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1、 高速铁路水泥乳化沥青砂浆充填层专用泵送灌注设备及工程应用0 前言目前，高速铁路水泥乳化沥青砂浆灌注施工时，都是采用吊车将搅拌好的砂浆中转吊至桥梁或路基等灌注地点，由于吊车吊距有限，因此需频繁移动砂浆搅拌车和吊车，这样不仅增加了吊车来回吊装作业的安全风险（尤其是晚间施工时），还浪费人力物力，严重影响施工进度。并且遇到高桥墩或长隧道时，施工更加困难。针对这种情况，几家知名企业和科研院所最新研发生产了水泥乳化沥青砂浆专用泵，并在京沪高速铁路施工现场和宁杭客专试验段得到成功应用。该泵送设备可直接采用砂浆搅拌车的备用电源，不需再外接电源，使用方便，操作简单，清洗容易，故障率低；泵送时对水泥乳化沥青砂浆
2、的各项性能影响较小；可直接将砂浆泵送至灌注地点，而且泵送效率高、运距远，满足各种施工工况要求；能在有效保证砂浆质量的前提下，大幅提高施工效率，加快施工进度，减少砂浆车移动频次，确保灌注施工的连续性，节省人力物力，减少材料浪费，降低工程成本，促进文明施工。1 水泥乳化沥青砂浆泵送车简介水泥乳化沥青砂浆专用泵是根据高速铁路板式无砟轨道水泥乳化沥青砂浆的性能特点与施工要求，经过前期广泛论证、现场充分试验、后期不断优化而联合开发的并于施工现场成功应用的专用泵送设备。其显著特点是该泵送设备采用了与水泥沥青砂浆这种高敏感性材料适应性良好的先进的专用泵压系统以及独特的管路系统：不仅最大程度地降低了泵送施工对
3、水泥乳化沥青砂浆工作性能以及后期力学性能与耐久性能的负面影响（经大量试验证明泵送前后水泥乳化沥青砂浆的各项性能指标均无明显变化，均满足技术要求）；而且泵送效率高、运距远（水平输送距离可达300m以上，垂直输送高度可达100m以上），满足桥梁、路基、隧道段等各种施工工况要求；使用方便，操作简单，清洗容易；可直接接入砂浆搅拌车的备用电源，不需再外接电源，可靠度高，故障率低。 该专用泵车已在京沪高速铁路和宁杭客专三标段试验段得到了成功应用（某标段内的每台砂浆搅拌车均分别配备了一台专用泵），在有效保证砂浆质量的前提下，大幅提高了施工效率，加快了施工进度，便于流水作业，在作业面足够的情况下，采用该专用泵
4、创下单日正线灌注139块轨道板的记录（当日连续作业17小时）； 图1 砂浆搅拌后投入泵车泵送图2 泵送砂浆入桥上中转斗图3 泵送管道分布图2 水泥乳化沥青砂浆泵特点2.1 泵机特点2.1.1 采用浮动密封，能自动补偿泵机的磨损间隙，密封效果良好。2.1.2 泵机关键部件采用高硬耐磨合金材料，寿命更长。 2.1.3 主油泵采用变量柱塞泵，泵送速度可自行调节。2.1.4 采用全液控换向，安全可靠性高，且换向冲击小。 2.1.5 具有反泵功能，最大限度地减少管道堵塞。 2.1.6 泵机出口压力高，能满足远距离施工的输送要求。2.1.7 液压油冷却采用先进的风冷散热系统，无需接水源，使用简便。2.2
5、效益分析采用该专用泵进行水泥乳化沥青砂浆的泵送，能大幅提高施工效率、有效降低施工成本，减少砂浆材料损耗、节省大量人力物力。假设一个灌板作业队共需灌注5000块轨道板，该作业队一工班工作8小时，灌满一块轨道板板腔实际所需砂浆为0.5方。在灌注工况和施工工序满足要求、原材料供应及时充足、设备无故障的情况下，从施工效率、材料损耗、所需工期、所需设备、所需劳动力、安全风险等方面，将泵送施工与吊车中转两种施工方式进行综合对比分析，同时，计算出泵送施工与吊车中转两种施工方式的经济效益对比情况，见表1所示。表1 泵送施工与吊车中转两种施工方式的经济效益对比施工方式按工序要求所需专用设备（台）按工序要求所需额
6、外劳动力（人）施工效率（块/小时）5000块板所需工期（天）每块板所需砂浆（方）5000块板所需砂浆（方）安全风险评估泵送施工砂浆泵砂浆车操作手操作，无额外人员10630.5022510低吊车中转吊车中转斗装卸中转斗至少需3人、吊车司机1人61050.5122560很高对比结果节省劳动力4人提高施工效率60%以上缩短工期42天单块轨道板节省砂浆0.01方共节省砂浆50方砂浆大幅降低现场施工安全风险经济效益节省3.5万元节省3.4万元节省3.4万元节省30元节省15万元（1）设备费泵送施工：按采购一台新的砂浆泵计算，12万元/台；砂浆泵在施工结束后，作为企业固定资产，在使用过程中，作为折旧费计算
