高流動度預(yù)應(yīng)力水泥漿渦輪式攪拌機組應(yīng)用研究*

白志文，李 燕，孫勝偉，李 強

(中國建筑第二工程局有限公司，北京 100160)

1 工程概況

廣東太平嶺核電站核島反應(yīng)堆廠房為雙層安全殼結(jié)構(gòu)，內(nèi)安全殼帶有6mm厚鋼襯里，為大噸位后張拉有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，外安全殼為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。內(nèi)安全殼由公共筏基、筒體、環(huán)梁和穹頂組成，筒體內(nèi)徑45m、厚1.2m，混凝土強度等級為C60，設(shè)2個扶壁柱；外安全殼筒體厚度1.5m，混凝土強度等級為C50，內(nèi)、外安全殼間環(huán)廊間距1.8m。

內(nèi)安全殼共布置242束預(yù)應(yīng)力鋼束，主要包括豎向鋼束、水平鋼束及Gamma鋼束(見圖1)，其中豎向鋼束44束，底部錨固在反應(yīng)堆廠房下部預(yù)應(yīng)力廊道頂，上部錨固于環(huán)梁頂部；水平鋼束98束，兩端分別錨固于133°，313°扶壁柱兩側(cè)；Gamma鋼束100束，底部錨固在反應(yīng)堆廠房下部預(yù)應(yīng)力廊道頂，上部跨過穹頂錨固在環(huán)梁底部，在穹頂區(qū)域分上、下2層，投影面上相互垂直布置。

圖1 內(nèi)安全殼預(yù)應(yīng)力剛束布設(shè)

核電站通常采用有粘結(jié)后張拉預(yù)應(yīng)力系統(tǒng)。在結(jié)構(gòu)中預(yù)留預(yù)應(yīng)力孔道并澆筑混凝土，待混凝土達到指定強度后再穿入鋼束張拉，并利用錨具將預(yù)張拉力傳遞給混凝土，使結(jié)構(gòu)在承受外荷載前預(yù)先受到一定的壓應(yīng)力。傳統(tǒng)手持式攪拌器或葉片強制式攪拌機在攪拌預(yù)應(yīng)力水泥漿時，難以做到均勻性和產(chǎn)出量的平衡，存在水泥等膠凝材料沉底現(xiàn)象，通常會出現(xiàn)下層稠、上層稀的狀態(tài)，且易出現(xiàn)局部結(jié)塊情況。為解決以上問題，經(jīng)多方調(diào)研，綜合項目場地布置、設(shè)計要求等，研發(fā)渦輪式攪拌機，通過渦輪循環(huán)原理，實現(xiàn)上、下層物料對流，徹底解決攪拌機攪拌不均勻問題。該機組技術(shù)先進，性能可靠，與國外設(shè)備對比，成本低，性價比高，可替代進口，在核電建設(shè)中發(fā)揮重要作用。預(yù)應(yīng)力水泥漿攪拌站場地布設(shè)如圖2所示。

圖2 預(yù)應(yīng)力水泥漿攪拌站場地布設(shè)

2 設(shè)計原則

對高流動度預(yù)應(yīng)力水泥漿渦輪式攪拌機組進行優(yōu)化設(shè)計，優(yōu)化范圍主要包括攪拌主機、二次攪拌裝置、成品儲存罐等，以滿足核電預(yù)應(yīng)力漿體灌漿時對緩凝漿和膨脹漿的較高要求，須遵循以下原則。

1)緩凝漿攪拌后初始流動度須>9s且

2)膨脹漿攪拌后應(yīng)即時測定流動度，應(yīng)為14～26s，攪拌后應(yīng)在30min內(nèi)完成灌漿，漿體溫度宜≤25℃。

3)水泥漿各組分在混合體系中均勻分布，勻質(zhì)性良好。

3 主要技術(shù)

3.1 渦流分散攪拌技術(shù)

新型渦流高速攪拌主機采用渦流分散攪拌技術(shù)，主要用于攪拌水灰比<1∶3.5的水泥漿，具有效率高、便捷、制漿均勻及短距離輸送等特點。

1)攪拌主機采用閉式精鑄高鉻合金葉輪，具有壓力大、流速快等特點，適合超低水灰比漿體。封閉式葉輪結(jié)構(gòu)自循環(huán)流量達840L/min，葉片采用高鉻合金，精密鑄造，耐磨性好，壽命高，循環(huán)流量提高30%。

2)采用單個梯形擾流板渦流效果更好，渦流速度和循環(huán)速度更快，效率提高20%，制成的漿液具有高勻質(zhì)性、高流動性。

3)主機上端循環(huán)口低于液面額定漿體總高度1/3，循環(huán)口沿罐體切線方向布設(shè)，渦流效果更好，渦流速度和循環(huán)速度更快。

3.2 多旋流組合二次攪拌技術(shù)

漿體的二次攪拌工具采用4組攪拌裝置呈矩形布置，攪拌桿上均勻分布上、下3組三葉片設(shè)計，三葉片采用扇貝形，可形成軸流和旋流的組合，攪拌均勻，相比于1組攪拌裝置，攪拌均勻、效率高、無死角。

