水泥穩(wěn)定土試樣溶液攪拌器的開發(fā)與應(yīng)用研究

高予芊,王 垚

(遼寧省交通高等?？茖W(xué)校 沈陽市 110122)

0 引言

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

1 傳統(tǒng)制備過程及其不足

1.1 傳統(tǒng)制備過程

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

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

(3)后續(xù)試驗(yàn)均以同一時(shí)間為準(zhǔn),隨后將上部清液轉(zhuǎn)移到300ml燒杯內(nèi),攪拌均勻,加蓋表面皿待測[2]。

1.2 傳統(tǒng)制備過程的不足

傳統(tǒng)制備方法采用人工攪拌,存在以下不足:

(1)攪拌過程中產(chǎn)生的氨氣損害職業(yè)健康

攪拌過程中,氯化銨溶劑會(huì)不斷揮發(fā)出氨氣,不僅味道刺鼻難聞,且長期吸入會(huì)損害操作者的職業(yè)健康。氨氣對(duì)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(xì)胞膜結(jié)構(gòu)。當(dāng)氨氣吸入肺部后,容易通過肺泡進(jìn)入血液與血紅蛋白結(jié)合,破壞運(yùn)氧功能,對(duì)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(huì)出現(xiàn)皮膚色素沉積和手指潰瘍等癥狀。短期內(nèi)吸入大量氨氣會(huì)出現(xiàn)流淚、咽痛、聲音嘶啞、咳嗽、胸悶、呼吸困難等癥狀 。

(2)持續(xù)攪拌工作強(qiáng)度較大易疲勞

為監(jiān)控水泥穩(wěn)定土質(zhì)量穩(wěn)定性,生產(chǎn)過程中需要經(jīng)常性地進(jìn)行水泥劑量檢驗(yàn)。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(xù)勻速攪拌,攪拌操作單調(diào)枯燥,環(huán)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(yàn)精度

采用人工攪拌方式制備試樣溶液時(shí),需要試驗(yàn)者自行記錄攪拌時(shí)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(shí)間和攪拌頻率無法精確統(tǒng)一,因此試樣溶液的均勻性和穩(wěn)定性無法保證,可能影響試驗(yàn)精度。

(4)目測試樣溶液澄清度存在主觀性

在傳統(tǒng)試驗(yàn)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(biāo)準(zhǔn),通常憑借試驗(yàn)人員的肉眼觀察和工作經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行判斷,因此試樣溶液澄清度的標(biāo)準(zhǔn)無法統(tǒng)一,無法保證試驗(yàn)的精度和嚴(yán)謹(jǐn)性。

2 水泥穩(wěn)定土試樣溶液攪拌器的開發(fā)設(shè)計(jì)與操作

2.1 功能設(shè)計(jì)

為保證試樣溶液制備的均勻性和穩(wěn)定性,需要對(duì)攪拌的時(shí)長、頻率和攪拌位置進(jìn)行控制。因此,攪拌器需要具備定時(shí)設(shè)置、定時(shí)提醒、定速設(shè)置、定位攪拌、自我保護(hù)和溶液澄清度自動(dòng)檢測等主要功能。

2.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

該攪拌器主要由機(jī)器頭、機(jī)架和攪拌缸三部分組成,結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1所示。

1.底座 2.立柱 3.調(diào)節(jié)螺旋 4.固定夾 5.承載架 6.攪拌棒 7.攪拌架 8.支撐環(huán) 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(dòng)體 16.棘齒輪 17.吊桿 18.轉(zhuǎn)套

2.2.1攪拌頭的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

(1)攪拌棒非對(duì)稱布置確保攪拌的均勻性

攪拌頭內(nèi)部由低速電機(jī)和控制集成電路板構(gòu)成,并有排線線纜連接,可實(shí)現(xiàn)試樣溶液的定時(shí)定速攪拌。攪拌棒架上設(shè)有多個(gè)等距的攪拌棒插孔,插孔中設(shè)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(fēng)險(xiǎn)。圓頭玻璃攪拌棒與步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)軸中軸線采用非對(duì)稱布置,確保圓頭玻璃攪拌棒在轉(zhuǎn)動(dòng)過程中充分?jǐn)嚢柙嚇?從而保證攪拌的質(zhì)量、均勻性和一致性。

(2)棘齒輪從動(dòng)裝置保證機(jī)電系統(tǒng)安全性

攪拌頭上的低速電機(jī)轉(zhuǎn)軸穿過攪拌架的圓孔進(jìn)行活動(dòng)連接,低速電機(jī)的轉(zhuǎn)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(zhuǎn)動(dòng)。帶有彈簧的卡銷由卡銷座、彈簧、卡銷蓋和卡銷組成。當(dāng)卡銷脫離棘齒輪時(shí),低速電機(jī)轉(zhuǎn)軸帶動(dòng)攪拌架轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)圓頭玻璃攪拌棒被砂石料卡住或攪拌阻力過大時(shí),棘齒輪會(huì)推動(dòng)卡銷壓縮彈簧在卡銷座內(nèi)產(chǎn)生滑動(dòng),卡銷跳動(dòng)到棘齒輪的下一個(gè)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(jī),確保設(shè)備機(jī)電系統(tǒng)安全,具體設(shè)計(jì)見圖2。

