轻小型化论文

轻小型化论文（精选4篇）

轻小型化论文 篇1

0 概述

临近空间飞行器具有飞行时间长、机动性好,但内部空间狭小、总体重量控制严格、舵的转动惯量大等特点。这些特点对其姿控系统的执行机构——伺服系统,提出了新的要求。伺服系统一方面要具备瞬时大力矩、高速度的输出能力,另一方面要求组成简单、安装方便、维护性好,同时具备高比功率的特点,以满足安装空间狭小、重量轻的要求。机电伺服系统以其组成简洁、操作简单、生产周期短、维护方便,较为符合上述要求。

作为机电伺服系统的重要组成部分——伺服电源,能否实现高比功率和高比容量的设计要求,即在较小的体积和重量条件下,为伺服系统提供长时间、瞬间大功率电能,是机电伺服系统实现上述功能要求的前提条件。

本文首先分析了机电伺服系统的工作原理,在此基础上分析了机电伺服系统的用电要求,最后结合实验研究的结果,提出了实现伺服电源轻小型设计的主要技术途径。

1 机电伺服系统工作原理及用电要求

机电伺服系统是一种按照上级系统指令要求,在规定约束条件下(幅值、相位),将负载(舵/喷管)摆到规定位置的随动控制执行系统。图1为其组成原理框图,伺服控制驱动器根据输入的位置指令信号和当前的位置反馈信号,按照自身的控制算法,通过内部变换,控制电源的输出,从而控制伺服电机的运转,通过机械传动机构,最终对负载的位置控制。

从图中可以看出,伺服电源是在伺服控制驱动器的控制下向伺服电机输出电能,电机将接受的电能转化为机械能对负载做功。因此伺服系统的负载特性及控制驱动器的特性与电源呈紧密的耦合关系,其用电要求具有典型的如下特征:

(1)要求电源具备较高的放电倍率

机电伺服系统负载波动较大,最大负载和平均负载相差很大,要求伺服电源具有输出瞬间峰值电流的能力强,即具备高倍率放电能力。

(2)电源输出电压的稳定性要求较高

与其它用电设备相比,临近空间伺服系统在某些时刻既要求电源输出较大的电流以产生较大的输出力矩,又要保持较高的电压,以保证伺服系统的动态响应,因此电源电压的稳定要求较高。

(3)工况变化范围大

作为临近空间飞行器较长时间飞行过程中,姿态变化较大,导致伺服系统输出功率变化范围大,相应要求电源输出电流的变化范围大。

(4)抗反灌冲击能力强

机电伺服系统在工作过程中会频繁出现换向、频繁加减速的现象,导致电机频繁处于发电和用电两种状态,因而电源频繁承受高电压的反灌电流的冲击。

2 机电伺服系统电源轻小型化的技术途径

通过以上分析可知,影响临近空间飞行器机电伺服系统电源轻小型设计的主要因素是:要求电源的放电倍率高;负载工况变化范围大;电源电压精度要求高。同时满足这些特殊要求给化学电源轻小型设计带来了较大难度。

本文首先将伺服控制驱动器的特点融入到伺服电源设计和伺服电源管理的研究中,改进控制驱动器的控制策略,降低了对电源峰值电流的需求;其次采取再生制动的方式,对再生电能进行有效吸收,并合理利用,一方面降低了电池的容量需求,另一方面,进一步降低了对电池峰值放电能力的需求;最后采用组合电源的形式,放宽了对电池输出电压波动范围的要求,通过采取以上技术措施,有效降低了机电伺服电源的体积和重量。

2.1 改变控制策略降低电源峰值电流的要求

降低电源的峰值电流可有效降低电源的放电倍率,是降低电源体积和重量的重要途径之一。峰值电流一般发生在机电伺服系统在暂态特性和高频运动以及大负载的情况下。通过改变控制策略,对机电伺服系统的最大加速度和最大速度以及系统位移进行有效控制及优化匹配,有效降低了机电伺服系统对电源输出峰值电流的需求。

以暂态特性测试为例,要求机电伺服系统从零位以最短时间摆到最大位置,这说明机电伺服系统的最大角速度ωmax、最大加速度εmax和最大负载Tmax均会在该时间段出现,若这三个变量同一时刻出现,则电源需要输出的峰值电流较大,若通过控制算法,在满足系统指标要求的前提下,合理分配三个变量出现的时刻,可有效降低峰值电流。以某机电伺服系统为例,通过改变控制策略和控制算法,对最大角速度和最大加速度及最大负载进行优化匹配,在满足伺服系统性能指标的前提下,电源峰值电流由项目研制初期的一百安培以上,目前降低至原来的三分之二左右,较大程度地降低了电源的设计难度。

2.2 再生电能的吸收和有效利用

机电伺服系统在高频换向和快速制动状态时,伺服电机会将部分动能转换成再生电能,在大负载惯量的条件下,这一情况更加明显。若不采取措施,这部分电能会以高压、大电流的形式反灌给电源,或者加在驱动器功率管两端,对电源或功率管造成损害。

