干混砂浆原材料特性和计量称重混合系统设计要求
干混砂浆是按照配方由许许多多不同组分材料的混合物,其组分材料的化学和物理性能(特别是流动性,磨损性).颗粒大小以及形状可能完全不同.这些往往是给生产工程中的进料,料仓的下料,计量,输送,混合,包装等带来干扰．针对这些不同组分的散体材料的特性和实际生产要求，其计量称重和混合系统应采用相应的合理设计,从而提高系统的精度和可靠性.本文就常用干粉砂浆组分材料的特性来阐述其对于计量称重及混合系统的要求和对其计量精度和混合均匀度的统计描述和检测．
1 干混砂浆技术
干混砂浆技术是将最初级的砂,经烘干筛选后加上少量的胶结材(水泥,石膏)和微量高科技添加剂按经验科学配方加工而成的均匀粉状混合物.按照德国工业标准DIN18557的定义,工业(商品)建筑干粉为一种由多种原材料组成的均匀的混合物,在工地仅仅加水调和即可使用.这些原材料主要指骨料(如干砂,石灰石粉)和胶结材料(主要是如水泥或硬石膏),填料(石粉等)以及化学添加剂,有时还要颜料.这些原料根据不同使用要求,按一定的配方在工厂干拌加工制成的均匀混合物料,就象日常生活中的速溶咖啡一样与水混合立即可以使用.
表一提供了干混砂浆的基本配方成分. 针对不同的要求, 可按照不同的配方,配置出不同用途的干混砂浆产品.干混砂浆产品主要分类为：
· 砌筑砂浆(普通砌筑砂浆,混凝土砌块专用薄床砌筑砂浆,保温砌筑砂浆等)
· 抹灰砂浆包括内外墙壁打底抹灰, 腻子,内外墙壁彩色装饰,隔热砂浆
· 地平砂浆(普通地平砂浆,自流平砂浆)
· 粘结砂浆(瓷板粘结剂,沟缝, 隔热复合系统专用粘结砂浆)
· 特殊砂浆(修复砂浆,防水砂浆,硬化粉等等)
表一. 建筑干粉基本配方
胶结材 集 料 添加剂 参和料
· 水泥
· 消石灰粉
· 细白石灰粉
· 石膏
· 硬石膏 ·砂/粗砂（集料）
·填料
·轻集料
·引气剂
·增厚剂
·保水剂
·防水剂 ·超塑化剂
·消泡剂
·速凝剂
·缓凝剂
·粘结剂 ·颜料
·超细矿物粉料
·纤维
现代化学科技的迅速发展给建筑干粉砂浆带来巨大的进步,使得许多胶状产品也能够以干粉状生产出来.以前不能做到或不能达规定要求的产品通过添加微量的化学粉末得以实现.化学添加剂在干混砂浆技术中的使用,极大地提高了最终产品的性能以及扩大了应用范围.通过不同的化学添加剂可以改善和优化如下性能:
湿砂浆施工性能如可塑性，加速和推迟凝固，稠度，溶解度，发泡性等
最终产品如强度，耐腐蚀，不褪色，密封性等
2 散体物料的特性
散体物料是指粉状,颗粒状松散堆积的材料. 在建筑材料干混砂浆中常用的颗粒直径为0-5毫米. 散体物料的物理特性由散体物料力学来描述. 主要的特性有:
-流动性
-流化性
-密度
-颗粒大小分布
-颗粒的形状
这些特性决定着在干混砂浆生产工艺流程及方案的设计,设备的选型,比如干砂机,筛分机的选型,物料的输送,料仓卸料是否顺利,结桥如何处理,计量装置中如何考虑解决时压效应给计量精度带来的负作用.除此之外, 考虑干混砂浆中常常加入纤维如何分散, 包装机的选型等等.
