高速鐵路裝配式構件智能化濕脫生產(chǎn)技術

王 彬 郎 祎

(1.中國鐵路上海局集團有限公司徐州鐵路樞紐工程建設指揮部，江蘇 徐州 220009；2.中鐵四局集團第四工程有限公司，安徽 合肥 230000)

目前，高速鐵路預制構件生產(chǎn)多采用塑料模具或組合式鋼模具現(xiàn)場澆筑的方式，這種傳統(tǒng)的預制構件生產(chǎn)方式由于混凝土加工、澆筑、振搗工藝層次不齊，常導致構件質(zhì)量波動大，成品率低。此外，預制構件生產(chǎn)過程無法快速脫模，占用模具時間較長需占用大量存放場地。粗放的預制工藝，不僅提高了項目成本，還產(chǎn)生大量廢物和垃圾，造成不良的環(huán)境影響，可見該施工方法已無法滿足施工生產(chǎn)的實際需求。隨著高速鐵路建設“機械化、自動化、智能化”的推行，高速鐵路裝配式構件工業(yè)智能化生產(chǎn)逐漸興起。因此，基于提高構件生產(chǎn)效率、保障生產(chǎn)安全、控制構件質(zhì)量的目的，開展裝配式構件濕脫施工工藝的研究顯得尤為迫切。

1 工程概況

連徐鐵路站前Ⅰ標起訖里程樁號： DK0+000～DK48+788.63，正線長度47.701 km，路基及站場10.804 km,橋梁44.915 km/12座,濕法施工工藝主要應用于施工標段橋梁欄桿、電纜槽及其蓋板、路基電纜槽蓋板、防護柵欄的預制，預制構件數(shù)量達34萬塊，混凝土1.2萬m3，鋼筋1 800 t。

2 生產(chǎn)工藝流程及施工準備

2.1 施工工藝流程

高速鐵路裝配式構件濕脫施工工藝主要流程見圖1。

2.2 材料與設備

主要需要的材料和設備如表1所示。

表1 主要機械設備

2.3 施工工藝操作要點

2.3.1半干硬性混凝土制備

半干硬性混凝土配制及生產(chǎn)采用鐵路市場常用材料，在保證混凝土質(zhì)量與性能的條件下，對配合比進行調(diào)整，使其混合料的工作性為維勃稠度5 s～10 s，坍落度在10 mm～30 mm之間，具有水灰比小、用水量少、強度高、硬化快以及密實性好等特點。由于水灰用量均較小，粗集料占比大，制備的混凝土通常在密度、強度及耐久性方面均有良好表現(xiàn)。此外，半干硬性混凝土用水量少的特點限制了構件硬化過程的收縮，使得干縮裂縫明顯減少。目前，這種混凝土在快速脫模施工及密實度要求較高的工程中應用不多，因此，需優(yōu)化設計半干硬性水泥混凝土配合比，以確保預制構件的混凝土質(zhì)量。

1)原材料選定。

利用現(xiàn)鐵路工程中通用的原材料進行選配。水泥選用P.O42.5級普通硅酸鹽水泥；摻合料采用聚羧酸高性能減水劑；細骨料選用河沙，采用細度模數(shù)為2.75，級配好、含泥量小的中砂；粗骨料選用粒徑在5級～10級碎石，含泥量不得大于1%，同時要求吸水率小、級配良好；拌和用水采用自來水。

2)混凝土配合比選定如表2所示。

表2 原材料及配比表 m3

設計混凝土配合比，應滿足以下要求：

第一，滿足混凝土構件所需的力學性能，保證構件質(zhì)量滿足設計和使用要求，生產(chǎn)效率符合施工進度的需求；

第二，滿足和易性要求，保證施工的可操作性；

第三，滿足耐久性與經(jīng)濟性，在保證質(zhì)量的前提下，合理使用材料、降低成本，使混凝土構件達到設計的要求使用年限。

調(diào)整配合比，制作混凝土試塊，開展對比實驗，根據(jù)基準配合比對水灰比進行調(diào)整，其中用水量應該與基準配合比一致。此外，可對砂率進行適當調(diào)整，以滿足和易性和《混凝土強度檢驗評定標準》的要求。

