肖鴻韜，陳佛生

（1、廣東省建筑機(jī)械廠有限公司 廣州510500；2、廣東江海機(jī)電工程有限公司 廣州510500）

0 引言

為推動建筑業(yè)的轉(zhuǎn)型升級［1］和節(jié)能減排，國家大力推進(jìn)裝配式建筑，通過工業(yè)化生產(chǎn)PC構(gòu)件［2］和裝配式建造［3］，推動建筑業(yè)向工業(yè)化轉(zhuǎn)型［4］。當(dāng)前，裝配式建筑預(yù)制構(gòu)件的自動化生產(chǎn)大多局限于墻板、疊合板等平板類構(gòu)件，對于梁柱類預(yù)制構(gòu)件的生產(chǎn)，還過多依賴人工作業(yè)，即通過人工操縱料斗布料和人工手持振動棒振搗，這樣不僅生產(chǎn)效率低，而且質(zhì)量難以保證。為解決梁柱的自動化生產(chǎn)問題，首先要對梁柱生產(chǎn)過程中的振搗這一關(guān)鍵工藝進(jìn)行研究。

1 對策

當(dāng)前混凝土的振搗設(shè)備主要有兩種，一種是振動棒，另一種是由振動電機(jī)作為振動源的相關(guān)振動裝置。

1.1 不同振搗方式的特點及選擇

作為預(yù)制梁柱自動化生產(chǎn)線上的關(guān)鍵工藝，振動棒振搗效率低、難以滿足梁柱鋼筋及灌漿套筒密集的布置的要求，而振動平臺［5］是目前最高效的振搗設(shè)備，具有激振力大、振搗時間短、振搗均勻［6］等特點，是自動化生產(chǎn)方式優(yōu)先選擇的方向。

1.2 高頻振動平臺的研究對象

在振動平臺研制過程中優(yōu)先選擇振動電機(jī)輸出振動為研究目標(biāo)，研究振動平臺的組合及連接方式、不同頻率對激振力（振幅）的影響，通過調(diào)研、計算及試驗，設(shè)計出高頻振動平臺及設(shè)備工藝參數(shù)。

2 平臺振搗系統(tǒng)的研制

2.1 預(yù)制梁柱的設(shè)定

在開展預(yù)制梁柱自動化振搗技術(shù)研究中，為使研究成果具有廣泛的應(yīng)用性，本研究選擇了截面較大的梁作為試驗對象。

在針對常見建筑構(gòu)件進(jìn)行調(diào)研后，考慮到設(shè)備的通用性，選擇以6.0 m（長）×0.4 m（寬）×0.8 m（高）的矩形梁為目標(biāo)構(gòu)件，通過合理的參數(shù)轉(zhuǎn)化，對應(yīng)柱的規(guī)格為6.0 m（長）×0.6 m（寬）×0.6 m（高），設(shè)定目標(biāo)構(gòu)件的實際方量為1.92 m3。

2.2 設(shè)備選型研究

要開展預(yù)制梁柱自動化振搗技術(shù)研究工作，首先需研制預(yù)制梁柱的自動化生產(chǎn)設(shè)備，為進(jìn)一步的研究打下基礎(chǔ)。

2.2.1 設(shè)備方案與布置

作為自動化生產(chǎn)方式，根據(jù)平板類構(gòu)件的生產(chǎn)經(jīng)驗，考慮生產(chǎn)作業(yè)的擴(kuò)展性和模塊化，試驗?zāi)Ｅ_長度取9 m，振動工位的布置及結(jié)構(gòu)初步設(shè)計為每個振動工位由12個單體高頻振動平臺組成，每個單體高頻振動平臺設(shè)1 個高頻振動電機(jī)，12 個單體高頻振動平臺呈2行6列布置。

2.2.2 振動電機(jī)振動頻率的確定

選擇振動平臺的振動頻率，主要通過兩種方式來確定：①參照振動棒的振動特點，即隨著振動頻率的增加，振動棒的作用半徑逐漸增大［7］，并且在達(dá)到混凝土的共振頻率時達(dá)到最大值；②根據(jù)振動電機(jī)廠家提供的振動電機(jī)應(yīng)用指南來確定。

根據(jù)浙江某振動機(jī)械有限公司提供的《振動電機(jī)應(yīng)用指南-料斗振動平臺》，對于梁及水平模，選用最合適的電機(jī)轉(zhuǎn)速3 000～6 000 r/min，結(jié)合梁的高度和振動電機(jī)存在轉(zhuǎn)速差的情況（標(biāo)稱3 000 r/min 振動電機(jī)由于存在轉(zhuǎn)速差，實際無法達(dá)到3 000 r/min），應(yīng)選用兩極振動電機(jī)、變頻控制，當(dāng)電源頻率在50～100 Hz時，振動電機(jī)轉(zhuǎn)速可達(dá)3 000～6 000 r/min，對應(yīng)帶動平臺振動頻率為3 000～6 000 次/min。

