冷拌树脂沥青混凝土拌和机的研制与应用

卢亮++张旱英++李春生++张云昊++陈万如��

摘 要：针对冷拌树脂沥青混凝土拌和机械化程度低、拌和质量不易控制等问题，在充分掌握树脂沥青混凝土及树脂类固化材料性质的特殊性基础上，对冷拌树脂沥青混凝土拌和设备的胶结料添加、搅拌系统及控制平台等几项关键技术进行了深入分析，从而设计及制定了树脂沥青混凝土拌和的工作程序、设备结构参数，据此研制出1套树脂沥青混凝土专用拌和设备。经实际工程验证，设备各系统运转良好、出产混合料质量优良，满足实体工程应用技术要求。

关键词：树脂沥青混凝土；拌和机；数控添加；智能化

中图分类号：U415.52 文献标志码：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

树脂沥青组合体系钢桥面铺装技术是由浙江省交通工程建设集团有限公司等国内3家单位自主研发，截止目前在国内几十座大型钢箱梁桥施工中已得到应用，总体效果良好，且建设成本低。不过由于应用时间相对不长且树脂类固化材料的特殊性质，相关机械施工设备的研制一直处于滞后状态，核心结构层RA（Reisn Asphalt）树脂沥青混凝土拌和设备自动化程度低，尤其是胶结料的添加基本依靠人工，造成拌和工效低、控制精度欠缺、施工连贯性不足等问题。为此，亟待研制一套基于单元智能化技术平台的树脂沥青混凝土搅拌设备，实现树脂沥青流变物的数控添加，提升搅拌系统的智能化水平，进一步确保树脂沥青混凝土拌和质量。

1 拌和设备研制关键技术

1.1 胶结料输送、计量及清洗系统设计

树脂沥青混凝土胶结料采用自主研发的树脂沥青材料，属于冷固性材料，在非高温条件下固化成型，在200 ℃以上高温条件下不软化，与纯沥青类材料性质完全不同，是由A、B两种组份组成，A组份主要是反应性复合树脂，B组份包含固化剂、基质沥青及添加剂等。A、B组份按照一定比例混合，随着温度、时间的变化，固化反应速度逐步加快，材料粘度逐渐增大，在经历溶胶、凝胶、玻璃化、三维交联结构四阶段热历程后，形成以沥青为分散相、复合树脂为连续相的“超”稳定体系[1- 6]。由于A、B两种组份材料在常温下都较为粘稠，需要良好的动力系统将其输送至计量罐内，在结构的设计上，应尽量增加输送管道的横截面积，减少内摩阻力，以便胶结料能快速的输送至计量储罐内，而且2种材料的混合比例必须控制精确，为此需设计一套精密的计量控制程序。同时由于胶结料在常温下经过10个多小时后会发生固化，必须设计1套自动清洗系统预先对胶结料混合搅拌罐、混合料搅拌锅进行彻底清洗，以免残余胶结料固化对设备造成严重影响。

1.2 树脂沥青混凝土搅拌系统设计

树脂沥青混凝土由树脂沥青、0～3 mm和3～5 mm的碎石及矿粉组成，属于砂粒式密级配混合料，在非高温、胶结料比较黏稠状态下拌和成型。若采用常规双卧轴搅拌系统，一方面搅拌区域容易存在“死角”，混合料不易达到均匀的程度，甚至出现漏拌现象，且容易混入更多空气，造成成品混合料内部气泡较多；另一方面矿料粒径较小，若轴端密封装置不严，干拌过程中矿料将从壳体挤入定动间隙，在定动元件中产生研磨作用，磨损定动元件，导致轴端漏浆现象的发生，最终造成整机无法正常工作[7- 8]。因此，设计中采用了新型的立轴行星式搅拌系统，该搅拌机主要有2个特点。