控制混凝土質(zhì)量，應根據(jù)配制混凝土原材料的技術性能以及施工的具體要求，從而制定出符合施工要求的混凝土配比單。配比單內(nèi)應包括：每立方米混凝土中各種原材料的用量標準；混凝土攪拌過程的先后順序；指定的添加劑以及使用方法；混凝土的強度標準；水灰比、砂率、坍落度的最佳范圍。

3)混凝土拌和。

采用集中拌和的方法，按照配合比進行拌制，使用拌和機稱量系統(tǒng)精準計量，攪拌機進行均勻拌和，現(xiàn)場可根據(jù)含水率及原材料性能進行調(diào)配以適應拌和機的攪拌，此外在拌和以及運輸過程中應保持混凝土性能的相對穩(wěn)定。

混凝土在拌和時，依據(jù)理論配合比換算為施工配合比，計算每盤混凝土各種材料的實際用量，投料拌和。其配料偏差不超過表3的規(guī)定。

表3 混凝土材料的配量偏差表

4)混凝土運輸及布料施工。

利用自動布料機進行混凝土運輸，將拌和出機的混凝土直接運轉至布料機中，由布料機運送至布料振搗工位，從而節(jié)約運輸時間和轉運次數(shù)，有效減少外部因素以及運輸時間對混凝土性能的影響。隨后由布料機進行混凝土布料，如圖2所示。

2.3.2高頻振動工藝

采用可變頻的高頻振動器對半干硬性混凝土進行振搗，在混凝土澆筑的同時進行振搗，保證混凝土充分振搗密實并排出氣泡。通過調(diào)整高頻振動器的轉速、振搗頻率及偏心塊數(shù)量，控制高頻振動器的振搗時間和激振力，以達到混凝土振搗最佳效率。最終混凝土構件在保持塑性的同時，漿體覆蓋表面。通常在時間恒定的情況下，轉速越快、偏心塊數(shù)量越多，振搗頻率越高；激振力則通過增減偏心塊和頻率來調(diào)整，隨偏心塊數(shù)量、頻率的增加而增大。

在試驗過程中，密切注意混凝土構件的振搗過程，依據(jù)表面出漿體情況及混凝土本體的變化，合理調(diào)整混凝土配合比的水膠比。

與混凝土配合比、澆筑布料一同進行多次檢驗測試，使其與配制混凝土及澆筑施工作業(yè)匹配。選用附著式高頻振動器，振頻高、振幅小，既保證混凝土的流動性與可塑性，提高構件密實度與成型時間，也使得在鋼模板形變上消耗的能量少，從而能夠延長模板的使用壽命。此外，由于振動器振動效率極高，因此每次振動時間只需30 s～40 s即可完成，從而可以提高振動器的使用壽命，減少維修費用，降低施工成本。

2.3.3濕脫工藝

混凝土構件濕脫工藝主要由翻轉機完成，通過其在行走桁架上運轉，到達模具回轉工位、托盤獲取工位、暫存工位及翻轉脫模工位，完成將模具、托盤及構件轉移、抓取、翻轉、脫模等功能，銜接生產(chǎn)區(qū)和養(yǎng)護區(qū)，配合完成構件生產(chǎn)相關功能。

混凝土構件布料振搗完成后，將其隨同模具一同轉運至抓取工位，由框架、行走裝置、升降裝置、翻轉裝置和電氣控制系統(tǒng)組成的翻轉機，在行走桁架上運轉，到達托盤獲取工位后，翻轉機利用在其豎向立桿上采用雙軸升降電機驅(qū)動的升降裝置，使用齒形帶與橫梁上的帶輪聯(lián)動，帶動矩形框，將托盤提起后，反扣在模具上，由翻轉機將托盤與預制構件同時從抓取工位提起。

翻轉機在行走至脫模工位過程中利用矩形框兩側中心軸位置設置的兩臺減速機進行翻轉作業(yè)，將托盤旋轉至下方，模具旋轉至上方，隨后下落至脫模工位，通過進氣裝置向進氣管路供氣，從而帶動氣缸的伸縮端向上運動，使得活塞得以對預制構件進行頂推，使得預制構件與預制槽脫離，進而得以實現(xiàn)預制構件的脫模。隨后，將模具提起，混凝土構件留置在托盤上，碼垛后跟隨托盤進入養(yǎng)護室進行下一步的養(yǎng)護工序，模具則回流進行新一輪循環(huán)，如圖3所示。

