水泥穩定土試樣溶液攪拌器的開發與應用研究

高予芊,王 垚

(遼寧省交通高等專科學校 沈陽市 110122)

0 引言

水泥穩定土是一種重要的路面建筑材料,具有較好的抗壓強度、抗剪強度和耐久性,在路面基層中應用廣泛。組成和配比是保證水泥穩定土性能和穩定性的關鍵,其中水泥劑量是控制水泥穩定土質量和成本的重要指標。在工程實踐中,通常采用EDTA滴定試驗檢測水泥劑量。首先制備水泥穩定土試樣溶液,即在水泥穩定土試樣中加入適量的氯化銨溶液,勻速持續攪拌3～5min后經沉淀澄清得到試樣溶液[1]。傳統的制備方法采用人工攪拌,效率低、工作強度高且影響操作者的職業健康。因此,開發一種全新的試樣溶液攪拌設備代替傳統的人工攪拌具有重要意義。

1 傳統制備過程及其不足

1.1 傳統制備過程

(1)取300g水泥穩定土試樣放入搪瓷杯中,杯中加入600ml的10%氯化銨溶劑,充分攪拌3min,110～120次/min。

(2)靜置沉淀4min,若4min后得到混濁懸浮液,則相應增加靜置沉淀時間,直至出現澄清懸浮液,此時記錄所需時間。

(3)后續試驗均以同一時間為準,隨后將上部清液轉移到300ml燒杯內,攪拌均勻,加蓋表面皿待測[2]。

1.2 傳統制備過程的不足

傳統制備方法采用人工攪拌,存在以下不足:

(1)攪拌過程中產生的氨氣損害職業健康

攪拌過程中,氯化銨溶劑會不斷揮發出氨氣,不僅味道刺鼻難聞,且長期吸入會損害操作者的職業健康。氨氣對皮膚組織有腐蝕和刺激作用,可吸收皮膚組織中的水分,使組織蛋白變性,組織脂肪皂化,破壞細胞膜結構。當氨氣吸入肺部后,容易通過肺泡進入血液與血紅蛋白結合,破壞運氧功能,對人體上呼吸道有刺激和腐蝕作用,破壞人體抵抗力。人體長期接觸氨可能會出現皮膚色素沉積和手指潰瘍等癥狀。短期內吸入大量氨氣會出現流淚、咽痛、聲音嘶啞、咳嗽、胸悶、呼吸困難等癥狀 。

(2)持續攪拌工作強度較大易疲勞

為監控水泥穩定土質量穩定性,生產過程中需要經常性地進行水泥劑量檢驗。因此需要多次制備試樣溶液,制備每份試樣溶液需要3～5min持續勻速攪拌,攪拌操作單調枯燥,環境中氨氣刺鼻,極易引起疲勞且效率很低。

(3)人工攪拌操作差異影響試驗精度

采用人工攪拌方式制備試樣溶液時,需要試驗者自行記錄攪拌時間和頻率,過程中存在較多可變因素,每份試樣溶液的攪拌時間和攪拌頻率無法精確統一,因此試樣溶液的均勻性和穩定性無法保證,可能影響試驗精度。

(4)目測試樣溶液澄清度存在主觀性

在傳統試驗過程中,試樣溶液攪拌完成后靜置澄清的程度判定并沒有量化標準,通常憑借試驗人員的肉眼觀察和工作經驗進行判斷,因此試樣溶液澄清度的標準無法統一,無法保證試驗的精度和嚴謹性。

2 水泥穩定土試樣溶液攪拌器的開發設計與操作

2.1 功能設計

為保證試樣溶液制備的均勻性和穩定性,需要對攪拌的時長、頻率和攪拌位置進行控制。因此,攪拌器需要具備定時設置、定時提醒、定速設置、定位攪拌、自我保護和溶液澄清度自動檢測等主要功能。

2.2 結構設計

該攪拌器主要由機器頭、機架和攪拌缸三部分組成,結構設計如圖1所示。

1.底座 2.立柱 3.調節螺旋 4.固定夾 5.承載架 6.攪拌棒 7.攪拌架 8.支撐環 9.控制面板 10.攪拌頭 11.提手 12.電源線 13.攪拌缸 14.軸承 15.從動體 16.棘齒輪 17.吊桿 18.轉套

2.2.1攪拌頭的結構設計

(1)攪拌棒非對稱布置確保攪拌的均勻性

攪拌頭內部由低速電機和控制集成電路板構成,并有排線線纜連接,可實現試樣溶液的定時定速攪拌。攪拌棒架上設有多個等距的攪拌棒插孔,插孔中設有橡膠套,將圓頭玻璃攪拌棒插入孔中固定,因橡膠套有一定彈性,可有效降低玻璃攪拌棒斷裂的風險。圓頭玻璃攪拌棒與步進電機轉軸中軸線采用非對稱布置,確保圓頭玻璃攪拌棒在轉動過程中充分攪拌試樣,從而保證攪拌的質量、均勻性和一致性。