流化性是散体物料的最重要的特性之一. 不是所有的物料都能均匀流化.而且均匀流化状态也需要一定的时间才能达到.不均匀流化的坏处是密度不均匀,从而导致通过计量器的物料的量随时间波动大(所谓的计量一致性差).如水泥以及添加剂等在筒仓储存时间长后都有可能产生不均匀流化. 在这种情形下机械的分散作用往往是必要的.
空气泡
流化空气
a) 均匀流化 b) 不均匀流化 c) 不均匀流化时的计量
图一. 流化状态
原材料对干粉砂浆的质量有至关重要的影响.按使用要求不同,需要哪些原材料和对这些原材料的要求也有所不同. 为提高设备的可靠性建议储料仓采用必要的助卸料装置, 如流化,振动等.
首先谈谈原材料中的骨料之一的砂石,大多数砂浆产品其含砂量达70%至80%,所以它来源和成分以及物理特性不但对最终产品的质量是否符合规定合要求,同时对生产设备的设计和选型和施工机器如磨损,压力均有不可低估的影响.砂石骨料主要是石英砂，河砂，破碎的石灰石等.在使用前必须检验其杂质含量及颗粒大小分布，含杂质的砂必须冲洗烘干;其最后的湿度必须小于0.5%.砂的颗粒形状也影响建筑干粉的强度以及施工工地的输送，机器水灰均混和喷涂.所以，砂石的预先加工和筛分工艺是建筑干粉生产中的关键一环。在作配方试验应检验其粒径分布曲线,而且尽可能使用生产设备中筛分机筛分的砂石,避免配方误差.
其次是胶结材料.它的作用是将砂之内颗粒粘在一起，凝固后产生一定的强度。如表一所列举的胶结材料主要有水泥，石膏，石灰等。其颗粒粒经远小于1,0毫米.使用不同胶结材料会直接影响成品的性能如防水,收缩,强度等.所以,对其品质必须进行进厂检验,以保证和在实验室所作配方要求一致.
高效化学添加剂如高分子聚合物等通常是固体粉末状,比重轻,其化学性能和流动性和温度压力有关.这些材料均以微量加入.必须均匀分散,可极大地提高了最终产品的性能.除粉状化学添加剂之外市面上还有液体的。液体添加剂必须以喷雾式加入搅拌。添加剂是以微量来进行计量的，通常是以一比一千至十万的比例进行混合。所以计量和搅拌的精确均匀和高效率是非常关键的。
我们所看见的那些绚丽多彩，富有个性建筑物还需要用到彩色装饰砂浆.在配制这些干粉砂浆时主要使用对人体无害,自然的矿物颜料粉末.质量好的颜料颗粒微小均匀.所以颜料粉末颗粒吸附在一起,必须使用特殊的搅拌方法使之均匀分散在其他骨料颗粒上,形成鲜艳的色彩.
对最终产品干混砂浆对以下性能的要求:
鲜浆 硬化浆体
- 施工的和易性, 有时在给定的时间里具有泵送和喷涂能力
- 足够的保水性 - 抗压,抗拉强度
- 剪切强度
- 黏结强度
- 弹性模量(压力拉力)
- 切向变形模量
- 导热性
- 抗冻溶阻力
这些性能和配方,原材料,生产过程以及施工密切相关.
3 计量输送计量称重系统
计量有很多种方式.下面的表列出常见的几种.其中用的最广泛的是数螺旋输送原理,精密螺旋输送计量称重系统其计量一致性高(输出密度或重量随时间变动小),可调范围大(1:30). 螺旋计量输出量的大小和转子的转速成线性关系.适用于几乎所有的物料.滑板阀或蝶阀计量只适用于流动性好的物料,比如,大于1毫米颗粒干燥河砂.由于受最小开口度, 故其流量可调范围很小,为1:5.而且其流量和控制阀门开口量(阀位移或转角)是非线性关系,从而可能再一次降低计量精度.所以将粗砂直接储存在计量斗的上方,水平输送距离非常短.适合用滑板阀,无须流化,节省压缩空气,运行费用低.
