文/圖 本刊記者 韓香

振動攪拌，攪動行業(yè)
——記德通振動攪拌技術與設備發(fā)明人馮忠緒及其科研團隊

文/圖 本刊記者 韓香

馮忠緒（左一）和張良奇（右一）向中國科學院院士聞邦椿（左二）、同濟大學教授石來德（右二）匯報振動攪拌產業(yè)化進展。

長安大學教授馮忠緒及河南萬里路橋集團研發(fā)團隊發(fā)明的振動攪拌技術與設備（簡稱“德通振動攪拌技術與設備”），僅在2年間，便迅速推廣至全國20余個省份，產值逾8千萬元。發(fā)展速度之快引起了行業(yè)內的高度關注。在振動攪拌應用技術創(chuàng)新聯盟路面專家委員會成立大會上，記者采訪到了馮忠緒。

2015年12月26日，由中國科學院學部委員聞邦椿任主任委員的鑒定委員會，在認真聽取了馮忠緒與其研發(fā)團隊的研究報告，審查了產品檢測報告、國際查新報告等相關資料，并到生產現場進行了實地考證后，一致同意長安大學與萬里路橋集團德通振動攪拌技術有限公司共同完成的混凝土、穩(wěn)定土振動攪拌的兩個產品，通過河南省科技廳組織的科技成果鑒定。鑒定委員會認為：產品“屬國際首創(chuàng)，多項技術填補了國內外空白，處于國際領先水平，社會經濟效益巨大，推廣前景良好”。消息傳來，馮忠緒及其研發(fā)團隊深受鼓舞。這些成績來之不易，外界也很難想象，這項技術從無到有，從成熟到實現產業(yè)化，歷時近30年之久。

求學莫斯科 開啟振動攪拌技術探索之路

1988年至1989年，馮忠緒在前蘇聯的莫斯科汽車公路學院學習。在學習中，馮忠緒了解到，前蘇聯20世紀30年代便開始在實驗室開展水泥混凝土振動攪拌原理性試驗的研究。振動攪拌是國際公認的、提高混凝土攪拌質量和效率的最經濟的方法之一。其原因在于，水泥混凝土在振動作用下，內部各個顆粒將圍繞某種不穩(wěn)定平衡的中間位置作連續(xù)不斷的顫動，并使相鄰粒子振動發(fā)生位移，物料顆粒間的相對運動頻率增加，混凝土流動的形式及能量分布發(fā)生變化，改善了混凝土的微觀結構；同時，在振動作用下，水泥顆粒處于顫動狀態(tài)，破壞了水泥顆粒團聚，為水泥充分水化提供了可能，有助于水泥漿與骨料間的包裹，改善混凝土的微觀均勻性及其強度等力學性能，從而提高了混凝土服役的綜合性能。

長期以來，全世界混凝土的制備大多使用靜力攪拌的方法。這種方法最大的問題在于混凝土中固、液、氣三相不能完全分布均勻，不僅浪費了水泥等材料，更降低了混凝土結構的服役性能。僅以生產水泥混凝土時水泥浪費這一指標來說，我國2016年的水泥產量為24億噸，按攪拌不均勻使10%的水泥浪費計算，則浪費水泥2.4億噸。水泥浪費不僅使經濟蒙受損失，水泥生產過程中產生的污染問題則同樣驚人。因此，開展混凝土振動攪拌理論與設備的研究，具有重大的現實意義。

從20世紀30年代開始，前蘇聯、美國、德國、日本等國都進行了混凝土振動攪拌的試驗研究，但缺乏系統性的研究，更沒有與產品研發(fā)相結合研究的先例。1989年9月，馮忠緒回國，并立即投入到振動攪拌技術的研究探索之中。

另辟蹊徑 在積淀中尋求理論與實踐的雙突破

回國后的最初幾年，馮忠緒與國內外前輩一樣，采用普通振動機械的結構型式來設計振動攪拌機，將激振器外置，研制了定向激振器外置的連續(xù)式振動攪拌機、激振器外置的旋振式振動攪拌機。1991年11月“混凝土的振動攪拌裝置”獲得了第一項授權專利。試驗結果除驗證了混凝土與穩(wěn)定土振動攪拌高效性外，整體效果并不理想。但這一實驗發(fā)現了混凝土受振動容易沉積與離析，利用不好反而會對材料的混合產生負面作用；激振器外置于殼體上，振動能量傳到殼體內的混凝土時已衰減得較小，而機架振動卻較大，能量利用率低；特別是做產品時，由于機器質量要比實驗室的試驗樣機大得多，要使殼體與殼體內的混凝土振動起來，需要的振動能量太大，機器振動強度大與可靠性差的矛盾凸顯。