(2)棘齒輪從動裝置保證機電系統安全性

攪拌頭上的低速電機轉軸穿過攪拌架的圓孔進行活動連接,低速電機的轉軸與棘齒輪固定連接,通過棘齒輪和帶有彈簧的卡銷保持同步轉動。帶有彈簧的卡銷由卡銷座、彈簧、卡銷蓋和卡銷組成。當卡銷脫離棘齒輪時,低速電機轉軸帶動攪拌架轉動。當圓頭玻璃攪拌棒被砂石料卡住或攪拌阻力過大時,棘齒輪會推動卡銷壓縮彈簧在卡銷座內產生滑動,卡銷跳動到棘齒輪的下一個齒上,從而避免圓頭玻璃攪拌棒因阻力過大或卡死而折斷,防止損壞電機,確保設備機電系統安全,具體設計見圖2。

1.棘齒輪 2.卡銷 3.卡銷座 4.彈簧 5.蓋板

2.2.2機架的結構設計

(1)機架的組成

如圖3所示,機架用于托起攪拌頭,放置固定攪拌缸,并為非接觸光學液體濁度傳感器提供安裝空間。機架主要由底盤、立柱、托架、攪拌缸調節螺旋和固定夾組成,底盤上設有圓環橡膠墊,為放置攪拌缸提供定位提示。為了防止滑動和磨損,固定夾和托架上設有橡膠墊。

1.支撐環 2.立柱 3.固定夾 4.調節螺旋 5.底座 6.開關 7.橡膠墊圈 8.液體濁度傳感器 9.排線接

(2)液體濁度檢測裝置設計

如圖4所示,在機架兩側立柱上裝有非接觸光學液體濁度傳感器,立柱和底座的空腔為傳感器布線提供空間。在試樣溶液攪拌結束等待沉淀的過程中,非接觸光學液體濁度傳感器可以實時檢測試樣溶液的濁度,當液體濁度降低至設定值時,設備自動提醒試驗人員溶液已經澄清至適合滴定的標準,方便進行后續試驗。

1.攪拌缸 2.探頭1 3.探頭2 4.機架立柱 5.機架底座

2.2.3攪拌缸的設計

為配合非接觸光學液體濁度傳感器,攪拌缸可采用高度和直徑適宜的透明圓柱體玻璃缸。缸體內側標有刻度,便于讀取缸體內液體的體積,并設有手柄方便取用。當同時使用多個攪拌器時,攪拌缸的透明度應統一。建議專缸專用,更換攪拌缸時,應進行必要標定。

2.3 攪拌器的操作方法

(1)取300g(或1000g)混合料放入攪拌缸中,加入600ml(或2000ml)氯化銨溶液。

(2)將攪拌缸置于機架底盤上,轉動攪拌缸固定螺旋,將固定夾緊貼攪拌缸實現固定。

(3)將攪拌頭置于托架上,并將圓頭玻璃攪拌棒插入攪拌缸內的混合料中。

(4)將插頭插入插座,開啟電源開關,設備通電,此時控制面板電源指示燈亮起。

(5)設置攪拌時間:根據試樣質量選擇攪拌時間(300g試樣攪拌3min,1000g試樣攪拌5min)。按下設置按鈕,將攪拌時間設定為3min或5min,此時數碼顯示屏上顯示已設置的攪拌時間。

(6)按下啟動/暫停按鈕,啟動低速電機,帶動攪拌架和圓頭玻璃攪拌棒以120rad/min的轉速開始攪拌。數碼顯示屏上顯示倒計時,當顯示的時間為“0”時,低速電機停止工作,蜂鳴器發出“滴滴”音提示攪拌結束。

(7)取下攪拌頭,擦凈圓頭玻璃攪拌棒備用。

(8)打開非接觸光學液體濁度傳感器電源開關,實時監測試樣溶液的濁度,當試樣溶液澄清至設定的濁度值時,設備自動發出提示音,提醒試樣溶液可以用于滴定。

(9)打開固定螺旋,取下攪拌缸放置在平穩的桌面上,方可進行后續試驗。

3 攪拌器的應用效果

3.1 保護職業健康

應用攪拌器制備試樣溶液,不僅可以降低試驗者的工作強度,還可有效減少試驗者與氯化銨溶液接觸的時間。與傳統的人工攪拌相比,可減少試驗者與氯化銨溶液直接接觸的時間達95%以上,從而避免試驗者在攪拌過程中因吸入氨氣造成身體損害,保證職業健康。

3.2 提高試驗工作效率

應用攪拌器制備水泥穩定土試樣溶液,一方面可以解放試驗者的雙手,減少固定循環操作;另一方面,一名試驗人員可以同時制備多份試樣溶液,且制備過程無需試驗者參與,成倍提升工作效率,在水泥劑量標準曲線試驗中,這一優勢更加明顯[3]。

3.3 提高水泥劑量試驗檢測精度

應用攪拌器制備水泥穩定土試樣溶液,不僅精確統一了攪拌次數、攪拌速度和攪拌時間,同時也明確了試樣溶液澄清度的判定標準,為控制試驗可變條件,提高試驗精度提供保障。

4 結語

該攪拌器不僅適用于制備水泥穩定土試樣溶液,同樣適用于制備石灰穩定土和綜合穩定土試樣溶液[4]。該攪拌器的設計開發與推廣應用,可以提高水泥劑量試驗工作效率,解放試驗者的雙手,大幅降低試驗工作強度,規范統一試驗條件,保證試驗精度,在保障試驗者的職業健康方面亦具有重要的現實意義。