陳勝吉，袁亞軍，蔣少波

(湖南聯(lián)智橋隧技術有限公司，湖南 長沙 410205)

1 前言

高速鐵路橋梁支座灌漿用于各種預制梁架設時支座底板與墩臺支承墊石之間。其要求灌漿后早強(2 h抗壓強度達到20 MPa以上)、表面平整(要求漿液自流平整)、微膨脹、零泌水。目前中國國內對此項灌漿設備的研究尚未引起重視，存在下列相關的問題。

設備簡陋：一般的高速鐵路支座灌漿采用的攪拌設備都比較簡單，往往是現(xiàn)場采用一個手電鉆連接一根自制的攪拌桿進行攪拌，而攪拌桶往往也是在現(xiàn)場隨意找一個體積合適的桶來代替，由于設備的簡陋，在攪拌工藝上缺乏控制，質量難以保證。

計量不準：人工現(xiàn)場攪拌，在支座灌漿料以及水的計量上隨意性比較大，且支座灌漿料的水膠比較小，一般為0.14～0.18，用水量小導致攪拌阻力較大，在制漿量要求大的情況下人工操作比較困難，為便于攪拌往往隨意加水導致實際的水膠比偏大影響漿液質量，產(chǎn)生離析、泌水，導致強度不足或凝固時間超出等問題。

施工不規(guī)范、質量不可控：整個支座制漿灌漿過程全由人工操作，過程很難控制，因而質量控制就更為困難，在施工完成后往往很難對制漿質量進行追溯。

隨著中國高速鐵路建設對質量問題的高度重視，對施工過程的不斷規(guī)范，現(xiàn)階段落后的支座灌漿施工工藝及設備已經(jīng)遠不能滿足需求，因此開發(fā)一款高速鐵路支座自動灌漿設備可填補這方面的空白，對于規(guī)范施工工藝、提高施工質量，都大有裨益。

2 鐵路橋梁支座智能灌漿系統(tǒng)原理與特點

2.1 鐵路橋梁支座智能灌漿系統(tǒng)的原理

鐵路橋梁支座智能灌漿系統(tǒng)分為制漿與灌漿兩部分，其主要控制部件為可編程邏輯控制器，通過在攪拌桶底部設置的3個均勻分布的測重傳感器將投料與攪拌用水的重量通過信號轉換輸送至可編程邏輯控制器實時分析水膠比并進行校核，對不合格漿液自動完成水的添加和提示人工投料重量，全過程一鍵完成加水、制漿、灌漿施工[考慮到每次制漿量不多，自動上料增加整機的重量而不便于移動，采用人工整包投料，一般每包料重量(20±0.05)kg，可以直接按此重量計量而不需要稱量]。

2.2 鐵路橋梁支座智能灌漿系統(tǒng)的特點

(1)相比于以往人工隨意將材料混合攪拌，智能灌漿系統(tǒng)實現(xiàn)了現(xiàn)場對橋梁支座灌漿材料(水，專用灌漿料)的精確計量，水膠比準確，能保證漿液性能真正達到相應技術規(guī)程要求。

(2)相比于以往對攪拌完全沒有技術要求的現(xiàn)狀，智能灌漿系統(tǒng)根據(jù)材料配比對攪拌線速度與角速度進行了適應性設計，提高了攪拌效率的同時保證了漿液質量的穩(wěn)定性。

(3)從計量到攪拌到灌漿，全部由系統(tǒng)自動控制，自動化程度高，友好的操作界面與簡潔的操作按鈕，便于現(xiàn)場知識層次較低的人使用；便捷輕巧的設計，便于現(xiàn)場復雜環(huán)境下的移動。

3 鐵路橋梁支座智能灌漿系統(tǒng)的組成及技術指標

3.1 系統(tǒng)組成

鐵路橋梁支座灌漿系統(tǒng)由高速攪拌桶、稱重系統(tǒng)、控制箱、人機交互界面、電磁閥門、底架等幾大部分組成。該系統(tǒng)由可編程邏輯控制器PLC作為控制中心，由觸摸屏、按鈕作為人機交互裝置。通過按鈕與觸摸操控實現(xiàn)準確稱量支座灌漿用水、用料與高速定時攪拌完成制漿。其結構組成如圖1所示。