（1） 搅拌叶片由多组搅拌臂组成，既有公转又有自转运动，搅拌叶片覆盖整个搅拌区域，搅拌轨迹复杂，搅拌强烈、均匀，如图1所示。

图1 搅拌叶片运行轨迹

（2） 所有传动系统（含电机）置于搅拌罐上部，与混凝土完全隔开，罐体内空间大，便于拆装维修，无双卧轴搅拌机轴端漏浆现象，维护方便。

1.3 建立单元智能化技术平台

单元智能化技术平台主要包括信息采集与传输、智能控制、故障诊断与维护3个方面。在设备能够平稳有序的按照工艺流程及工作程序实现系统的运动学、动力学及过程逻辑控制等功能的前提下，研究施工机械的智能化共性技术，形成树脂沥青混凝土搅拌机系列的核心单元智能化技术[9]。

（1） 建立气路控制系统、物料循环输送系统、混合搅拌系统等数据模块，同时编辑系统控制程序，实现物料输送、计量、混合搅拌的数控操作。

（2） 建立完整的数据处理模块，通过人机交互界面的数字显示优点，方便操作人员的参数标定，实现精确控制。

（3） 建立故障监测、显示和报警功能，操作过程中如若出现异常、故障时，能够发出报警信号并实时显示故障信息。

2 设备工作原理及结构参数

2.1 设备工作原理

综合现有混凝土搅拌机的结构特点，针对树脂沥青材料的特殊性以及施工工艺要求，增加1套材料的输送添加系统、1套计量系统、1套双料搅拌系统和1套胶洁料清洗系统。采用单元智能化技术，控制A、B组份2套物料供给系统同步运作，实现完成2种物料的同步混合搅拌。工艺流程如下：A、B组份液体按规定的流量、比例压力输送至各自的计量罐内，通过计量系统精确给定用量后，打入胶结料在搅拌罐内混合搅拌，再通过双料混合系统将胶结料与碎石矿料共同搅拌，树脂沥青混凝土搅拌机工艺流程见图2。

图2 工艺流程

2.2 设备结构参数

树脂沥青混凝土搅拌机主要构成部件包括主搅拌机支架、组份储罐、胶料添加计量系统、混合料搅拌系统、人机交互系统等。主搅拌机支架为钢体焊接结构件，长为3.3 m，宽为3.3 m，高为7.8 m。上方固定混凝土搅拌缸，拌缸左进料口上方安放树脂沥青搅拌罐，外接A、B胶结料输送管道，右进料口上方安放集料输送斗。集料输送斗前方布置一台PZ50型配料机。A、B储罐布置在主搅拌机左侧，气路控制系统、胶料添加计量系统，混合搅拌系统等控制器布置在主控制室内。整机总体布置结构紧凑，方便维修保养，并且操作视线良好，操作简单方便。整机总体布局如图3所示，主要技术参数见表1。

图3 整机总体布局

3 系统构造及工作原理

3.1 胶结料计量、输送及清洗系统

树脂沥青胶料储存罐采用8 mm钢板卷边焊接而成，用来储存A、B胶料，如图4所示。储罐内设有循环输送系统，保证胶料24 h流动。胶料通过上部的开口打入储存罐内，由下部的输送管道输送至计量罐内。

图4 树脂胶料储罐

树脂沥青A、B组份胶料的输送添加系统由齿轮泵、红外线传感器、管道、气动阀门等组成。输送前B料通过输送泵进行内循环，使储罐中的材料保持一定的流动性，输送开始后通过气动阀门自动切换，使物料进入计量罐内，如图5所示。

图5 计量罐

树脂沥青胶料的计量系统由传感器和带指示标的浮球组成，计量系统如图6所示[10]。传感器安装在带有尺寸刻度的高度标尺上，定位塞固定住浮球的标杆，使得标杆只能沿定位塞的中心孔作上下运动。当工作气泵向外输料，贮罐内的液面下降到达一定位置处时，浮球的指示标被设在高度标尺上的传感器所感应，进而监控计量装置，从而发出指令停止工作气泵的输料，使A、B组份胶料达到准确配比。

