PVA纤维水泥稳定碎石拌和均匀性研究

曹源文，赵 毅，王 棋，夏柱林，郑南翔

(1. 重庆交通大学 机电与汽车工程学院，重庆 400074； 2. 重庆交通大学 材料科学与工程学院，重庆 400074； 3. 安徽省交通控股集团有限公司，安徽 合肥 230088； 4. 长安大学 公路学院，陕西 西安710064；)

PVA纤维水泥稳定碎石拌和的均匀程度是施工质量重要的控制条件，直接关系到混合料的路用性能。在原材料以及拌和设备相同的情况下，水泥稳定碎石的拌和工艺对于水泥稳定碎石的拌和质量起着至关重要的作用[1-2]。拌和工艺主要包括原材料的投料顺序、投料速度、搅拌轴转速及拌和时间等[3]。文献[4-5]针对混凝土搅拌均匀的相关研究表明，目前评价混合料搅拌均匀性尚无统一严格的方法，影响混合料搅拌均匀的因素较多，通常以粗集料均匀分布程度评价混合料搅拌的均匀性。

笔者通过大量试验分析了在不同投料顺序、搅拌速度、单机搅拌量等拌和工艺下，PVA纤维水泥稳定碎石拌和均匀性随时间的变化规律，提出以质量分数比例系数与质量分数比例系数的离差系数作为判断PVA纤维水泥稳定碎石均匀性的参数，并确定了最佳拌和工艺方案。

1 均匀性评价指标

PVA纤维水泥稳定碎石拌和均匀性主要是对新拌混合料中PVA纤维分布的均匀性和粗集料分布的均匀性进行评定。笔者采用质量分数比例系数与质量分数比例系数的离差系数来判断PVA纤维水泥稳定碎石的均匀性。其中质量分数比例系数计算如式(1)：

(1)

式中：Cp/gi为质量分数比例系数；mpi为第i个样品中PVA纤维实测质量，g；mgi为第i个样品中粗集料实测质量，kg；mp为样品中PVA纤维理论质量，g；mg为样品中粗集料理论质量，kg；i为样品数目，i=3。

评价PVA纤维水泥稳定碎石拌和均匀性的指标主要包括两个方面：PVA纤维和粗集料联合分布的质量分数比例系数Cp/gi的离差系数及均值；PVA纤维和粗集料单独分布实测质量mpi及mgi的离差系数及均值。

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

2 拌和试验设计

2.1 混合料配合比

徐州中联32.5号复合硅酸盐水泥，水泥剂量为4.0%。安徽皖维集团有限公司生产PVA纤维束，掺量为0.6 kg/m3，其性能指标如表1。

表1 PVA纤维束性能指标Table 1 Performance indexes of PVA fiber bundle

集料为安徽省宿州市萧县丁里镇王峰石料厂生产的石灰岩，各档集料的级配组成如图1。

图1 集料级配曲线Fig. 1 Gradation curve of aggregates

根据图1中各档集料的级配情况，采用规划求解的方法[6]，计算得到各档集料的用量比例为16%、35%、22%、4%、23%，其合成级配满足级配范围要求。

2.2 原材料投料顺序

原材料投料顺序是保证PVA纤维水泥稳定碎石拌和均匀的关键工序。通常，纤维掺入方法主要分为干拌法和湿拌法两种[7]。结合规范相关要求[8-9]，笔者拟定如下4种投料方法：

