冷拌樹脂瀝青混凝土拌和機的研制與應用

盧亮++張旱英++李春生++張云昊++陳萬如??

摘 要：針對冷拌樹脂瀝青混凝土拌和機械化程度低、拌和質量不易控制等問題，在充分掌握樹脂瀝青混凝土及樹脂類固化材料性質的特殊性基礎上，對冷拌樹脂瀝青混凝土拌和設備的膠結料添加、攪拌系統及控制平臺等幾項關鍵技術進行了深入分析，從而設計及制定了樹脂瀝青混凝土拌和的工作程序、設備結構參數，據此研制出1套樹脂瀝青混凝土專用拌和設備。經實際工程驗證，設備各系統運轉良好、出產混合料質量優良，滿足實體工程應用技術要求。

關鍵詞：樹脂瀝青混凝土；拌和機；數控添加；智能化

中圖分類號：U415.52 文獻標志碼：B

Development and Application of Cold Mix Plant for Resin Asphalt Concrete

LU Liang， ZHANG Han- ying， LI Chun- sheng， ZHANG Yun- hao， CHEN Wan- ru

（Zhejiang Transportation Engineering Construction Croup Co. Ltd.， Hangzhou 210012， Zhejiang， China）

Abstract： Aimed at the problems of cold mix plant for resin asphalt concrete that the mechanization level is low and mixing quality is shaky， key technologies for binder adding， mixing system and the control platform were analyzed in depth based on the full grasp of the properties of resin asphalt concrete and resin curing materials. The working procedures and structural parameters were designed， based on which a cold mix plant for resin asphalt concrete was developed. Practical use shows that the machine functions well and yields quality product.

Key words： resin asphalt concrete； mixing plant； numerically controlled addition； intelligentization

0 引 言

樹脂瀝青組合體系鋼橋面鋪裝技術是由浙江省交通工程建設集團有限公司等國內3家單位自主研發，截止目前在國內幾十座大型鋼箱梁橋施工中已得到應用，總體效果良好，且建設成本低。不過由于應用時間相對不長且樹脂類固化材料的特殊性質，相關機械施工設備的研制一直處于滯后狀態，核心結構層RA（Reisn Asphalt）樹脂瀝青混凝土拌和設備自動化程度低，尤其是膠結料的添加基本依靠人工，造成拌和工效低、控制精度欠缺、施工連貫性不足等問題。為此，亟待研制一套基于單元智能化技術平臺的樹脂瀝青混凝土攪拌設備，實現樹脂瀝青流變物的數控添加，提升攪拌系統的智能化水平，進一步確保樹脂瀝青混凝土拌和質量。

1 拌和設備研制關鍵技術

1.1 膠結料輸送、計量及清洗系統設計

樹脂瀝青混凝土膠結料采用自主研發的樹脂瀝青材料，屬于冷固性材料，在非高溫條件下固化成型，在200 ℃以上高溫條件下不軟化，與純瀝青類材料性質完全不同，是由A、B兩種組份組成，A組份主要是反應性復合樹脂，B組份包含固化劑、基質瀝青及添加劑等。A、B組份按照一定比例混合，隨著溫度、時間的變化，固化反應速度逐步加快，材料粘度逐漸增大，在經歷溶膠、凝膠、玻璃化、三維交聯結構四階段熱歷程后，形成以瀝青為分散相、復合樹脂為連續相的“超”穩定體系[1- 6]。由于A、B兩種組份材料在常溫下都較為粘稠，需要良好的動力系統將其輸送至計量罐內，在結構的設計上，應盡量增加輸送管道的橫截面積，減少內摩阻力，以便膠結料能快速的輸送至計量儲罐內，而且2種材料的混合比例必須控制精確，為此需設計一套精密的計量控制程序。同時由于膠結料在常溫下經過10個多小時后會發生固化，必須設計1套自動清洗系統預先對膠結料混合攪拌罐、混合料攪拌鍋進行徹底清洗，以免殘余膠結料固化對設備造成嚴重影響。

1.2 樹脂瀝青混凝土攪拌系統設計

樹脂瀝青混凝土由樹脂瀝青、0～3 mm和3～5 mm的碎石及礦粉組成，屬于砂粒式密級配混合料，在非高溫、膠結料比較黏稠狀態下拌和成型。若采用常規雙臥軸攪拌系統，一方面攪拌區域容易存在“死角”，混合料不易達到均勻的程度，甚至出現漏拌現象，且容易混入更多空氣，造成成品混合料內部氣泡較多；另一方面礦料粒徑較小，若軸端密封裝置不嚴，干拌過程中礦料將從殼體擠入定動間隙，在定動元件中產生研磨作用，磨損定動元件，導致軸端漏漿現象的發生，最終造成整機無法正常工作[7- 8]。因此，設計中采用了新型的立軸行星式攪拌系統，該攪拌機主要有2個特點。

