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要求，其計量稱重和混合系統應采用相應的合理設計,從而提高系統的精度和可靠性.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的要求和對其計量精度和混合均勻度的統計描述和檢測． 1 干混砂漿技術 干混砂漿技術是將最初級的砂,經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驗科學配方加工而成的均勻粉狀混合物.按照德國工業標準DIN18557的定義,工業(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, 可按照不同的配方,配置出不同用途的干混砂漿產品.干混砂漿產品主要分類為： • 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)? •?抹灰砂漿包括內外墻壁打底抹灰, 膩子,內外墻壁彩色裝飾,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 現代化學科技的迅速發展給建筑干粉砂漿帶來巨大的進步,使得許多膠狀產品也能夠以干粉狀生產出來.以前不能做到或不能達規定要求的產品通過添加微量的化學粉末得以實現.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，發泡性等 最終產品如強度，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工藝流程及方案的設計,設備的選型,比如干砂機,篩分機的選型,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. 空氣泡 流化空氣 a) 均勻流化 b) 不均勻流化 c) 不均勻流化時的計量 圖一. 流化狀態 原材料對干粉砂漿的質量有至關重要的影響.按使用要求不同,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,大多數砂漿產品其含砂量達70%至80%,所以它來源和成分以及物理特性不但對最終產品的質量是否符合規定合要求,同時對生產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含量及顆粒大小分布，含雜質的砂必須沖洗烘干;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中的關鍵一環。在作配方試驗應檢驗其粒徑分布曲線,而且盡可能使用生產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顆粒粘在一起，凝固后產生一定的強度。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,生產過程以及施工密切相關. 3 計量輸送計量稱重系統 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螺旋輸送原理,精密螺旋輸送計量稱重系統其計量一致性高(輸出密度或重量隨時間變動小),可調范圍大(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,節省壓縮空氣,運行費用低. 表二. 幾種常用的計量形式 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, 來分析過程的系統誤差. 該系統有螺旋給料機(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螺旋機的轉速來實現. 給料控制分粗流量和小流量計量. 由圖二所示, 計量的精度是一喂料和稱重的相互系統描述. 該系統是一反饋控制系統. 計量系統的誤差主要和以下因素有關: 環境的影響 靜態稱的精度 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) - 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 圖二. 螺旋計量稱重系統 系統的誤差為所有誤差的平方和: 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0/00千分數來表示. 完整和可靠的檢測是統計學的方差分析. 因此,按照生產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有以下主要優點: 1) 適合于幾乎所有的物料 2) 可調范圍大 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 混合系統的要求和混合均勻過程描述 混合機是干混砂漿生產中最關鍵的一環，也即是工廠的"心臟".數十年來人們針對不同的物料特性和產品要求通過試驗研究開發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,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) 維修保養方便,費用低 8) 備品備件庫存少. 為了達到適當的設計, 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 混合過程的機理有宏觀和微觀過程. 在干混合中有兩種主要的機理: 1) 對流混合是在機械外力作用下產生的剪切運動. 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生的紊流使物料顆粒產生交換運動. 圖四. 干混砂漿混合機理 為了能夠檢測所要求的混合質量, 必須確定以下情況: 1) 重要的產品特性E和特征表述X如質量溶度cM,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 的比值得到方差系數. ) 3) 取樣值 Mp (取樣質量或取樣體積) 4) 要求的混合均勻度 sF 5) 能夠達到的混合均勻度 sZ (和顆粒大小有關) 6) 取樣數量 k (k 決定了檢測的安全性) 混合均勻性的描述: k個取樣的質量溶度波動的經驗方差s 其中平均值為 和真正的方差s2是有區別的, 因為, 僅用到了有限取樣數k < k¥. 統計學表明在測量的標準方差s其方差s落在一定的區間范圍, 取樣數k值越大, 該區間越小. 實際中常采用t-分布來處理取樣數據. 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, 當一個混合元素在任何一個所觀測的空間的部分區間出現的概率在任何時間點對于所有的相同部分區間都相同時. 故實際的混合均勻度方差為s為混合過程的方差sM以及隨機混合過程的方差sz和: 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. 離析現象的分析 粉體材料混合后通過運動可能會產生離析現象. 它對干混砂漿的生產工藝設計和產品的物流(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, 輕質的聚苯顆粒必能會浮向表面, 所謂的浮起現象. 故人們只在施工現場將兩種材料和水混合, 在施工. 由于顆粒大小不一或比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, 輸送均產生不同程度的離析. 當然, 離析給產品質量的影響需通過取樣檢測來確定, 所使用的生產工藝, 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 雙軸立式混合機 圖六. 混合原理 選擇混合機是一相艱難的工作. 必須考慮到所用物料的特性,產品的市場質量要求, 經濟性和可靠性等等. 同時, 還要進行設備整體布置, 考慮綜合成本等. 5 結束語 正確生產工藝包括所有散體物料處理環節是保證生產的可靠性,提高計量精度以及產品最終質量的基礎.本文重點闡述了計量稱重和混合過程的系統參數和要求.分析計量的精度和混合的均勻性是系統參數.正確應用檢測標準來衡量計量的精度和混合的均勻性.檢測的量化是一統計參數. 除精確計量和均勻混合系統外,整體系統的可靠性及設備耐用直接關系到生產的成本.從而影響到銷售盈利.所以干混砂漿生產線的系統工程設計和制造也非常關鍵的. 除此之外, 嚴格的環保要求使除塵系統必須在不影響產品質量的前提下,生產過程中的除塵是回送式的,收集的粉塵重新落回系統中,配方規定的含量特別是添加劑不會受影響。不同原料采用不同的計量順序. 這些從實踐中得出的正確工藝保證了產品的質量, 降低了投資和生產成本.
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