冷拌樹脂瀝青混凝土拌和機的研制與應(yīng)用

盧亮++張旱英++李春生++張云昊++陳萬如??

摘 要：針對冷拌樹脂瀝青混凝土拌和機械化程度低、拌和質(zhì)量不易控制等問題，在充分掌握樹脂瀝青混凝土及樹脂類固化材料性質(zhì)的特殊性基礎(chǔ)上，對冷拌樹脂瀝青混凝土拌和設(shè)備的膠結(jié)料添加、攪拌系統(tǒng)及控制平臺等幾項關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了深入分析，從而設(shè)計及制定了樹脂瀝青混凝土拌和的工作程序、設(shè)備結(jié)構(gòu)參數(shù)，據(jù)此研制出1套樹脂瀝青混凝土專用拌和設(shè)備。經(jīng)實際工程驗證，設(shè)備各系統(tǒng)運轉(zhuǎn)良好、出產(chǎn)混合料質(zhì)量優(yōu)良，滿足實體工程應(yīng)用技術(shù)要求。

關(guān)鍵詞：樹脂瀝青混凝土；拌和機；數(shù)控添加；智能化

中圖分類號：U415.52 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

Development and Application of Cold Mix Plant for Resin Asphalt Concrete

LU Liang， ZHANG Han- ying， LI Chun- sheng， ZHANG Yun- hao， CHEN Wan- ru

（Zhejiang Transportation Engineering Construction Croup Co. Ltd.， Hangzhou 210012， Zhejiang， China）

Abstract： Aimed at the problems of cold mix plant for resin asphalt concrete that the mechanization level is low and mixing quality is shaky， key technologies for binder adding， mixing system and the control platform were analyzed in depth based on the full grasp of the properties of resin asphalt concrete and resin curing materials. The working procedures and structural parameters were designed， based on which a cold mix plant for resin asphalt concrete was developed. Practical use shows that the machine functions well and yields quality product.

Key words： resin asphalt concrete； mixing plant； numerically controlled addition； intelligentization

0 引 言

樹脂瀝青組合體系鋼橋面鋪裝技術(shù)是由浙江省交通工程建設(shè)集團有限公司等國內(nèi)3家單位自主研發(fā)，截止目前在國內(nèi)幾十座大型鋼箱梁橋施工中已得到應(yīng)用，總體效果良好，且建設(shè)成本低。不過由于應(yīng)用時間相對不長且樹脂類固化材料的特殊性質(zhì)，相關(guān)機械施工設(shè)備的研制一直處于滯后狀態(tài)，核心結(jié)構(gòu)層RA（Reisn Asphalt）樹脂瀝青混凝土拌和設(shè)備自動化程度低，尤其是膠結(jié)料的添加基本依靠人工，造成拌和工效低、控制精度欠缺、施工連貫性不足等問題。為此，亟待研制一套基于單元智能化技術(shù)平臺的樹脂瀝青混凝土攪拌設(shè)備，實現(xiàn)樹脂瀝青流變物的數(shù)控添加，提升攪拌系統(tǒng)的智能化水平，進(jìn)一步確保樹脂瀝青混凝土拌和質(zhì)量。

1 拌和設(shè)備研制關(guān)鍵技術(shù)

