PVA纖維水泥穩定碎石拌和均勻性評價

曹源文+王棋+孫志永+韋建學+肖偉+楊芬

摘 要：為了準確評價PVA纖維水泥穩定碎石的拌和均勻性，提出一種新的評價方法，該方法以質量分數比例系數和離差系數為拌和均勻性指標。為驗證其可行性，以拌和時間為單因子變量進行拌和均勻性試驗研究。結果表明：該PVA纖維水泥穩定碎石的拌和均勻性評價方法合理、可靠，具有可行性，也可用于評估其他纖維水泥基材料的拌和均勻性。

關鍵詞：PVA纖維；水泥穩定碎石；拌和均勻性；評價方法

中圖分類號：U414.1 文獻標志碼：B

文章編號：1000-033X（2017）03-0063-04

Abstract： In order to evaluate the mixing uniformity of cement stabilized macadam and PVA fiber， a new evaluation method with the coefficient of mass fraction ratio and the coefficient of variation as the indicators of mixing uniformity was proposed. One-factor-at-a-time method was applied to verify the feasibility of the evaluation method by choosing the mixing time as the single factor. The results show that the evaluation method of mixing uniformity is reasonable， reliable and feasible and applies to other materials based on cement and fiber.

Key words： PVA fiber； cement stabilized macadam； mixing uniformity； evaluation method

0 引 言

混凝土的均勻性很大程度上可以表征其拌和質量，直接影響混凝土的力學性能和使用壽命。關于新拌混凝土拌和均勻性的評價，目前有以下方法：采用射線測定粗集料是否分布均勻[1-5]；利用超聲波的發射與檢測結果分析混凝土的密實性與均勻性[6]；結合試樣砂漿密度的相對誤差ΔM以及試樣中粗骨料質量的相對誤差ΔG，通過成型試件的7 d強度平均值及其離差系數判定均勻性[7-12] ；通過檢測粗集料的均勻度來分析均勻性[13-14]；通過圖像處理，利用統計方法對PVA纖維分散性進行研究[15-18]。前4種方法雖簡單可行，但其結果的離散性較大或重復性較差，不易控制；最后一種方法分析過程較為復雜，并且圖像采集、纖維識別易產生偏差，難以保證分析結果的客觀真實性。本文針對添加PVA纖維束的水泥穩定碎石，通過采集試樣，分析樣品中粗集料分布情況與PVA纖維的分散性，建立新的拌和均勻性評價方法。

1 拌和均勻性評價方法

本文針對添加PVA纖維束的水泥穩定碎石拌和均勻性，提出了“相對質量分數比例系數”這一概念，建立了添加PVA纖維束的水泥穩定碎石拌和均勻性評價方法。該方法需要在每組待測試樣中取3個5 L的樣品，理論狀態下，每個樣品中粒徑在9.5 mm以上的粗集料（以下統稱為粗集料）的質量為mg，PVA纖維的質量為mp，在混合料配合比一定的情況下，這2個理論值均為固定值，可通過計算得到。再設每組樣品中第i個樣品粗集料的實測質量為mgi，相對應的PVA纖維質量為mpi。本文定義第i個樣品中PVA纖維相對粗集料質量分數比例系數為：該樣品中PVA纖維質量實測值與理論值的比值，和該樣品中粗集料質量實測值與理論值的比值之比，記為Cp/gi。則PVA相對質量分數比例系數（以下統稱為質量分數比例系數）為

從相對質量分數比例系數的定義可知，當混合料拌和均勻時，各個樣品中PVA、粗集料的質量均趨近于理論值，各Cp/gi值均趨近于1，且其離差系數趨近于0；反之，混合料均勻性越差，各Cp/gi值越偏離于1，且其離差系數越大。顯然，當各個樣品中mpi與mgi同時相對于理論值成一定比例偏大或偏小時，各Cp/gi值也會趨近于1，但此時混凝土拌和并不均勻。因此，各Cp/gi值趨近于1且其離差系數趨近于0，僅是混合料拌和均勻的必要不充分條件。如果要認為在各Cp/gi值趨近于1且其離差系數趨近于0時樣品混合料拌和均勻，還應保證相應的mpi與mgi在其理論值附近，因此應對mpi、mgi值進行約束。