一般电动汽车的再生能量占总能耗的30%左右[1],从图2母线电流的变化可以看出,再生能量占总能耗的比重将远高于电动汽车的30%。一般采用制动电阻将这部分再生能量消耗掉,但这种方法增加了机电伺服系统的能耗。

另一种方法是采用电容吸收的方式,将这部分再生电能存储起来,当电源需要大电流放电时,将这部分能量释放出来。这种方法具有如下优点:(1)提高了电能的利用率,有利于减小电源的体积和重量;(2)降低了电源的放电电流,减小了电源的放电倍率,减轻了电源的设计难度;(3)有利于抑制由于功率开关管的频繁开/断引起的电压高次谐波,提高了机电伺服系统和电源的可靠性。缺点是需要对电容的充放电进行控制,增加了电源管理的难度。

2.3 采用组合电源提高电源的综合性能

由于热电池和锌/氧化银等贮备电池具有使用简单方便,便于长期存储等优点[2],被广泛用作各种导弹伺服电源。但这些化学电源不能同时具备要求高比功率和高比容量的特点。将具有高比功率特点的电容器和高比容量的电池进行有机组合[3,4],是有效降低电池放电电流,实现伺服电源高比功率和高比容量的有效途径,在国内外该技术途径已经通过原理试验和工程实验得到验证[5,6]。

本文用高性能钽电容分别与锌氧化银电池及热电池进行匹配组合,均取得了较好的效果,既有效地降低了电池的峰值放电电流,也有效地吸收了再生电能,图2为采用钽电容和热电池进行组合,作为某伺服电源,在进行暂态实验时,监测到的电容器和热电池的电流变化曲线,粉色曲线(上部曲线)为热电池输出电流曲线,蓝色曲线(下部曲线)为钽电容器输出电流曲线。

可以看出,钽电容的使用,很大程度地降低了热电池的输出电流,热电池的输出电流(图中A点)不足伺服系统所需要的峰值电流(图中B点)的1/3,伺服系统所需的峰值电流主要由钽电容器提供。另外热电池电流曲线均为正值,说明反灌电流(蓝色曲线小于0的部分)全部由钽电容吸收。以上结果证明了将钽电容器与电池组合,对降低电池的设计指标具有明显的改善效果。

3 结束语

通过对机电伺服系统的工作原理的简要分析,结合临近空间飞行器总体对机电伺服系统的性能要求,分析了机电伺服系统的用电特性要求,结合实验研究结果提出了临近空间飞行器机电伺服系统电源轻小型设计的有效途径,为实现临近空间飞行器机电伺服系统电源轻小型化提供了技术参考。

摘要：根据临近空间飞行器的任务特点,分析了临近空间飞行器对机电伺服系统输出特性的要求,并对机电伺服系统工作原理进行了概括介绍,由此得到了临近空间机电伺服系统的用电特点,最后从机电伺服系统用电指标的匹配方法和电源设计的角度,提出了提高机电伺服系统用电效率、电源轻小型化设计的技术途径。

关键词：临近空间飞行器,机电伺服,再生电能,组合电源

参考文献

[1]张好明.PHEV复合电源及Halbach永磁同步电机驱动技术的研究[D].徐州:江苏大学,2009.

[2]DavidLinden,ThomasB.Reddy.Handbook of Batteries[M].北京:化学工业出版社,2007.

[3]陈全世.先进电动汽车技术[M].北京:化学工业出版社,2007.

[4]关晓慧.间歇性可再生能源发电中的储能技术研究[J].能源与节能,2011(6).

[5]Stephen A.Merryman,Characterization of CDL_capaci-tor power sources for electrical actuation applications,http://scitech.calt.casc/qw.html,1998.

[6]李少纲.浅谈电梯节能技术的推广[J].能源与节能,2011(6).

轻小型化论文 篇2

关键词：电机控制,轻小型控制模块,直流无刷电机 (BLDC) ,模块化

直流无刷电机 (BrushlessDirectCurrent, BLDC) 在需要考虑空间与重量因素的场合得到了越来越多的应用[1]。通常采用脉宽调制 (PulseWidthModulation, PWM) 方式来对BLDC进行控制。市场上有不少固化了PWM波产生功能的BLDC专用控制芯片, 其原理通常是把直流电压作为输入信号转换为PWM波, 从而控制电机转速。因此, 要实现BLDC的数字化控制, 须引入数模变换电路, 增加了电路复杂度和实现成本。另一方面, 分压电阻调速控制方式不利于适应复杂多变的控制对象与环境。

市面上基于DSP的无刷电机驱动模块, 可通过改写软件实现控制策略的灵活性, 但是往往整体电路尺寸较大, 有的还需要与电机驱动板配套使用, 增加了整个控制模块的体积和成本。

本文所设计的BLDC控制模块具备轻小型的特点, 适用于机器人与航空领域等对空间与载重要求严格的场合。

1系统硬件设计

系统硬件主要由AVR单片机、电源转换电路、过流检测电路、RS232接口电路、场效应管电路、ISP与仿真器接口等子模块组成, 每个模块分别完成不同的功能。其总体方框图如图1所示。

