PVA纤维水泥稳定碎石拌和均匀性评价

曹源文+王棋+孙志永+韦建学+肖伟+杨芬

摘 要：为了准确评价PVA纤维水泥稳定碎石的拌和均匀性，提出一种新的评价方法，该方法以质量分数比例系数和离差系数为拌和均匀性指标。为验证其可行性，以拌和时间为单因子变量进行拌和均匀性试验研究。结果表明：该PVA纤维水泥稳定碎石的拌和均匀性评价方法合理、可靠，具有可行性，也可用于评估其他纤维水泥基材料的拌和均匀性。

关键词：PVA纤维；水泥稳定碎石；拌和均匀性；评价方法

中图分类号：U414.1 文献标志码：B

文章编号：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

混凝土的均匀性很大程度上可以表征其拌和质量，直接影响混凝土的力学性能和使用寿命。关于新拌混凝土拌和均匀性的评价，目前有以下方法：采用射线测定粗集料是否分布均匀[1-5]；利用超声波的发射与检测结果分析混凝土的密实性与均匀性[6]；结合试样砂浆密度的相对误差ΔM以及试样中粗骨料质量的相对误差ΔG，通过成型试件的7 d强度平均值及其离差系数判定均匀性[7-12] ；通过检测粗集料的均匀度来分析均匀性[13-14]；通过图像处理，利用统计方法对PVA纤维分散性进行研究[15-18]。前4种方法虽简单可行，但其结果的离散性较大或重复性较差，不易控制；最后一种方法分析过程较为复杂，并且图像采集、纤维识别易产生偏差，難以保证分析结果的客观真实性。本文针对添加PVA纤维束的水泥稳定碎石，通过采集试样，分析样品中粗集料分布情况与PVA纤维的分散性，建立新的拌和均匀性评价方法。

1 拌和均匀性评价方法

本文针对添加PVA纤维束的水泥稳定碎石拌和均匀性，提出了“相对质量分数比例系数”这一概念，建立了添加PVA纤维束的水泥稳定碎石拌和均匀性评价方法。该方法需要在每组待测试样中取3个5 L的样品，理论状态下，每个样品中粒径在9.5 mm以上的粗集料（以下统称为粗集料）的质量为mg，PVA纤维的质量为mp，在混合料配合比一定的情况下，这2个理论值均为固定值，可通过计算得到。再设每组样品中第i个样品粗集料的实测质量为mgi，相对应的PVA纤维质量为mpi。本文定义第i个样品中PVA纤维相对粗集料质量分数比例系数为：该样品中PVA纤维质量实测值与理论值的比值，和该样品中粗集料质量实测值与理论值的比值之比，记为Cp/gi。则PVA相对质量分数比例系数（以下统称为质量分数比例系数）为

从相对质量分数比例系数的定义可知，当混合料拌和均匀时，各个样品中PVA、粗集料的质量均趋近于理论值，各Cp/gi值均趋近于1，且其离差系数趋近于0；反之，混合料均匀性越差，各Cp/gi值越偏离于1，且其离差系数越大。显然，当各个样品中mpi与mgi同时相对于理论值成一定比例偏大或偏小时，各Cp/gi值也会趋近于1，但此时混凝土拌和并不均匀。因此，各Cp/gi值趋近于1且其离差系数趋近于0，仅是混合料拌和均匀的必要不充分条件。如果要认为在各Cp/gi值趋近于1且其离差系数趋近于0时样品混合料拌和均匀，还应保证相应的mpi与mgi在其理论值附近，因此应对mpi、mgi值进行约束。

考虑新建均匀性评价指标，包括2个方面：一是根据PVA纤维和粗集料2组物料的联合分布情况反映混凝土的拌和均匀性，可通过分析Cp/gi的离差系数及均值来实现，如式（2）、（3）所示；二是根据PVA纤维或粗集料单组物料的分布情况反映混合料拌和均匀性，可通过分析mpi、mgi值的离差系数及均值来实现，如式（4）～（7）所示。

当满足条件（2）时，可认为PVA纤维分布均匀；当同时满足（1）和（2）两个条件时，可认为水泥稳定碎石混合料宏观上拌和均匀。

2 试验验证

2.1 试验设计

从原材料准备到混合料拌和完成，影响水泥稳定碎石拌和质量的因素总体可以分为原材料、拌和设备性能及拌和工艺3个方面。拌和工艺主要包括原材料的投料顺序、加料速度或单次拌和的混合料加料量、搅拌轴转速或搅拌叶片的线速度及拌和时间等。作为混凝土拌和的最重要参数之一，拌和时间对拌和质量影响显著，恰当的拌和时间既能保证生产效率，也能保障拌和质量。所以本次试验采用单因子控制变量法，在其他拌和条件相同的情况下控制拌和时间。所谓拌和时间，是指投料完毕后从开始搅拌到搅拌结束后卸料完成所用的时间。首先根据《纤维混凝土试验方法标准》（CECS 13—2009）及《纤维混凝土应用技术规程》（JGJ/T 221—2010）相关要求确定的水泥稳定碎石集料级配、最佳水泥剂量和最佳含水量进行配料，考虑到PVA纤维在拌和过程中易黏附在搅拌缸壁和搅拌轴上，配料时可根据试拌结果适当增加掺量。本次试验采用的WDZ-600型稳定土拌和站单缸拌和时间一般在20 s左右，考虑到有PVA纤维束的加入，本次试验拟定拌和时间为5～50 s，递增时间间隔为5 s。理论上，随着拌和时间的增加，PVA纤维水泥稳定碎石会逐渐变得均匀，达到一定的均匀性后保持稳定。