考慮新建均勻性評價指標，包括2個方面：一是根據PVA纖維和粗集料2組物料的聯合分布情況反映混凝土的拌和均勻性，可通過分析Cp/gi的離差系數及均值來實現，如式（2）、（3）所示；二是根據PVA纖維或粗集料單組物料的分布情況反映混合料拌和均勻性，可通過分析mpi、mgi值的離差系數及均值來實現，如式（4）～（7）所示。

當滿足條件（2）時，可認為PVA纖維分布均勻；當同時滿足（1）和（2）兩個條件時，可認為水泥穩定碎石混合料宏觀上拌和均勻。

2 試驗驗證

2.1 試驗設計

從原材料準備到混合料拌和完成，影響水泥穩定碎石拌和質量的因素總體可以分為原材料、拌和設備性能及拌和工藝3個方面。拌和工藝主要包括原材料的投料順序、加料速度或單次拌和的混合料加料量、攪拌軸轉速或攪拌葉片的線速度及拌和時間等。作為混凝土拌和的最重要參數之一，拌和時間對拌和質量影響顯著，恰當的拌和時間既能保證生產效率，也能保障拌和質量。所以本次試驗采用單因子控制變量法，在其他拌和條件相同的情況下控制拌和時間。所謂拌和時間，是指投料完畢后從開始攪拌到攪拌結束后卸料完成所用的時間。首先根據《纖維混凝土試驗方法標準》（CECS 13—2009）及《纖維混凝土應用技術規程》（JGJ/T 221—2010）相關要求確定的水泥穩定碎石集料級配、最佳水泥劑量和最佳含水量進行配料，考慮到PVA纖維在拌和過程中易黏附在攪拌缸壁和攪拌軸上，配料時可根據試拌結果適當增加摻量。本次試驗采用的WDZ-600型穩定土拌和站單缸拌和時間一般在20 s左右，考慮到有PVA纖維束的加入，本次試驗擬定拌和時間為5～50 s，遞增時間間隔為5 s。理論上，隨著拌和時間的增加，PVA纖維水泥穩定碎石會逐漸變得均勻，達到一定的均勻性后保持穩定。

2.2 試驗過程

首先按照制定的試驗方案，以拌和時間為惟一變量進行PVA纖維水泥穩定碎石的拌和。試驗一共分為10組，拌和時間分別是5、10、15、20、25、30、35、40、45、50 s，在原材料和其他拌和條件相同的情況下使用WDZ-600型穩定土拌和站進行拌和。

拌和完成后迅速出料，將新拌水泥穩定碎石置于料車中。縱向將料車裝料容積分為3個區域，并在每個區域各取一個樣品，采樣容積均為5 L。所采集的樣品應具有代表性，且能真實反映混合料拌和均勻的情況。

對于樣品中的粗集料和PVA纖維，本試驗采用“水洗法”進行分離提取。采樣完畢后，為防止水泥凝結對粗集料及PVA纖維的分離產生影響，應盡快將樣品混合料倒入用于水洗混合料的鐵盆中，并加水攪拌稀釋。水洗過程中，為盡可能將PVA纖維全部分離，應對混合料進行多次清洗，并用細密鐵絲網反復過濾。此外，對分離出的集料用孔徑為9.5 mm的篩子篩選出符合試驗要求的粗集料。

最后對分離出來的粗集料及PVA纖維進行稱量，并記錄稱量結果，以便后續分析。粗集料和PVA纖維被水洗分離出來后，應先進行自然風干，再稱量。為保證稱量結果的準確性，粗集料用ACS-30電子秤（量程30 kg、分度值10 g）稱量，PVA纖維用CX-12000電子秤（量程500 g、分度值0.01 g）稱量。