硬件工作原理:单片机通过检测霍尔传感器的位置判断转子的位置, 并产生相应的PWM波确定功率管导通切断序列, 从而驱动电机的转动。系统采用三相星形连接全控电路和两两导通控制方式。每一瞬间有2个功率管导通, 每隔1/6周期 (60°电角度) 换向一次, 每次换向一个功率管, 每一功率管导通120°电角度。正确的同步换相会产生一个旋转的磁场, 使转子相对定子转动, 得到稳定转矩。

主控芯片为ATMEL公司的AT90PWM3/3B, 其工作温度为-40℃至+105℃, 在要求更高的环境, 可采用其后续系列的汽车工业级AT90PWM324。AT90PWM3/3B有三个功率输出级控制器 (Power Stage Controller, PSC) [3]。每个PSC为了避免短路它会自动产生死区时间, 避免上下级功率管同时导通导致大电流。

无刷直流电机的三相绕组在运行中任何时刻都只有两相导通, 且为同一电流, 在主回路串接一个采样电阻Rf来完成电流检测、限流和过流保护功能。当故障输入 (过流) 时, 单片机的PSCIN0引脚被置为高电平, 并关掉所有的PSC输出;同时产生中断信号, 在中断处理程序中对故障进行判断。在不同的应用场合, 可通过AT90PWM3/3B的ISP或Debug Wire接口改写代码中的DAC_OUT来调整过流保护动作值 (如Rf=0.1 Ω, DAC_OUT为0.6 V, 则相应的过流保护动作值为0.6 V/0.1Ω=6 A) 。制作PCB板时还应该注意主回路印制导线横截面应不小于0.3平方毫米, 保证6A电流可以工作。Rf电阻值与过流保护动作值应综合考虑具体的控制对象与应用场合做相应修改。

电路板外形尺寸为80 mm×60 mm×13 mm (长×宽×高) , 硬件实物图如图2所示:

2 系统软件设计

2.1 嵌入式软件设计

PID控制器以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便成为工业控制的主要技术之一[3]。本嵌入式软件通过PID调节器来控制速度, KP用来调电机的响应时间, KI用来消除电机转速的静态误差。PID控制器在偏差绝对值小于特征设定值时工作, 比例系数KP设定为较小值, 积分系数KI设定为较大值, 微分系数KD设定为较小值, 这样可以减少超调, 提高系统稳态精度, 增加对扰动的抑制能力[4]。

嵌入式软件流程图如图3所示

2.2 上位机程序设计

软件是虚拟仪器工作的核心[5], 上位机程序采用LABVIEW语言编写, 通过计算机技术和仪器技术的结合, 把本模块虚拟成一台运行于计算机之上的电机控制器。

图4显示的是本电机控制模块应用到国家863计划项目“机载天然气管道泄漏探测红外激光雷达研制”的上位机软件程序。此程序具较强的通用性, 不同的电机和应用场合只需要更改某些参数即可。

上位机程序除了可以通过串口给出指令进行控制的模式外, 还提供有LIN协议控制接口, 以及可调电阻分压调速模式。在多种模式中, 通信控制策略为:

(1) 串口通信与LIN通信属于第一级别, 可调电阻分压属于第二级别。

(2) 在开始启动时, 第一级别通信与第二级别通信同时无异常存在的情况下, 控制模块执行第一级别通信指令;若同一级别内有两个通信指令无异常存在, 则以时间先后为准。

(3) 电机被某一通信指令启动后, 如PC机异常或可调电阻失压等故障情况下导致该通信再失效, 则电机停转, 必须以新的通信指令触发才能开始新的运转。

通过以上策略, 可以解决通信指令冲突的问题, 使系统运行稳定。

3 测试

本文设计的电机控制模块在国家十一五计划项目“航空遥感系统宽谱段成像光谱仪”的扫描电机转速控制中得到应用, 电机选用的是上海心远电气有限公司为该项目定制的3对极无刷直流电动机, 对本电机控制模块进行如下测试。

测试条件:环境为室内。温控设备为Beatronic Supply ApS (Ltd.) 出品的VCS7048—10, 控制温度为18 ℃ (1 h运行时间) 和40 ℃ (1 h运行时间) 两种测试环境。电源为台湾固纬GPS-4303C数字直流电源, 调试为双通道28 V 3A并联输出。转速检测采用AK4-06-2-9-3R-5000型增量式光电编码器。

测试方法:将电机控制模块放入环境模拟温度控制箱内, 上位机采用USB转RS232转换器与主控电路板进行通讯。通过上位机设定电机转速, 用示波器测量装在电机上的光电编码器来检测电机的实际转速。分别测试了设定转速为 (300～1 200) r/min下电机的实际转速。

测试结果:对实验数据分析得到本控制模块转速控制的稳定性和准确度如图5及图6。

图5反映的是转速控制的稳定性, 横轴为设定转速, 纵轴为实测转速最大波动值。实验表明, 三种情况下的转速最大波动范围均不超过1%。由于本测试环境在室内, 电机转动时受到外界干扰较少, 闭环控制在稳定性方面并没有表现出其突出的优越性。