圖1 智能灌漿系統(tǒng)結構圖

(1)控制箱。包含可編程邏輯控制器PLC，配電系統(tǒng)、直流電源、信號轉換器等主要部件，用于整個系統(tǒng)的運轉程控。

(2)稱重系統(tǒng)。由沿攪拌桶周均勻布置的3個稱重傳感器和信號轉換器組成，用于稱取攪拌用水、支座灌漿料的重量。

(3)攪拌桶。由桶體、攪拌桿、高速電機、連軸器、支撐架組成，整個攪拌桶通過支撐架上的稱重傳感器支撐以做稱重之用。

(4)電磁閥門。由PLC控制自動開啟與關閉實現(xiàn)自動加水功能，由手動按鈕控制實現(xiàn)手動加水功能。

(5)人機交互界面。由觸摸屏與按鈕組成，通過觸摸設置制漿參數(shù)、水膠比校核；通過按鈕實現(xiàn)中間過程啟停、加水、加料等控制。

3.2 技術指標

智能灌漿系統(tǒng)的各項技術指標如表1所示。

4 鐵路橋梁支座智能灌漿系統(tǒng)的關鍵技術

4.1 漿液攪拌

4.1.1 支座灌漿料的特性

鐵路支座灌漿材料是專用材料，其性能區(qū)別于普通的水泥灌漿材料，支座灌漿料水膠比小，一般為0.14～0.18，材料中砂的含量較高，且含有快干早強的組分，10～15 min將完全失去流動性，2 h要求強度達到20 MPa及以上。

表1 鐵路橋梁支座灌漿系統(tǒng)技術指標

制漿用水量小，導致攪拌阻力增大，需要攪拌設備增加扭矩；材料含砂量大，在攪拌時容易在底部沉淀結塊，一方面導致攪拌阻力增加，攪拌不均勻，同時漿液攪拌完成后不能通過底部閥門開口自流出；材料中的快干成分，遇水即快速反應，溫度過高會快速凝結，而溫度過低則不能在2 h內完成終凝并達到20 MPa及以上的強度。

4.1.2 設備的適應性改進

(1)增加攪拌扭矩

原設計電機功率3 kW,轉速1 420 r/min,葉輪設計直徑195 mm，可快速實現(xiàn)攪拌均勻，但由于攪拌速度過快，漿液發(fā)熱量嚴重，水化反應過于迅速，在制漿持續(xù)3～5 min后漿液發(fā)生閃凝現(xiàn)象，導致下一步灌漿的工序無法進行。通過將電機功率減少至1.5 kW，增加減速機，減速比為30∶1，攪拌葉輪尺寸增加到480 mm(攪拌桶尺寸為500 mm)，并將切割式葉片設計改為桿件式設計，使得攪拌桿橫向可以盡可能貼近攪拌桶的內壁，減少材料貼邊無法攪拌到位的問題，并將攪拌桶底錐度做大，加大其向下流出的自重力便于漿液流出，同時將攪拌桿設計成三角錐形深入桶底錐形區(qū)域實現(xiàn)該部分材料的均勻攪拌。通過以上改進，電機功率減少1倍，減速比設計為30∶1,實際扭矩增加15倍，克服了砂沉淀導致抗扭力矩不足的問題，同時低轉速也解決了漿液飛濺與發(fā)熱的問題。

(2)水溫的控制

攪拌用水的水溫過高，容易發(fā)生漿液閃凝的現(xiàn)象，即使不閃凝，漿液的可操作時間大大縮短，而冬季由于水溫過低，漿液在2 h內完成終凝并達到20 MPa的強度很難，為保證施工的順利開展，在養(yǎng)護用水的控制上專門設計了水溫控制箱，水溫控制箱內設置有鉑電阻溫度傳感器，與加熱器、控制系統(tǒng)可編程邏輯控制器連接，自動控制冬季水溫加熱至18～22 ℃的區(qū)間最利于漿液操作時間的控制，而夏季施工水溫一般均不低于15 ℃，并避免使用曬熱的自來水，可保證漿液制漿后可操作時間3～5 min完成灌漿。