3.3 智能控溫技術(shù)

成品漿罐智能冷水循環(huán)保溫系統(tǒng)可根據(jù)罐內(nèi)漿體實時溫度智能控制冷水循環(huán)速度和時長，達到節(jié)能保溫的目的。原料溫度智能控制系統(tǒng)可根據(jù)環(huán)境溫度及攪拌桶內(nèi)漿體實時溫度，智能控制冷水和水泥等原料的入罐溫度，必要時啟動加冰系統(tǒng)實行溫控。

3.4 分段變頻雙向螺旋投料技術(shù)

雙向螺旋投料技術(shù)實現(xiàn)了向2個主機交替投料，均勻可控，同時避免堵料。分段變頻投料技術(shù)前段投料速度快，后段投料速度慢,適合核電超低水灰比漿體，避免投料過快，水泥與水無法充分接觸而形成結(jié)塊。前段水泥投料440kg，頻率50Hz，投料時間183s；后段水泥投料260kg，采用間歇投料技術(shù)，使用氣動蝶閥控制投料時間為停4s、開1s，頻率30Hz，投料時間58s。

3.5 智能控制技術(shù)

液體計量采用流量計量方式，攪拌站采用傳感器自動電子稱量，提高了精度和自動化程度。故障自診斷和過程回溯功能實現(xiàn)了故障診斷與預(yù)測和過程回放追溯，對生產(chǎn)數(shù)據(jù)進行處理利用。傳感器免碼標定稱量控制技術(shù)免碼標定，第1次標定后，后期程序可自動計算角差和重量微調(diào)系數(shù)，自動校稱，減少人工工作量，適合核電超低水灰比漿體投料時序的控制，自動控制投料程序，減少人工，提高運作效率。

4 預(yù)應(yīng)力水泥漿攪拌站設(shè)置要點

預(yù)應(yīng)力水泥漿攪拌機組為一個全封閉系統(tǒng)，有利于抵御沿海非正常工況下風(fēng)荷載和海洋氣候?qū)υO(shè)備的侵襲。機組分4個功能區(qū)，即粉料區(qū)、生產(chǎn)區(qū)、操作區(qū)、廠外區(qū)，相對隔離，實現(xiàn)4個區(qū)域的不同控溫要求。

粉料區(qū)配置2個粉料倉，均可用于儲存水泥，最大容量可達70m3，其中1個可作為降溫待用倉，確保生產(chǎn)時所用水泥溫度<30℃，有利于漿體制備。

生產(chǎn)區(qū)配備2套制漿主機、3套自動稱量系統(tǒng)、8個成品儲存罐。2套制漿主機可單獨生產(chǎn)，也可雙機交替生產(chǎn)，確保可靠性冗余度。機組運用3套自動稱量系統(tǒng)，實現(xiàn)水、外加劑、水泥的高精度自動稱量，滿足預(yù)應(yīng)力漿體制備對相關(guān)材料的精度控制要求；8個成品儲存罐用于儲存成品漿并進行二次攪拌，漿體制作完成后，通過管道排放至儲存罐，確保效率匹配。攪拌站內(nèi)的成品儲存罐配置1套可移動二次攪拌裝置，可高效快速地對成品儲存罐內(nèi)的漿體進行二次攪拌，實現(xiàn)水泥、水和外加劑的快速均勻攪拌，制成的漿液具有高勻質(zhì)性、高流動性。預(yù)應(yīng)力水泥漿攪拌站設(shè)備布設(shè)如圖3所示，設(shè)備施工布置如圖4所示。

圖3 預(yù)應(yīng)力攪拌站設(shè)備布設(shè)

圖4 預(yù)應(yīng)力攪拌站設(shè)備施工布置

5 模塊功能設(shè)計

攪拌機組可分為5大功能模塊：攪拌模塊、計量模塊、成品儲存和二次攪拌模塊、智能化控制模塊、智能溫控模塊，具有高可靠性、高穩(wěn)定性、模塊化、智能化等特點，各模塊相互協(xié)調(diào)運轉(zhuǎn)，高效快速地滿足生產(chǎn)需求。

1)攪拌模塊 由2套攪拌主機和配套平臺、梯子和欄桿組成。

2)計量模塊 由水泥計量系統(tǒng)、水計量系統(tǒng)和外加劑計量系統(tǒng)構(gòu)成，實現(xiàn)水泥、水和外加劑計量的高可靠性、高精度性。

3)成品水泥漿儲存和二次攪拌模塊 實現(xiàn)一次攪拌后檢驗合格漿體的儲存，加入膨脹劑后進行二次攪拌。二次攪拌罐采用雙層結(jié)構(gòu)，配備冷水循環(huán)保溫功能，由8套成品儲存罐、1套二次攪拌及吊裝裝置、配套平臺和欄桿構(gòu)成。一次攪拌完成后漿體再輸送至二次攪拌罐，加入緩凝劑，進行二次攪拌。8套成品儲存罐配備1套可移動二次攪拌裝置。