2.2 试验过程

首先按照制定的试验方案，以拌和时间为惟一变量进行PVA纤维水泥稳定碎石的拌和。试验一共分为10组，拌和时间分别是5、10、15、20、25、30、35、40、45、50 s，在原材料和其他拌和条件相同的情况下使用WDZ-600型稳定土拌和站进行拌和。

拌和完成后迅速出料，将新拌水泥稳定碎石置于料车中。纵向将料车装料容积分为3个区域，并在每个区域各取一个样品，采样容积均为5 L。所采集的样品应具有代表性，且能真实反映混合料拌和均匀的情况。

对于样品中的粗集料和PVA纤维，本试验采用“水洗法”进行分离提取。采样完毕后，为防止水泥凝结对粗集料及PVA纤维的分离产生影响，应尽快将样品混合料倒入用于水洗混合料的铁盆中，并加水搅拌稀释。水洗过程中，为尽可能将PVA纤维全部分离，应对混合料进行多次清洗，并用细密铁丝网反复过滤。此外，对分离出的集料用孔径为9.5 mm的筛子筛选出符合试验要求的粗集料。

最后对分离出来的粗集料及PVA纤维进行称量，并记录称量结果，以便后续分析。粗集料和PVA纤维被水洗分离出来后，应先进行自然风干，再称量。为保证称量结果的准确性，粗集料用ACS-30电子秤（量程30 kg、分度值10 g）称量，PVA纤维用CX-12000电子秤（量程500 g、分度值0.01 g）称量。

2.3 试验结果分析

经过拌和、采样、水洗分离、干燥、称量以及分析计算，最终得到试验结果，如下页的表1所示。

从表1可以看出，质量分数比例系数和PVA纤维质量的离差系数，开始随着拌和时间的增加而逐渐减小，且分别在某一拌和时间达到最小，然后出现微小的波动。各组样品的质量分数比例系数和PVA纤维质量的离差系数随拌和时间的变化情况如图1所示。

从图1可以看出：当拌和时间为25 s时，质量分数比例系数和PVA纤维质量的离差系数分别处于最小值，然后开始出现波动；达到最小值后，各离差系数值均小于0.05。此外，拌和时间为25 s时，质量分数比例系数和PVA纤维质量的均值均在理论值附近。因此，考虑到试验误差，可认为在拌和时间为25 s时，水泥稳定碎石达到拌和均勻，同时PVA纤维达到分布均匀。此后随着时间的增加均匀性将保持稳定。试验所得结果与理论基本吻合，所以本文所述的均匀性评价方法能准确评定PVA纤维水泥稳定碎石的均匀性。

3 结 语

（1）本文提出了一种评价PVA纤维水泥稳定碎石拌和均匀性的新方法，该方法也可用于评估其他纤维水泥材料的拌和均匀性。

（2）通过以时间为单因子变量进行拌和试验，证明了该PVA纤维水泥稳定碎石均匀性评价方法合理、可靠，具有可行性。

参考文献：

[1] 张艳聪，王大鹏，田 波，等.道路混凝土离析评价方法[J].公路交通科技，2012，29（1）：23-27，33.

[2] 刘建忠，张丽辉，李长风，等.聚乙烯醇纤维在水泥基复合材料中的分散性表征及调控[J].硅酸盐学报，2015，43（8）：1061-1066.

[3] 徐海纬.混凝土强度影响因素分析与评定方法研究[D].哈尔滨：东北林业大学，2009.

[4] 郑国治，王圆圆.混凝土强度评定方法及问题探讨[J].福建建筑，2002（S1）：73-75.

[5] 高海鹏，田 波，郝冠军，等.新拌水泥混凝土均匀性评价方法[J].公路交通科技，2014，31（12）：25-31.

[6] 高晓刚，王恩涛.超声波声时判断混凝土的密实性与均匀性[J].北方交通，2013，15（B12）：73-75.

[7] 张 鹏，李清富，黄承逵.聚丙烯纤维水泥稳定碎石抗压强度试验研究[J].工业建筑，2008，38（3）：94-96.

[8] 张 乐.影响沥青混凝土拌和站拌和质量因素及解决措施[J].交通世界：建养·机械，2014（8）：74-75.

[9] 赵胜利.沥青混合料拌和质量的影响因素[J].才智，2010（3）：35.

[10] 高海鹏.混凝土拌和过程定量化品质管理研究[D].天津：河北工业大学，2014.

[11] 杨红辉，王建勋，郝培文，等.纤维在水泥稳定碎石基层中的应用[J].长安大学学报：自然科学版，2006，26（3）：14-16.

[12] 张 鹏，李清富，黄承逵.聚丙烯纤维水泥稳定碎石收缩性能[J].交通运输工程学报，2008，8（4）：30-34.

[13] 尹 冉.水泥稳定碎石半刚性基层施工与质量控制技术研究[D].西安：长安大学，2007.

[14] 刘洪海，焦生杰，沈晓龙.水泥稳定碎石施工设备匹配技术研究[J].筑路机械与施工机械化，2010，27（1）：75-78.

[15] 陈新轩，张清伟，张新勇，等.基于EDEM的稳定土搅拌均匀性研究[J].筑路机械与施工机械化，2015，32（11）：49-53.

[16] 赵青龙.搅拌工艺对沥青混合料搅拌均匀性的影响[D].西安：长安大学，2015.

[17] 赵利军，余志龙，徐鹏杰，等.返回叶片数量及排布方式对混凝土搅拌均匀性的影响[J].长安大学学报：自然科学版，2016，16（4）：103-110.

[18] 苏文浩.拌和机搅拌时间对混凝土均匀性的影响[J].中国科技财富，2010（24）：338.

[责任编辑：王玉玲]