方法1：先投入集料和水泥，搅拌5 s后，再投入PVA纤维束加水继续搅拌；

方法2：先投入集料和PVA纤维束，搅拌5 s后，再投入水泥加水继续搅拌；

方法3：先投入集料、水泥以及水进行搅拌，搅拌5 s后，再投入PVA纤维束继续搅拌；

方法4：一次性投入集料、水泥、水和PVA纤维束进行搅拌。

2.3 单机搅拌量

根据文献[8]相关要求，纤维混凝土的搅拌量应比试验用量多5 L，且在搅拌机规定用量范围的50%～80%。笔者采用WDZ-600型稳定土拌和站。

为保证试验结果的准确性，同时考虑到实际生产效率，笔者拟定了5种单机搅拌量情况：

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为单机搅拌量；V0为搅拌缸的额定出料容积。

2.4 搅拌速度

搅拌速度是搅拌机作业过程的重要参数。研究表明，合理的搅拌速度范围为0.90～1.72 m/s。搅拌速度过低，混合料搅拌则不均匀，且生产效率低；搅拌速度过高，容易造成混合料离析，同时，加剧搅拌机磨损。通常，搅拌速度为搅拌叶片顶端的最大线速度。搅拌速度取决于搅拌轴转速，记搅拌轴转速为ω。根据搅拌电机的输出转速及减速器的减速比，本试验拟定了5种搅拌轴转速：12、29、48、72、96 r/min。

2.5 拌和时间

实际生产过程中，WDZ-600型稳定土拌和站单缸拌和时间一般在20 s左右。笔者考虑到掺入PVA纤维，故拌和试验拟定的拌和时间为5～50 s，且以5 s作为递增时间间隔。其中投料顺序拌和试验以t=10 s开始递增，其余各项拌和试验均是从t=5 s开始。

2.6 试验方案

为了减小试验的工作量，笔者采用“单一变量法”，开展投料顺序、单机搅拌量、搅拌速度和搅拌时间等拌和工艺对PVA纤维水泥稳定碎石搅拌均匀性影响的研究。试验共分3种工况，即改变投料顺序、单机搅拌量和搅拌速度中一个工艺参数，其他不变。拌和时间以5 s作为时间间隔递增。试验集料采取自动加入，电脑或变频电子调速，物料供给均匀连续可靠，PVA纤维则采用人工加入。试验采用“水洗法”对样品中粗集料和PVA纤维进行分离提取。为保证PVA纤维尽量全部分离，多次对混合料清洗，并用细密铁丝网反复过滤。粗集料和PVA纤维水洗分离后，等其自然风干进行称量。

3 实验结果分析

3.1 投料顺序对拌和均匀性的影响

根据4种不同投料顺序下拌和试验结果可得，不同投料顺序下混合料质量分数比例系数离差系数和PVA纤维质量离差系数随拌和时间的变化规律如图2。

图2 不同投料顺序下混合料质量分数比例系数离差系数和PVA纤维质量离差系数随拌和时间的变化规律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

由图2可见：

1)不同投料顺序下，质量分数比例系数的离差系数趋于平稳时的数值普遍大于PVA纤维质量的离差系数值。由此说明，粗集料与PVA纤维分布均匀存在一定的时间差，即粗集料分布均匀时，PVA纤维还未分布均匀。只有粗集料和PVA纤维同时分布均匀时，质量分数比例系数的离差系数才能达到最小值。搅拌初期，PVA纤维质量离差系数大于质量分数比例系数的离差系数，但随着搅拌时间的延长，混合料可能出现离析现象，然而PVA纤维分散均匀程度得到加强。

2)不同投料顺序下，质量分数比例系数的离差系数达到最小值的拌和时间早于PVA纤维质量的离差系数达到最小值的拌和时间，且时间不等。不同投料顺序下，粗集料均匀分散速度均明显早于PVA纤维。相对于其他投料顺序，方法2混合料的质量分数比例系数离差系数和PVA纤维质量离差系数的波动最小，因此，单从拌和稳定性的角度考虑，选择“方法2”为最佳投料顺序，取PVA纤维均匀分布的拌和时间30 s为最佳拌和时间。

3.2 单机搅拌量对拌和均匀性的影响

在不同单机搅拌量下，混合料质量分数比例系数离差系数和PVA纤维质量离差系数随拌和时间的变化规律如图3。

图3 不同单机搅拌量下混合料质量分数比例系数离差系数和PVA纤维质量离差系数随时间的变化规律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