2.3.4整體式蒸汽養(yǎng)護

1)養(yǎng)護方案比選。

方案一：標養(yǎng)室養(yǎng)護+叉車倒運構件+人工組織。

設計思路：利用試驗室常用的標養(yǎng)室設計結構和養(yǎng)護設備(自動恒溫、濕度裝置)，將預制完成的構件及時運輸入養(yǎng)護室，進行恒溫、濕度環(huán)境下養(yǎng)護；構件的進出利用叉車進行倒運，構件放至指定區(qū)域進行下步工序；現(xiàn)場養(yǎng)護室、叉車調(diào)配及施工作業(yè)工序均由現(xiàn)場施工管理人員進行組織調(diào)配(見圖4)。

優(yōu)點：養(yǎng)護室設計簡單，養(yǎng)護設備容易操作，建設及使用相關參數(shù)可以借鑒試驗室標養(yǎng)室，可以快速投入施工生產(chǎn)；叉車倒運靈活多變，機動性強，效率較高；管理人員調(diào)配施工，可有效避免機械設備維護保養(yǎng)、天氣原因及突發(fā)狀況的出現(xiàn)，合理安排現(xiàn)場生產(chǎn)情況。

缺點：養(yǎng)護室蒸汽養(yǎng)護溫度較低，養(yǎng)護周期較長；叉車投入使用產(chǎn)生安全隱患，會出現(xiàn)人為因素影響作業(yè)效率和損壞風險；管理人員組織生產(chǎn)避免不了時效性，人為因素影響尤為突出。

方案二：高溫蒸汽養(yǎng)護+自動運儲設備轉運構件+軟件自動調(diào)配。

設計思路：借鑒相關專利和固定廠家養(yǎng)護室做法，搭建隔溫保濕活動房，降低空間量，提高養(yǎng)護效率，養(yǎng)護室內(nèi)設置溫濕度感應器，通過軟件控制電磁閥管理蒸汽發(fā)生器啟停；將養(yǎng)護室溫度恒定高溫，加快混凝土構件的前期強度增長；利用自動轉運設備穩(wěn)定性，保證降低損壞率，加快倒運速率；軟件系統(tǒng)的智能化指揮和調(diào)度功能，使得養(yǎng)護、轉運等各項工序?qū)崟r監(jiān)控及時處理，提高施工的時效性(如圖5所示)。

優(yōu)點：養(yǎng)護室設計簡單，養(yǎng)護設備容易操作，有相關參數(shù)可以借鑒，可以快速投入施工生產(chǎn)；自動轉運設備性能穩(wěn)定性，效率高，不受人為和環(huán)境因素影響；信息化系統(tǒng)管理可有效避免人為和環(huán)境因素影響，及時有效的完成相關任務指令。

缺點：建設成本較高，養(yǎng)護設備及轉運設備投入較大；機械設備及軟件系統(tǒng)需要相關專業(yè)人員進行保養(yǎng)維護，需要委派專業(yè)管理人員進行操作使用和管理，并且需要具備相關專業(yè)知識。

通過對兩種方案在養(yǎng)護效率、合格率、生產(chǎn)效率、人員配置、設備成本、保養(yǎng)維護等方面的比較，最終認為方案二“高溫蒸汽養(yǎng)護+自動運儲設備運+軟件自動調(diào)配”較為合理，詳見表4。

表4 方案比選一覽表

通過綜合分析比較，高溫蒸汽養(yǎng)護+自動運儲設備運+軟 件自動調(diào)配的方案較為適合本項目工程實體作業(yè)，高溫養(yǎng)護室及其系統(tǒng)有效控制溫濕度調(diào)節(jié)，提高養(yǎng)護效率；自動轉運設備以軟件系統(tǒng)有效調(diào)配施工作業(yè)，有效降低構件損壞率。

2)養(yǎng)護室設置。

立體式養(yǎng)護室的大小及間數(shù)應根據(jù)混凝土構件結構尺寸大小、生產(chǎn)線生產(chǎn)節(jié)拍、養(yǎng)護時間考慮，可以采用一字型、田字型布置方案。利用自動提升轉運裝置的橫、縱向移動，保證構件準確放置在立體式養(yǎng)護室的指定位置，分類、分層堆碼，合理利用空間結構。

