絮狀投料機(jī)在聚合物纖維瀝青混凝土路面中的應(yīng)用研究

頡俊杰

（1.甘肅路橋建設(shè)集團(tuán)有限公司；2.公路建設(shè)與養(yǎng)護(hù)技術(shù)、材料及裝備交通運(yùn)輸行業(yè)研發(fā)中心，甘肅 蘭州 730030）

1 前言

公路瀝青混凝土路面工程施工中，為了提高路面的使用性能或改善路面的使用功能，經(jīng)常需要在瀝青混合料中添加抗車轍劑、顆粒狀纖維、溫拌劑、色粉等外加劑，以上外加劑通常為顆粒狀或粉末狀。目前，采用人工輔助的半自動或全自動常規(guī)投料機(jī)，即可將上述外加劑定時、定量的加入瀝青混凝土拌合樓攪拌鍋中完成投料。

近年來，隨著長壽命瀝青路面或高性能瀝青路面技術(shù)的發(fā)展，聚合物纖維瀝青混凝土路面因其良好的低溫抗裂、抗疲勞性能和高溫環(huán)境下的抗車轍能力，在我國逐漸開始推廣應(yīng)用。聚合物纖維青混合料（FRAC）是將一定比例（瀝青混合料質(zhì)量的0.2%～0.4%）的短切纖維加入瀝青混合料中而形成的復(fù)合材料。聚合物纖維出廠后是一簇簇絮狀纖維團(tuán)，經(jīng)分散后添加在瀝青混凝土中，主要通過改性、加筋和橋聯(lián)作用，提高瀝青路面的使用性能和耐久性能。

聚合物纖維在瀝青混合料中的分散問題一直是纖維增強(qiáng)復(fù)合材料中的研究熱點(diǎn)，也是決定纖維復(fù)合材料性能的重要因素。但是，常規(guī)的顆粒型投料機(jī)不具備纖維分散功能，無法將絮狀的聚合物纖維進(jìn)行分散，結(jié)團(tuán)的纖維會在瀝青混凝土內(nèi)形成應(yīng)力集中點(diǎn)，影響瀝青路面施工和質(zhì)量控制，導(dǎo)致聚合物纖維瀝青混凝土路面在高海拔地區(qū)的耐久性和服役壽命降低。因此，聚合物纖維投料機(jī)對纖維的分散均勻性，決定了批量生產(chǎn)時聚合物纖維在瀝青混合料中的分散效果以及纖維瀝青混凝土路面的整體應(yīng)用效果。

本文借助錘片式粉碎機(jī)的工作原理，在傳統(tǒng)顆粒型投料機(jī)上，通過優(yōu)化工作參數(shù)、加裝分散裝置來研制具有分散絮狀纖維的投料機(jī)，并在甘肅省王格爾塘至夏河高速公路瀝青混凝土路面施工中對樣機(jī)進(jìn)行測試應(yīng)用。

2 聚合物纖維選擇

適用于瀝青混凝土使用的聚合物纖維，主要包括聚丙烯類、聚乙烯醇類、聚酯類等。本文選擇聚乙烯醇（PVA）纖維，該纖維屬于有機(jī)類纖維，具有直徑小、不導(dǎo)電、表面活性不佳、輕質(zhì)高強(qiáng)等特點(diǎn)。工廠生產(chǎn)的PVA纖維經(jīng)切割加工成特定長度的纖維束后進(jìn)行袋裝，經(jīng)儲存、運(yùn)輸和搬運(yùn)后纖維束由于靜電吸附作用，形成一簇簇絮狀的纖維團(tuán)，絮狀的PVA纖維直接參與瀝青混凝土拌合時，容易互相黏附形成纖維束團(tuán)，纖維在加入瀝青混合料拌合前需要很好地分散成互相交織在一起的三維網(wǎng)狀形態(tài)（如圖1所示），這樣就可以有效地阻止拌合時纖維的團(tuán)聚。本文選用安徽皖維高新材料股份有限公司生產(chǎn)的PVA纖維，性能參數(shù)（如表1所示）。

圖1 PVA纖維

表1 PVA纖維參數(shù)

3 絮狀纖維投料機(jī)整機(jī)設(shè)計(jì)