1.1 膠結(jié)料輸送、計量及清洗系統(tǒng)設(shè)計

樹脂瀝青混凝土膠結(jié)料采用自主研發(fā)的樹脂瀝青材料，屬于冷固性材料，在非高溫條件下固化成型，在200 ℃以上高溫條件下不軟化，與純?yōu)r青類材料性質(zhì)完全不同，是由A、B兩種組份組成，A組份主要是反應(yīng)性復(fù)合樹脂，B組份包含固化劑、基質(zhì)瀝青及添加劑等。A、B組份按照一定比例混合，隨著溫度、時間的變化，固化反應(yīng)速度逐步加快，材料粘度逐漸增大，在經(jīng)歷溶膠、凝膠、玻璃化、三維交聯(lián)結(jié)構(gòu)四階段熱歷程后，形成以瀝青為分散相、復(fù)合樹脂為連續(xù)相的“超”穩(wěn)定體系[1- 6]。由于A、B兩種組份材料在常溫下都較為粘稠，需要良好的動力系統(tǒng)將其輸送至計量罐內(nèi)，在結(jié)構(gòu)的設(shè)計上，應(yīng)盡量增加輸送管道的橫截面積，減少內(nèi)摩阻力，以便膠結(jié)料能快速的輸送至計量儲罐內(nèi)，而且2種材料的混合比例必須控制精確，為此需設(shè)計一套精密的計量控制程序。同時由于膠結(jié)料在常溫下經(jīng)過10個多小時后會發(fā)生固化，必須設(shè)計1套自動清洗系統(tǒng)預(yù)先對膠結(jié)料混合攪拌罐、混合料攪拌鍋進(jìn)行徹底清洗，以免殘余膠結(jié)料固化對設(shè)備造成嚴(yán)重影響。

1.2 樹脂瀝青混凝土攪拌系統(tǒng)設(shè)計

樹脂瀝青混凝土由樹脂瀝青、0～3 mm和3～5 mm的碎石及礦粉組成，屬于砂粒式密級配混合料，在非高溫、膠結(jié)料比較黏稠狀態(tài)下拌和成型。若采用常規(guī)雙臥軸攪拌系統(tǒng)，一方面攪拌區(qū)域容易存在“死角”，混合料不易達(dá)到均勻的程度，甚至出現(xiàn)漏拌現(xiàn)象，且容易混入更多空氣，造成成品混合料內(nèi)部氣泡較多；另一方面礦料粒徑較小，若軸端密封裝置不嚴(yán)，干拌過程中礦料將從殼體擠入定動間隙，在定動元件中產(chǎn)生研磨作用，磨損定動元件，導(dǎo)致軸端漏漿現(xiàn)象的發(fā)生，最終造成整機無法正常工作[7- 8]。因此，設(shè)計中采用了新型的立軸行星式攪拌系統(tǒng)，該攪拌機主要有2個特點。

（1） 攪拌葉片由多組攪拌臂組成，既有公轉(zhuǎn)又有自轉(zhuǎn)運動，攪拌葉片覆蓋整個攪拌區(qū)域，攪拌軌跡復(fù)雜，攪拌強烈、均勻，如圖1所示。

圖1 攪拌葉片運行軌跡

（2） 所有傳動系統(tǒng)（含電機）置于攪拌罐上部，與混凝土完全隔開，罐體內(nèi)空間大，便于拆裝維修，無雙臥軸攪拌機軸端漏漿現(xiàn)象，維護(hù)方便。

1.3 建立單元智能化技術(shù)平臺

單元智能化技術(shù)平臺主要包括信息采集與傳輸、智能控制、故障診斷與維護(hù)3個方面。在設(shè)備能夠平穩(wěn)有序的按照工藝流程及工作程序?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)的運動學(xué)、動力學(xué)及過程邏輯控制等功能的前提下，研究施工機械的智能化共性技術(shù)，形成樹脂瀝青混凝土攪拌機系列的核心單元智能化技術(shù)[9]。

（1） 建立氣路控制系統(tǒng)、物料循環(huán)輸送系統(tǒng)、混合攪拌系統(tǒng)等數(shù)據(jù)模塊，同時編輯系統(tǒng)控制程序，實現(xiàn)物料輸送、計量、混合攪拌的數(shù)控操作。

（2） 建立完整的數(shù)據(jù)處理模塊，通過人機交互界面的數(shù)字顯示優(yōu)點，方便操作人員的參數(shù)標(biāo)定，實現(xiàn)精確控制。

（3） 建立故障監(jiān)測、顯示和報警功能，操作過程中如若出現(xiàn)異常、故障時，能夠發(fā)出報警信號并實時顯示故障信息。

2 設(shè)備工作原理及結(jié)構(gòu)參數(shù)