图6反映的是转速控制的准确度, 横轴为设定转速, 纵轴为实测转速最大误差值。实验表明, 18℃闭环控制时的实测转速最大误差总体来看最小, 18℃开环控制时为次之, 在40℃开环时误差最大, 但最大转速误差控制在1.5%以内。

4 结论

本文设计的轻小型直流无刷电机控制模块在设计时考虑了模块化与多种控制模式, 具有体积小、重量轻、控制方式灵活的特点, 经过实际测试与应用, 证明转速控制的稳定性与准确度较高, 目前已在863项目“机载天然气管道泄漏探测红外激光雷达”和十一五项目“航空遥感系统宽谱段成像光谱仪”中得到了应用。

参考文献

[1]Yedamale P.Brushless DC (BLDC) Motor Fundamentals.http//www.microchip.com, 2003

[2]Atmel Corporation.AT90PWM3B Microcontroller Data Sheet.http//www.atmel.com, 2008

[3]Kaya I, Nusret T, Atherton D.A refinement procedure for PID con-trollers.Electrical Engineering, 2006;88 (3) :215—221

[4]夏晶晶, 何仁, 张涌, 等.基于模糊PID的CVT夹紧力控制.江苏大学学报:自然科学版, 2008;29 (6) :474—477

轻小型化论文 篇3

轻集料砼小型空心砌块具有容重轻、热阻值较高等特点, 用作非承重墙体时较机制红砖有较大优越性, 但也有其缺点:一是胀缩率比粘土砖大;二是由于其热阻值较高, 在正常使用条件与钢筋砼框架结构间会出现温度变形差;三与红砖相比, 其抗拉及抗剪切强度较差;四是砌块原材料及生产质量不稳定。

由于具有上述特性, 轻集料砼小型空心砌块填充墙体裂缝的质量问题也显得非常突出。墙体裂缝不但有碍美观, 且会导致墙体装饰面层空鼓、脱落以及外墙渗漏等质量问题。由于其问题的普遍性, 已成为一种质量通病。

导致墙体裂缝主要有三方面直接原因:一是温度作用;二是主体结构变形作用;三是墙体材料本身的干缩作用。

1 温度作用裂缝

1.1 现象及原因分析

这类裂缝较典型和普遍的是建筑物 (特别是那些纵向较长的) 顶层两端内外纵墙上的斜裂缝, 其形态呈“八”字或“X”型, 且显对称性, 但有时仅一端有, 轻微者仅在两端1~2个开间内出现, 严重者会发展至房屋两端1/3纵长范围内, 并由顶层向下几层发展。此类型裂缝对那种刚性平顶屋面, 尤其是未设变形缝、隔热层的房屋, 更易发生。

产生的直接原因是混凝土结构屋面的伸缩变形牵引其下砌体超过其材料抗拉强度的结果。具体的机理可认为是:在阳光照射下 (特别是南方地区) 屋面板温度可高达60~70℃, 而在其下的砌体仅为30~35℃, 如此大的温差引起屋面的变形也比墙体的变形大, 屋面的变形受到墙体的约束, 导致在屋面和墙体的结合处产生剪拉力。当屋面向两端热胀时, 致使下部砌体出现正“八”字缝, 当冷缩时, 就出现倒“八”字缝, 一胀一缩则易出现“x”字缝。

1.2 预防措施

1.2.1 防护措施:

a.重视并做好屋面保温隔热层及分仓缝。b.顺应建筑节能保温要求, 采取外墙外保温体系, 这里要着重提出砼女儿墙也要有完善的保温防护体系。c.设计时应尽量减少屋面结构外凸部分。

1.2.2 抵抗措施:

a.将填充墙两侧拉结筋拉通, 成为配筋砌体, 以改善两种材料因变形差异而出现裂缝。b.墙面满挂钢板网, 再进行抹灰, 钢板网与框架梁柱要可靠拉结 (如利用环氧树脂粘结) , 使墙体与框架结构形成整体, 共同变形能力增强, 从而减少裂缝。c.在门窗两侧砌体中各设一配筋为2Φ10的C20细石砼芯柱, 若门窗口上下还有砌体, 则该芯柱则向上下各延伸一皮砌块高;窗下口设一皮2Φ6配筋砌体, 配筋长度要超过窗两侧口边各300mm。d.增强砌体自身抗力, 提高砂浆强度和饱满度。e.提高抹面砂浆的抗拉强度。

2 主体结构变形作用裂缝

2.1 地基不均匀沉降引起裂缝

2.1.1 现象及原因分析:

此种裂缝一般初始发生在建筑物下部, 由下往上发展, 呈“八”字、倒“八”字、水平及竖缝。当长条形的建筑物中部沉降过大, 则在房屋两端由下往上形成正“八”字缝, 且首先在窗对角突破;反之, 当两端沉降过大, 则形成的两端由下往上的倒八字缝, 该缝首先在窗对角突破, 还可在底层中部窗台处突破形成由上至下竖缝;当某一端下沉过大时, 则在某端形成沉降端高的斜裂缝;当外纵墙有过大凹凸设计时, 由于一侧的不均匀沉降, 还可导致在此处产生水平推力而组成力偶, 从而导致此交接处的竖缝。

