在混凝土运送车中用于组分添加的扩张喷嘴及其使用方法和系统与流程

本文公开的实施例总体上涉及混凝土的制造，更具体地涉及用于将一种或多种组分（例如水和/或液体化学添加物（admixture，或添加剂））分配到例如混凝土混合滚筒中的喷嘴和方法。

背景技术：

混凝土由水泥、水和骨料以及可选地一种或多种化学添加物制成。添加这种化学添加物以改善混凝土的各种属性，例如其流变性（例如坍落度、流动性）、凝固的开始、硬化速率、强度、抗冻融性、收缩性和其它属性。

在大多数情况下，在配料时在混凝土工厂中添加化学添加物。在“干配料”工厂中，将水泥、水、骨料和化学添加物从单独的隔室（例如料仓或筒仓）添加到预混合运送车的可旋转滚筒中，并将所述成分混合在一起。在“湿配料”或“中央混合”工厂中，将所有成分在固定位置混合器中组合并完全混合，然后倾倒在运送车上的可旋转滚筒中。“收缩混合”工厂类似于“湿配料”或“中央混合”工厂，不同之处在于，成分仅在固定位置混合器中部分混合，然后在运送车混合器中完成混合。

在典型的干配料过程中，首先添加“原水（headwater）”，然后添加骨料和水泥，然后再添加“尾水（tailwater）”。化学添加物通常与原水或尾水一起添加。以这种方式，化学添加物被稀释并且存在足够的水以将所有化学添加物冲洗到混合滚筒中。另外，在将骨料输送到滚筒时，化学添加物可以被直接添加到骨料上，从而确保所有化学添加物都进入预混合运送车（readymixtruck）的滚筒中。

预混合运送车的滚筒通常为椭圆形，具有连接相对的第一端和第二端的内壁，用于限定可在其中容纳流体混凝土的腔体。两个相对的端中的一个是开口端，以允许装载或卸载混凝土或形成混凝土所需的组分。滚筒以一角度（例如相对于水平面或水平地面成5-40度的取向）安装，使得开口端在顶部。

混合叶片或翅片以螺旋状型式安装在滚筒内。当滚筒相对于叶片或翅片沿一个方向旋转时，混合叶片将混凝土推向滚筒的下端并引起混合。当滚筒相对于叶片或翅片沿另一个方向旋转时，混合叶片将混凝土向上推到开口并从开口中推出。滚筒只能部分填充流体、塑性混凝土，因为否则混凝土将易于从运送车上溅出到某一点之外。

配料后，运送车从工厂的装载区域移开，在干配料或收缩混合混凝土的情况下，在出发前往现场之前完成混凝土的初始混合。通常，期望在混凝土配料和初始混合之后（包括直到在现场最终排出时）添加额外的流体（水或化学添加物）。这样做是因为一些化学添加物在配料后添加时表现更好。有时有必要添加额外的流体以补偿所有成分配料中的变化（例如，配料时添加的水太少）或混凝土属性随时间的变化（例如，流动性和其它流变属性的损失）。

还已知的是，通过使用传感器来监测旋转混合滚筒所需的能量（例如通过借助于测量液压压力而监测施加在滚筒上的扭矩）来控制预混合运送车中混凝土的“坍落度”，并通过向混合滚筒中添加流体来调节流动性。

混凝土运送车通常配备有水罐，该水罐通过被引入滚筒开口的软管管线或类似物连接。以这种方式，水可以在罐中的空气压力下或通过泵分配到滚筒中。

化学添加物罐通常较少安装在运送车上。然而，当存在这种添加物罐时，该罐通常连接至用于将水排放到滚筒中的同一软管管线。化学添加物可以在空气压力下或通过罐-泵分配到水管线中。

因此，水和添加物两者都可以从车载罐添加到混凝土混合滚筒中。通常通过加压水罐（例如以高达约60psi的压力）并打开阀以开始水添加来添加水。然而，当混凝土或混凝土成分添加到混凝土运送车时，混凝土材料倾向于粘附到水喷嘴上，从而导致少量水泥、沙子、石头等不必要地添加到喷嘴。这在图1中示意性地示出，图1示出了喷嘴通常所处的不稳定位置。混凝土通过同一开口装载和卸载经过喷嘴，在典型应用中，这可能导致水喷口填充混凝土且变得无法使用。为了解决这个问题，每次装载运送车时都应清洁喷嘴，这是耗时的，而且现场操作人员很少这样做。

