曹源文，趙 毅，王 棋，夏柱林，鄭南翔

(1. 重慶交通大學(xué) 機(jī)電與汽車工程學(xué)院，重慶 400074； 2. 重慶交通大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，重慶 400074； 3. 安徽省交通控股集團(tuán)有限公司，安徽 合肥 230088； 4. 長安大學(xué) 公路學(xué)院，陜西 西安710064；)

PVA纖維水泥穩(wěn)定碎石拌和的均勻程度是施工質(zhì)量重要的控制條件，直接關(guān)系到混合料的路用性能。在原材料以及拌和設(shè)備相同的情況下，水泥穩(wěn)定碎石的拌和工藝對于水泥穩(wěn)定碎石的拌和質(zhì)量起著至關(guān)重要的作用[1-2]。拌和工藝主要包括原材料的投料順序、投料速度、攪拌軸轉(zhuǎn)速及拌和時間等[3]。文獻(xiàn)[4-5]針對混凝土攪拌均勻的相關(guān)研究表明，目前評價混合料攪拌均勻性尚無統(tǒng)一嚴(yán)格的方法，影響混合料攪拌均勻的因素較多，通常以粗集料均勻分布程度評價混合料攪拌的均勻性。

筆者通過大量試驗分析了在不同投料順序、攪拌速度、單機(jī)攪拌量等拌和工藝下，PVA纖維水泥穩(wěn)定碎石拌和均勻性隨時間的變化規(guī)律，提出以質(zhì)量分?jǐn)?shù)比例系數(shù)與質(zhì)量分?jǐn)?shù)比例系數(shù)的離差系數(shù)作為判斷PVA纖維水泥穩(wěn)定碎石均勻性的參數(shù)，并確定了最佳拌和工藝方案。

1 均勻性評價指標(biāo)

PVA纖維水泥穩(wěn)定碎石拌和均勻性主要是對新拌混合料中PVA纖維分布的均勻性和粗集料分布的均勻性進(jìn)行評定。筆者采用質(zhì)量分?jǐn)?shù)比例系數(shù)與質(zhì)量分?jǐn)?shù)比例系數(shù)的離差系數(shù)來判斷PVA纖維水泥穩(wěn)定碎石的均勻性。其中質(zhì)量分?jǐn)?shù)比例系數(shù)計算如式(1)：

(1)

式中：Cp/gi為質(zhì)量分?jǐn)?shù)比例系數(shù)；mpi為第i個樣品中PVA纖維實測質(zhì)量，g；mgi為第i個樣品中粗集料實測質(zhì)量，kg；mp為樣品中PVA纖維理論質(zhì)量，g；mg為樣品中粗集料理論質(zhì)量，kg；i為樣品數(shù)目，i=3。

評價PVA纖維水泥穩(wěn)定碎石拌和均勻性的指標(biāo)主要包括兩個方面：PVA纖維和粗集料聯(lián)合分布的質(zhì)量分?jǐn)?shù)比例系數(shù)Cp/gi的離差系數(shù)及均值；PVA纖維和粗集料單獨分布實測質(zhì)量mpi及mgi的離差系數(shù)及均值。

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

2 拌和試驗設(shè)計

2.1 混合料配合比

徐州中聯(lián)32.5號復(fù)合硅酸鹽水泥，水泥劑量為4.0%。安徽皖維集團(tuán)有限公司生產(chǎn)PVA纖維束，摻量為0.6 kg/m3，其性能指標(biāo)如表1。

表1 PVA纖維束性能指標(biāo)Table 1 Performance indexes of PVA fiber bundle

集料為安徽省宿州市蕭縣丁里鎮(zhèn)王峰石料廠生產(chǎn)的石灰?guī)r，各檔集料的級配組成如圖1。

圖1 集料級配曲線Fig. 1 Gradation curve of aggregates

根據(jù)圖1中各檔集料的級配情況，采用規(guī)劃求解的方法[6]，計算得到各檔集料的用量比例為16%、35%、22%、4%、23%，其合成級配滿足級配范圍要求。

2.2 原材料投料順序

原材料投料順序是保證PVA纖維水泥穩(wěn)定碎石拌和均勻的關(guān)鍵工序。通常，纖維摻入方法主要分為干拌法和濕拌法兩種[7]。結(jié)合規(guī)范相關(guān)要求[8-9]，筆者擬定如下4種投料方法：