2.1.2 预防措施:

a.无地质勘察资料严禁做施工图设计。b.设计中应充分考虑 (不良) 地质因素, 做好方案设计, 选择合适的体型方案和结构模型, 精确核算并控制建筑沉降差。c.严格按图施工, 不得擅自更改、任意处理。d.地基工程施工到设计持力层后要及时请地质勘察及设计单位验槽, 对于出现的不良地质情况要及时处理。e.根据本地区通病, 采取适当的构造措施, 如能在那些开大窗洞的教学楼底层窗台下设置构造圈梁与地梁构成刚度较大的复合墙梁结构, 对防止上述裂缝有明显效果。

2.2 主体结构承载构件本身发生过大变形引起裂缝

2.2.1 现象及原因分析:

当主体结构承载构件 (包括梁、柱) 发生过大变形时, 与其相关的的一榀或两榀框架填充墙会发生与上述地基不均匀沉降所引起的相类似裂缝。

2.2.2 预防措施:

a.认真做好结构设计, 除按承载能力极限状态进行设计外, 尚需注重按正常使用极限状态进行验算。b.严格按施工图设计文件及相关规范、标准进行施工, 杜绝偷工减料。c.做好主体结构的养护工作, 确保其强度达到要求后再进行填充墙施工, 以免因过早加荷而导致主结构的过大变形甚至破坏, 从而导致墙体裂缝。

3 墙体材料本身干缩作用裂缝

3.1 现象及原因分析

3.1.1 填充墙整体收缩裂缝:

这种裂缝比较规则, 一般是在柱边和梁底出现。造成收缩裂缝的原因有三点:一是砌筑时的砂浆具有流动性, 在重力作用下, 墙体会不断沉实引起收缩;二是墙体的砌筑砂浆凝结硬化时会产生收缩, 这种收缩时间较长, 但砌筑完一个月左右将完成大部分收缩;三是作为墙体主体的砌块本身的干缩作用。

3.1.2 填充墙局部收缩裂缝:

这种裂缝一般是通过装饰抹灰面层的开裂体现出来。其成因主要有两点:一是整个墙体在上述各种收缩作用下发生收缩时, 由于主体结构的约束作用而使墙体不能自由收缩, 这就导致在墙体内出现约束应力, 当应力值大于墙体材料的抗力时就会发生裂缝;二是由于现阶段墙体材料及原始的施工工艺决定了砌筑墙体质量的不稳定性, 这必然导致墙体变形及抗力不均一, 从而在自身收缩作用下不可避免地出现裂缝。

3.2 预防措施

由于填充墙体干缩裂缝是由于砌块和砌筑砂浆两种材料共同收缩作用产生, 因此必须针对这两种材料在设计、施工中采取一定措施, 才能减少、避免这种裂缝现象的发生。具体措施如下:

a.在设计中控制建筑单体长度, 合理设置变形缝、后浇带;对于复杂部位应采取适当的构造措施, 并在施工图中予以明确。b.加强圈梁的设置, 墙高超过3m, 应设圈梁。当主体结构未留压墙钢筋, 若位置偏差, 必须植筋。c.外墙面应按规范要求设置分格缝。d.轻集砼小型空心砌块应选择当地具有备案证的规模化生产商, 所生产的砌块均须经标准蒸养。签订供货合同时, 要明确砌块进入施工现场时间, 生产商必须保证出厂砌块的龄期不低于28天。e.对进场砌块应加强检测。f.砌块进场后, 需尽快做好防雨淋措施。并应尽量增加砌块龄期, 保证施工单位砌筑上墙时砌块龄期不低于40天。并且应采用电热法测定砌块含水率。当含水率低于15%时, 方允许施工。g.针对加气混凝土砌块的特点, 在砌筑前, 不应再提前浇水湿润。若砌块过于干燥, 可采取砌筑时铺砂浆前, 在砌筑面上适量洒水的作法。h.应采用专用砌筑砂浆。i.对于埋墙管线要采用专用的异型“管块”来配套砌筑, 而不要砌筑中留槽, 更要注意避免砌后凿槽的做法。j.由于易受空气湿度影响, 以及与框架结构存在变形差, 宜将墙体两侧拉结筋拉通, 提高抗裂能力。k.严格按照操作规程施工, 保证砂浆强度, 以及灰缝饱满 (尤其是竖缝) 。l.墙体每日砌筑高度宜控制在1.5m或一步脚手架高度内。m.填充墙顶与框架梁底间填筑松散是格外突出的质量通病, 对此可在大墙面砌筑完成7天后用干硬性细石砼分多次塞缝最后压平的做法来避免。n.为减少抹灰层的收缩, 一定要在抹灰完成后加强养护, 避免因过快失水而出现“风扫纹”。