1.棘齒輪 2.卡銷 3.卡銷座 4.彈簧 5.蓋板

2.2.2機(jī)架的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

(1)機(jī)架的組成

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

1.支撐環(huán) 2.立柱 3.固定夾 4.調(diào)節(jié)螺旋 5.底座 6.開關(guān) 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(shè)計(jì)

如圖4所示,在機(jī)架兩側(cè)立柱上裝有非接觸光學(xué)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(jié)束等待沉淀的過程中,非接觸光學(xué)液體濁度傳感器可以實(shí)時(shí)檢測試樣溶液的濁度,當(dāng)液體濁度降低至設(shè)定值時(shí),設(shè)備自動(dòng)提醒試驗(yàn)人員溶液已經(jīng)澄清至適合滴定的標(biāo)準(zhǔn),方便進(jìn)行后續(xù)試驗(yàn)。

1.攪拌缸 2.探頭1 3.探頭2 4.機(jī)架立柱 5.機(jī)架底座

2.2.3攪拌缸的設(shè)計(jì)

為配合非接觸光學(xué)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(nèi)側(cè)標(biāo)有刻度,便于讀取缸體內(nèi)液體的體積,并設(shè)有手柄方便取用。當(dāng)同時(shí)使用多個(gè)攪拌器時(shí),攪拌缸的透明度應(yīng)統(tǒng)一。建議專缸專用,更換攪拌缸時(shí),應(yīng)進(jìn)行必要標(biāo)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(jī)架底盤上,轉(zhuǎn)動(dòng)攪拌缸固定螺旋,將固定夾緊貼攪拌缸實(shí)現(xiàn)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(nèi)的混合料中。

(4)將插頭插入插座,開啟電源開關(guān),設(shè)備通電,此時(shí)控制面板電源指示燈亮起。

(5)設(shè)置攪拌時(shí)間:根據(jù)試樣質(zhì)量選擇攪拌時(shí)間(300g試樣攪拌3min,1000g試樣攪拌5min)。按下設(shè)置按鈕,將攪拌時(shí)間設(shè)定為3min或5min,此時(shí)數(shù)碼顯示屏上顯示已設(shè)置的攪拌時(shí)間。

(6)按下啟動(dòng)/暫停按鈕,啟動(dòng)低速電機(jī),帶動(dòng)攪拌架和圓頭玻璃攪拌棒以120rad/min的轉(zhuǎn)速開始攪拌。數(shù)碼顯示屏上顯示倒計(jì)時(shí),當(dāng)顯示的時(shí)間為“0”時(shí),低速電機(jī)停止工作,蜂鳴器發(fā)出“滴滴”音提示攪拌結(jié)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(xué)液體濁度傳感器電源開關(guān),實(shí)時(shí)監(jiān)測試樣溶液的濁度,當(dāng)試樣溶液澄清至設(shè)定的濁度值時(shí),設(shè)備自動(dòng)發(fā)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(wěn)的桌面上,方可進(jìn)行后續(xù)試驗(yàn)。

3 攪拌器的應(yīng)用效果

3.1 保護(hù)職業(yè)健康

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

3.2 提高試驗(yàn)工作效率

應(yīng)用攪拌器制備水泥穩(wěn)定土試樣溶液,一方面可以解放試驗(yàn)者的雙手,減少固定循環(huán)操作;另一方面,一名試驗(yàn)人員可以同時(shí)制備多份試樣溶液,且制備過程無需試驗(yàn)者參與,成倍提升工作效率,在水泥劑量標(biāo)準(zhǔn)曲線試驗(yàn)中,這一優(yōu)勢更加明顯[3]。

3.3 提高水泥劑量試驗(yàn)檢測精度

應(yīng)用攪拌器制備水泥穩(wěn)定土試樣溶液,不僅精確統(tǒng)一了攪拌次數(shù)、攪拌速度和攪拌時(shí)間,同時(shí)也明確了試樣溶液澄清度的判定標(biāo)準(zhǔn),為控制試驗(yàn)可變條件,提高試驗(yàn)精度提供保障。

4 結(jié)語

該攪拌器不僅適用于制備水泥穩(wěn)定土試樣溶液,同樣適用于制備石灰穩(wěn)定土和綜合穩(wěn)定土試樣溶液[4]。該攪拌器的設(shè)計(jì)開發(fā)與推廣應(yīng)用,可以提高水泥劑量試驗(yàn)工作效率,解放試驗(yàn)者的雙手,大幅降低試驗(yàn)工作強(qiáng)度,規(guī)范統(tǒng)一試驗(yàn)條件,保證試驗(yàn)精度,在保障試驗(yàn)者的職業(yè)健康方面亦具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。