当材料变硬时，混凝土也可能“堆积”或变得非常高。这意味着在排出混凝土时，它会填充整个“喉部”或滚筒的开口。水和添加物喷嘴或多个喷嘴通常在该排出混凝土的途中，并可能被完全覆盖。喷嘴的内部也可能填充混凝土。这些问题会导致水喷嘴失去添加水的效果，最终可能会完全限制水从喷嘴的排出。

为了解决这些问题，现场操作人员可能会借助于使用锤子或其它工具从喷嘴上机械去除混凝土，或者可能会钻喷嘴以试图清除它们的混凝土。添加物喷嘴（与水喷嘴分开时）可能具有同样的问题，尽管它们显著更窄；水泥浆仍可能最终从内部和/或外部限制喷嘴。

因此，本文公开的实施例的目的是提供一种不遭受前述缺点的喷嘴。

另一个目的是提供一种从喷嘴的一个或多个表面脱落混凝土的方法。

技术实现要素：

本文公开的实施例提供了一种用于将一种或多种液体引入腔体（例如混凝土混合滚筒）中的系统和设备。在某些实施例中，该设备包括喷嘴，该喷嘴适合于将一种或多种液体（例如水和/或液体化学添加物）分配到腔体（例如混凝土混合滚筒）中，并且可用于工厂装置中的混合器，尤其可用于混凝土预混合运送车。还公开了一种将一种或多种液体引入腔体（例如混凝土混合滚筒）中的方法。

更具体地，在某些实施例中，提供了喷嘴罩，喷嘴罩围绕喷嘴轴或其它支撑构件的一部分，该罩是可扩张和可收缩的，并且具有罩出口。在一些实施例中，罩是在多个方向上可扩张和可收缩的，包括轴向和径向（例如，相对于支撑构件）。在某些实施例中，罩围绕喷嘴轴或支撑构件的一部分，并且适合于经由罩出口（例如通过喷射）将一种或多种液体引入腔体（例如可旋转混凝土混合滚筒）中。

在一些实施例中，喷嘴组件可将多于一种的组分独立地引入到混合滚筒中。在一些实施例中，这种喷嘴组件具有喷嘴罩、喷嘴轴、喷嘴轴入口、喷嘴罩入口、喷嘴轴出口和喷嘴罩出口，其中，喷嘴罩围绕喷嘴轴的一部分。在某些实施例中，喷嘴轴既起到支撑喷嘴罩的作用，又起到将组分引入混凝土运送车混合滚筒中的作用。因此，喷嘴轴入口构造成与待引入混合滚筒中的第一组分的源（例如添加物源）流体连通，并且与喷嘴轴出口流体连通。在某些实施例中，喷嘴罩入口构造成与待引入混合滚筒中的第二组分（例如水源）连通，并且与喷嘴罩出口流体连通。当第二组分允许通过喷嘴罩入口流入喷嘴罩时，它导致喷嘴罩扩张。作为该扩张的结果，随着罩扩张，先前粘附在喷嘴罩的表面（例如，外表面和/或内表面）上的混凝土受到张力。由于混凝土的有限抗拉强度，混凝土会破裂并从喷嘴罩脱离，从而使喷嘴脱落不想要的混凝土。

因此，本文公开的实施例消除了由于在喷嘴上的混凝土堆积而引起的问题。当操作人员添加流体时，喷嘴会在横向和周向扩张，以脱离混凝土。流动通过喷嘴的流体的力产生使混凝土破碎所需的扩张。

在某些实施例中，提供了一种用于将流体（例如化学添加物和/或水）喷射到可旋转混合滚筒（例如可旋转混凝土混合滚筒）中的系统。该系统可以包括混合滚筒，该混合滚筒可旋转地安装以允许围绕相对于水平地面以例如5至40度的取向倾斜的旋转轴线旋转，并且该混合滚筒可以具有椭圆形的滚筒主体，带有连接相对第一端和第二端的内周向壁，用于限定腔体，在腔体中容纳流体，例如流体混凝土。两个相对的端中的一个可以具有开口以允许从腔体中装载和卸载流体混凝土。该系统可以包括第一组分（例如化学添加物）的源和/或第二组分（例如水）的源。该系统可以包括喷嘴，该喷嘴包括支撑构件和围绕该支撑构件的至少一部分的喷嘴罩，该喷嘴罩具有喷嘴罩入口和与该喷嘴罩入口间隔开的喷嘴罩出口，以及喷嘴罩入口和喷嘴罩出口之间的容积，喷嘴罩入口与第一组分的源和/或第二组分的源流体连通，并且在将第一组分引入到容积中时可扩张，并且在从该容积中取出第一组分时可收缩。支撑构件还可以起到将组分引入混合滚筒中的作用。

