PVA纖維水泥穩定碎石拌和均勻性研究

曹源文，趙 毅，王 棋，夏柱林，鄭南翔

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

PVA纖維水泥穩定碎石拌和的均勻程度是施工質量重要的控制條件，直接關系到混合料的路用性能。在原材料以及拌和設備相同的情況下，水泥穩定碎石的拌和工藝對于水泥穩定碎石的拌和質量起著至關重要的作用[1-2]。拌和工藝主要包括原材料的投料順序、投料速度、攪拌軸轉速及拌和時間等[3]。文獻[4-5]針對混凝土攪拌均勻的相關研究表明，目前評價混合料攪拌均勻性尚無統一嚴格的方法，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、單機攪拌量等拌和工藝下，PVA纖維水泥穩定碎石拌和均勻性隨時間的變化規律，提出以質量分數比例系數與質量分數比例系數的離差系數作為判斷PVA纖維水泥穩定碎石均勻性的參數，并確定了最佳拌和工藝方案。

1 均勻性評價指標

PVA纖維水泥穩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行評定。筆者采用質量分數比例系數與質量分數比例系數的離差系數來判斷PVA纖維水泥穩定碎石的均勻性。其中質量分數比例系數計算如式(1)：

(1)

式中：Cp/gi為質量分數比例系數；mpi為第i個樣品中PVA纖維實測質量，g；mgi為第i個樣品中粗集料實測質量，kg；mp為樣品中PVA纖維理論質量，g；mg為樣品中粗集料理論質量，kg；i為樣品數目，i=3。

評價PVA纖維水泥穩定碎石拌和均勻性的指標主要包括兩個方面：PVA纖維和粗集料聯合分布的質量分數比例系數Cp/gi的離差系數及均值；PVA纖維和粗集料單獨分布實測質量mpi及mgi的離差系數及均值。

(2)

(3)

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(7)

2 拌和試驗設計

2.1 混合料配合比

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

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

集料為安徽省宿州市蕭縣丁里鎮王峰石料廠生產的石灰巖，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

根據圖1中各檔集料的級配情況，采用規劃求解的方法[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纖維水泥穩定碎石拌和均勻的關鍵工序。通常，纖維摻入方法主要分為干拌法和濕拌法兩種[7]。結合規范相關要求[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攪拌；

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

方法4：一次性投入集料、水泥、水和PVA纖維束進行攪拌。

2.3 單機攪拌量

根據文獻[8]相關要求，纖維混凝土的攪拌量應比試驗用量多5 L，且在攪拌機規定用量范圍的50%～80%。筆者采用WDZ-600型穩定土拌和站。

為保證試驗結果的準確性，同時考慮到實際生產效率，筆者擬定了5種單機攪拌量情況：

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

攪拌速度是攪拌機作業過程的重要參數。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速，記攪拌軸轉速為ω。根據攪拌電機的輸出轉速及減速器的減速比，本試驗擬定了5種攪拌軸轉速：12、29、48、72、96 r/min。

2.5 拌和時間

實際生產過程中，WDZ-600型穩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、單機攪拌量、攪拌速度和攪拌時間等拌和工藝對PVA纖維水泥穩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、單機攪拌量和攪拌速度中一個工藝參數，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，電腦或變頻電子調速，物料供給均勻連續可靠，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，并用細密鐵絲網反復過濾。粗集料和PVA纖維水洗分離后，等其自然風干進行稱量。

3 實驗結果分析

3.1 投料順序對拌和均勻性的影響

根據4種不同投料順序下拌和試驗結果可得，不同投料順序下混合料質量分數比例系數離差系數和PVA纖維質量離差系數隨拌和時間的變化規律如圖2。

圖2 不同投料順序下混合料質量分數比例系數離差系數和PVA纖維質量離差系數隨拌和時間的變化規律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，質量分數比例系數的離差系數趨于平穩時的數值普遍大于PVA纖維質量的離差系數值。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，質量分數比例系數的離差系數才能達到最小值。攪拌初期，PVA纖維質量離差系數大于質量分數比例系數的離差系數，但隨著攪拌時間的延長，混合料可能出現離析現象，然而PVA纖維分散均勻程度得到加強。