2.1 設(shè)備工作原理

綜合現(xiàn)有混凝土攪拌機的結(jié)構(gòu)特點，針對樹脂瀝青材料的特殊性以及施工工藝要求，增加1套材料的輸送添加系統(tǒng)、1套計量系統(tǒng)、1套雙料攪拌系統(tǒng)和1套膠潔料清洗系統(tǒng)。采用單元智能化技術(shù)，控制A、B組份2套物料供給系統(tǒng)同步運作，實現(xiàn)完成2種物料的同步混合攪拌。工藝流程如下：A、B組份液體按規(guī)定的流量、比例壓力輸送至各自的計量罐內(nèi)，通過計量系統(tǒng)精確給定用量后，打入膠結(jié)料在攪拌罐內(nèi)混合攪拌，再通過雙料混合系統(tǒng)將膠結(jié)料與碎石礦料共同攪拌，樹脂瀝青混凝土攪拌機工藝流程見圖2。

圖2 工藝流程

2.2 設(shè)備結(jié)構(gòu)參數(shù)

樹脂瀝青混凝土攪拌機主要構(gòu)成部件包括主攪拌機支架、組份儲罐、膠料添加計量系統(tǒng)、混合料攪拌系統(tǒng)、人機交互系統(tǒng)等。主攪拌機支架為鋼體焊接結(jié)構(gòu)件，長為3.3 m，寬為3.3 m，高為7.8 m。上方固定混凝土攪拌缸，拌缸左進(jìn)料口上方安放樹脂瀝青攪拌罐，外接A、B膠結(jié)料輸送管道，右進(jìn)料口上方安放集料輸送斗。集料輸送斗前方布置一臺PZ50型配料機。A、B儲罐布置在主攪拌機左側(cè)，氣路控制系統(tǒng)、膠料添加計量系統(tǒng)，混合攪拌系統(tǒng)等控制器布置在主控制室內(nèi)。整機總體布置結(jié)構(gòu)緊湊，方便維修保養(yǎng)，并且操作視線良好，操作簡單方便。整機總體布局如圖3所示，主要技術(shù)參數(shù)見表1。

圖3 整機總體布局

3 系統(tǒng)構(gòu)造及工作原理

3.1 膠結(jié)料計量、輸送及清洗系統(tǒng)

樹脂瀝青膠料儲存罐采用8 mm鋼板卷邊焊接而成，用來儲存A、B膠料，如圖4所示。儲罐內(nèi)設(shè)有循環(huán)輸送系統(tǒng)，保證膠料24 h流動。膠料通過上部的開口打入儲存罐內(nèi)，由下部的輸送管道輸送至計量罐內(nèi)。

圖4 樹脂膠料儲罐

樹脂瀝青A、B組份膠料的輸送添加系統(tǒng)由齒輪泵、紅外線傳感器、管道、氣動閥門等組成。輸送前B料通過輸送泵進(jìn)行內(nèi)循環(huán)，使儲罐中的材料保持一定的流動性，輸送開始后通過氣動閥門自動切換，使物料進(jìn)入計量罐內(nèi)，如圖5所示。

圖5 計量罐

樹脂瀝青膠料的計量系統(tǒng)由傳感器和帶指示標(biāo)的浮球組成，計量系統(tǒng)如圖6所示[10]。傳感器安裝在帶有尺寸刻度的高度標(biāo)尺上，定位塞固定住浮球的標(biāo)桿，使得標(biāo)桿只能沿定位塞的中心孔作上下運動。當(dāng)工作氣泵向外輸料，貯罐內(nèi)的液面下降到達(dá)一定位置處時，浮球的指示標(biāo)被設(shè)在高度標(biāo)尺上的傳感器所感應(yīng)，進(jìn)而監(jiān)控計量裝置，從而發(fā)出指令停止工作氣泵的輸料，使A、B組份膠料達(dá)到準(zhǔn)確配比。

圖6 計量系統(tǒng)