方法1：先投入集料和水泥，攪拌5 s后，再投入PVA纖維束加水繼續(xù)攪拌；

方法2：先投入集料和PVA纖維束，攪拌5 s后，再投入水泥加水繼續(xù)攪拌；

方法3：先投入集料、水泥以及水進(jìn)行攪拌，攪拌5 s后，再投入PVA纖維束繼續(xù)攪拌；

方法4：一次性投入集料、水泥、水和PVA纖維束進(jìn)行攪拌。

2.3 單機(jī)攪拌量

根據(jù)文獻(xiàn)[8]相關(guān)要求，纖維混凝土的攪拌量應(yīng)比試驗用量多5 L，且在攪拌機(jī)規(guī)定用量范圍的50%～80%。筆者采用WDZ-600型穩(wěn)定土拌和站。

為保證試驗結(jié)果的準(zhǔn)確性，同時考慮到實際生產(chǎn)效率，筆者擬定了5種單機(jī)攪拌量情況：

V=0.6V0=410 L

V=0.7V0=478 L

V=0.8V0=546 L

V=0.9V0=615 L

V=1.0V0=683 L

式中：V為單機(jī)攪拌量；V0為攪拌缸的額定出料容積。

2.4 攪拌速度

攪拌速度是攪拌機(jī)作業(yè)過程的重要參數(shù)。研究表明，合理的攪拌速度范圍為0.90～1.72 m/s。攪拌速度過低，混合料攪拌則不均勻，且生產(chǎn)效率低；攪拌速度過高，容易造成混合料離析，同時，加劇攪拌機(jī)磨損。通常，攪拌速度為攪拌葉片頂端的最大線速度。攪拌速度取決于攪拌軸轉(zhuǎn)速，記攪拌軸轉(zhuǎn)速為ω。根據(jù)攪拌電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速及減速器的減速比，本試驗擬定了5種攪拌軸轉(zhuǎn)速：12、29、48、72、96 r/min。

2.5 拌和時間

實際生產(chǎn)過程中，WDZ-600型穩(wěn)定土拌和站單缸拌和時間一般在20 s左右。筆者考慮到摻入PVA纖維，故拌和試驗擬定的拌和時間為5～50 s，且以5 s作為遞增時間間隔。其中投料順序拌和試驗以t=10 s開始遞增，其余各項拌和試驗均是從t=5 s開始。

2.6 試驗方案

為了減小試驗的工作量，筆者采用“單一變量法”，開展投料順序、單機(jī)攪拌量、攪拌速度和攪拌時間等拌和工藝對PVA纖維水泥穩(wěn)定碎石攪拌均勻性影響的研究。試驗共分3種工況，即改變投料順序、單機(jī)攪拌量和攪拌速度中一個工藝參數(shù)，其他不變。拌和時間以5 s作為時間間隔遞增。試驗集料采取自動加入，電腦或變頻電子調(diào)速，物料供給均勻連續(xù)可靠，PVA纖維則采用人工加入。試驗采用“水洗法”對樣品中粗集料和PVA纖維進(jìn)行分離提取。為保證PVA纖維盡量全部分離，多次對混合料清洗，并用細(xì)密鐵絲網(wǎng)反復(fù)過濾。粗集料和PVA纖維水洗分離后，等其自然風(fēng)干進(jìn)行稱量。

3 實驗結(jié)果分析

3.1 投料順序?qū)Π韬途鶆蛐缘挠绊?/h3>

根據(jù)4種不同投料順序下拌和試驗結(jié)果可得，不同投料順序下混合料質(zhì)量分?jǐn)?shù)比例系數(shù)離差系數(shù)和PVA纖維質(zhì)量離差系數(shù)隨拌和時間的變化規(guī)律如圖2。

圖2 不同投料順序下混合料質(zhì)量分?jǐn)?shù)比例系數(shù)離差系數(shù)和PVA纖維質(zhì)量離差系數(shù)隨拌和時間的變化規(guī)律Fig. 2 Variation law of deviation coefficient by mass fraction proportionality coefficient and mixing mass deviation coefficient of PVA fiber changing with time under different feeding order