轻集料砼小型空心砌块墙体开裂的原因及现象虽较多, 但在工程实际中只要按上述要求予以认真落实, 从原材料、设计、施工的各环节层层把关, 砌块墙体裂缝的质量通病可得到有效控制。

轻小型化论文 篇4

作为承重围护及填充墙体材料, 轻集料混凝土小型空心砌块 (以下简称轻集料小砌块) 被大量采用, 已经成为抚顺市主要墙体材料之一。然而在实际工程应用中经常出现轻集料小砌块强度低、破损率高、砌体开裂等质量问题, 致使砌体强度降低、产生渗漏, 并影响建筑物使用和外观。轻集料小砌块强度低, 不仅在抚顺市如此, 在辽宁省亦是普遍现象, 如辽宁省建筑材料监督检验院, 于2009年10月受辽宁省质量技术监督局的委托, 对辽宁省沈阳、大连、鞍山、抚顺、本溪、丹东、辽阳、铁岭、葫芦岛等9个地区, 生产的轻集料混凝土小型空心砌块进行了质量抽查, 共抽查了60个企业生产的产品, 通过强度等级检测结果表明, 大多数企业样品的抗压强度为2.5 MPa左右, 占受检总量70%左右。与建筑工程内墙3.5 MPa、外墙5.0 MPa的要求存在较大差距。为什么轻集料小砌块会出现强度普遍偏低的现象, 本文就此进行讨论。

2 轻集料小砌块强度低的原因

生产轻集料小砌块时, 原材料的品质、集料的颗粒级配、粗细集料比例、水泥用量、水灰比、配合比稳定程度、搅拌均匀度、成型激震力大小、养护温湿度与养护龄期等因素, 都直接关系到轻集料小砌块的强度、耐久性及收缩值等性能指标;成型设备性能以及操作人员技术水平等因素, 可能还会导致砌块外观尺寸差、施工砌筑赶不上模数等问题。

抚顺市生产轻集料小砌块多以炉渣、粉煤灰为粗细骨料和掺和料, 有的还掺加废弃石粉和煤矸石等, 原料品质变化大, 而采用品质较好的陶粒等骨料来生产的几乎没有。煤渣的质量应符合《轻集料及其试验方法第一部分:轻集料》 (GB/T 17431.1) 的规定。煤渣 (粗) 的堆积密度约为700 kg/m3~900 kg/m3, 颗粒密度约为1 250 kg/m3~1 500 kg/m3, 如采用科学合理的生产工艺, 可以配制10 MPa~20 MPa的煤渣轻集料混凝土, 可稳定生产强度等级为MU3.5、MU5、MU7.5的煤渣轻集料混凝土小砌块。然而, 如上所述, 2009年抽检的60个企业生产的小砌块, 强度等级为MU2.5及以下的占70%左右, 为什么会这样?

2.1 粉煤灰的影响

国家标准《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》 (GB/T1596-2005) , 将拌制混凝土和砂浆的粉煤灰分为三个等级, Ⅰ级、Ⅱ级、Ⅲ级。粉煤灰的一项重要技术指标就是需水量比, 需水量比反映粉煤灰需水量的大小, 直接影响到混凝土的施工性能和力学性能。三个级别的粉煤灰需水量比分别为≤95%、≤105%和≤115%。Ⅰ级粉煤灰由于其形态效应, 可降低水灰比或减少混凝土单位用水量。适量掺加Ⅱ级粉煤灰的混凝土, 用水量与基准 (不掺加粉煤灰的) 混凝土相同。Ⅲ级灰是细度较粗、含碳量较大的原状灰或湿排灰, 掺入混凝土中会增加其用水量, 即提高水灰比。

水灰比对轻集料混凝土来说是指净水灰比而言。净水灰比是净用水量与水泥用量之比。净用水量是指不包括轻集料1 h吸水量的混凝土拌和用水量。

在拌制混凝土时, 为了使拌和物具有较好的和易性, 通常加入较多的水, 约占水泥质量的40%~70%。而水泥水化需要的水分大约只占水泥质量的23%左右, 剩余的水分或泌出, 或积聚在水泥石与集料粘结的表面, 会增大混凝土内部孔隙和降低水泥石与集料之间的粘结力。因此在水泥强度及其他条件相同时, 混凝土的抗压强度主要取决于水灰比, 这一规律称为水灰比定则。水灰比越小, 则混凝土的强度越高。但水灰比过小, 拌和物和易性不易保证, 硬化后的强度反而降低。当水灰比过大即用水量过大时, 一方面由于满足水泥水化后剩余的水分较多, 多余的水分在硬化过程中被蒸发, 在混凝土内留下许多细微小孔, 同时因水泥石与集料之间的粘结力下降, 使混凝土强度降低。

由于生产小砌块的企业所用粉煤灰大都是劣质粉煤灰, 如图1所示, 粒度粗、含碳量高, 且含有较多的多孔颗粒和连珠体, 因此, 会引起轻集料混凝土的净水灰比加大, 用水量增加, 致使轻集料小砌块的强度下降。