3.1 功能分析

絮狀聚合物纖維投料機(jī)工作時，需要將纖維在料倉中初步打散，然后通過螺旋輸送裝置將纖維運(yùn)送到計(jì)量倉稱重計(jì)量，緊接著在分散裝置中完成精細(xì)分散，最后通過氣力吹送裝置吹送進(jìn)間歇式瀝青拌合站攪拌鍋中完成投料，整機(jī)通過可編程控制器、電氣連鎖機(jī)構(gòu)、變頻器、機(jī)械傳動機(jī)構(gòu)進(jìn)行自動控制和運(yùn)行。因此，該投料機(jī)需具備以下基本功能：料倉打散、螺旋輸送、稱重計(jì)量、精細(xì)分散、氣力吹送、自動控制、可視化操作、工作參數(shù)調(diào)整。

3.2 整機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為了開發(fā)具備上述功能的絮狀聚合物纖維投料機(jī)，筆者在常規(guī)顆粒型投料機(jī)的基礎(chǔ)上，在市場上選購了山東道諾工程設(shè)備有限公司生產(chǎn)的多功能智能投料機(jī)，該投料機(jī)具備上述功能中除纖維精細(xì)分散功能的其余功能。因此，絮狀聚合物纖維投料機(jī)的整機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是在上述選購的智能投料機(jī)基礎(chǔ)上，加裝纖維精細(xì)分散裝置進(jìn)行優(yōu)化和改進(jìn)。改進(jìn)后，聚合物纖維分散投料機(jī)的整體結(jié)構(gòu)（如圖2所示）。

圖2 聚合物纖維分散投料機(jī)整體結(jié)構(gòu)圖

精細(xì)分散裝置安裝在稱重計(jì)量倉與分送裝置之間，纖維在計(jì)量倉完成稱重計(jì)量后，自由落體進(jìn)入精細(xì)分散裝置完成分散，纖維分散的同時氣力吹送裝置啟動，將分散后的纖維吹送至瀝青拌合樓攪拌鍋中。該設(shè)備具有以下特點(diǎn)：

（1）該機(jī)適用于5000型及以下所有間歇式瀝青拌合樓，適用范圍廣泛。

（2）該機(jī)采用PLC可編程控制器實(shí)現(xiàn)機(jī)械傳動裝置的自動運(yùn)行，投料時間精確、投料量準(zhǔn)確定。

（3）設(shè)計(jì)了投放砂石骨料、礦粉、纖維、瀝青等材料之間的電氣聯(lián)鎖，同時設(shè)計(jì)了故障聲光報(bào)警裝置，可有效杜絕漏加纖維現(xiàn)象的發(fā)生，保證了工作的可靠性。

（4）該機(jī)每次投送的纖維量可在3～13kg范圍內(nèi)變化，可視化操作界面可隨時調(diào)整添加量和添加速度，且計(jì)量裝置的分辨精度為0.05kg，計(jì)量精度高達(dá)±1%。

（5）該機(jī)加裝了纖維精細(xì)分散裝置，可實(shí)現(xiàn)纖維在瀝青混合料中的均勻分散。

（6）該機(jī)具有自動和手動兩種作業(yè)模式。自動模式用于纖維混合料的正常批量生產(chǎn)，手動模式用于計(jì)量倉校稱、生產(chǎn)調(diào)試、檢修。

4 分散裝置設(shè)計(jì)

4.1 分散裝置選型

現(xiàn)階段的分散技術(shù)有物理分散法和化學(xué)分散法兩大類，物理分散中的機(jī)械分散技術(shù)由于適用性強(qiáng)，在工程領(lǐng)域應(yīng)用較廣泛。在道路工程中由于現(xiàn)場施工的復(fù)雜性，本文采用機(jī)械分散裝置中攪拌錘片的撞擊力與剪切力對纖維束進(jìn)行不斷的撞擊、剪切和揉搓，從而使團(tuán)聚的絮狀纖維束打散和均勻分散。