清洗系統(tǒng)由清洗罐、油泵、管道、氣動閥門、環(huán)形噴管等組成，位于膠料攪拌罐下方。當(dāng)攪拌罐完成攪拌后，微機發(fā)出信號，指示油泵將清洗液通過管道輸送至環(huán)形噴管，噴管口由若干個等間距的孔洞組成，環(huán)布與噴管四周，可實現(xiàn)全角度噴灑。待攪拌罐內(nèi)充滿清洗液后，氣動閥門自動開啟將清洗液回收至清洗罐內(nèi)。

3.2 樹脂瀝青混凝土攪拌系統(tǒng)

選用新型的立軸行星式攪拌機，如圖7所示，主要由電動機、行星減速器、攪拌系統(tǒng)、供水系統(tǒng)、卸料裝置、攪拌罐、電動油泵等組成。整個攪拌系統(tǒng)由回轉(zhuǎn)支撐、攪拌臂、邊刮臂、上支承體及大行星系統(tǒng)等組成。工作時，行星系統(tǒng)的輸出使齒輪驅(qū)動回轉(zhuǎn)體轉(zhuǎn)動，并帶動大行星減速系統(tǒng)（公轉(zhuǎn)體）運轉(zhuǎn)，從而帶動攪拌臂自傳和公轉(zhuǎn)，攪拌臂上4塊相互交錯的鏟片在拌罐內(nèi)快速運轉(zhuǎn)攪拌混凝土。攪拌過程速度和方向時刻變化，攪拌運動強烈、效率高、均質(zhì)性強[11]。同時公轉(zhuǎn)體上裝有邊刮臂，邊刮臂上的葉片與公轉(zhuǎn)體一起轉(zhuǎn)動，可刮除罐內(nèi)壁的混凝土。

圖7 立軸行星攪拌機

3.3 單元智能化平臺

遠(yuǎn)程操作與控制系統(tǒng)由上位控制單元、下位控制單元以及信號處理單元構(gòu)成。下位控制單元，作為智能化數(shù)控加工單元的進(jìn)程控制器，安放在拌和現(xiàn)場，完成拌和過程中的基本任務(wù)。位于中央控制室（圖8）的上位控制單元是混合料加工遠(yuǎn)程控制器，用于對加工過程進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)控與作業(yè)管理，如膠料添加輸送的控制、膠料計量監(jiān)視、膠料攪拌時間的控制，混合料攪拌控制等。上下位單元通過串口連接，完成加工過程控制參數(shù)與狀態(tài)參數(shù)的數(shù)據(jù)交換。傳感器采集到數(shù)據(jù)后，對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波、AD轉(zhuǎn)換等處理，將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，并傳送到PLC。PLC將數(shù)據(jù)信息融合后傳給上位控制單元，完成配方管理、參數(shù)設(shè)定、工作設(shè)定、數(shù)據(jù)處理及生產(chǎn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計等混凝土攪拌設(shè)備要求的功能。

圖8 控制室

4 設(shè)備功能驗證

2013年9月，基本完成了樹脂瀝青混凝土攪拌機的調(diào)試工作，并于10月在浙江74省道南延三門毛張至椒江二橋三門段樹脂瀝青混合料試驗段進(jìn)行了應(yīng)用，施工中各系統(tǒng)運行良好，下位控制單元的傳感器數(shù)據(jù)采集準(zhǔn)確無誤；PLC中端信號傳遞快速，上位控制單元的人機交互平臺顯示正常，反饋準(zhǔn)確無誤；輸送系統(tǒng)可在5秒內(nèi)將膠料輸送至計量罐內(nèi)，計量系統(tǒng)計量精度高，用量給定準(zhǔn)確，每拌膠料總量誤差在±1%以內(nèi)；樹脂瀝青混凝土攪拌機攪拌每拌產(chǎn)量保持在2.8 t左右，生產(chǎn)間隔約為90 s，拌和效率高，混合料均質(zhì)性強。整個拌和過程約3 h，拌和總產(chǎn)量約為330 t，混合料密度以2.34 kg·m-3計算，生產(chǎn)率約為47 m3·h-1，基本達(dá)到了設(shè)計要求。施工后經(jīng)3 d養(yǎng)生，對試驗段路面進(jìn)行取芯檢測壓實度，結(jié)果如表2所示，成型路面情況如圖9所示。