附图说明

图1是根据某些实施例的喷嘴组件的透视图；

图2a是示出喷嘴在混凝土运送车滚筒中的通常定位的图；

图2b是根据某些实施例的喷嘴组件的横截面图，示出了形成在喷嘴主体上的止挡件，该止挡件防止罩过度轴向收缩；

图3是根据某些实施例的喷嘴组件的横截面图，示出了用混凝土覆盖的喷嘴罩的外表面；

图4是示出根据某些实施例的喷嘴组件的示意图，其中罩通过水压而扩张，从而导致混凝土从罩的外表面脱落；

图5是根据某些实施例的用于清洗一个或多个进料管线的清洗系统的示意图。

图6a是根据某些实施例的由支撑构件支撑的处于扩张状态的喷嘴罩的透视图；

图6b是根据某些实施例的由支撑构件支撑的处于收缩状态的喷嘴罩的透视图；

图7是根据某些实施例的由支撑构件支撑的处于扩张状态的喷嘴罩的横截面图。

图8是根据某些实施例的由支撑构件支撑的处于扩张状态的喷嘴罩的透视图；和

图9是操作中的喷嘴的图示，示出了混凝土脱离喷嘴表面的情况。

具体实施方式

通过参考附图可以获得对本文公开的部件、过程和设备的更完整的理解。附图仅是基于方便和易于展示本公开的示意性表示，因此，并不旨在指示装置或其部件的相对尺寸和尺度和/或限定或限制示例性实施例的范围。

尽管为了清楚起见在以下描述中使用了特定术语，但是这些术语仅旨在指代选择用于在附图中示出的实施例的特定结构，而不旨在限定或限制本公开的范围。在附图和下面的描述中，应当理解的是，相同的附图标记指代相同功能的部件。

除非上下文另有明确规定，否则单数形式“一”，“一个”和“该”包括多个对象。

如在说明书中所使用的，各种装置和部分可以被描述为“包括”其它部件。如本文所使用的，表述“包括”，“包括”，“具有”，“具有”，“可以”，“包含”及其变体旨在是开放式的过渡性短语、表述或措辞，不排除附加部件的可能性。

应当注意，本文使用的许多表述是相对表述。例如，表述“上部”和“下部”在位置上相对于彼此，即，上部部件位于比下部部件更高的高度，并且不应被解释为要求结构的特定取向或位置。

表述“顶部”和“底部”相对于绝对参考系，即地球表面。换句话说，顶部位置总是位于比底部位置（朝向地球表面）更高的高度。

如本文所使用的，术语“混凝土”将理解为指代包括水泥粘合剂（例如，波特兰水泥（portlandcement），任选地具有补充性水泥材料，例如飞灰、粒状高炉矿渣、石灰石或其它火山灰材料）、水和骨料（例如沙子、碎石或石头及其混合物）的材料，固化时形成硬化的建筑物或土木工程结构。混凝土可任选地包含一种或多种化学添加物，其可包括减水剂、中范围减水剂、高范围减水剂（称为“超塑化剂”），粘度调节剂、缓蚀剂、减缩剂、固化促进剂、固化抑制剂、空气夹带剂、空气减除剂、强度增强剂、颜料、着色剂、用于塑性收缩控制或结构增强的纤维和类似物。预期用于本发明的示例性混凝土混合滚筒包括通常被安装为在预混合运送车上或在混合工厂中可发现的固定混合器上旋转的混合滚筒。这种混合滚筒具有内周向壁表面，在该内周向壁表面上将至少一个混合叶片附接到内表面，使得其随混合滚筒一起旋转并且用于混合混凝土混合物，包括包含在混合物中的骨料。例如，可旋转混凝土混合滚筒可被安装为允许围绕相对于水平地面以5-40度的取向倾斜的旋转轴线旋转，并且可具有椭圆形滚筒主体，带有连接第一封闭端和第二端的内周向壁，第二端具有开口，用于从滚筒中装载和卸载混凝土。