4.2 水膠比控制

(1)在觸摸屏參數(shù)設置界面，輸入設計水膠比，如0.18，再輸入此次擬用料的重量，如80 kg，系統(tǒng)自動得出此次需定量加水量：14.4 kg。

(2)按下按鈕定量加水，系統(tǒng)稱量去皮，電磁閥自動打開往攪拌桶內加水直至到設定的重量14.4 kg,此時稱量在14.4 kg附近，可能存在少許差別，暫時不做處理。

(3)按下按鈕啟動攪拌機，攪拌機開始攪拌，按下定量加料按鈕，人工往攪拌桶內投料，開始可較快投料，最后一包要一邊觀察桶內攪拌情況一邊緩慢投料直至投完料并基本攪拌均勻。

(4)按下攪拌機停止按鈕，設備靜置，此時可準確稱量投入的支座灌漿料重量，并能在觸摸屏上看到實時的水膠比，此時水膠比顯示為0.18±0.01的范圍內，則按下定時攪拌的按鈕，定時攪拌30 s完成制漿過程。

(5)如水膠比超出0.18±0.01的范圍，則在觸摸屏上點擊水膠比校核按鈕，顯示需要增加用水或用料的量，如需增加用水，點擊定量加水按鈕，自動加水到設定值，水膠比顯示為0.18±0.01的范圍后按下定時攪拌按鈕，定時攪拌15 s完成制漿過程；如需要加料，按下定量加料按鈕，人工往攪拌桶內加料至水膠比顯示為0.18±0.01的范圍后啟動定時攪拌按鈕，定時攪拌15 s完成制漿過程。

水膠比控制流程圖如圖2所示。

5 現(xiàn)場應用案例

5.1 工程概況

豐城東制梁項目位于江西豐城市小港鎮(zhèn)，豐城東制梁場承擔了DK29+520.405～DK63+032.360段共6座橋梁及昌九預留的雙線箱梁的預制施工，箱梁架設大里程方向278孔，小里程方向610孔，共計888孔。箱梁的架設工序為：運輸至架梁處-架梁場安裝到位-調整標高-灌注支座漿液-漿液成型且強度達到20 MPa-落梁至支座上?？瓦\專線的箱梁安裝標高要求精確到±10 mm，需要在精確定位后通過灌注支座墊石以保證橋梁標高符合設計要求。

圖2 水膠比控制流程圖

5.2 施工過程

在采用鐵路支座智能灌漿系統(tǒng)以前，需要人工以手電鉆連接攪拌桿用塑料桶攪拌漿液，每次攪拌一包20 kg，用水量根據(jù)現(xiàn)場需要保證流動度，對現(xiàn)場施工水膠比沒有嚴格限制，漿液成型后泌水率大，質量難以控制。采用該灌漿系統(tǒng)后，每次投料4包共計80 kg，水膠比0.17,每次用水量13.6 kg由系統(tǒng)自動稱量準確加水，一次攪拌灌注1個支座墊石，每孔制漿灌注4次即可完成施工，冬季室溫為6～10 ℃的條件下試件2 h強度達到25.4 MPa。通過試用該系統(tǒng)，保證了制漿質量，水膠比、泌水率得到嚴格控制，試件早強強度保證率為100%。

6 結論

(1)通過程控技術與傳感器稱重系統(tǒng)的應用，實現(xiàn)了投料、用水的準確計量，并通過可編程邏輯控制器PLC的計算、校核、反饋及自動補償加水等實現(xiàn)了水膠比的精確控制，保證了漿液的性能滿足規(guī)范要求。

(2)通過專門針對支座灌漿料這種特殊材料設計的攪拌結構及攪拌桶，在減少電機功率即減少能耗的條件下實現(xiàn)扭矩的增加、轉速的降低、攪拌的充分。

(3)鐵路橋梁支座灌漿系統(tǒng)的應用，改變了傳統(tǒng)鐵路支座灌漿設備、工藝落后的現(xiàn)狀，實現(xiàn)了制漿灌漿效率提升、質量提高的目標。