（1） 攪拌葉片由多組攪拌臂組成，既有公轉又有自轉運動，攪拌葉片覆蓋整個攪拌區域，攪拌軌跡復雜，攪拌強烈、均勻，如圖1所示。

圖1 攪拌葉片運行軌跡

（2） 所有傳動系統（含電機）置于攪拌罐上部，與混凝土完全隔開，罐體內空間大，便于拆裝維修，無雙臥軸攪拌機軸端漏漿現象，維護方便。

1.3 建立單元智能化技術平臺

單元智能化技術平臺主要包括信息采集與傳輸、智能控制、故障診斷與維護3個方面。在設備能夠平穩有序的按照工藝流程及工作程序實現系統的運動學、動力學及過程邏輯控制等功能的前提下，研究施工機械的智能化共性技術，形成樹脂瀝青混凝土攪拌機系列的核心單元智能化技術[9]。

（1） 建立氣路控制系統、物料循環輸送系統、混合攪拌系統等數據模塊，同時編輯系統控制程序，實現物料輸送、計量、混合攪拌的數控操作。

（2） 建立完整的數據處理模塊，通過人機交互界面的數字顯示優點，方便操作人員的參數標定，實現精確控制。

（3） 建立故障監測、顯示和報警功能，操作過程中如若出現異常、故障時，能夠發出報警信號并實時顯示故障信息。

2 設備工作原理及結構參數

2.1 設備工作原理

綜合現有混凝土攪拌機的結構特點，針對樹脂瀝青材料的特殊性以及施工工藝要求，增加1套材料的輸送添加系統、1套計量系統、1套雙料攪拌系統和1套膠潔料清洗系統。采用單元智能化技術，控制A、B組份2套物料供給系統同步運作，實現完成2種物料的同步混合攪拌。工藝流程如下：A、B組份液體按規定的流量、比例壓力輸送至各自的計量罐內，通過計量系統精確給定用量后，打入膠結料在攪拌罐內混合攪拌，再通過雙料混合系統將膠結料與碎石礦料共同攪拌，樹脂瀝青混凝土攪拌機工藝流程見圖2。

圖2 工藝流程

2.2 設備結構參數

樹脂瀝青混凝土攪拌機主要構成部件包括主攪拌機支架、組份儲罐、膠料添加計量系統、混合料攪拌系統、人機交互系統等。主攪拌機支架為鋼體焊接結構件，長為3.3 m，寬為3.3 m，高為7.8 m。上方固定混凝土攪拌缸，拌缸左進料口上方安放樹脂瀝青攪拌罐，外接A、B膠結料輸送管道，右進料口上方安放集料輸送斗。集料輸送斗前方布置一臺PZ50型配料機。A、B儲罐布置在主攪拌機左側，氣路控制系統、膠料添加計量系統，混合攪拌系統等控制器布置在主控制室內。整機總體布置結構緊湊，方便維修保養，并且操作視線良好，操作簡單方便。整機總體布局如圖3所示，主要技術參數見表1。

圖3 整機總體布局

3 系統構造及工作原理

3.1 膠結料計量、輸送及清洗系統

樹脂瀝青膠料儲存罐采用8 mm鋼板卷邊焊接而成，用來儲存A、B膠料，如圖4所示。儲罐內設有循環輸送系統，保證膠料24 h流動。膠料通過上部的開口打入儲存罐內，由下部的輸送管道輸送至計量罐內。

圖4 樹脂膠料儲罐

樹脂瀝青A、B組份膠料的輸送添加系統由齒輪泵、紅外線傳感器、管道、氣動閥門等組成。輸送前B料通過輸送泵進行內循環，使儲罐中的材料保持一定的流動性，輸送開始后通過氣動閥門自動切換，使物料進入計量罐內，如圖5所示。

圖5 計量罐

樹脂瀝青膠料的計量系統由傳感器和帶指示標的浮球組成，計量系統如圖6所示[10]。傳感器安裝在帶有尺寸刻度的高度標尺上，定位塞固定住浮球的標桿，使得標桿只能沿定位塞的中心孔作上下運動。當工作氣泵向外輸料，貯罐內的液面下降到達一定位置處時，浮球的指示標被設在高度標尺上的傳感器所感應，進而監控計量裝置，從而發出指令停止工作氣泵的輸料，使A、B組份膠料達到準確配比。