2.2.3 振動電機(jī)離心力（激振力）的計算

根據(jù)《振動電機(jī)應(yīng)用指南-料斗振動平臺》，離心力（激振力）計算如下：

式中：Fc為離心力（kg）；M 為模具重量（kg）；B 為模內(nèi)混凝土重量（kg）；K 為由模具的鋼性及混凝土濕度決定的系數(shù)，用于垂直模（“L”型梁，墻）時K=5，用于水平模時K=5～10，用于垂直管狀模時K=15。

根據(jù)本生產(chǎn)線的工作實際，模具包括模臺重量M臺、模具重量M具和振動平臺本身的重量M振。

根據(jù)設(shè)計，單個模臺重量M臺=4 000 kg；單個模具重量M具=4 000 kg；振動平臺的重量總和M振=6 000 kg；M=14 000 kg。

模內(nèi)混凝土重量：

式中：a為構(gòu)件寬度（m）；h為構(gòu)件高度（m）；L為構(gòu)件長度（m）；ρ 為振搗完成后混凝土的密度（kg/m3），2 500 kg/m3，由于預(yù)制梁需要與現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)連接，梁柱有一定數(shù)量的外露鋼筋和預(yù)埋灌漿套筒［8］，綜合考慮各種因素，ρ 適當(dāng)放大計算，取3 000 kg/m3。

因梁高度尺寸較大，選擇K=5，所以根據(jù)式⑴：

Fc=5×（14 000+0.2×5 760）÷10=7 576 kg。

單個電機(jī)的離心力：

式中：n為振動電機(jī)數(shù)量，根據(jù)前文所述n=12。

在實際的梁柱生產(chǎn)過程中，普遍存在局部過載現(xiàn)象，用單個電機(jī)的離心力乘以1.8（載荷不均勻系數(shù)），則電機(jī)選型的離心力（激振力）為11 136 N。

2.2.4 振動電機(jī)選型

選擇MVE1300/6 振動電機(jī)作為振動源。其主要技術(shù)參數(shù)如下：電源頻率100 Hz；電機(jī)轉(zhuǎn)速（振動頻率）6 000 r/min；離心力（激振力）：1 480 kg（14.5 kN）；激振功率1.5 kW。

2.3 平臺振搗系統(tǒng)組成

通過計算選型、考慮模臺的長度，局部過載及振動平臺布置的均衡性需要，設(shè)置了由12個單體高頻振動平臺組成的平臺振搗系統(tǒng)。平臺振搗系統(tǒng)設(shè)置在布料及振搗工位上。平臺振搗系統(tǒng)由單體高頻振動平臺、液壓升降系統(tǒng)、模臺行走系統(tǒng)和電控系統(tǒng)等組成，總體布局如圖1所示。

圖1 平臺振搗系統(tǒng)Fig.1 Vibration System of Concrete

2.3.1 單體高頻振動平臺

與墻板類預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)線的連體式振搗系統(tǒng)［9］不同，本項目所研制的平臺振搗系統(tǒng)由12個單體高頻振動平臺組成，單體高頻振動平臺作為模塊化部件，可根據(jù)不同的構(gòu)件參數(shù)進(jìn)行模塊化組合。單體高頻振動由底座、振動電機(jī)和振動平臺組成，如圖2所示。

圖2 單體高頻振動平臺Fig.2 Single High Frequency Shaking Table

2.4 梁柱自動化生產(chǎn)線

梁柱自動化生產(chǎn)線主要由運料系統(tǒng)、布料系統(tǒng)、振搗系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、養(yǎng)護(hù)系統(tǒng)和模臺流動系統(tǒng)等組成，如圖3所示。

2.5 試驗

2.5.1 振動平臺機(jī)械性能試驗

在完成了成套設(shè)備的設(shè)計和制造后，包含本研究內(nèi)容的預(yù)制梁柱自動化生產(chǎn)線在某構(gòu)件工廠進(jìn)行了安裝和調(diào)試，調(diào)試合格后進(jìn)行了空載、超負(fù)荷試驗，試驗了不同結(jié)構(gòu)型式的振動平臺的機(jī)械性能，以及預(yù)制梁柱自動化生產(chǎn)線的振動平臺不同頻率對振幅的影響，并與墻板生產(chǎn)線的連體式振動平臺進(jìn)行了對比。

圖3 預(yù)制梁柱自動化生產(chǎn)線組成Fig.3 Composition of Automatic Production Line for Precast Beam and Column