由圖2可見：

1)不同投料順序下，質(zhì)量分?jǐn)?shù)比例系數(shù)的離差系數(shù)趨于平穩(wěn)時的數(shù)值普遍大于PVA纖維質(zhì)量的離差系數(shù)值。由此說明，粗集料與PVA纖維分布均勻存在一定的時間差，即粗集料分布均勻時，PVA纖維還未分布均勻。只有粗集料和PVA纖維同時分布均勻時，質(zhì)量分?jǐn)?shù)比例系數(shù)的離差系數(shù)才能達(dá)到最小值。攪拌初期，PVA纖維質(zhì)量離差系數(shù)大于質(zhì)量分?jǐn)?shù)比例系數(shù)的離差系數(shù)，但隨著攪拌時間的延長，混合料可能出現(xiàn)離析現(xiàn)象，然而PVA纖維分散均勻程度得到加強(qiáng)。

2)不同投料順序下，質(zhì)量分?jǐn)?shù)比例系數(shù)的離差系數(shù)達(dá)到最小值的拌和時間早于PVA纖維質(zhì)量的離差系數(shù)達(dá)到最小值的拌和時間，且時間不等。不同投料順序下，粗集料均勻分散速度均明顯早于PVA纖維。相對于其他投料順序，方法2混合料的質(zhì)量分?jǐn)?shù)比例系數(shù)離差系數(shù)和PVA纖維質(zhì)量離差系數(shù)的波動最小，因此，單從拌和穩(wěn)定性的角度考慮，選擇“方法2”為最佳投料順序，取PVA纖維均勻分布的拌和時間30 s為最佳拌和時間。

3.2 單機(jī)攪拌量對拌和均勻性的影響

在不同單機(jī)攪拌量下，混合料質(zhì)量分?jǐn)?shù)比例系數(shù)離差系數(shù)和PVA纖維質(zhì)量離差系數(shù)隨拌和時間的變化規(guī)律如圖3。

圖3 不同單機(jī)攪拌量下混合料質(zhì)量分?jǐn)?shù)比例系數(shù)離差系數(shù)和PVA纖維質(zhì)量離差系數(shù)隨時間的變化規(guī)律Fig. 3 Variation law of deviation coefficient by mass fraction proportionality coefficient and mixing mass deviation coefficient of PVA fiber changing with time under different single machine agitation

由圖3可見：

1)混合料質(zhì)量分?jǐn)?shù)比例系數(shù)離差系數(shù)和PVA纖維質(zhì)量離差系數(shù)值達(dá)到最小的拌和時間均隨單機(jī)攪拌量的增加而增加。對比分析V=0.6V0與V=1.0V0時，混合料質(zhì)量分?jǐn)?shù)比例系數(shù)離差系數(shù)和PVA纖維質(zhì)量離差系數(shù)達(dá)到最小的時間均縮短了約10 s。

2)單機(jī)攪拌量過小時，拌和均勻時間雖短，但生產(chǎn)效率低下，反之亦然。對比分析圖3可知，質(zhì)量分?jǐn)?shù)比例系數(shù)的離差系數(shù)達(dá)到最小值后變化很小，可將PVA纖維質(zhì)量離差系數(shù)達(dá)到最小值的時間作為拌和時間。因此，選擇合理的單機(jī)攪拌量，在保證生產(chǎn)效率情況下，確定PVA纖維水泥穩(wěn)定碎石拌和均勻的最短時間。

3)在不同單機(jī)攪拌量下，混合料質(zhì)量分?jǐn)?shù)比例系數(shù)和PVA纖維質(zhì)量的離差系數(shù)值達(dá)到最小值后，質(zhì)量分?jǐn)?shù)比例系數(shù)的離差系數(shù)值及其波動幅度均普遍大于PVA纖維質(zhì)量的離差系數(shù)。

綜上所述，選取最佳單機(jī)攪拌量為V=0.9V0，最佳拌和時間為35 s。

3.3 攪拌速度對拌和均勻性的影響

在不同攪拌速度下，混合料質(zhì)量分?jǐn)?shù)比例系數(shù)離差系數(shù)和PVA纖維質(zhì)量離差系數(shù)隨拌和時間的變化規(guī)律如圖4。