2.3 試驗結果分析

經過拌和、采樣、水洗分離、干燥、稱量以及分析計算，最終得到試驗結果，如下頁的表1所示。

從表1可以看出，質量分數比例系數和PVA纖維質量的離差系數，開始隨著拌和時間的增加而逐漸減小，且分別在某一拌和時間達到最小，然后出現微小的波動。各組樣品的質量分數比例系數和PVA纖維質量的離差系數隨拌和時間的變化情況如圖1所示。

從圖1可以看出：當拌和時間為25 s時，質量分數比例系數和PVA纖維質量的離差系數分別處于最小值，然后開始出現波動；達到最小值后，各離差系數值均小于0.05。此外，拌和時間為25 s時，質量分數比例系數和PVA纖維質量的均值均在理論值附近。因此，考慮到試驗誤差，可認為在拌和時間為25 s時，水泥穩定碎石達到拌和均勻，同時PVA纖維達到分布均勻。此后隨著時間的增加均勻性將保持穩定。試驗所得結果與理論基本吻合，所以本文所述的均勻性評價方法能準確評定PVA纖維水泥穩定碎石的均勻性。

3 結 語

（1）本文提出了一種評價PVA纖維水泥穩定碎石拌和均勻性的新方法，該方法也可用于評估其他纖維水泥材料的拌和均勻性。

（2）通過以時間為單因子變量進行拌和試驗，證明了該PVA纖維水泥穩定碎石均勻性評價方法合理、可靠，具有可行性。

參考文獻：

[1] 張艷聰，王大鵬，田 波，等.道路混凝土離析評價方法[J].公路交通科技，2012，29（1）：23-27，33.

[2] 劉建忠，張麗輝，李長風，等.聚乙烯醇纖維在水泥基復合材料中的分散性表征及調控[J].硅酸鹽學報，2015，43（8）：1061-1066.

[3] 徐海緯.混凝土強度影響因素分析與評定方法研究[D].哈爾濱：東北林業大學，2009.

[4] 鄭國治，王圓圓.混凝土強度評定方法及問題探討[J].福建建筑，2002（S1）：73-75.

[5] 高海鵬，田 波，郝冠軍，等.新拌水泥混凝土均勻性評價方法[J].公路交通科技，2014，31（12）：25-31.

[6] 高曉剛，王恩濤.超聲波聲時判斷混凝土的密實性與均勻性[J].北方交通，2013，15（B12）：73-75.

[7] 張 鵬，李清富，黃承逵.聚丙烯纖維水泥穩定碎石抗壓強度試驗研究[J].工業建筑，2008，38（3）：94-96.

[8] 張 樂.影響瀝青混凝土拌和站拌和質量因素及解決措施[J].交通世界：建養·機械，2014（8）：74-75.

[9] 趙勝利.瀝青混合料拌和質量的影響因素[J].才智，2010（3）：35.

[10] 高海鵬.混凝土拌和過程定量化品質管理研究[D].天津：河北工業大學，2014.

[11] 楊紅輝，王建勛，郝培文，等.纖維在水泥穩定碎石基層中的應用[J].長安大學學報：自然科學版，2006，26（3）：14-16.

[12] 張 鵬，李清富，黃承逵.聚丙烯纖維水泥穩定碎石收縮性能[J].交通運輸工程學報，2008，8（4）：30-34.

[13] 尹 冉.水泥穩定碎石半剛性基層施工與質量控制技術研究[D].西安：長安大學，2007.

[14] 劉洪海，焦生杰，沈曉龍.水泥穩定碎石施工設備匹配技術研究[J].筑路機械與施工機械化，2010，27（1）：75-78.

[15] 陳新軒，張清偉，張新勇，等.基于EDEM的穩定土攪拌均勻性研究[J].筑路機械與施工機械化，2015，32（11）：49-53.

[16] 趙青龍.攪拌工藝對瀝青混合料攪拌均勻性的影響[D].西安：長安大學，2015.

[17] 趙利軍，余志龍，徐鵬杰，等.返回葉片數量及排布方式對混凝土攪拌均勻性的影響[J].長安大學學報：自然科學版，2016，16（4）：103-110.

[18] 蘇文浩.拌和機攪拌時間對混凝土均勻性的影響[J].中國科技財富，2010（24）：338.

[責任編輯：王玉玲]