图6 计量系统

清洗系统由清洗罐、油泵、管道、气动阀门、环形喷管等组成，位于胶料搅拌罐下方。当搅拌罐完成搅拌后，微机发出信号，指示油泵将清洗液通过管道输送至环形喷管，喷管口由若干个等间距的孔洞组成，环布与喷管四周，可实现全角度喷洒。待搅拌罐内充满清洗液后，气动阀门自动开启将清洗液回收至清洗罐内。

3.2 树脂沥青混凝土搅拌系统

选用新型的立轴行星式搅拌机，如图7所示，主要由电动机、行星减速器、搅拌系统、供水系统、卸料装置、搅拌罐、电动油泵等组成。整个搅拌系统由回转支撑、搅拌臂、边刮臂、上支承体及大行星系统等组成。工作时，行星系统的输出使齿轮驱动回转体转动，并带动大行星减速系统（公转体）运转，从而带动搅拌臂自传和公转，搅拌臂上4块相互交错的铲片在拌罐内快速运转搅拌混凝土。搅拌过程速度和方向时刻变化，搅拌运动强烈、效率高、均质性强[11]。同时公转体上装有边刮臂，边刮臂上的叶片与公转体一起转动，可刮除罐内壁的混凝土。

图7 立轴行星搅拌机

3.3 单元智能化平台

远程操作与控制系统由上位控制单元、下位控制单元以及信号处理单元构成。下位控制单元，作为智能化数控加工单元的进程控制器，安放在拌和现场，完成拌和过程中的基本任务。位于中央控制室（图8）的上位控制单元是混合料加工远程控制器，用于对加工过程进行状态监控与作业管理，如胶料添加输送的控制、胶料计量监视、胶料搅拌时间的控制，混合料搅拌控制等。上下位单元通过串口连接，完成加工过程控制参数与状态参数的数据交换。传感器采集到数据后，对这些数据进行滤波、AD转换等处理，将模拟信号转换成数字信号，并传送到PLC。PLC将数据信息融合后传给上位控制单元，完成配方管理、参数设定、工作设定、数据处理及生产数据统计等混凝土搅拌设备要求的功能。

图8 控制室

4 设备功能验证

2013年9月，基本完成了树脂沥青混凝土搅拌机的调试工作，并于10月在浙江74省道南延三门毛张至椒江二桥三门段树脂沥青混合料试验段进行了应用，施工中各系统运行良好，下位控制单元的传感器数据采集准确无误；PLC中端信号传递快速，上位控制单元的人机交互平台显示正常，反馈准确无误；输送系统可在5秒内将胶料输送至计量罐内，计量系统计量精度高，用量给定准确，每拌胶料总量误差在±1%以内；树脂沥青混凝土搅拌机搅拌每拌产量保持在2.8 t左右，生产间隔约为90 s，拌和效率高，混合料均质性强。整个拌和过程约3 h，拌和总产量约为330 t，混合料密度以2.34 kg·m-3计算，生产率约为47 m3·h-1，基本达到了设计要求。施工后经3 d养生，对试验段路面进行取芯检测压实度，结果如表2所示，成型路面情况如图9所示。

通过上述路面检测结果显示，树脂沥青混合料搅拌均匀、色泽一致、无花白料现象产生，拌和机产能已具备大面积施工能力，同时施工后现场压实度以及渗水系数等各项路用性能指标均达到了预期要求，取得了良好的应用效果。

5 结 语

冷拌树脂沥青混合料作为高性能材料，其推广前景良好，但由于相关技术及造价等诸多因素的限制，国内对树脂沥青混合料及其配套设备的研究一直处于滞后状态，而冷拌树脂沥青混凝土搅拌机的研制成功在一定程度上改变了这种现状，使得树脂沥青混合料的拌和从人工操作走向了机械自动化操作，重点解决了树脂沥青聚合流变物的数控添加及搅拌质量不易控制等问题，实现了树脂沥青迅速添加、计量精确、树脂沥青混凝土搅拌均匀的目的；单元智能化技术平台的建立实现了人机交互式操作，避免了以往基本依靠人工、施工连惯性不足等问题。进一步完善了树脂沥青组合体系钢桥面铺装技术配套设备的先进性，有力促进该项技术的推广及应用。

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[责任编辑：高 甜]