Введение. Прочность на сжатие является одной из основных качественных характеристик изделий, приготовленных из бетонов и растворов. В производстве строительных материалов существуют различные способы увеличения прочностных характеристик таких изделий. К ним относится использование армирующих элементов, как классического типа в виде стальной арматуры, так и изготовленных из различных органических и неорганических материалов [1–4]. Причем тип арматуры и схема ее размещения имеют важное значение. Важную роль имеют специальные виды добавок в бетонную смесь. Многие исследователи обращают внимание на соблюдение строгих условий затворения водой компонентов смеси и набора прочности бетона [5, 6]. Одним из эффективных способов улучшения качественных свойств бетонной смеси, влияющих на прочностные характеристики затвердевшего бетона, является повышение степени однородности распределения в ней компонентов [7–9]. Для приготовления бетонов, растворов, сухих строительных смесей применяются различные виды смесительного оборудования. К наиболее распространенным на промышленных предприятиях следует отнести гравитационные бетоносмесители, лопастные смесители как с вертикальным, так и горизонтальным расположением валов. Каждый из них имеет свои особенности применения, преимущества и недостатки.Лопастные смесители с горизонтальным расположением валов выполняются как одновальными, так и двухвальными. Их конструктивное исполнение предполагает возможность приготовления бетонов, растворов, сухих строительных смесей в непрерывном либо циклическом режимах работы. Эти смесители имеют достаточно высокую производительность, простоту конструкции и эксплуатации [10–12]. Так, двухвальный смеситель периодического действия БП-2Г-2250 фирмы «ЗЗБО» из города Златоуст (Челябинская область) при производительности70 м3/ч, установочной мощности приводов  2×30 кВт обеспечивает подготовку смесей с  коэффициентом неоднородности 4,5–3,5 % [13].Особенностью процесса гомогенизации компонентов в промышленных лопастных смесителях является образование перед перемещающимися в смеси лопастями уплотненных зон, в которых частицы материала движутся со скоростями, значительно меньшими, чем на границах этих зон [14, 15], что приводит к снижению качества приготовленной смеси. Это свидетельствует о целесообразности поиска технического решения, позволяющего изменять траектории движения частиц, увеличить их подвижность в прилегающей к перемещающейся лопасти уплотненной зоне материала.С этой целью авторами предложена конструкция горизонтального лопастного смесителя с расположенными перед рабочими поверхностями лопастей стержневыми элементами [16]. Стержневые элементы по отношению к лопастям неподвижны и расположены с промежутками по отношению к ним. Стержневые элементы, при совместном вращательном движении с лопастями, воздействуя на расположенные перед лопастями частицы материала, изменяют траектории их движения, увеличивают подвижность. Это приводит к повышению степени однородности смешиваемого материала. Методология. Для оценки влияния стержневых элементов на качество подготовки смеси, установления закономерностей влияния на него конструктивно-технологических параметров смесителя и определения областей их рациональных значений была разработана конструкция стендовой установки двухвального лопастного смесителя (рис. 1, 2, 3). Конструкция смесителя предусматривает возможность его эксплуатации как в непрерывном, так и циклическом режимах. При разработке смесителя учитывались рекомендации, рассмотренные в работах [18–20].Рис. 1. Стендовая установка лопастного двухвального смесителя со стержневыми элементами:1 – корпус, 2 – рама, 3 – опорный подшипник, 4 – лопастной вал, 5 – муфта, 6 – редуктор, 7 – муфта, 8 – электродвигатель, 9 – зубчатая синхронизирующая пара, 10 – загрузочное устройствоОбъем корпуса смесителя составляет 2·10-3 м3, длина – 0,5 м, диаметр окружности, описываемый лопастями, – 0,079 м. Привод двухвального смесителя состоит из асинхронного электродвигателя АИР180S2, соединительных муфт и цилиндрического соосного редуктора (u=48).  Установочная мощность электродвигателя Pnom=2,2 кВт дает возможность эксплуатации смесителя на различных режимах. Управление работой электродвигателя осуществлялось частотным регулятором Delta VFD-E и обеспечивало необходимую частоту вращения лопастных валов в пределах 0,66…1,34 с-1.Сравнительный эксперимент проводился для двух вариантов исполнения экспериментальной стендовой установки смесителя. Первый вариант стендовой установки, рассматриваемой в качестве аналога, представлял собой классический вариант двухвального лопастного смесителя без установленных стержневых элементов. Он представляет собой масштабированную копию широко применяемых в промышленных условиях смесителей. Второй вариант исполнения стендовой установки смесителя дополнялся стержневыми элементами цилиндрической формы, установленными перед рабочей поверхностью лопасти.