现在转到图1，示出了根据某些实施例的示例性喷嘴组件10。在所示的实施例中，喷嘴组件10能够独立地将两种单独组分引入混合滚筒中。喷嘴组件10可以相对于混凝土混合滚筒5的腔体开口对准并安装，使得喷嘴组件10的喷嘴孔或轴出口16聚焦到滚筒腔体中，以将混凝土的一种或多种成分或组分引入到该腔体（图2a）中。在所示的实施例中，喷嘴组件10包括轴入口12和喷嘴罩入口14。为了讨论的目的，该入口14将被称为喷嘴罩入口，但是将理解的是，入口14的实际位置不必是喷嘴罩的一部分，仅仅是与喷嘴罩流体连通。即，入口14可以形成在主体构件11中，喷嘴罩附接到主体构件11，如图1所示。喷嘴罩20具有与喷嘴罩入口14间隔开的喷嘴罩出口18。轴入口12可以与待由喷嘴组件10例如诸如通过导管、软管、管道或类似物（可以是刚性的或柔性的）引入水泥运送车混合滚筒的第一组分（例如添加物（未示出）或其它混凝土成分或添加剂）的源流体连通。喷嘴组件10中的喷嘴孔或轴出口16经由优选为刚性的轴15或类似物与第一组分的源流体连通，该轴具有内孔并在喷嘴组件10中轴向延伸。轴出口16优选是光滑的，并且可以由hdpe、不粘塑料或例如ptfe（teflon^®）的涂层材料制成。喷嘴罩入口14可与待由喷嘴组件10例如诸如通过导管、软管、管道或类似物（可以是刚性的或柔性的）引入水泥运送车混合滚筒的第二组分（例如水（未示出）或其它添加剂或组分）的源流体连通。组分或多种组分的源或多个源可被泵送或加压以流动到喷嘴组件10。

在某些实施例中，喷嘴罩20围绕轴15的一部分，并且在一端处或附近联接至喷嘴主体构件11，例如通过粘附和/或例如通过夹具或类似物（未示出）以机械方式。喷嘴罩20可以永久地固定到喷嘴主体构件11，或者可拆卸地附接，从而可以容易地不时地用新的喷嘴罩20更换。喷嘴罩20和喷嘴主体构件11也可以被构造为单个整体件。在某些实施例中，喷嘴罩20形成围绕轴15并且至少部分地与轴15同轴的水喷嘴。这减小了喷嘴的整体尺寸。

在某些实施例中，喷嘴罩20是可扩张和可收缩的。图1示出了处于收缩状态（20a）和在将例如气体或流体（例如水）的第二组分引入到喷嘴罩20的内部容积中时处于扩张状态（20）两者的喷嘴罩20。在扩张状态中，喷嘴罩20相对于轴15在多个方向上扩张，如图1和4中的箭头所示，包括轴向扩张，例如从轴出口16轴向延伸超过喷嘴罩20a的自由端的位置到喷嘴罩20的自由端轴向延伸超过轴出口16的位置。在一些实施例中，喷嘴罩扩张的方向还包括相对于轴15的径向扩张。

当混凝土100已经粘附到喷嘴罩20上时，例如如图3所示的喷嘴罩20的外表面，喷嘴罩20的扩张在已经涂覆或粘附到喷嘴罩20表面（内表面和/或外表面）的混凝土100上产生拉伸应力，并且足以使该混凝土破裂并从喷嘴罩20上掉落，因为由喷嘴罩20的扩张引起的拉伸应力克服了混凝土100的相对较弱的抗拉强度（在图4中示意性地示出）。

用于喷嘴罩20的合适构造材料是提供使喷嘴罩20能够反复扩张和收缩的必要弹性的材料，例如弹性体材料、高密度聚乙烯（hdpe）和不粘塑料。

在一些实施例中，喷嘴罩20可以是波纹管，例如容积可以改变的柔性材料，例如，诸如通过在压力下引入水或气体（例如，空气）而扩张，或者诸如通过停止在压力下引入水或气体而收缩。波纹管可以具有六角手风琴或手风琴形状。例如，如图6a所示，喷嘴罩20可具有多个区域或部分20a，20b，20c等，每个区域或部分具有相应的中间区域20a'，20b'，20c'，该中间区域具有该区域或部分的最大外径（在收缩状态和扩张状态中均是如此），并在两个轴向方向（即朝向和远离喷嘴罩出口18）逐渐过渡或渐变至直径越来越小的区域。区域20a'，20b'，20c'可以具有彼此相同的外径（在收缩状态或扩张状态中均是如此），或者可以具有相对于彼此不同的外径。