2.2 砂率的影响

轻集料混凝土的砂率通常以体积砂率来表示, 即细集料的体积占集料总体积的百分比。

砂率是影响轻集料混凝土工作性、表观密度和强度的主要因素之一。采用合理砂率不仅可以增加轻集料混凝土的强度, 还可以提高混凝土的流动性。煤渣轻集料混凝土砂率的合理范围为40%~45%, 在这个范围内, 相对于强度而言, 煤渣轻集料混凝土的砂率有一个最佳值。无论砂率低于还是高于最佳值, 强度均会有所下降。这主要是由于在砂率低于最佳值时, 粗集料之间的空隙未被填充密实, 随着砂率的提高, 空隙率减小, 混凝土更加密实, 使强度得到提高;而砂率高于最佳值以后, 随着砂率的提高, 粗集料用量降低, 细集料用量增大, 轻集料表面积增加, 而水泥用量却没有变化, 包裹集料表面的水泥浆减薄, 使砂浆本身的密实程度降低, 煤渣与水泥石之间的界面强化度和机械啮合作用下降, 混凝土破坏时, 沿煤渣本身的破坏和界面破坏两种形式同时存在, 轻集料混凝土强度有所降低;而且过高的砂率很容易产生分层离析和泌水, 导致轻集料混凝土稳定性降低, 强度下降。因此, 在配制煤渣轻集料混凝土时, 应注意合理的砂率选择, 已达到优化的目的, 因此, 当砂率高于最佳值, 随着砂率的提高, 混凝土强度下降。

企业生产小砌块的煤渣, 基本都采用锤式破碎机破碎, 其单位产品的能量消耗低, 体型紧凑, 构造简单, 具有很高的粉碎比 (10~50) , 因此, 煤渣经锤式破碎机破碎后, 小于5 mm的颗粒及细粉料含量居多。生产煤渣轻集料小砌块的企业, 几乎都不设置分别堆放粗、细轻集料的场地, 煤渣破碎后, 不经筛分处理, 而将粗、细集料混用, 使轻集料混凝土的砂率远高于砂率最佳值, 甚至有的高达80%, 致使轻集料小砌块强度下降。

2.3 水泥用量少的影响

水泥用量是影响轻集料混凝土强度和密度的主要因素之一。水泥用量过少, 如同砂率过大一样, 使砂浆的密实程度降低, 煤渣与水泥石之间的界面强化度和机械啮合作用下降, 混凝土破坏时, 沿煤渣本身的破坏和界面破坏两种形式同时存在, 轻集料混凝土强度有所降低, 实验表明, 水泥用量降低20%, 轻集料混凝土的强度降低10%。

有的企业质量意识淡薄, 为了抢占市场、降低成本、增加利润, 不惜牺牲产品质量, 而采取大幅度降低水泥用量, 抽检和调研发现有的少到甚至不到10%, 从而导致砌块的强度下降。

2.4 搅拌的影响

混凝土拌和物的搅拌, 除了能起混合作用外, 还能起到一定的塑化和强化作用。混凝土的搅拌时间, 对拌和物的均质性有明显影响。搅拌时间短, 则拌和不均匀, 会降低混凝土的和易性和强度。混凝土应搅拌至各种组成材料混合均匀, 对于干硬性混凝土更应注意。

轻集料混凝土应采用强制搅拌机进行搅拌。煤渣轻粗集料的吸水率, 按GB/T 17431.1的规定, 应小于10%, 因此, 可采用轻粗集料未经预湿处理的搅拌工艺即二次投料搅拌工艺, 其投料顺序见图2, 图中的总用水量是指轻粗集料1 h的吸水量和拌和用水量之和。搅拌时间宜为3 min~4 min。

轻集料混凝土的搅拌工艺最重要的是投料顺序。轻集料的孔隙在拌和过程中即可吸入水泥浆又可吸入外加剂, 而影响混凝土的工作性和强度。二次投料工艺首先将轻集料、粉煤灰和1/2总用水量加入, 在搅拌过程中轻集料的孔隙可吸入粉煤灰浆并被封闭, 避免了水泥浆及外加剂的吸入。

在相同配合比和养护条件下, 且搅拌时间满足要求, 采用二次投料搅拌工艺的混凝土和易性比一次投料搅拌工艺的好, 砌块3 d强度可提高20%, 7 d强度可提高28%, 28 d强度可提高15%左右。

目前, 生产轻集料小砌块的企业, 大都采用一次投料, 即将未经分选的煤渣轻集料、水泥和粉煤灰, 先后倒入料斗, 提升翻入搅拌机中后加水搅拌, 且搅拌时间短。加之生产轻集料小砌块的企业多数是小型厂, 绝大部分企业没有检测手段和计量设备, 对原材料不能进行最基本的质量控制和检测;不会根据原材料和产品生产情况及时进行配合比调整;用手推车、铁锹配料, 配合比波动大。因此, 使轻集料混凝土拌和物的均匀性差, 搅拌质量低劣, 轻集料混凝土的强度难以达到预期目标, 致使轻集料小砌块强度下降。