4)智能溫控模塊 由溫度采集、制冰和制冷系統(tǒng)組成；可將水泥漿出機溫度控制在15～25℃。攪拌主機和成品罐安裝溫度傳感器，實時檢測溫度，當(dāng)超過設(shè)定值，啟動溫控措施，控制漿體溫度，確保漿體質(zhì)量。

5)智能化控制模塊 由工業(yè)控制計算機、控制管理軟件和電柜組成，實現(xiàn)漿體生產(chǎn)過程中整個環(huán)節(jié)的自動化運行，控制系統(tǒng)采用計算機+PLC控制模式，實現(xiàn)全自動、半自動、手動工作方式自由切換，多重保障提高攪拌效率和計量精度。

6 制備工藝

6.1 主要工藝流程(見圖5，6)

圖5 緩凝漿制備工藝流程

圖6 膨脹漿制備工藝流程

6.2 攪拌站建設(shè)

預(yù)應(yīng)力攪拌站建設(shè)位置選擇在距離核島直線距離1km以內(nèi)，確保在10min內(nèi)可將漿體運送至現(xiàn)場，確保漿體流動性和溫度滿足施工需求。建筑尺寸約為19.5m×11.5m(軸線尺寸)，圍墻尺寸約為27.0m×57.0m。攪拌站建設(shè)采用鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計方案，樓板采用鋼格柵板，料倉及攪拌間屋架為雙坡屋面形式，圍護結(jié)構(gòu)為彩鋼夾心板。

表1 緩凝漿配合比試驗數(shù)據(jù)

表2 膨脹漿配合比試驗數(shù)據(jù)

6.3 漿體試驗

6.3.1研究性試驗

通過調(diào)整不同材料質(zhì)量，對配合比進行微調(diào)，根據(jù)漿體流變性能和硬化性能，得出較優(yōu)配合比范圍。緩凝漿、膨脹漿配合比試驗數(shù)據(jù)分別如表1，2所示。根據(jù)多次試驗結(jié)果對比，得出緩凝漿較優(yōu)配合比為1∶0.310∶0.024∶0.002 3，膨脹漿較優(yōu)配合比為1∶0.32∶0.018。

6.3.2上機(驗收)試驗

考慮到預(yù)應(yīng)力攪拌站生產(chǎn)設(shè)備與實驗室攪拌器具原理和功率的不同，生產(chǎn)滿足技術(shù)要求的漿體所需水灰比與實驗室可能有差別，因此，可根據(jù)漿體性能在研究性試驗的基礎(chǔ)上適當(dāng)調(diào)整水灰比，最后通過試驗驗證擬用配合比生產(chǎn)的漿體性能。膨脹漿環(huán)境溫度20℃、水溫4.5℃、配合比為1∶0.32∶0.018；緩凝漿環(huán)境溫度23.5℃、水溫4.4～7.5℃、配合比為1∶0.310∶0.024∶0.002 3。膨脹漿、緩凝漿上機試驗數(shù)據(jù)分別如表3，4所示。

表3 膨脹漿上機試驗數(shù)據(jù)

表4 緩凝漿上機試驗數(shù)據(jù)

由試驗結(jié)果可知，量產(chǎn)狀態(tài)下漿體流動度、勻質(zhì)性、穩(wěn)定性和溫控滿足質(zhì)量需求，各項指標均滿足施工需求，預(yù)應(yīng)力水泥漿攪拌站功能良好。

6.3.3小比例灌漿模擬試驗

通過使用正式施工的生產(chǎn)設(shè)備，對實體工程局部縮小后進行灌漿試驗，從而驗證量產(chǎn)狀態(tài)下的漿體配合比和各項工藝性能滿足設(shè)計要求的情況。試驗條件同上機試驗。膨脹漿、緩凝漿小比例試驗數(shù)據(jù)分別如表5，6所示，小比例試驗導(dǎo)管切面效果如圖7所示。

表5 膨脹漿小比例試驗數(shù)據(jù)

表6 緩凝漿小比例試驗數(shù)據(jù)

圖7 小比例試驗導(dǎo)管切面效果

小比例試驗結(jié)果表明，漿體各項指標均滿足施工需求，且漿體硬化后外觀質(zhì)量良好，滿足正式施工需求，預(yù)應(yīng)力水泥漿攪拌站經(jīng)過4個月的生產(chǎn)運行，性能穩(wěn)定可靠。

7 結(jié)語

研究充分借鑒了已施工項目施工經(jīng)驗及技術(shù)基礎(chǔ)，結(jié)合相關(guān)國家及行業(yè)規(guī)范要求，針對已知問題和可能存在的不足之處，對預(yù)應(yīng)力水泥漿攪拌站建設(shè)進行探索、改進、優(yōu)化與固化，形成完善的預(yù)應(yīng)力水泥漿攪拌站施工建設(shè)技術(shù)體系，能在后續(xù)施工中滿足多個核電站同時建造要求，也為相關(guān)領(lǐng)域或相同情況下預(yù)應(yīng)力水泥漿攪拌站建設(shè)提供指導(dǎo)和借鑒意義。