2)不同投料順序下，質量分數比例系數的離差系數達到最小值的拌和時間早于PVA纖維質量的離差系數達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混合料的質量分數比例系數離差系數和PVA纖維質量離差系數的波動最小，因此，單從拌和穩定性的角度考慮，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 單機攪拌量對拌和均勻性的影響

在不同單機攪拌量下，混合料質量分數比例系數離差系數和PVA纖維質量離差系數隨拌和時間的變化規律如圖3。

圖3 不同單機攪拌量下混合料質量分數比例系數離差系數和PVA纖維質量離差系數隨時間的變化規律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)混合料質量分數比例系數離差系數和PVA纖維質量離差系數值達到最小的拌和時間均隨單機攪拌量的增加而增加。對比分析V=0.6V0與V=1.0V0時，混合料質量分數比例系數離差系數和PVA纖維質量離差系數達到最小的時間均縮短了約10 s。

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

3)在不同單機攪拌量下，混合料質量分數比例系數和PVA纖維質量的離差系數值達到最小值后，質量分數比例系數的離差系數值及其波動幅度均普遍大于PVA纖維質量的離差系數。

綜上所述，選取最佳單機攪拌量為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，混合料質量分數比例系數離差系數和PVA纖維質量離差系數隨拌和時間的變化規律如圖4。

圖4 不同攪拌速度下混合料質量分數比例系數離差系數和PVA纖維質量離差系數隨時間的變化規律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)混合料質量分數比例系數離差系數和PVA纖維質量離差系數達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，質量分數比例系數離差系數和PVA質量離差系數可能均未在測定時間內達到最小值；攪拌速度ω=96 r/min時，質量分數比例系數離差系數和PVA質量離差系數達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，單位時間內攪拌次數越多，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鍵參數。攪拌速度過低，無法在規定的時間內達到攪拌均勻；攪拌速度過高，質量分數比例系數離差系數和PVA質量離差系數的最小值均較大，即拌和均勻性較差。

3)考慮到拌和生產效率和拌和質量，選取最佳攪拌軸轉速ω為48 r/min。同時，為保證PVA纖維拌和均勻，最佳拌和時間以轉速ω為48 r/min時質量分數比例系數的離差系數和PVA纖維質量的離差系數均達到最小值的時間段選取。由圖4可知，在此時間段內質量分數比例系數的離差系數變化不大，因此，最佳拌和時間即為PVA纖維質量的離差系數達到最小值的時間35 s。

綜上所述，最佳攪拌軸轉速為ω=48 r/min，最佳拌和時間為35 s。

4 結 論

1)不同投料順序下，混合料的質量分數比例系數的離差系數趨于平穩時普遍大于PVA纖維的質量離差系數。單從拌和穩定性的角度考慮，PVA纖維水泥穩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攪拌，其最佳拌和時間為30 s。

2)混合料質量分數比例系數離差系數和PVA纖維質量離差系數值達到最小值的拌和時間均隨單機攪拌量的增加而增加。WDZ-600型穩定土拌和站的最佳單機攪拌量V=0.9V0，即V=615 L，其最佳拌和時間為35 s。

3)混合料質量分數比例系數離差系數和PVA纖維質量離差系數達到最小值的拌和時間隨攪拌速度的增加而逐漸減小。考慮到拌和生產效率和拌和質量，最佳攪拌軸轉速ω=48 r/min，其最佳拌和時間為35 s。

綜合分析投料順序、單機攪拌量和攪拌速度對PVA纖維水泥穩定碎石拌和均勻性的影響，WDZ-600型穩定土拌和站的最佳單機攪拌量V=615 L，最佳攪拌軸轉速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一步改善，但從宏觀上，其分布較為均勻。

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