罐中不同位置的混凝土样本，将其称重进行砂石分离，通过对所含砂石的质量及其中石块的大小，分析其经过混凝土搅拌运输车搅拌后的搅拌质量，将结果与Fluent仿真结果相结合对比，观察是否有离析现象发生，研究混凝土在搅拌罐中的运动机理。
2.2 实验过程分析
实验选取两辆相同型号的混凝土搅拌运输车作为研究对象，由于试验时条件所限，所以为保证试验的代表性，选取时以市场中主流混凝土搅拌运输车为试验对象，其搅拌罐的容积与第三章中所建立模型容积相同，均为12m3，对每组所取得的样本进行相互对比，计算石块及沙子等含量在整个混凝土样本中所占的比例，结合前文内容分析混凝土搅拌运输车搅拌罐的前锥、中筒以及后锥每部分中混凝土的搅拌质量及离析程度，从而结合仿真结果对搅拌罐中的混凝土运动机理做一定的分析，实验流程如图3所示。
图3 实验流程图
混凝土的塌落度等基本条件，如下表1。
表1 混凝土样本配比及塌落度
混凝土标号 C30
塌落度（mm） 150
水含量（kg/m3） 175
石子含量（kg/m3） 1252
沙子含量（kg/m3） 512
标号32.5水泥的含量（kg/m3） 461
各项比例 0.38：2.72：1.11：1
图4 实验器材
试验中所选用的混凝土搅拌运输车车型为某型混凝土搅拌运输车，其上装搅拌罐体有效容积为12m3，试验时混凝土搅拌车的罐体转速为3r/min。具体试验过程如下：
（1）选用试验工具及仪器如图4所示，包括盛放混凝土样本的直径为240mm的器皿;冲洗过滤混凝土样本所用的滤网;称量所采样本的电子秤;测量石子大小所用的钢尺及游标卡尺。
（2）进行样本选取时，分别对同一型号两辆混凝土搅拌运输车作为选取标本对象，由于交通法规等限制，试验中每辆容积为12m3的混凝土搅拌运输车实际装载量均为9m3，所选取混凝土骨料也必须为同一批次产品。
首先对一辆载有9m3混凝土的搅拌运输车的卸料过程进行计时，其在装载9m3混凝土的情况下卸料所需时间为15分钟，由此推算其位于中筒部分的骨料在卸料时应在用时6分钟时取样，其位于前锥部分的骨料在卸料时应在用时12分钟时取样。
（3）计算好取样时间，观察混凝土搅拌运输车的卸料过程，分别在相应时间段用直径240mm的容器取适量的混凝土样本，为了减小后期误差，每次取样本时均用同一个容器，再将样本倒入其它容器中等待称量，以相同形式每组取样三次，共两组。
（4）取得样本之后利用电子秤对取得的混凝土样本进行称重，使每组待测量的混凝土样本重量基本一致。将每组样本按取样时间分为a、b、c号，其分别对应混凝土搅拌运输车搅拌罐的后锥、中筒及前锥。经过称量后每组混凝土重量如下表2。
表2 混凝土样本称重
组别 取样编号
a b c
第一组 4.8kg 4.9kg 4.8kg
第二组 4.9kg 4.8kg 5kg
（5）在取得合适样本之后，将其静置在各自容器中，观察每一份样品是否有离析的现象产生，主要以粗骨料是否从所取样本的整体中有分离现象，其次观察在形成的a、b、c三份混凝土锥形堆周边是否有稀水泥浆流出，如图5所示。
图5 样本对比
由于在试验时担心混凝土由于外界环境干燥且温度高会使混凝土样本凝固，所以在每份容器敞口处封盖了塑料薄膜，以减慢混凝土的凝固速度。通过将两组样本以相同方法静置半小时后观察得到，a盆中粗骨料量较多，混凝土拌合效果不如b与c容器中的理想，但c容器中有少量的稀水泥浆渗出，由此得出a，c试验样本在混凝土搅拌运输车的搅拌罐中搅拌运动不如b样本充分，搅拌的匀质性相对b样本有所差距，有轻微的离析现象，为了验证此结果，将在下一步进行进一步的试验对比。
（6）对所有两组共6份的样本进行冲洗，利用纱网将冲洗的样本过滤，由于混凝土中的水泥，而水泥的主要组成是：硅酸三钙、硅酸二钙、铁铝酸四钙、铝酸三钙等，与水混合后经过化学反应后产生能溶于水的化合物和不能溶于水胶体，由于水泥中无粗大颗粒，所以需要多次冲洗，尽量将混凝土样本中的水泥排出，再分离出样本中的石块与砂子，将其晾晒后分别装袋称重。称重结果如表3。
表3 砂石称重结果
组别 样本编号 砂子重量（kg） 石块重量（kg）
第一组 a 1.32 2.29
b 1.67 1.86
c 1.61 1.34
第二组 a 1.19 2.05
b 1.70 1.75
c 1.74 1.52