通過上述路面檢測結(jié)果顯示，樹脂瀝青混合料攪拌均勻、色澤一致、無花白料現(xiàn)象產(chǎn)生，拌和機產(chǎn)能已具備大面積施工能力，同時施工后現(xiàn)場壓實度以及滲水系數(shù)等各項路用性能指標(biāo)均達(dá)到了預(yù)期要求，取得了良好的應(yīng)用效果。

5 結(jié) 語

冷拌樹脂瀝青混合料作為高性能材料，其推廣前景良好，但由于相關(guān)技術(shù)及造價等諸多因素的限制，國內(nèi)對樹脂瀝青混合料及其配套設(shè)備的研究一直處于滯后狀態(tài)，而冷拌樹脂瀝青混凝土攪拌機的研制成功在一定程度上改變了這種現(xiàn)狀，使得樹脂瀝青混合料的拌和從人工操作走向了機械自動化操作，重點解決了樹脂瀝青聚合流變物的數(shù)控添加及攪拌質(zhì)量不易控制等問題，實現(xiàn)了樹脂瀝青迅速添加、計量精確、樹脂瀝青混凝土攪拌均勻的目的；單元智能化技術(shù)平臺的建立實現(xiàn)了人機交互式操作，避免了以往基本依靠人工、施工連慣性不足等問題。進(jìn)一步完善了樹脂瀝青組合體系鋼橋面鋪裝技術(shù)配套設(shè)備的先進(jìn)性，有力促進(jìn)該項技術(shù)的推廣及應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)：

[1] 卞鈞霈，陸耀忠，盧 亮，等.高等級公路瀝青路面設(shè)計、施工與養(yǎng)護(hù)技術(shù)[M].北京：人民交通出版社，2012.

[2] 蘇忍讓，安中進(jìn)，宋緒丁.新型環(huán)氧瀝青橋面防水粘結(jié)層的試驗研究[J].筑路機械與施工機械化，2015，32（5）：84- 86.

[3] 潘友強，郭忠印.大縱坡小半徑鋼橋面瀝青鋪裝設(shè)計研究[J].同濟大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2012，40（9）：1333- 1337.

[4] 楊建平，汪浙民，沈加道，等.RA05樹脂瀝青混凝土施工性能研究[J].公路交通科技：應(yīng)用技術(shù)版，2012（12）：98- 100.

[5] 田志葉，徐全亮.樹脂瀝青混凝土施工容留時間的研究[J].公路交通科技：應(yīng)用技術(shù)版，2013（1）：169- 171.

[6] 閔召輝，黃 衛(wèi).環(huán)氧瀝青的粘度與施工性能研究[J].公路交通科技：應(yīng)用技術(shù)版，2006（8）：5- 8.

[7] 王秀麗.雙臥軸強制式混凝土攪拌主機參數(shù)優(yōu)化設(shè)計[D].濟南：山東大學(xué)，2012.

[8] 唐潤秋，汪 敏，戚曉利，等.雙臥軸強制式混凝土攪拌機葉片的磨料磨損研究[J].冶金設(shè)備，2013（1）：15- 20.

[9] 關(guān)鐘明.瀝青拌合樓的計算機智能控制系統(tǒng)研究[D].廣州：廣東工業(yè)大學(xué)，2000。

[10] 余建輝.間歇式瀝青攪拌設(shè)備稱量系統(tǒng)設(shè)計[J].筑路機械與施工機械化，2004，21（7）：17- 18.

[11] 陳 沖.立軸行星式攪拌機參數(shù)選擇及試驗[D].西安：長安大學(xué)，2012.

[責(zé)任編輯：高 甜]