基于EDEM 的水泥团破碎过程模拟＊

付 石

（长安大学，陕西 西安 710064）

水泥混凝土是水泥、水、沙、石、添加剂等按照适当比例配合，经过均匀搅拌、密实成型及养护硬化过程而成的人造石材，广泛应用于我国工农、交通、国防、水利、市政等建设工程中[1]。现有研究发现水泥混凝土在搅拌后，肉眼观察到的水泥混凝土中的水泥浆用微观显微镜观察，发现其中有10%～30%的水泥团聚在一起，并没有均匀分散在水中，而是形成了微小的干粉团和絮凝团，对混凝土的强度和工程耐久性产生不利影响。因此，利用EDEM 软件和离散单元法建立水泥团粒模型，采用不同转速分别模拟计算，探究其对水泥团粒破碎情况的影响，有着十分重要的意义。

1 EDEM离散元仿真模型建立

搅拌过程中的水泥浆涉及到两种需要混合的颗粒相，一种是单个水泥，另一种是水泥团。常使用EDEM 软件在水泥团几何模型中用单个水泥颗粒覆盖、分散来填充建立水泥团几何模型，如图1所示。

图1 水泥团创建

EDEM计算过程中，工厂无法产生水泥团，此时需要插入API来进行颗粒替换。当到达设置的替换时间时，会将之前的被替换颗粒移除，替换成水泥团，如图2所示。

图2 颗粒替换

2 颗粒粘结计算

EDEM 仿真计算过程中，所构建的水泥团只有尽可能贴近实际情况，才能保证计算的准确性，结果的可靠性。因此，需要合理确定水泥、水泥团和搅拌设备几何模型的本征参数、基本接触参数和接触模型参数等。为简化计算过程，文章采用球形颗粒分别替代单个水泥和水泥团，粒径分别为0.25 mm、1.5 mm。查阅文献手册[2]，材料本征参数如表1所示，材料间属性参数如表2所示。

表1 材料本征参数表

表2 材料间接触属性表

3 仿真计算参数设置

求解模块下需设置Rayleigh 时间步长、数据保存间隔和网格划分等计算参数。Fixed Time Step指一次计算到下一次计算之间的时间间隔。离散元法中，理想化时间步长是Rayleigh（瑞利）时间步长，瑞利时间步长指的是剪切波在一个固体球形颗粒表面传播所用的时间。时间步长若设置过大，数据采集相对发散，计算不准确；若设置过小，则会大大增加计算工作量。工程一般选取5%～40%的瑞利时间步以保证仿真的稳定性与准确性。本文仿真时间步长设置为瑞利时间步长的30%，总仿真时间为2 s，数据保存间隔为0.01 s。

网格划分直接影响计算机仿真时间，网格划分过大会遗漏很多颗粒之间的碰撞计算，造成结果不准确；网格划分过小又会大大增加仿真时间。一般网格单元的总数目要小于100 000，本文运用计算机Lenovo-air14，8核并行计算。

4 水泥团粒破碎

通过对500 rpm 和700 rpm 搅拌转速的情况进行计算，观察水泥团粒破碎过程，并引入破碎百分比参数，综合分析两种不同转速下水泥团间粘结键存留数，探究搅拌转速对水泥团破碎过程的影响[3-4]。下图3 和图4 分别为搅拌叶片孔径为20 mm，搅拌转速分别为500 rpm 和700 rpm 下的水泥团粒粘结键变化图。表3为粘结键破碎情况。

图3 转速500 rpm 下水泥团粒粘结键变化

图4 转速700 rpm 下水泥团粒粘结键变化

表3 粘结键破碎情况表

5 结论

综上所述，其他参数不变，搅拌转速一定时，水泥间粘结键的存留数会随时间步的变化呈现先快速下降后缓慢下降最终速度趋于稳定的情况。随着搅拌转速的提高，水泥团的破碎效果增强。这是因为增加转速会在一定时间内使得叶片和水泥团的碰撞频率增加，水泥团破碎效果变好。同时，随着叶片转速的增加，搅拌轴周围低效区的影响减弱，有利于水泥浆微观均匀性的提高。