2.5 养护制度的影响

轻集料小砌块成型之后, 需要在适宜的环境中进行养护, 确保水泥水化过程得以正常进行, 方能获得预期的混凝土强度, 养护是否良好, 取决于温度、湿度和时间等因素。

混凝土所处的温度环境对水泥的水化影响较大:温度越高, 水化速度越快, 混凝土的强度发展也越快。为了加快混凝土强度发展, 在采用自然养护时, 可以采取一定的措施, 如覆盖、利用太阳能养护。另外, 采用热养护, 如蒸汽养护、蒸压养护, 可以加速混凝土的硬化, 提高混凝土的早期强度。

环境的湿度是保证混凝土中水泥正常水化的重要条件。在适当的湿度下, 水泥能正常水化, 有利于混凝土强度的发展。湿度过低, 混凝土表面会产生失水, 迫使内部水分向表面迁移, 在混凝土中形成毛细管通道, 使混凝土的密实度、抗冻性、抗渗性下降, 强度较低。

环境湿度越高, 混凝土的水化程度越高, 混凝土强度越高。如环境湿度低, 则由于水分大量蒸发, 使混凝土不能正常水化, 严重影响混凝土的强度。受干燥作用的时间越早, 造成的收缩开裂越严重 (因早期混凝土的强度较低) , 结构越疏松, 混凝土的强度损失越大。

为了使混凝土正常硬化, 必须保证混凝土成型后的一定时间内保持一定的温度和湿度。在自然环境中, 利用自然气温进行的养护称为自然养护。

目前, 生产轻集料小砌块大都采取自然养护。自然养护应采取覆盖浇水和保温防冻措施, 一般分为两个阶段:静养阶段和堆放场地养护。静养阶段由于小砌块生产的特点, 一般不浇水养护, 利用拌和物本身水分进行养护, 宜将底板连同砌块坯体一道停放在室内。如放在露天, 受风吹、阳光照射容易失水影响砌块的强度。混凝土砌块的静养时间一般为12 h~24 h, 静养的第二天开始堆放到场地养护。堆放场地养护一般放在室外, 砌块的堆放高度不宜超过1.4 m~1.6 m。露天养护时, 为了保持一定的湿度, 需在砌块坯体表面覆盖草垫和塑料薄膜等遮盖物, 并定期浇水养护。每日浇水次数取决于气候条件及覆盖物的保湿能力, 最初三天应多浇勤浇, 白天应每隔2 h~3 h浇水一次, 夜间不得少于两次, 以后随气温之不同, 按表1实施。干燥气候下浇水次数应酌情增加。覆盖天数随气温之不同一般不得低于表2的数值。浇水养护日期取决于水泥品种, 对于硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥或矿渣硅酸盐水泥拌制的混凝土不得少于7昼夜;使用火山灰质硅酸盐水泥和粉煤灰硅酸盐水泥时, 或有抗渗要求时, 不得少于14昼夜, 浇水次数应能保持混凝土表面长期处于潮湿状态。当环境温度低于4℃时, 不得浇水养护。GBJ 146-90规定, 粉煤灰混凝土的保湿时间不得少于14 d, 干燥或炎热气候条件下不得少于21 d。生产小砌块的混凝土属于硬性混凝土, 为使轻集料小砌块达到预期强度, 更应注重保湿养护。

生产轻集料小砌块的企业绝大多数采用自然养护。静养阶段基本都在露天, 暴露于大气中会使表面失水, 使砌块的耐久性和强度受到不良影响。在堆场养护时大都不采取覆盖的办法, 浇水次数也极为有限, 且覆盖和湿养护的天数不足, 即使养护时间到28 d, 砌块强度也难以达到预期目标。有的企业因养护场地不足竟堆高达2 m以上, 湿养护极为困难, 则强度难以达标。因此, 由于自然养护的轻集料小砌块不能严格按自然养护工艺的相关要求操作, 尤其不注重保湿养护、浇水天数和次数的重要性, 而使砌块强度下降。

除上述一些原因外, 成型设备的激震力或压力以及操作不当致使砌块的密实度欠佳, 如图3所示的砌块坯体, 可以看出其底部较为密实, 上部则显疏松, 亦将会造成抗压强度下降。

3 结语

综上所述, 煤渣轻集料小砌块强度低的主要原因, 是原材料的本身性能欠佳及配合比不尽合理造成的, 其次是搅拌工艺不合理、保湿养护和浇水天数和次数不足。

在原材料品质合格、配合比合理, 并保证成型质量的条件下, 以科学的方法加强搅拌和养护工艺可起到节约水泥和提高产品质量的作用。

以上是如何提高煤渣轻集料小砌块生产技术和产品质量提出的个人看法, 仅供参考。

摘要：针对煤渣轻集料混凝土小型空心砌块强度偏低的问题, 实地考察小砌块生产现状, 依据混凝土性能形成机理, 借鉴有关科学实验研究成果并结合生产实践经验, 对煤渣轻集料小砌块强度低的原因进行了讨论, 以促进生产工艺技术进步和产品质量的提高。