幾經挫折，馮忠緒團隊靜下心來思考振動攪拌的理論問題。首先是能否建立數學模型，尋求理論突破以及對試驗的指導。攪拌機械的工作是通過工作機械與介質的相互作用完成的。工作機構與介質相互作用的動態(tài)過程的試驗研究，是機器性能研究的首要任務，也是研究整機性能的基礎。長期以來，用賓漢姆流變曲線來描述新拌混凝土的性質已經得到學界的認可，然而，這只是新拌混凝土性質的一種靜態(tài)描述，不能描述混凝土攪拌的發(fā)展與變化過程。水泥混凝土攪拌時，砂、石、水泥、水和添加劑等多種材料進入攪拌室后，固體、液體和夾裹的氣體等各成分間既存在物理作用，又存在化學作用，不論從微觀上還是宏觀上，物料的狀態(tài)和結構既發(fā)生了量的變化，又發(fā)生了質的變化，形成了新拌混凝土這種新的結構材料。這種變化既可看成是隨機的“生滅”過程，又可認為是確定的，有一定規(guī)律的。長期以來，國內外學者試圖將這一過程定量化，但都未取得令人信服的應用結果。

馮忠緒提出，將攪拌工作裝置的物理模型與擴散方程的數學模型相結合，對攪拌機械的工作機構與介質間的相互作用過程進行綜合模擬與研究，通過縝密推導，得到了攪拌過程混合料均勻性變化的數學表達式，揭示了攪拌過程中混合物均勻性與攪拌時間、攪拌參數與攪拌速度系數之間變化規(guī)律。進而根據該數學關系式，提出了新的攪拌概念：比較完善的攪拌過程，物料的位移必須由良好配合的對流運動和擴散運動來完成。這就為采用振動攪拌技術來強化擴散運動，采用振動與強制攪拌相結合的振動攪拌方案提供了理論依據。

以此得到的攪拌機參數優(yōu)化的目標，按國標或生產要求，給定攪拌的均勻度指標，若在攪拌室內不同坐標方向達到給定均勻度的攪拌時間是相近的，那么這種攪拌機械的攪拌時間將最短。攪拌過程的數學模型的建立，也為解決攪拌過程的功率計算等動力學問題，以及應用相似理論與量綱分析法解決產品的系列化問題提供了依據。

1998年，馮忠緒團隊采用振動與攪拌相結合的振動攪拌方案，設計了在工作過程中空間力系能夠動平衡的單立軸振動攪拌機。激振器內置在混凝土中，振動能量直接被混凝土吸收，采用動平衡計算和動平衡實驗相結合的辦法，較好地解決了振動強度大和機器工作可靠性要求高的矛盾。試驗證明，這種振動攪拌方式有效地改善了混凝土的攪拌性能，保證了混凝土的攪拌質量，混凝土拌和物的均勻性符合國家標準要求；與普通強制攪拌相比，當水泥用量不變時，混凝土強度提高20%至35%；當混凝土強度不變時，可節(jié)約水泥15%至20%；同時攪拌時間約可縮短一半，比普通強制式攪拌機約節(jié)能25%；不僅對普通水泥混凝土，對RCC、SFSC和CA砂漿等多種材料均具有良好的適應性。

振動攪拌涉及機械工程、建筑材料、施工工藝與試驗科學等學科與領域，研究攪拌機構與混凝土的相互作用機理，振動攪拌過程對混凝土結構-流變特性的變化，振動攪拌與強制攪拌相結合的較佳實現方式，都是以提高混凝土的攪拌質量與攪拌效率為出發(fā)點與落腳點。

馮忠緒團隊發(fā)現，振動攪拌強化混凝土攪拌過程的機理主要包括六方面：振動攪拌對混凝土的結構-流變特性的影響；振動攪拌對新拌混凝土中水泥團粒的破壞；振動攪拌對新拌混凝土中粗骨料表面的凈化及其粘結強度的增強；振動攪拌對新拌混凝土中氣相生成物的影響；振動攪拌對低效區(qū)的改善；振動攪拌對多種材料的適應性等。對振動攪拌機理不斷深入的研究，揭示了振動作用下材料的結構-流變特性的變化規(guī)律，為從材料的角度選擇合理的振動方式與振動參數提供了依據。

根據材料特性選取攪拌裝置的工作方式與參數，是馮忠緒團隊進行振動攪拌研究的主要特點之一。根據雙臥軸攪拌機是國內外主導機型的現狀，針對雙臥軸攪拌機的特點，馮忠緒團隊提出了攪拌裝置與激振器一體化設計的強制攪拌與振動攪拌相結合技術。攪拌裝置與激振器的一體化設計，攪拌結構邊強制攪拌邊振動，振動面積大，所需振動強度小，機器可靠性好；攪拌結構邊強制攪拌邊振動，在充分發(fā)揮強制攪拌使混合料在大范圍內的循環(huán)與對流作用的同時，振動攪拌又強化了混合料的擴散運動，攪拌的混凝土的微觀均勻性好，改變了混凝土的固、液、氣三相結構，使得水泥石與骨料間的連接和孔分布狀態(tài)改善，攪拌的穩(wěn)定土質量好，且性能穩(wěn)定。