綜上，該絮狀纖維分散投料機(jī)參考雙臥軸攪拌機(jī)和錘片式粉碎機(jī)，采用通過攪拌錘片的機(jī)械剪切力與撞擊力等機(jī)械能使團(tuán)聚的纖維精細(xì)分散，形成互相交織的絲狀纖維網(wǎng)。投料機(jī)啟動后分散裝置同步啟動，纖維從計(jì)量倉進(jìn)入分散裝置，焊接有梯形錘片的兩根攪拌軸在鏈輪傳動機(jī)構(gòu)下同步向內(nèi)轉(zhuǎn)動，進(jìn)入攪拌軸區(qū)域內(nèi)的纖維，錘片將對其進(jìn)行不間斷的撞擊和剪切，纖維在分散室內(nèi)做無規(guī)則運(yùn)動。另一方面，攪拌錘片在分散室中的相對運(yùn)動將產(chǎn)生強(qiáng)烈的氣流和氣壓，纖維料受流場作用也將出現(xiàn)不同程度的分散。最后分散的纖維由風(fēng)機(jī)吹送至拌合樓拌鍋中（如圖3所示）。

圖3 分散裝置

4.2 分散裝置結(jié)構(gòu)參數(shù)

（1）錘片形狀，一般來說，分散錘片棱角越多、越復(fù)雜的情況下越有利于絮狀纖維的分散，在規(guī)則的矩形基礎(chǔ)上加工而成的梯形錘片棱角多，所以參考破碎機(jī)和粉碎機(jī)的核心原件，該投料機(jī)分散裝置的錘片選用寬度為22mm的梯形錘片，棱角寬緣為30mm，棱角窄緣為25mm，錘頭長為30mm（如圖4所示）。

圖4 錘片結(jié)構(gòu)圖

（2）錘片厚度。相關(guān)試驗(yàn)表明：錘片越薄越有利于錘片棱角與纖維發(fā)生高速撞擊和剪切，但是，錘片過薄會導(dǎo)致強(qiáng)度不夠，因此在保證錘片強(qiáng)度、質(zhì)量、耐久性和不影響錘片使用壽命的情況下，本文選擇厚度為3mm的錘片。

（3）錘片排布。為增強(qiáng)分散效果和使用性能，使錘片與纖維有更多的碰撞，因此，兩軸之間錘片采用交錯形式排布，分散裝置的攪拌軸上焊接有7組錘片，每組錘片由4個梯形錘片組成，每根攪拌軸上有28個錘片，共56個錘片。

（4）錘片間距和軸距。分散后蓬松的大量纖維在分散室內(nèi)不規(guī)則運(yùn)動極易發(fā)生堵塞的現(xiàn)象，為了杜絕這一問題的發(fā)生，設(shè)計(jì)時，錘片間距和軸距應(yīng)有適當(dāng)?shù)拈g距，因此間距確定為30mm，軸距確定為120mm。

（5）錘片末端線速度。攪拌軸的轉(zhuǎn)速與錘片長度決定了錘片末端線速度。錘片末端線速度太小，旋轉(zhuǎn)剪切時錘片棱角對纖維束的相對速度小，單位時間內(nèi)纖維料受到的錘擊次數(shù)少，絮狀纖維的分散效果將明顯降低。該裝置的轉(zhuǎn)子半徑由攪拌軸半徑與攪拌錘片組成，轉(zhuǎn)軸半徑設(shè)計(jì)為100mm，轉(zhuǎn)速為500～1000r/min。

綜上所述，錘片的結(jié)構(gòu)參數(shù)（如表2所示）。

表2 錘片結(jié)構(gòu)參數(shù)

4.3 投料機(jī)工作流程

由作業(yè)人員將包裝袋內(nèi)的絮狀纖維倒入投料機(jī)料倉中，料倉內(nèi)旋轉(zhuǎn)攪拌蓬松裝置將纖維初步打散，通過螺旋輸送機(jī)構(gòu)將PVA纖維提升到計(jì)量倉，電子稱量裝置精確稱量PVA纖維質(zhì)量，然后進(jìn)入分散機(jī)構(gòu)通過分散錘片進(jìn)行分散，這時瀝青拌和站在計(jì)量完熱集料后便向投料機(jī)發(fā)出信號指令，接收到拌和站的投料信號后，利用壓縮空氣將稱量并分散好的纖維通過管道吹送到拌和站8～10m高的攪拌鍋中，完成投料。在瀝青路面連續(xù)作業(yè)時，投料機(jī)在完成上一個工作的循環(huán)的同時計(jì)量系統(tǒng)又繼續(xù)準(zhǔn)備下次的投料，從而保證纖維在瀝青混合料中的均勻分散和混合料配料的準(zhǔn)確性。