圖4 不同攪拌速度下混合料質(zhì)量分?jǐn)?shù)比例系數(shù)離差系數(shù)和PVA纖維質(zhì)量離差系數(shù)隨時間的變化規(guī)律Fig. 4 Variation law of deviation coefficient by mass fraction proportionality coefficient and mixing mass deviation coefficient of PVA fiber changing with time at different stirring speed

由圖4可見：

1)混合料質(zhì)量分?jǐn)?shù)比例系數(shù)離差系數(shù)和PVA纖維質(zhì)量離差系數(shù)達(dá)到最小值的拌和時間隨攪拌速度的增加而逐漸減小。攪拌速度ω=12 r/min時，質(zhì)量分?jǐn)?shù)比例系數(shù)離差系數(shù)和PVA質(zhì)量離差系數(shù)可能均未在測定時間內(nèi)達(dá)到最小值；攪拌速度ω=96 r/min時，質(zhì)量分?jǐn)?shù)比例系數(shù)離差系數(shù)和PVA質(zhì)量離差系數(shù)達(dá)到最小值的拌和時間分別為10和15 s。由此說明，攪拌速度越快，單位時間內(nèi)攪拌次數(shù)越多，拌和均勻的時間越短。

2)合理的攪拌速度是混合料攪拌均勻的關(guān)鍵參數(shù)。攪拌速度過低，無法在規(guī)定的時間內(nèi)達(dá)到攪拌均勻；攪拌速度過高，質(zhì)量分?jǐn)?shù)比例系數(shù)離差系數(shù)和PVA質(zhì)量離差系數(shù)的最小值均較大，即拌和均勻性較差。

3)考慮到拌和生產(chǎn)效率和拌和質(zhì)量，選取最佳攪拌軸轉(zhuǎn)速ω為48 r/min。同時，為保證PVA纖維拌和均勻，最佳拌和時間以轉(zhuǎn)速ω為48 r/min時質(zhì)量分?jǐn)?shù)比例系數(shù)的離差系數(shù)和PVA纖維質(zhì)量的離差系數(shù)均達(dá)到最小值的時間段選取。由圖4可知，在此時間段內(nèi)質(zhì)量分?jǐn)?shù)比例系數(shù)的離差系數(shù)變化不大，因此，最佳拌和時間即為PVA纖維質(zhì)量的離差系數(shù)達(dá)到最小值的時間35 s。

綜上所述，最佳攪拌軸轉(zhuǎn)速為ω=48 r/min，最佳拌和時間為35 s。

4 結(jié) 論

1)不同投料順序下，混合料的質(zhì)量分?jǐn)?shù)比例系數(shù)的離差系數(shù)趨于平穩(wěn)時普遍大于PVA纖維的質(zhì)量離差系數(shù)。單從拌和穩(wěn)定性的角度考慮，PVA纖維水泥穩(wěn)定碎石最佳投料順序為先投入集料和PVA纖維束攪拌5 s，再加入水泥和水繼續(xù)攪拌，其最佳拌和時間為30 s。

2)混合料質(zhì)量分?jǐn)?shù)比例系數(shù)離差系數(shù)和PVA纖維質(zhì)量離差系數(shù)值達(dá)到最小值的拌和時間均隨單機(jī)攪拌量的增加而增加。WDZ-600型穩(wěn)定土拌和站的最佳單機(jī)攪拌量V=0.9V0，即V=615 L，其最佳拌和時間為35 s。

3)混合料質(zhì)量分?jǐn)?shù)比例系數(shù)離差系數(shù)和PVA纖維質(zhì)量離差系數(shù)達(dá)到最小值的拌和時間隨攪拌速度的增加而逐漸減小?？紤]到拌和生產(chǎn)效率和拌和質(zhì)量，最佳攪拌軸轉(zhuǎn)速ω=48 r/min，其最佳拌和時間為35 s。

綜合分析投料順序、單機(jī)攪拌量和攪拌速度對PVA纖維水泥穩(wěn)定碎石拌和均勻性的影響，WDZ-600型穩(wěn)定土拌和站的最佳單機(jī)攪拌量V=615 L，最佳攪拌軸轉(zhuǎn)速ω=48 r/min，最佳拌和時間為35 s。雖然在不同拌和工藝方案下，PVA纖維微觀分散性仍需進(jìn)一步改善，但從宏觀上，其分布較為均勻。

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