堅守“陣地” 推動科研成果產業(yè)化應用

科研成果要轉化為生產力，才能體現出價值。2011年，馮忠緒團隊開始探索振動攪拌成果的轉化問題，當時一些知名企業(yè)想高價收買這項國際獨創(chuàng)的技術成果，馮忠緒及其團隊不為利益所動，全力扶持在讀博士生創(chuàng)業(yè)。此時的河南萬里路橋集團董事長張良奇正是馮忠緒的在讀博士生，師生二人把產業(yè)化與持續(xù)研究的重任扛在了肩上。

創(chuàng)新有曲折，創(chuàng)業(yè)更艱辛。由于實際產品與實驗室試驗樣機存在巨大差別，要使新型振動機械實現產業(yè)化，生產設備、人員、質量保障體系都必須從零開始。馮忠緒團隊重新梳理了歷年的研究成果，并反復試驗，將理論與實踐重復結合，最終促使新型振動機械在2014年走向市場。該產品的使用結果證明，振動攪拌水泥混凝土與穩(wěn)定土，確實能夠節(jié)約水泥等材料，能提高混凝土與穩(wěn)定土的工程質量。兩年多來，已在國內20多個?。▍^(qū)、市）得以應用?！罢駝訑嚢?，改變世界”，這一目標正在逐漸變?yōu)楝F實。

30年來，馮忠緒團隊完成混凝土振動攪拌理論與設備的研究項目16項，設計與制造了定向激振器外置的連續(xù)式振動攪拌樣機、激振器外置的旋振式振動攪拌樣機、激振器內置的單立軸式振動攪拌樣機、振動與攪拌結構一體化的雙臥軸振動攪拌樣機、振動與攪拌結構一體化的單臥軸振動攪拌樣機、立軸行星攪拌樣機、普通雙臥軸強制攪拌樣機、螺旋無軸攪拌樣機、雙立軸振動攪拌樣機等試驗樣機9臺（套），以水泥混凝土、高強混凝土、瀝青混合料等多種試驗材料為對象，完成了大量的理論研究與攪拌性能的試驗研究，以及多個攪拌機械使用性能的試驗研究，最終設計成功了工業(yè)用混凝土與穩(wěn)定土振動攪拌機并完成了攪拌性能試驗。同時，培養(yǎng)了一大批優(yōu)秀人才，出版專著4部，獲授權專利70余項，其中發(fā)明專利近30項，“一種攪拌裝置” 獲陜西省專利獎二等獎，“混凝土攪拌理論及其設備的研究”和“節(jié)約生產混凝土的關鍵技術及其裝置的研究”分別獲陜西省科學技術二等獎。

馮忠緒團隊深入研究了雙臥軸振動攪拌機的攪拌機構參數與振動參數的合理匹配技術。攪拌機構參數與振動參數的合理匹配，保證了強制攪拌與振動攪拌作用的充分發(fā)揮與結合，使得這種振動攪拌方式對間歇式、連續(xù)式攪拌都適用，對多種材料的適應性都很好，擴大了振動攪拌的應用范圍。通過關鍵技術的深入研究與大量的試驗，積累了豐富的材料與工作裝置的信息，為產品的開發(fā)提供了可靠的依據，為產品工業(yè)化與推廣應用奠定了牢固的基礎。

在談及其團隊成員做混凝土試驗的場景時，馮忠緒感慨到：“混凝土試驗又臟又累，篩沙子與石料、人工上料、做試樣、清理廢棄物，天天循環(huán)，日日如此。每個人需要做1噸水泥的試驗，實驗量相當之大，從3月到11月的實驗期，備料、攪拌、做正方體及小梁試樣、測抗壓與抗折強度，一個試驗周期28天，需要持續(xù)1年到2年，酷暑時汗流浹背，衣服全濕透了?！痹?0多年的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)之路上，團隊里的每個人都在用青春養(yǎng)育科技，用智慧與汗水澆灌成果之花。

目前，我國混凝土攪拌裝備技術水平較低，有自主知識產權的產品較少，且普遍存在能源和原材料消耗高、攪拌不均勻等問題。在國家大力推進節(jié)能環(huán)保事業(yè)發(fā)展的情況下，混凝土行業(yè)也必須轉變發(fā)展模式，混凝土振動攪拌設備的產業(yè)化是一個新起點。馮忠緒團隊在該領域取得了可喜的成績，今后，他們將繼續(xù)深化振動攪拌理論與設備的研究，進一步探索振動攪拌技術的產業(yè)化之路。