В смесителе согласно СП82-101-98 осуществлялась подготовка сухой цементно-песчаной смеси (ЦПС) для приготовления растворов штукатурных. В соответствии с требованиями минимальная прочность на сжатие образцов-призм, приготовленных из выбранной для эксперимента сухой строительной смеси, должна быть не менее 15 МПа. В качестве исходных компонентов использовались портландцемент ЦЕМ I 52,5Н ГОСТ 31108-2016 и кварцевый песок ГОСТ 8736-2014 крупностью 0,315…0,8 мм. Соотношение песка к цементу составляло 4:1. Рис. 2. Фрагменты смесителя: а – перед проведением эксперимента, б – при проведении эксперимента: 1 – разгрузочное устройство, 2 – лопасти, 3 – стержневые элементы, 4 – кондуктор для отбора проб, 5 – смешиваемый материал, 6 – пробоотборник  Использование кондуктора для отбора проб (рис. 2) позволяет отбирать точечные пробы смеси, не нарушая структуру смесеобразования в объеме смесителя.Монтаж лопастей под углом, задаваемым относительно плоскости вращения, обеспечивался кондуктором для установки положения лопастей (рис. 3). Конструктивное исполнение стержневых элементов и лопастей предусматривает возможность регулирования расстояния между ними и их параллельного размещения. Пробы смеси отбирались в строго определенных местах по схеме, приведенной на рис. 4.   Рис. 3. Лопастной вал с кондукторомдля установки положения лопастей:1 – стержневой элемент, 2 – лопасть, 3 – кондуктор для контроляположения лопастей, 4 – лопастной валРис. 4. Схема отбора проб смеси   Подготовка смесей осуществлялась в циклическом режиме по ПФЭ ЦКРП 23. Применение рототабельного плана эксперимента, по сравнению с ортогональным, позволяет получить более точное математическое описание поверхности отклика, что достигается благодаря увеличению числа опытов в центре плана и специальному выбору величины звездного плеча [17].  В качестве исследуемой функции рассматривался предел прочности на сжатие половинок образцов-призм (размерами 40×40×160 мм), приготовленных из полученной сухой цементно-песчаной смеси в строгом соответствии с ГОСТ Р 58277-2018. В соответствии с требованиями приготовление образцов-призм выполнялось в формах 3ФБ-40 с их выдерживанием в камерах нормального твердения (при температуре (20±2) °С и относительной влажности воздуха (95±10) %). Твердение осуществлялось в течение 28 суток. После набора прочности балочки были подвергнуты испытаниям на гидравлическом прессе ПГМ-100 МГ4 с наибольшим пределом нагружений 100 кН и допускаемой относительной погрешностью ±1 % в используемом диапазоне нагружений. Испытания по определению прочности на сжатие проводились при температуре (20±2) °С и относительной влажности воздуха (60±10) % в соответствии с ГОСТ Р 58277-2018.По мнению авторов [18] частота вращения лопастных валов и угол установки лопастей относительно плоскости вращения оказывают наибольшее влияние на качество приготовления смеси в лопастных смесителях с горизонтальным расположением валов. С целью установления условий осуществления экспериментов на экспериментальной стендовой установке смесителя, при первом и втором вариантах ее исполнения, были проведены поисковые эксперименты, в результате которых были установлены исследуемые факторы и области их варьирования, количество повторных опытов. В качестве варьируемых факторов приняты частота вращения лопастных валов, n, расстояние от рабочей поверхности лопасти до стержня, c, угол установки лопасти относительно плоскости вращения, α (табл. 1).  Таблица 1Исследуемые факторы и уровни варьирования ФакторыОбозначение, ед. измеренийИнтервалУровни варьирования факторовКодированный видНатуральный вид-1,680-10+1+1,680Частота вращения лопастных валовX1n, c-10,20,660,811,21,34Угол установки лопастей относительно плоскости вращенияX3α, град3,5719,9224303640,08Расстояние от рабочей поверхности лопасти до стержневыхэлементовX2c, мм602,4369,5712  Производители промышленных смесителей с горизонтальным расположением валов, характеризуя на сайтах компаний оборудование, указывают время приготовления смесей от одной до нескольких минут.  Необходимое для перехода смеси в качественное состояние время, при рациональных конструктивно-технологических параметрах смесителя, зависит от его типоразмера, количества, соотношения и характеристик смешиваемых компонентов. В этой связи на экспериментальной стендовой установке смесителя, при первом и втором вариантах ее исполнения, были проведены поисковые эксперименты, в результате которых было установлено, что при возможных сочетаниях исследуемых факторов технологический процесс гомогенизации смеси через 5 минут гарантированно переходит в установившееся состояние.   