表二. 几种常用的计量形式
计量形式 适应范围 控制量(粗细范围) 计量流量的波动 %
计量输送螺旋 几乎所有的物料, 无脉动 1:30 ±1-5
振动输送计量器 易流动的粉颗粒料, 碎片 1:10 >±10
计量输送皮带机 易流动的粉颗粒料, 不适合碎片 1:20 ±1-5
旋转闸阀喂料机 有限制地用于易变形的颗粒,有脉动 1:10 ±2-10
计量闸阀 适合易流动的粉料, 不适合粘附和不流化的粉料, 可用于硬和易碎颗粒, 不适合易变形和碎片料 1:10 >±5
计量蝶阀 (和闸阀基本相同) 1:10 >±5
以螺旋计量称重为例, 来分析过程的系统误差. 该系统有螺旋给料机(暂不考虑进料的影响), 称斗配传感器和支持结构, 蝶阀和控制器组成. 给料的控制有变频马达控制螺旋机的转速来实现. 给料控制分粗流量和小流量计量.
由图二所示, 计量的精度是一喂料和称重的相互系统描述. 该系统是一反馈控制系统.
计量系统的误差主要和以下因素有关:
环境的影响 静态称的精度 计量喂料精度
- 外界的振动, 冲击
- 温度
- 空气流动等
- 机械机构误差(支撑系统)
- 传感器的精度
- 控制和传输误差
- 不同连接如电缆, 气管,补偿结点等 - 停启开关误差
- 迟后残留误差
- 开关阀的关闭时间
- 卸料残留误差
图二. 螺旋计量称重系统
系统的误差为所有误差的平方和:
人们常用的计量精度表示是在最大称量值时的相对误差, 以0/00千分数来表示. 完整和可靠的检测是统计学的方差分析. 因此,按照生产干混砂浆的实际要求在整个计量过程中使用绝对误差. 必须注意, 每个称都有最大和最小称量, 否则低于最小称量的相对误差太大不能满足实际要求. 所以在称量不同材料和量的时候, 按照质量标准要求使用不同称量范围的计量称重.
目前广泛使用精密螺旋输送计量称重系统有以下主要优点:
1) 适合于几乎所有的物料
2) 可调范围大
3) 通过螺旋叶片的设计满足输送物料的要求
4) 计量精度高.
5) 耐磨损(改进设计和材料)
6) 维修简单,费用低
7) 运行费用低(无需流化用压缩空气)
4 混合系统的要求和混合均匀过程描述
混合机是干混砂浆生产中最关键的一环，也即是工厂的"心脏".数十年来人们针对不同的物料特性和产品要求通过试验研究开发和应用了不同混合原理及设计.对于干混砂浆广泛认为高效的混合技术的基本要求是
1) 尽可能只有一个搅拌区,混合时间短 40-120秒钟.
2) 卸料时残余量少,容易或不用清理
3) 卸料速度快10-15秒钟
4) 能耗低
5) 配有高速刀片,能高效混合纤维和颜料.
6) 整体耐磨损设计
7) 维修保养方便,费用低
8) 备品备件库存少.
为了达到适当的设计, 分析了解混合的一般机理非常有帮助.
混合的定义较广, 这里仅限于干混砂浆生产中的混合过程. 混合的目的是降低物料中的溶度,温度,密度等的不同性或梯度.
图三: 完全离析和均匀混合状态
混合过程的机理有宏观和微观过程. 在干混合中有两种主要的机理:
1) 对流混合是在机械外力作用下产生的剪切运动. 大块物料团互相剪切交换而达到均匀混合目的.
2) 分散运动是随着大块物料团的运动而产生的紊流使物料颗粒产生交换运动.
图四. 干混砂浆混合机理
为了能够检测所要求的混合质量, 必须确定以下情况:
1) 重要的产品特性E和特征表述X如质量溶度cM,密度等.