立體式養(yǎng)護室上方設置H型鋼結構的行走桁架及空間框架結構，行走桁架上布設運行提升轉運裝置，具有縱向移動功能，翻轉機及抓取設備本身具有橫向移動功能，從而可實現(xiàn)取件、取蓋、存放構件、移動構件等動作。養(yǎng)護室外部結構利用H型鋼結構，組合成閉環(huán)，并采用保溫板材進行填充，形成全包圍結構。室內(nèi)地坪做返水坡四周留匯水溝，排至室外排水溝內(nèi)。室內(nèi)設置混凝土存放臺座，頂部延工字鋼四周焊接槽鋼形成閉環(huán)，立體式養(yǎng)護室頂部設置由槽鋼和保溫活動板組成的頂蓋，反扣在槽鋼上方，形成密閉整體，防止室內(nèi)蒸汽泄露。空間行走桁架通過在立體式養(yǎng)護室頭尾處懸挑設置銜接區(qū)域，保證轉運裝置行駛可超出立體式養(yǎng)護室位置，從而完成與外部生產(chǎn)線、運輸線的銜接(見圖6)。

3)自動溫濕度控制系統(tǒng)。

立體式養(yǎng)護室內(nèi)部設置自動養(yǎng)護裝置，包括控制器開關、溫濕度感應器、蒸養(yǎng)管道、蒸汽發(fā)生器。控制器開關對蒸汽發(fā)生器進行控制，溫度、濕度感應器自動采集立體式養(yǎng)護室內(nèi)溫濕度參數(shù)，保障其在設定參數(shù)內(nèi)進行作業(yè)。當作業(yè)參數(shù)異常時，控制器開關根據(jù)實際情況下達相應開關信號，蒸汽發(fā)生器依據(jù)控制器信號控制蒸養(yǎng)量。蒸養(yǎng)管道布置在每個立體式養(yǎng)護室底部四周，與蒸汽發(fā)生器相連，為養(yǎng)護提供蒸汽。利用智能軟件系統(tǒng)的指揮和調(diào)度功能，可實現(xiàn)對養(yǎng)護、轉運等各項工序?qū)崟r監(jiān)控與及時處理，提高施工的時效性(見圖7)。

4)蒸汽養(yǎng)護工藝。

利用試驗室常用的標養(yǎng)室，參照蒸汽養(yǎng)護標準，配備相關養(yǎng)護設備，將預制完成的構件及時運輸入養(yǎng)護室，進行恒溫、濕度環(huán)境的養(yǎng)護。利用自動生產(chǎn)線及設備進行轉運，將構件放置于養(yǎng)護室內(nèi)臺座上進行養(yǎng)護；養(yǎng)護室內(nèi)設置溫濕度感應器，通過軟件控制電磁閥在管理蒸汽發(fā)生器啟停，保持養(yǎng)護室溫度、濕度恒定，加快混凝土構件的前期強度增長，提高養(yǎng)護效率；利用自動轉運設備，減少外界對養(yǎng)護過程的干擾，降低損壞率，加快運轉速率；利用智能軟件系統(tǒng)的指揮和調(diào)度功能，保證養(yǎng)護、轉運等各項工序處于實時監(jiān)控狀態(tài)并得以及時處理，提高施工的時效性。

2.3.5成品碼垛

成品碼垛工序由自動碼垛機進行，自動分揀碼垛機由框架結構、驅(qū)動電機、行走機構、提升機構、旋轉結構、抓取結構和電氣控制系統(tǒng)組成。

框架結構為矩形框架，框架由方鋼栓接組成，可以承載提升機構，并在框架結構中間空位處穿入提升機構主桿。框架兩側底部設置走行機構帶動整個自動碼垛機運行，驅(qū)動電機直接控制其行駛，完成設備在行走桁架行駛。行走機構由行走輪組及行走桁架組成，與立體式養(yǎng)護室走行桁架對接，通過底部鏈條機進行對接運輸作業(yè)。驅(qū)動電機及走行機構設置在框架結構上，滿足設計結構及行走運行的基礎。提升機構由自動碼垛機核心機機構與底部旋轉機構組成，共同完成提升和旋轉的功能。旋轉結構由法蘭旋轉盤、驅(qū)動電機、齒輪控制組及各類組件組成。法蘭旋轉盤對應連接齒輪盤，與驅(qū)動電機組合成整體，電機驅(qū)動法蘭旋轉帶動齒輪盤，兩組齒條嚙合傳動帶動轉動；電機通過輸出軸旋轉帶動兩根齒條發(fā)生相對運動，從而帶動相對設置的夾持板相對移動。每組夾持組件設置兩個相對的夾持板，四個夾持板圍成一個矩形，在四個方向?qū)ξ锲愤M行夾緊，而且每組夾持組件獨立工作；兩組夾持組件也平衡了所夾取物品的重力，使每組夾持組件的夾取力度相對變小，同時物品也不會因為夾持組件的夾持力度大而發(fā)生破壞；此外，設置兩組夾持組件，還保證了夾持組件夾取物品時，物品不會因為碼垛夾具的移動而脫落，牢固穩(wěn)定(見圖8)。