圖6 計量系統

清洗系統由清洗罐、油泵、管道、氣動閥門、環形噴管等組成，位于膠料攪拌罐下方。當攪拌罐完成攪拌后，微機發出信號，指示油泵將清洗液通過管道輸送至環形噴管，噴管口由若干個等間距的孔洞組成，環布與噴管四周，可實現全角度噴灑。待攪拌罐內充滿清洗液后，氣動閥門自動開啟將清洗液回收至清洗罐內。

3.2 樹脂瀝青混凝土攪拌系統

選用新型的立軸行星式攪拌機，如圖7所示，主要由電動機、行星減速器、攪拌系統、供水系統、卸料裝置、攪拌罐、電動油泵等組成。整個攪拌系統由回轉支撐、攪拌臂、邊刮臂、上支承體及大行星系統等組成。工作時，行星系統的輸出使齒輪驅動回轉體轉動，并帶動大行星減速系統（公轉體）運轉，從而帶動攪拌臂自傳和公轉，攪拌臂上4塊相互交錯的鏟片在拌罐內快速運轉攪拌混凝土。攪拌過程速度和方向時刻變化，攪拌運動強烈、效率高、均質性強[11]。同時公轉體上裝有邊刮臂，邊刮臂上的葉片與公轉體一起轉動，可刮除罐內壁的混凝土。

圖7 立軸行星攪拌機

3.3 單元智能化平臺

遠程操作與控制系統由上位控制單元、下位控制單元以及信號處理單元構成。下位控制單元，作為智能化數控加工單元的進程控制器，安放在拌和現場，完成拌和過程中的基本任務。位于中央控制室（圖8）的上位控制單元是混合料加工遠程控制器，用于對加工過程進行狀態監控與作業管理，如膠料添加輸送的控制、膠料計量監視、膠料攪拌時間的控制，混合料攪拌控制等。上下位單元通過串口連接，完成加工過程控制參數與狀態參數的數據交換。傳感器采集到數據后，對這些數據進行濾波、AD轉換等處理，將模擬信號轉換成數字信號，并傳送到PLC。PLC將數據信息融合后傳給上位控制單元，完成配方管理、參數設定、工作設定、數據處理及生產數據統計等混凝土攪拌設備要求的功能。

圖8 控制室

4 設備功能驗證

2013年9月，基本完成了樹脂瀝青混凝土攪拌機的調試工作，并于10月在浙江74省道南延三門毛張至椒江二橋三門段樹脂瀝青混合料試驗段進行了應用，施工中各系統運行良好，下位控制單元的傳感器數據采集準確無誤；PLC中端信號傳遞快速，上位控制單元的人機交互平臺顯示正常，反饋準確無誤；輸送系統可在5秒內將膠料輸送至計量罐內，計量系統計量精度高，用量給定準確，每拌膠料總量誤差在±1%以內；樹脂瀝青混凝土攪拌機攪拌每拌產量保持在2.8 t左右，生產間隔約為90 s，拌和效率高，混合料均質性強。整個拌和過程約3 h，拌和總產量約為330 t，混合料密度以2.34 kg·m-3計算，生產率約為47 m3·h-1，基本達到了設計要求。施工后經3 d養生，對試驗段路面進行取芯檢測壓實度，結果如表2所示，成型路面情況如圖9所示。

通過上述路面檢測結果顯示，樹脂瀝青混合料攪拌均勻、色澤一致、無花白料現象產生，拌和機產能已具備大面積施工能力，同時施工后現場壓實度以及滲水系數等各項路用性能指標均達到了預期要求，取得了良好的應用效果。

5 結 語

冷拌樹脂瀝青混合料作為高性能材料，其推廣前景良好，但由于相關技術及造價等諸多因素的限制，國內對樹脂瀝青混合料及其配套設備的研究一直處于滯后狀態，而冷拌樹脂瀝青混凝土攪拌機的研制成功在一定程度上改變了這種現狀，使得樹脂瀝青混合料的拌和從人工操作走向了機械自動化操作，重點解決了樹脂瀝青聚合流變物的數控添加及攪拌質量不易控制等問題，實現了樹脂瀝青迅速添加、計量精確、樹脂瀝青混凝土攪拌均勻的目的；單元智能化技術平臺的建立實現了人機交互式操作，避免了以往基本依靠人工、施工連慣性不足等問題。進一步完善了樹脂瀝青組合體系鋼橋面鋪裝技術配套設備的先進性，有力促進該項技術的推廣及應用。

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[責任編輯：高 甜]