Предел прочности на сжатие определялся в соответствии с рекомендациями ГОСТ Р 58277-2018: Rсж=PS  ,                           (1)где P – нагрузка, вызывающая разрушение образца, Н; S – площадь рабочей поверхности пластинки, на которую действует нагрузка, S =25·10-4 м2. В результате компьютерной обработки экспериментальных данных получены математические выражения в виде уравнений регрессии, описывающие зависимость прочности на сжатие полученных образцов от исследуемых факторов. В результате проверки подтверждены воспроизводимость параллельных опытов и адекватность уравнения регрессии. Из полученных уравнений исключены малозначимые коэффициенты. В кодированной форме уравнение имеет вид: σcж=24,874-0,831∙X1+0,218∙X2+0,375∙X3-0,857 ∙X1∙X2++ 0,236∙X2∙X3- - 3,438X12-2,22∙X22-0,712∙X32                                                                 (2)В натуральной форме уравнение имеет вид:σcж=-88,45+174,95∙n+3,02∙c+1,18∙α-1,2 ∙n∙c+0,01∙c∙α- 85,95∙n2- -0,174∙c2-0,02∙α2                                                                  (3) Основная часть. С помощью программной среды Maple были выполнены исследования уравнения (2), (3) и получены графические зависимости. В рассматриваемой области функция является непрерывной. Определены экстремумы функциональной зависимости. Наименьшее значение σсж = 1,87 МПа функция принимает приα = 20°, c = 12 мм, n = 1,34 с-1.  Наибольшего значения σсж = 25 МПа функция достигает приα = 32°, c = 6,3 мм, n = 0,97 с-1. Разница между этими величинами составляет 92,52 %. В рассматриваемых исследованиях повышение прочности образцов обусловливается более однородным распределением компонентов смеси, поэтому ее можно характеризовать как более качественно приготовленную.Графические зависимости предела прочности на сжатие образцов от частоты вращения лопастных валов, угла установки лопасти и расстояния от рабочих поверхностей лопастей до стержневых элементов приведены на рис. 5.   Рис. 5. Зависимость предела прочности на сжатие образцов σсж от:а – расстояния c от рабочих поверхностей лопастей до стержневых элементов и угла установки лопастей α при n= 1 c-1; б – частоты вращения лопастных валов n и угла установки лопастей α при c=6 мм; в – расстояния c от рабочих поверхностей лопастей до стержневых элементов и частоты вращения лопастных валов n при α=30°  Изменения σсж на рассматриваемых диапазонах исследуемых факторов имеют выраженный нелинейный характер. Максимальные значения σсж достигаются при значениях факторов, находящихся в центральной области факторного пространства. Увеличение α от минимальной величины на первом этапе приводит к росту значений σсж и последующему их снижению на втором этапе (рис.5, а, б). Так, при минимальных значениях n и с (n1 =0,66 c-1, c1=0 мм) и α1=20°, α2=30°, α3=40° пределы прочности образцов на сжатие принимают соответственно значения σсж11=5,32МПа, σсж12=7,62 МПа, σсж13=5,25 МПа. Значения функции изменяются на 31,1 %.  При n и с соответствующих центру плана (c2=6 мм, n2=1 c-1) и рассматриваемых значениях α – σсж14=22,27 МПа, σсж15=24,87 МПа, σсж16=23,52 МПа, соответственно.  Изменение σсж составляет 10,45 %. При максимальных значениях n и с (n3 =1,34 c-1, c1=12 мм) и тех же α – σсж17=1,91 МПа, σсж18=5,17 МПа, σсж19=4,48 МПа, соответственно. Значения функции изменяются на 63,06 %.Увеличение c от минимальной величины сначала приводит к росту значений σсж, а затем к их последующему снижению (рис. 5, а, в). При минимальных значениях n и α (n1=0,66 c-1, α1=20°) и c1=0 мм, c2=6 мм, c3=12 мм пределы прочности образцов на сжатие принимают соответственно значения σсж21=5,32МПа, σсж22=13,75 МПа, σсж23=9,63 МПа. Значения функции изменяются на 61,3%.  При n и α соответствующих центру плана (n2=1 c-1, α2=30°) и рассматриваемых значениях c - σсж24=18,24 МПа, σсж25=24,87 МПа, σсж26=18,97 МПа, соответственно.  Изменение σсж составляет 26,66 %. При максимальных значениях n и с (n3=1,34 c-1, α3=40°) и тех же α значения функции соответственно составляют σсж27=7,32 МПа, σсж28=12,17 МПа, σсж29=4,48 МПа. Изменение σсж составляет 63,19 %.Увеличение n от минимальной величины приводит к росту значений σсж с последующим их снижением (рис.5, б, в). Так, при минимальных значениях α и с (α1 =20°, c1=0 мм) и n1=0,66 c-1, n2=1 c-1, n3=1,66 c-1 пределы прочности образцов на сжатие принимают соответственно значения σсж31=5,32 МПа, σсж32=16,30 МПа, σсж33=7,40 МПа. Значения функции изменяются на 67,36 %.  