3 效益分析

3.1 經(jīng)濟效益

濕脫工藝預制構件施工過程中，改變了傳統(tǒng)構件強度達到后方可脫模的施工方法，結合自動化生產(chǎn)線施工技術，采用翻轉脫模的工藝，實現(xiàn)振搗后的快速成型脫模，有效提升模板的周轉率，在養(yǎng)護、生產(chǎn)、人員以及設備配置方面，將效率提高1倍以上，有效縮短了施工時間，見表5，并且顯著節(jié)約成本投入：在考慮20萬元濕法線科研經(jīng)費的基礎上，按照1年施工時間計算，可節(jié)約160余萬元的人工成本，見表6。

表5 單位生產(chǎn)周期配備表

表6 人工成本對比分析表

3.2 社會效益

在濕脫施工工法的研究過程中，改良混凝土生產(chǎn)調(diào)配技術，總結出了半干硬性混凝土預制構件配合比調(diào)制技術，促進半干硬性混凝土在鐵道建造領域的應用推廣。在構件脫模攻堅克難的工作中，建立了混凝土自動化、機械化的布料、抹平、變頻振搗、濕法脫模技術，減少混凝土在布料、振搗、脫模過程中的擾動，保障預制混凝土構件質(zhì)量的穩(wěn)定。在養(yǎng)護過程中，形成了混凝土構件蒸汽養(yǎng)護技術，建立起養(yǎng)護室自動溫濕控制系統(tǒng)，加快混凝土構件的前期強度增長，顯著提高養(yǎng)護效率，加快生產(chǎn)速度。

可見濕脫施工方法不僅對鐵路市場中的新工藝、新方法進行探索，同時為自動生產(chǎn)線在混凝土構件預制生產(chǎn)中的應用提供了寶貴經(jīng)驗，實現(xiàn)混凝土預制構件生產(chǎn)的信息化、機械化、工廠化，具有良好的社會效益。

4 結語

本文通過對濕脫工藝預制構件施工流程的介紹以及與傳統(tǒng)工藝生產(chǎn)情況的對比，彰顯了濕脫工藝進行混凝土預制構件生產(chǎn)的優(yōu)越性，主要有以下結論：

1)提出了適用于預制構件生產(chǎn)的混凝土濕脫生產(chǎn)工藝，改良了傳統(tǒng)構件生產(chǎn)需達到強度后才能脫模的局限性；

2)通過調(diào)整混凝土配合比，提高混凝土的性能；

3)利用高頻振動工藝，提高構件密實度并加快成型時間；

4)結合自動化生產(chǎn)線施工技術，采用翻轉脫模的工藝，在混凝土預制振搗完成后，快速成型脫模，合理優(yōu)化工藝流程，有效提升模板的周轉率，在養(yǎng)護、生產(chǎn)、人員以及設備配置方面，將效率提高1倍以上，有效縮短了施工時間；

5)在提高安全質(zhì)量控制標準、降低項目安全風險及質(zhì)量風險的同時，顯著節(jié)約成本投入;

6)濕脫工藝預制構件不僅是對鐵路市場中的新工藝、新方法進行探索，同時為自動生產(chǎn)線在混凝土構件預制生產(chǎn)中的應用提供了寶貴經(jīng)驗。該方法可優(yōu)化混凝土構件振搗、養(yǎng)護、脫模工序，增強各工序間的銜接，提升作業(yè)安全、質(zhì)量和效率，實現(xiàn)混凝土預制構件生產(chǎn)的信息化、機械化、工廠化，具有良好的社會效益和經(jīng)濟效益。