可以施加到喷嘴罩20以使喷嘴罩扩张的合适压力优选地是大约2psi，并且可以高达大约60psi。

如图2b所示，轴15可包括较小直径区域15a和较大直径区域15b，使得从较小直径区域过渡至较大直径区域的区域形成肩部19。喷嘴罩20可围绕轴15构造并定位，使得肩部19提供止挡件，从而在喷嘴罩20从扩张状态过渡至收缩状态时最小化喷嘴罩20轴向收缩的程度（例如，在喷嘴罩20的点201处，其沿喷嘴罩20的轴向长度的位置不是特别地被限制）。止挡件还提供了屏障，防止排出的混凝土进入和填充喷嘴（如果发生，最终可能导致喷嘴无法使用）。然而，如果在喷嘴罩20的内表面上粘附有任何混凝土，则喷嘴罩20的扩张也将导致该混凝土脱离该表面，并最终例如在将流体（例如空气）引入罩20中时从喷嘴罩20中排出。

在某些实施例中，喷嘴罩20的出口的内径仅稍微大于轴出口16的一部分的外径，以使喷嘴罩20在轴15上产生轻微的摩擦配合。例如，如在图1中看到的那样，可以在喷嘴区域的外表面上形成一个或多个突起8，一个或多个突起8形成限流部（restriction），该限流部允许压力在喷嘴罩200的内部容积中积聚。这有助于确保在第二组分（例如水）在压力下被引入喷嘴罩20的内部容积中时，压力升高，使喷嘴罩20在多个方向上扩张，从而导致第二组分从喷嘴罩20的喷嘴出口18流出。优选地，轴15的端是子弹形或圆锥形，以利于喷嘴罩20在其扩张和收缩时在轴15上前后滑动。

如图5中示意性所示，在一些实施例中，第二组分的源可以与承载第一组分的进料管线流体连通。例如，在进料管线60可以置于与第一组分（例如添加物）流体连通的实施例中，可以使用止回阀65或类似物以允许进料管线60取而代之置于与第二组分（例如水或空气）流体连通。这允许用第二组分冲洗或清洗进料管线60，并且与之流体连通的组分的冲洗或清洗在止回阀65下游。

图6a，图6b和图7示出了支撑构件本身不包括出口的实施例；支撑构件起到支撑喷嘴罩20的作用，但是不起到将组分引入混凝土混合滚筒的作用（为此目的可以使用单独的喷嘴）。在图6a和图7中，喷嘴罩20被示出为处于扩张状态，并且因此轴向延伸超过支撑构件115的近端115a。在图6b中，喷嘴罩20被示出为处于收缩状态，因此支撑构件115的近端115a轴向延伸超过喷嘴罩20。在某些实施例中，支撑构件115包括环形肩部119，该环形肩部119类似于轴15的肩部19，用作止动件，以防止喷嘴罩20进一步轴向收缩。图8是处于扩张状态的喷嘴罩20的示意图，其中箭头描绘了在将流体引入到围绕支撑构件115的喷嘴罩20的内部容积中时的扩张方向。

示例

在实验室中使用交流泵对喷嘴进行了测试，以模拟混凝土混合运送车的水压。喷嘴的外部波纹管由保时捷911cv接头构成。内轴是塑料的，不适合商业应用，但适合作为测试目的的模型。整个组件具有用作支撑的内轴的正确部件，该内轴用作混合喷嘴。波纹管和止挡件如图9所示安装。

第一测试系统被覆盖在水硬性水泥（对于混凝土实际生产不常见）中，并被允许放置一天。水硬性水泥很快硬化，但不包含混凝土的其余成分（例如，沙子，石头）。在水泥被允许硬化后，打开泵，且波纹管在多个方向扩张，使硬化的水泥破碎，这使其脱离波纹管。

使用常规的～3500psi抗压强度混凝土（使用3/4英寸骨料，每码水泥材料517磅）进行了进一步的测试。混凝土在第1天下午生产并被包裹在喷嘴上，并被允许在测试前放置一整天。这是极端情况，因为在大多数使用情况下，一天结束时喷嘴将扩张至少一次。监测压力以确保其不超过正常混凝土操作期间看到的压力。在喷嘴处于8psi下测量压力。在波纹管扩张时，混凝土破碎并脱离波纹管。

进行更进一步的测试，以模拟混凝土在离开滚筒时撞击喷嘴的情况。喷嘴推入混凝土桶中5次，然后被允许放置一天。然后水喷射通过系统，且结果是相同的。喷嘴的内轴上的止挡件防止混凝土进入波纹管内部，在测试完成时，混凝土完全从喷嘴掉落。

在所有情况下，要检查内轴和外波纹管的混凝土堆积，只剩下很少，大部分只是硬化混凝土的灰尘。