7、，假设按50%折旧（高于国家规定的折旧比例），即设备使用费用为6万元。吊车中转：按租赁一台25T吊车计算，900元/台/天；按105天施工工期计算，吊车租赁费用共计9.5万元。因此，在设备费方面，泵送施工比吊车中转施工至少节省3.5万元。（2）人员费无需额外工序而节省的人员费：假设每人每工班工资80元，由此可计算出泵送施工比吊车中转施工节省的额外工序人员费为80（元/天/人）4（人）105（天）=3.4万元；缩短工期而节省的人员费：假设每人每工班工资80元，固定工序（封边、灌注、封堵排气孔）所需人员为10人，共缩短工期42天，由此可计算出泵送施工比吊车中转施工因工期缩短而节省的人员费为80（元
8、/天/人）10（人）42（天）=3.4万元；（3）材料费灌注5000块轨道板，泵送施工比吊车中转施工共节省砂浆50方，单方砂浆价格为3000元/方，因此，材料费共节省50（方）3000（元/方）=15万。由此可见，从设备费、人员费、材料费等方面综合考虑，灌注5000块轨道板，泵送施工比吊车中转施工共节省25.3万元。其中，一台砂浆泵的价格甚至低于采用吊车中转砂浆时所付出的吊车台班费用或者因此所节省的砂浆材料费用。2.3 主要技术参数表2 砂浆泵的主要技术参数（3）主要技术参数项目单位技术指标备注理论输出量m3/h10完全满足现场灌注砂浆的施工需求输送管内径mm51/64适用于泵送水泥乳化沥青砂
9、浆的高耐磨、耐压、耐油、耐碱、易清洗的专用软管（内径51mm、20m一节）及快速接头。最大输送距离水平/垂直m300/100实际距离受布管方式、砂浆状态等因素影响。砂浆扩展度mm240能够轻松泵送满足技术条件要求的砂浆砂浆流动度s60140（CRTS型）最大颗粒粒径mm8砂浆中不得有结块干料或残留硬化砂浆电压/频率V/Hz380/50可直接接入砂浆搅拌车的备用电源箱，不需再外接电源。清洗方式高压水洗清洗方便容易外形尺寸（长宽高）mm3900 1350 1450方便运输、转运且容量较大3 工程应用 3.1 泵送前后新拌砂浆性能的影响不同施工温度、不同泵送距离，泵送运输对新拌砂浆各项性能的影响如表
10、3所示。表3 新拌水泥乳化沥青砂浆泵送前后的性能指标对比（摘录部分数据）项目序号泵送距离(m/m)流动度(s)扩展度(s/mm)含气量(%)单位容积质量(kg/m3)拌和物温度()水平/垂直泵前泵后泵前泵后泵前泵后泵前泵后泵前泵后110/3001081056/3156/3106.36.91917190824.324.321001016/3156/3205.95.91908190824.224.2392947/3208/3156.76.8191519152929492957/3158/3156.86.8191519152929584935/3255/3257.16.8190819212625.5
11、620/30096936/3205/3257.06.5191119062525.5786875/3255/3206.96.81925192525.525891836/3256/3206.97.01915190825.525.5982856/3155/3206.86.6190619162222101041076/3057/3056.87.21904190621221130/3001141106/3055/3106.86.71886190022221298955/3205/3157.36.41915190827.527.51389956/3155/3157.26.91916190227.527.5
12、1491885/3205/3157.07.2189619052727.51596926/3207/3206.87.11902188827.5281640/30086895/3206/3258.17.51863187030.5311790955/3205/3205.15.51905191033341889948/3158/3105.95.719171920323219991035/3257/3207.66.91889190332332089935/3256/3256.36.2189418873233.5（1） 泵送前后砂浆工作性能的对比泵送前后水泥沥青砂浆的流动度、扩展度对比结果如图4、5、6所
