橋梁支座智能灌漿系統(tǒng)的設(shè)計及應(yīng)用研究

陳勝吉，袁亞軍，蔣少波

(湖南聯(lián)智橋隧技術(shù)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(yù)制梁架設(shè)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(nèi)對此項灌漿設(shè)備的研究尚未引起重視，存在下列相關(guān)的問題。

設(shè)備簡陋：一般的高速鐵路支座灌漿采用的攪拌設(shè)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(shè)備的簡陋，在攪拌工藝上缺乏控制，質(zhì)量難以保證。

計量不準(zhǔn)：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(dǎo)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(dǎo)致實際的水膠比偏大影響漿液質(zhì)量，產(chǎn)生離析、泌水，導(dǎo)致強度不足或凝固時間超出等問題。

施工不規(guī)范、質(zhì)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(zhì)量控制就更為困難，在施工完成后往往很難對制漿質(zhì)量進行追溯。

隨著中國高速鐵路建設(shè)對質(zhì)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(shè)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(shè)備可填補這方面的空白，對于規(guī)范施工工藝、提高施工質(zhì)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(shè)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(zhuǎn)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(zhǔn)確，能保證漿液性能真正達到相應(yīng)技術(shù)規(guī)程要求。

(2)相比于以往對攪拌完全沒有技術(shù)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(yīng)性設(shè)計，提高了攪拌效率的同時保證了漿液質(zhì)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(shè)計，便于現(xiàn)場復(fù)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(shù)指標(biāo)

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(zhǔn)確稱量支座灌漿用水、用料與高速定時攪拌完成制漿。其結(jié)構(gòu)組成如圖1所示。

圖1 智能灌漿系統(tǒng)結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)換器等主要部件，用于整個系統(tǒng)的運轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(guān)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(shè)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(shù)指標(biāo)

智能灌漿系統(tǒng)的各項技術(shù)指標(biāo)如表1所示。

4 鐵路橋梁支座智能灌漿系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)

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(shù)指標(biāo)

制漿用水量小，導(dǎo)致攪拌阻力增大，需要攪拌設(shè)備增加扭矩；材料含砂量大，在攪拌時容易在底部沉淀結(jié)塊，一方面導(dǎo)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(yīng)，溫度過高會快速凝結(jié)，而溫度過低則不能在2 h內(nèi)完成終凝并達到20 MPa及以上的強度。

4.1.2 設(shè)備的適應(yīng)性改進

(1)增加攪拌扭矩

原設(shè)計電機功率3 kW,轉(zhuǎn)速1 420 r/min,葉輪設(shè)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(yīng)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(dǎo)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(shè)計改為桿件式設(shè)計，使得攪拌桿橫向可以盡可能貼近攪拌桶的內(nèi)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(shè)計成三角錐形深入桶底錐形區(qū)域?qū)崿F(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(shè)計為30∶1,實際扭矩增加15倍，克服了砂沉淀導(dǎo)致抗扭力矩不足的問題，同時低轉(zhuǎn)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(nèi)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(shè)計了水溫控制箱，水溫控制箱內(nèi)設(shè)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(shè)置界面，輸入設(shè)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(nèi)加水直至到設(shè)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(nèi)投料，開始可較快投料，最后一包要一邊觀察桶內(nèi)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(shè)備靜置，此時可準(zhǔn)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(nèi)，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(shè)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(nèi)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(yīng)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(dān)了DK29+520.405～DK63+032.360段共6座橋梁及昌九預(yù)留的雙線箱梁的預(yù)制施工，箱梁架設(shè)大里程方向278孔，小里程方向610孔，共計888孔。箱梁的架設(shè)工序為：運輸至架梁處-架梁場安裝到位-調(diào)整標(biāo)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(biāo)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(biāo)高符合設(shè)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(zhì)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(zhǔn)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(zhì)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(jié)論

(1)通過程控技術(shù)與傳感器稱重系統(tǒng)的應(yīng)用，實現(xiàn)了投料、用水的準(zhǔn)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(shè)計的攪拌結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)速的降低、攪拌的充分。

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