2) 混合好坏(均匀度)的检测度M (例如标准方差s和平均值 的比值得到方差系数. )
3) 取样值 Mp (取样质量或取样体积)
4) 要求的混合均匀度 sF
5) 能够达到的混合均匀度 sZ (和颗粒大小有关)
6) 取样数量 k (k 决定了检测的安全性)
混合均匀性的描述:
k个取样的质量溶度波动的经验方差s
其中平均值为
和真正的方差s2是有区别的, 因为, 仅用到了有限取样数k < k¥. 统计学表明在测量的标准方差s其方差s落在一定的区间范围, 取样数k值越大, 该区间越小. 实际中常采用t-分布来处理取样数据.
随机混合均匀性
混合过程是有效的, 当混合均匀度的方差随时间收敛. 也就是, 随着混合时间, 方差越来越小趋向一固定区间. 完全理想的混合过程. 其方差应趋于零. 实际中我们只能达到一个较小的值, 即随机混合过程. 一个一致的随机混合过程出现, 当一个混合元素在任何一个所观测的空间的部分区间出现的概率在任何时间点对于所有的相同部分区间都相同时.
故实际的混合均匀度方差为s为混合过程的方差sM以及随机混合过程的方差sz和:
图五. 混合均匀度方差曲线
通过方差的曲线可以确定所需的混合时间. 通常, 混合系统应具备在线取样装置. 特殊配方的混合时间通过混合试验测定.
离析现象的分析
粉体材料混合后通过运动可能会产生离析现象. 它对干混砂浆的生产工艺设计和产品的物流(储存,运输,工地的气力输送等)以及施工都有重要的影响. 当混合物中的组分在a) 颗粒大小b)比重有差异时均可能产生离析. 比如保温砂浆中的粉体黏结剂和聚苯颗粒在受到振动等运动是, 轻质的聚苯颗粒必能会浮向表面, 所谓的浮起现象. 故人们只在施工现场将两种材料和水混合, 在施工. 由于颗粒大小不一或比重不同的颗粒的空气中沉降速度不同, 因此, 在物料的筒仓进料, 卸料, 输送均产生不同程度的离析. 当然, 离析给产品质量的影响需通过取样检测来确定, 所使用的生产工艺, 施工方法是否正确.
混合机的类型
混合机的原理有多种, 粉体材料中常用的是
- 重力混合
- 强制式动力混合
- 气力混合
现代干混砂浆的混合技术是建立在相似力学和试验的基础上. 考虑干混砂浆中组分特性的差异, 强制式的动力混合原理得以进一步应用. 一些具有很强附着力粉体材料如颜料需要足够的剪切力方能分散, 使得微细颜料颗粒通过分散混合以及 van-der-Waals力附着在其他颗粒外表, 而形成鲜艳的色泽. 高速分散还能混合短纤维及难混合的材料. 图六中列举了一些混合机的形式.
单轴卧式强制混合机
双轴卧式强制混合机 椎形螺旋混合机
重力筒仓混合
双轴立式混合机
图六. 混合原理
选择混合机是一相艰难的工作. 必须考虑到所用物料的特性,产品的市场质量要求, 经济性和可靠性等等. 同时, 还要进行设备整体布置, 考虑综合成本等.
5 结束语
正确生产工艺包括所有散体物料处理环节是保证生产的可靠性,提高计量精度以及产品最终质量的基础.本文重点阐述了计量称重和混合过程的系统参数和要求.分析计量的精度和混合的均匀性是系统参数.正确应用检测标准来衡量计量的精度和混合的均匀性.检测的量化是一统计参数.
除精确计量和均匀混合系统外,整体系统的可靠性及设备耐用直接关系到生产的成本.从而影响到销售盈利.所以干混砂浆生产线的系统工程设计和制造也非常关键的.
除此之外, 严格的环保要求使除尘系统必须在不影响产品质量的前提下,生产过程中的除尘是回送式的,收集的粉尘重新落回系统中,配方规定的含量特别是添加剂不会受影响。不同原料采用不同的计量顺序. 这些从实践中得出的正确工艺保证了产品的质量, 降低了投资和生产成本.
2007-02-03, 09:47
干混砂浆原材料特性和计量混合系统设计要求