13、示。图4 泵送前后水泥沥青砂浆的流动度对比结果图5 泵送前后水泥沥青砂浆的扩展度时间对比结果图6 泵送前后水泥沥青砂浆的扩展度对比结果从图中可以看出，泵送前后的新拌水泥沥青砂浆，对于流动度而言，最大差值为9s，平均差值仅为1.1s；对于扩展度而言，扩展至280mm的时间最大相差2s，最终扩展度最大相差5mm。且泵送前后砂浆的工作性能差别并没有因泵送距离的增大而有明显变化。由此可见，经过长距离泵送后，水泥沥青砂浆的工作性能无明显变化，无明显变稀或变稠趋势，均满足灌注施工要求。（2） 泵送前后砂浆含气量对比泵送前后水泥沥青砂浆的含气量和单位容积质量的对比结果如图7、8所示。图7 泵送前后水泥沥青砂
14、浆的含气量对比结果图8 泵送前后水泥沥青砂浆的单位容积质量对比结果从图中可以看出，对于含气量而言，泵送前后的新拌水泥沥青砂浆间的最大差值为0.9%；对于单位容积质量而言，最大相差14 kg/m3。且泵送前后砂浆的含气量变化情况并没有因泵送距离的增大而有明显变化。由此可见，经过长距离泵送后，水泥沥青砂浆的含气量无明显变化，无明显变大或变小趋势，均满足灌注施工要求。（3） 泵送前后砂浆温度的对比泵送前后水泥沥青砂浆的温度对比结果如图9所示。图9 泵送前后水泥沥青砂浆的温度对比结果从图中可以看出，泵送前后水泥沥青砂浆温度的最大差值为1，平均仅相差0.25。由此可见，经过长距离泵送后，水泥沥青砂浆的温
15、度无明显变化，均满足灌注施工要求。综上所述，通过对不同施工温度、不同泵送距离水泥沥青砂浆泵送前后的流动度、扩展度、含气量、单位容积质量和温度等性能指标的现场实测与分析表明，经过长距离泵送后，新拌水泥沥青砂浆各项性能指标均未发生明显变化，均满足灌注施工要求。这主要得益于两方面原因：一方面是泵送设备选型合理、泵送工艺制定恰当；另一方面是因为改进后的水泥沥青砂浆从各原材料到成品砂浆的稳定性得到了有效切实的改善，其环境适应性、抗机械剪切能力、气泡稳定性和压力稳定性的改善确保了砂浆在高压下（最高6MPa）泵送300m时，其性能仍是稳定的。3.2 泵送施工对硬化砂浆性能的影响不同泵送距离，泵送运输对砂浆硬
16、化体各项性能的影响如表4所示。表4为不同施工环境下所成型水泥沥青砂浆试件的性能对比，表中各指标都是按客运专线铁路CRTS型板式无砟轨道水泥乳化沥青砂浆暂行技术条件规定的测试方法、以6个砂浆试件的测试结果进行科学平均计算得出的。由表4可以看出，经过长距离泵送，水泥沥青砂浆硬化体的膨胀率、分离度、强度、弹性模量、抗冻性、抗疲劳性所受影响程度不大，且都满足客运专线铁路CRTS型板式无砟轨道水泥乳化沥青砂浆暂行技术条件的相关要求。而且，从表中数据可以看出，经泵送后所成型砂浆试件的强度、弹性模量、抗冻性和抗疲劳性都高于未经泵送时取样成型的砂浆。综上所述，泵送运输后，新拌水泥沥青砂浆的各项性能指标与硬化砂
17、浆性能指标并没有发生明显的变化，均满足客运专线铁路CRTS型板式无砟轨道水泥乳化沥青砂浆暂行技术条件的相关要求。表4 经泵送后硬化水泥沥青砂浆的性能与未经泵送砂浆性能的比对 项目序号泵送距离m/m膨胀率%分离度%强度28d弹性模量MPa28d抗冻性剥落量(g/m)/相对动弹模量(%)28d抗疲劳性10000次循环加载是否断裂1d抗折/抗压7d抗折/抗压28d抗折/抗压水平/垂直泵前泵后泵前泵后泵前泵后泵前泵后泵前泵后泵前泵后泵后泵后泵前泵后110/3001.21.00.90.71.6/3.11.7/3.54.2/11.94.5/12.66.2/19.46.7/20.086508700400/9
18、7360/98否否220/3001.51.10.80.71.7/3.41.7/3.64.0/10.84.2/11.75.9/18.66.2/19.285008700420/97350/99否否330/3000.60.61.01.12.1/4.02.1/4.14.9/13.85.0/14.56.5/20.66.9/22.089009100300/98260/99否否440/3001.41.80.81.01.7/3.52.0/3.94.4/12.64.7/13.16.2/20.16.6/20.888409000340/98320/98否否3.3 泵送施工对砂浆揭板效果的影响采用该水泥沥青砂浆材料及