5 投料機(jī)應(yīng)用測試

以甘肅省王格爾塘至夏河高速公路工程為依托，采用油石比為4.5%的SUP-20瀝青混凝土，PVA纖維的添加量為混合料質(zhì)量的0.2%。施工現(xiàn)場為瑪連尼4000型間歇式瀝青拌合樓，每盤生產(chǎn)量為3.5t瀝青混合料。PVA纖維采用本文改進(jìn)的絮狀纖維投料機(jī)進(jìn)行添加，每盤添加量為7kg，投料機(jī)工作前應(yīng)對投放的時間和稱重系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定，投料誤差應(yīng)小于設(shè)定值±1%。

聚合物纖維投入拌缸后，應(yīng)先與熱集料干拌，然后投入瀝青和礦粉。通過試驗(yàn)確定干拌時間為20s，濕拌時間35s。為使纖維充分分散均勻，應(yīng)盡量延長混合料干拌時間，由于專用投料機(jī)添加7kg纖維約需要8s左右，實(shí)際纖維和集料干拌時間為12s，現(xiàn)場通過人工觀察發(fā)現(xiàn)PVA纖維在瀝青混合料中有良好的分散性和均勻性（如圖5）。

圖5 PVA纖維在瀝青混合料中的分散狀態(tài)

采集試驗(yàn)路 K8+350、K8+450、K8+590、K8+780、K8+810五處的芯樣（如圖6），觀察芯樣的剖面并做抽提試驗(yàn)，驗(yàn)證PVA纖維在瀝青混合料中的分散均勻性。

圖6 PVA纖維瀝青混凝土試驗(yàn)路芯樣

（1）按照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)》T0701的方法，取拌合樓熱料倉纖維瀝青混合料，取樣數(shù)量不少于5kg。

（2）將取樣瀝青混合料按照四分法，稱取約1000g樣品，記錄瀝青混合料的質(zhì)量，記為m0。

（3）采用《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》T0722的方法，用三氯乙烯溶液將纖維瀝青混合料中的瀝青分離。

（4）將抽提后的混合料放入105℃的烘箱至恒重。

（5）根據(jù)瀝青混合料的最大公稱粒徑，選擇一組合適的篩子，篩分烘干至恒重的混合料，將纖維用小鑷子撿出，放置于清潔的小盤中。稱取所有撿出的纖維質(zhì)量，記為m1。

（6）瀝青混合料的纖維含量Pf按式（1）計(jì)算。

（7）重復(fù)進(jìn)行兩次試驗(yàn)，取其平均值作為瀝青混合料中的纖維含量。

（8）應(yīng)按每連續(xù)7批次評定1次的頻率，對纖維瀝青混凝土的纖維含量變異性進(jìn)行檢驗(yàn)。第8批次評定時，應(yīng)將前一次評定的第1批次數(shù)據(jù)剔除，第8批次數(shù)據(jù)計(jì)入，形成新的連續(xù)7批次進(jìn)行變異性檢驗(yàn)，以此類推。

根據(jù)抽提法測定PVA纖維在瀝青混合料中含量的允許偏差小于10%，滿足纖維含量的變異性控制指標(biāo)。同時觀察芯樣的剖面，未發(fā)現(xiàn)聚團(tuán)的纖維出現(xiàn)在瀝青混凝土中。

6 結(jié)語

本文分析了聚合物纖維瀝青混凝土路面工程施工中纖維添加及分散裝置的功能，在傳統(tǒng)顆粒型投料機(jī)的基礎(chǔ)上，借助錘片式粉碎機(jī)的工作原理，分析了纖維分散性影響因素，對絮狀纖維分散投料機(jī)分散裝置的攪拌錘片和攪拌軸進(jìn)行了分析，確定了帶梯形錘片的攪拌軸模型，錘片之間采用交錯排布的方式，確定了錘片結(jié)構(gòu)參數(shù)。通過多次試驗(yàn)，確定了符合工程實(shí)際的纖維投放及拌和工藝參數(shù)。并在甘肅省王格爾塘至夏河高速公路高性能纖維瀝青混凝土路面試驗(yàn)段鋪筑中對樣機(jī)進(jìn)行測試應(yīng)用。測試結(jié)果表明：經(jīng)過改進(jìn)的絮狀纖維投料機(jī)能夠滿足纖維瀝青混合料生產(chǎn)，解決了PVA纖維在瀝青混合料中不易分散的問題。