由图3可见：

1)混合料质量分数比例系数离差系数和PVA纤维质量离差系数值达到最小的拌和时间均随单机搅拌量的增加而增加。对比分析V=0.6V0与V=1.0V0时，混合料质量分数比例系数离差系数和PVA纤维质量离差系数达到最小的时间均缩短了约10 s。

2)单机搅拌量过小时，拌和均匀时间虽短，但生产效率低下，反之亦然。对比分析图3可知，质量分数比例系数的离差系数达到最小值后变化很小，可将PVA纤维质量离差系数达到最小值的时间作为拌和时间。因此，选择合理的单机搅拌量，在保证生产效率情况下，确定PVA纤维水泥稳定碎石拌和均匀的最短时间。

3)在不同单机搅拌量下，混合料质量分数比例系数和PVA纤维质量的离差系数值达到最小值后，质量分数比例系数的离差系数值及其波动幅度均普遍大于PVA纤维质量的离差系数。

综上所述，选取最佳单机搅拌量为V=0.9V0，最佳拌和时间为35 s。

3.3 搅拌速度对拌和均匀性的影响

在不同搅拌速度下，混合料质量分数比例系数离差系数和PVA纤维质量离差系数随拌和时间的变化规律如图4。

图4 不同搅拌速度下混合料质量分数比例系数离差系数和PVA纤维质量离差系数随时间的变化规律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

由图4可见：

1)混合料质量分数比例系数离差系数和PVA纤维质量离差系数达到最小值的拌和时间随搅拌速度的增加而逐渐减小。搅拌速度ω=12 r/min时，质量分数比例系数离差系数和PVA质量离差系数可能均未在测定时间内达到最小值；搅拌速度ω=96 r/min时，质量分数比例系数离差系数和PVA质量离差系数达到最小值的拌和时间分别为10和15 s。由此说明，搅拌速度越快，单位时间内搅拌次数越多，拌和均匀的时间越短。

2)合理的搅拌速度是混合料搅拌均匀的关键参数。搅拌速度过低，无法在规定的时间内达到搅拌均匀；搅拌速度过高，质量分数比例系数离差系数和PVA质量离差系数的最小值均较大，即拌和均匀性较差。

3)考虑到拌和生产效率和拌和质量，选取最佳搅拌轴转速ω为48 r/min。同时，为保证PVA纤维拌和均匀，最佳拌和时间以转速ω为48 r/min时质量分数比例系数的离差系数和PVA纤维质量的离差系数均达到最小值的时间段选取。由图4可知，在此时间段内质量分数比例系数的离差系数变化不大，因此，最佳拌和时间即为PVA纤维质量的离差系数达到最小值的时间35 s。

综上所述，最佳搅拌轴转速为ω=48 r/min，最佳拌和时间为35 s。

4 结 论

1)不同投料顺序下，混合料的质量分数比例系数的离差系数趋于平稳时普遍大于PVA纤维的质量离差系数。单从拌和稳定性的角度考虑，PVA纤维水泥稳定碎石最佳投料顺序为先投入集料和PVA纤维束搅拌5 s，再加入水泥和水继续搅拌，其最佳拌和时间为30 s。

2)混合料质量分数比例系数离差系数和PVA纤维质量离差系数值达到最小值的拌和时间均随单机搅拌量的增加而增加。WDZ-600型稳定土拌和站的最佳单机搅拌量V=0.9V0，即V=615 L，其最佳拌和时间为35 s。

3)混合料质量分数比例系数离差系数和PVA纤维质量离差系数达到最小值的拌和时间随搅拌速度的增加而逐渐减小。考虑到拌和生产效率和拌和质量，最佳搅拌轴转速ω=48 r/min，其最佳拌和时间为35 s。

综合分析投料顺序、单机搅拌量和搅拌速度对PVA纤维水泥稳定碎石拌和均匀性的影响，WDZ-600型稳定土拌和站的最佳单机搅拌量V=615 L，最佳搅拌轴转速ω=48 r/min，最佳拌和时间为35 s。虽然在不同拌和工艺方案下，PVA纤维微观分散性仍需进一步改善，但从宏观上，其分布较为均匀。

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