19、泵送设备，于京沪高铁土建三标中国水利水电建设集团公司施工现场和宁杭客专三标段中铁17局线下工艺性实验基地，进行了水泥乳化沥青砂浆的灌揭板工艺性试验将泵送至桥上（垂直泵送30m、水平泵送300m）的水泥乳化沥青砂浆进行灌注揭板检查试验，揭板检察情况如图10、11所示。经揭板检查评估：经泵送输送的水泥乳化沥青砂浆表面情况良好，砂浆充盈饱满、膨胀适宜、与轨道板四周接触良好，无起皮、发泡层、裂纹、沥青析出、泌水或流水痕迹，表面10mm及以上气泡面积之和为0.015%（小于0.2%的限值要求）、无贯穿气孔；砂浆断面均匀密实，气泡分布合理，无分层、夹层、离析或气泡聚集现象，30cm断面内无大于3mm和1m
20、m气泡，无肉眼可见沥青颗粒。经评审组检查评估，一致认定经泵送输送后灌注的水泥乳化沥青砂浆揭板验收合格，该泵送工艺适用于水泥乳化沥青砂浆的现场大规模施工。图5 砂浆断面气泡均匀图5 砂浆表面颜色均匀4 操作规程根据各施工单位水泥沥青砂浆泵送施工的现场实施作业情况，为确保泵送的顺利进行以及泵送设备本身的低故障率，结合工程实践经验，对该泵送设备的操作规程按作业前的准备、作业中与作业后的要求等三方面进行了如下总结归纳：4.1作业前的准备（1）水泥沥青砂浆搅拌车与泵送设备离施工工作面应尽可能近，且对施工干扰小。（2）了解施工工作面以及施工要求，所泵送水泥沥青砂浆的工作性能需应满足泵送与灌注要求。（3）干
21、料中结块最大直径不得大于输送管道的1/4。（4）检查电器设备是否完好，各种仪表是否正常，各部位操作开关、按纽、手柄在规定的位置。（5）检查水箱水量，并观察有无油污和浑浊现象，必要时候应该重新注满干净水。（6）检查液压油，润滑油油位、油质、油量，确保符合要求。（7）检查料斗内有无杂务，积渣；网格筛与搅拌叶片是否完好。（8）检查阀内各部位间隙，超限时应该予以调整，检查各连接部位是否松动。（9）检查传动链的松紧程度，使其保持在规定的位置。（10）输送管的布置，尽量减少弯管数量，各个管道连接一定要严密，输送管道和输送泵都要支撑稳固，以减少泵送振动。（11）为应对可能发生的堵管或者其他故障，准备好各种检
22、修以及管道清洗用具，并安排好相应的应急措施。（12）在下斜坡输送砂浆时，根据倾斜角采取相应措施，防止砂浆自流导致的堵管和抽真空现象。（13）按照要求进行空转运行。（14）向砂浆料斗内加入一定量的清水，以洗润料斗、分配阀以及输送管道。（15）正式泵送灌注前，向料斗加入一定量的水泥沥青砂浆，泵送砂浆以润滑整个管道，并观察输送管道有无渗漏现象。4.2 作业中的要求（1）新拌砂浆加入料斗前，斗中砂浆面应该保留在料斗搅拌轴线以上，泵送中，砂浆面应维持在搅拌轴中心线以上，但不超过搅拌轴以上20cm的高度。当供料跟不上时，须及时停泵。（2）随时注意各仪表、指示灯、电机液压系统的工作情况，观察水箱水消耗情况和
23、水质污染情况，发现问题及时处理。（3）输送泵和管道发出不正常杂音时，应该及时检查处理。 （4）料斗网格上超规格干料结块应及时清除，搅拌轴卡注不转或者反向失灵时，暂停泵送，及时采取措施排除故障。（5）泵送过程应该尽量连续泵送，并确保砂浆满足泵送和灌注要求。（6）临时停泵期间，应该间隔10min15min做正反转数次，以防止管内砂浆离析；当长时间停泵重新工作时，应先启动料斗搅拌器，再开始泵送。（7）不得随意向料斗加水，严禁泵送已停放60分钟以上的砂浆。（8）发现堵管现象后，应该及时检查处理。（9）泵送过程中，严禁撤管道，不得把手伸入阀体操作。（10）在输送过程中，应按照要求对各个润滑点进行润滑。（
24、11）在泵送接近完成时，应预先估计剩余工作量和管道中的水泥沥青砂浆的体积，以便停止供料。4.3 作业后的要求（1）泵送结束后，按照以下顺序停机：A、停止泵送，同时给蓄能器蓄压；B、关掉动力源。（2）停泵后，立即清除料斗内和管道中的砂浆，清洗泵机、料斗、阀箱、管道等。输送管体拆卸清洗后，应逐件检查是否完好，管段以及管卡等必须堆放整齐、不得乱仍。（3）清洗泵机外部时，注意不要使水进入电器箱、电磁阀等部位，清洗后把电器箱、机罩外部的水擦拭干净；（4）如果泵机几天内不使用，或者在寒冷季节停放，应该将像胶活塞拆下，放净供水系统中的水，如果放出的水比较浑浊，还应该清洗水箱和供水系统，清洗完毕后再装上活塞胶套。（5）按照保修规程进行保养。