由表3可以得出，第一組a号试验样本中，石块重量为2.29kg，占样本总重的47.7%，第二组a号样本中石块的重量为2.05kg，占样本总重的41.8%，而在两组中b号样本中的石块重量分别占总重的37.9%与36.5%，c号样本中石块重量则分别占样本总重的27.9%和30.4%。
两组试验样本中，石块重量与砂子重量的比例可以反映出，混凝土在搅拌罐中不同位置的混合均匀程度，如图6所示。
图6 砂石称重比例百分数扇形
根据图6所得出的数据，在对两组相同编号的样本进行对比时可发现，在不同组样本中呈现出了如下相似的规律性：
①从混凝土搅拌罐后锥部分所取出的混凝土样本（a号）中，石块所占的样本总重量的比例，明显高于中筒与前锥部分所取得的样本。
②由前锥部分所取出的混凝土样本（c号）中，砂子重量高于石块重量，与混凝土初始的配比相差叫明显。
由以上两点可得出，在混凝土搅拌罐中，前锥部分砂子含量过高，后锥部分石块含量较高，前锥与后锥部分的搅拌混合均匀性差异较大。
（7）经过称重之后对所有样本中的石块进行普查，对每份样本中的石块最大直径D端测量，直径较大的石块，其体积相对也较大，外形呈现为不规则的立方体，棱角较分明，而直径较小的石块体积也较小，外形相对更圆润，如图7所示，右侧部分石子体积均较大。
表4 石块直径分类及数量
组别 样本编号 D>40mm 30mm<D<40mm 20mm<D<30mm D<20mm
第一组 a 20 56 60 125
b 13 28 47 80
c 15 40 23 40
第二组 a 23 51 67 107
b 10 31 50 75
c 12 46 29 37
图7 石块分布
为了更好地比较石块在每份样品中的分布，则按照石块最大直径数值的大小将其分为四组，具体分组见表4。
图8 不同直径石子所占总体百分数扇形图
由表4得出的数据得到下面的扇形统计图8，更直观的反应每份样品石块体积大小的区别。在实验测量的过程中可以发现以下规律：
①两组实验各个样本中，D<20mm的石块数量相对最多，说明在混凝土搅拌罐中，D<20mm的石块分布最广最均匀。
②两组实验各样本中，D>40mm的石块数量在a组中出现最多。
③两组实验各样本中，20mm<D<30mm的石块数量，占总量的比例最大的样本均是b号样本。
④两组实验各样本中，D>40mm的石块数量占总量比例最大的均是c号样本，达10%。
在混凝土搅拌运输车搅拌罐中，前锥部分，体积较大的石块比例最多;中筒部分，各类体积石块分布较均匀;后锥部分，体积较大的石块数量多出其他部分，细小体积的石块比例对比其他样本也最高，所以在混凝土搅拌罐中，其前锥与后锥部分在搅拌过程中较易发生离析现象，表现为粗骨料在单位体积内过多及砂石搅拌不均匀。
3.总结
通过试验中的各项数据及图表，与多相流仿真内容相结合分析，在混凝土搅拌运输车搅拌罐处于正常工况下，其前锥部分由于受重力的分力影响，在搅拌骨料过程中骨料不断被推向前锥封头处，使得较大体积石块沉淀较多，拌和效果不如中筒部分理想;后锥部分由于叶片的搅拌时内部流场湍流较弱，线速度低，所以后锥部分粗骨料数量较多，砂子与小体积的骨料较为集中，拌和效果也有待改进。
混凝土在搅拌过程中容易出现离析问题，结合实际需求选择评价离析的方法，设计了关于各阶段在混凝土搅拌运输车中混凝土搅拌质量对比的试验，并得出在混凝土搅拌运输车正常运输工况下，混凝土搅拌运输车搅拌罐的中筒内混凝土运动最均匀，搅拌效果最好，而后錐与前锥部分的混凝土拌和性相对较差，后锥部分的混凝土还产生了轻微离析现象。
参考文献
[1]张艳聪，王大鹏，田波，等. 道路混凝土离析评价方法[J].公路交通科技，2012，29（001）：23-27.
[2]王明强，朱永梅，刘文欣.有限元网格划分方法应用研究[J].机械设计与制造，2004，01：22-24.
[3]郑招强.混凝土搅拌运输车参数化设计研究[D].青岛理工大学，2012.
[4]王福军.计算流体动力学分析：CFD软件原理与应用[M].清华大学出版社有限公司，2004.
基金项目：山东省科技攻关项目（2011GGX10317）支持。
作者简介：
王丰元（1963—），男，山东人，博士，青岛理工大学教授，博士生导师，主要研究方向：智能车辆与智能交通。
蒋鑫（1989—），男，硕士，现就读于青岛理工大学汽车与交通学院，主要研究方向：车辆安全。