При α и с соответствующих центру плана (α2 =30°, c2=6 мм) и рассматриваемых значениях n1, n2 и n3 - σсж34=16,35 МПа, σсж35=24,87 МПа и σсж36=13,53 МПа, соответственно.  Изменение σсж составляет 45,60 %. При максимальных значениях α и с (α3 =40°, c3=12 мм) и тех же n1, n2 и n3 функция принимает значения σсж37=12,2 МПа, σсж38=18,28 МПа, σсж39=4,48 МПа, соответственно. Значения функции изменяются на 75,49 %.Следует выделить рациональные области исследуемых конструктивно-технологических параметров: угла установки лопастей α=30…35°, расстояния от рабочих поверхностей лопастей до стержневых элементов c=5…6 мм и частоты вращения лопастных валов n1=0,9…1,1 c-1.Для определения сравнительной эффективности применения разработанной конструкции смесителя рассмотренная стендовая установка была выполнена по первому варианту исполнения – без стержневых элементов. В этом исполнении она конструктивно соответствовала промышленно применяемым смесителям и рассматривалась как аналог для сравнения с разработанной авторами конструкцией [18].  В ней осуществлялась подготовка цементно-песчаной смеси указанного состава. Угол установки лопастей составлял α=30°, частота вращения лопастных валов изменялась: n=0,66; 0,8; 1; 1,2; 1,34 c-1. Зависимости предела прочности на сжатие половинок образцов-призм из смесей, приготовленных в смесителе со стержневыми элементами (при c=6 мм) и без них, значения этих параметров приведены на рис. 6. и в табл. 2. Рис. 6. Изменение предела прочности на сжатие половинок образцов-призм из смесей, приготовленныхв смесителе со стержневыми элементами и без стержневых элементов Таблица 2Значения предела прочности на сжатие половинок образцов-призм приготовленных из смесей N п/пЧастота вращения лопастных валов, c-1 Значение предела прочности, σсж, МПаСмеситель со стержневыми элементамиСмеситель без стержневых элементов10,6618,5215,7520,819,0816,393120,1818,3641,220,0418,2451,3419,5617,34  Из полученных данных следует, что смеситель со стержневыми элементами позволяет получить смесь, изделия из которой обладают более высокими прочностными свойствами. При указанных конструктивно-технологических параметрах предел прочности на сжатие изделий из смесей, приготовленных в смесителе со стержневыми элементами, на 8...9 % превышает этот показатель для изделий из смесей, приготовленных в смесителе без стержневых элементов.Выводы. Показана целесообразность поиска технических решений, позволяющих повысить в горизонтальном лопастном смесителе степень однородности смешиваемого материала. Предложена патентно-защищенная конструкция горизонтального лопастного смесителя с расположенными перед рабочими поверхностями лопастей стержневыми элементами, изменяющими траектории движения частиц материала, увеличивающими их подвижность, что приводит к повышению степени однородности смешиваемого материала.Приведено описание разработанных для проведения экспериментальных исследований стендовой установки двухвального горизонтального лопастного смесителя со стержневыми элементами и приспособлений.  По методу математического планирования экспериментов, с использованием плана ЦКРП-23, проведены исследования влияния на качество подготовки сухой цементно-песчаной смеси конструктивно-технологических параметров смесителя: частоты вращения лопастных валов n (n = 0,66…1,34 с-1), расстояния от рабочей поверхности лопасти до стержня c ( c=0…12 мм), угла установки лопасти относительно плоскости вращения α (α = 20…40°). В качестве исследуемой функции рассмотрен предел прочности на сжатие половинок образцов-призм размерами 40×40×160 мм, приготовленных из смеси. В программной среде Maple выполнено исследование полученных уравнений регрессии, построены графические зависимости, характеризующие изменение предела прочности на сжатие половинок образцов-призм от исследуемых конструктивно-технологических параметров смесителя. Выполнен анализ изменения предела прочности на сжатие половинок образцов-призм в рассматриваемой области факторного пространства. Установлены рациональные области исследуемых конструктивно-технологических параметров: угла установки лопастей α=30…35°, расстояния от рабочих поверхностей лопастей до стержневых элементов c=5…6 мм и частоты вращения лопастных валов n1=0.9…1,1 c-1.Установлено, что смеситель со стержневыми элементами позволяет получить сухую цементно-песчаную смесь, изделия из которой обладают более высокими прочностными свойствами. Предел прочности изделий на сжатие из смесей, приготовленных в смесителе со стержневыми элементами, на 8...9 % превышает этот показатель для изделий из смесей, приготовленных в смесителе без стержневых элементов.