不同結(jié)構(gòu)型式振動平臺的對比試驗，主要是在預(yù)制梁柱自動化生產(chǎn)線的振動平臺與墻板生產(chǎn)線的振動平臺中進(jìn)行。墻板生產(chǎn)線的振動平臺由6個小振動平臺組成，每個平臺下面裝設(shè)有2個振動電機(jī)，振動電機(jī)的頻率為50 Hz。

做對比試驗時，墻板生產(chǎn)線的振動平臺上放置1塊12 m×3.5 m 的模臺，振動質(zhì)量約為6 500 kg（未含振動平臺本身質(zhì)量），梁柱線的振動平臺放置3 塊9 m×2 m的模臺，總振動質(zhì)量約為12 000 kg（未含振動平臺本身質(zhì)量）。在第一張模臺表面（與振動平臺直接相連的模臺）上均勻布置12 個測點，用振幅探測器測得各測點的振幅，墻板生產(chǎn)線的振動平臺只有1 個50 Hz的振動頻率，測得平均振幅為0.52 mm。

預(yù)制梁柱自動化生產(chǎn)線的振動平臺設(shè)置為變頻調(diào)速，通過連續(xù)調(diào)頻試驗發(fā)現(xiàn)，在68 Hz 以下，同一點測得的振幅隨著頻率的增加而增加，在68 Hz 時測得最大值，隨后隨著頻率的增加而減小，頻率與振幅的關(guān)系如圖4所示。

圖4 頻率與振幅的關(guān)系Fig.4 The Relationship between Frequency and Amplitude

按照圖4，可以計算出當(dāng)頻率為50 Hz 時，預(yù)制梁柱自動化生產(chǎn)線的振動平臺的振幅為0.83 mm，在振動負(fù)載明顯大于墻板生產(chǎn)線振動平臺的情況下，其振幅值遠(yuǎn)大于墻板生產(chǎn)線的振動平臺的，說明分體式振動平臺的振動機(jī)械性能優(yōu)于墻板生產(chǎn)線的連體式振動平臺。通過負(fù)載和振幅試驗，振動平臺的機(jī)械性能試驗符合設(shè)計要求。

2.5.2 構(gòu)件試制概況

本研究開展了按設(shè)計方量試驗和足尺試驗2種不同方式的試驗，共完成9 批19 個構(gòu)件，其中L400×800×6 000 規(guī)格的梁3 條、L400×800×1 600 規(guī)格的梁4 條、L400×1 000×1 600規(guī)格的梁4 條、L400×500×1 600規(guī)格的梁3 條、L200×400×6 000 規(guī)格的梁2 條、L200×420×7 420 規(guī)格的梁1 條、1 副5 420×1 225×210 樓梯的試制工作，部分不同規(guī)格構(gòu)件的試驗情況如表1所示。

表1 L400×800×6 000 預(yù)制梁的試驗參數(shù)Tab.1 Experimental Parameters of L400×800×6 000 Beam

2.5.3 構(gòu)件試制振搗前的準(zhǔn)備

⑴試制材料。試制過程中采用的材料按C30 強(qiáng)度等級配置，具體為水泥320 kg、粉煤灰120 kg、砂700kg、石1120 kg、水150 kg、外加劑8.6 kg，容重2 410 kg/m3。

⑵模具固定。模具通過螺栓固定在模臺上，與模臺之間形成剛性連接。

⑶布料。采用布料機(jī)自動布料。

2.5.4 振搗

在構(gòu)件試制過程中，發(fā)現(xiàn)由于混凝土具有流動性，振動頻率與振幅的關(guān)系與2.4.1節(jié)的剛性負(fù)荷有所不同，通過不斷地帶混凝土試驗，發(fā)現(xiàn)了平臺振搗系統(tǒng)的振動規(guī)律：振動電機(jī)頻率為53 Hz時，平臺振搗系統(tǒng)出現(xiàn)最大的振幅；振動電機(jī)頻率為68～78 Hz 時，平臺振搗系統(tǒng)的振幅值最穩(wěn)定，并且有比較好的氣泡排出效果。根據(jù)試驗規(guī)律和結(jié)合墻板類預(yù)制構(gòu)件的振搗經(jīng)驗，在預(yù)制梁試制前制訂了試驗方案。按設(shè)計方量的L400×800×6 000和按局部載荷L400×1 000×1 600規(guī)格的梁，采用分層鋪料，分層振搗，其對應(yīng)的試驗參數(shù)如表2所示。

表2 L400×800×6 000和L400×1 000×1 600預(yù)制梁的試驗參數(shù)Tab.2 Experimental Parameters of L400×800×6 000 and L400×1 000×1 600 Beam

試制過程中，每層振動時間及振動次數(shù)根據(jù)塌落度控制、混凝土運輸、布料及混凝土數(shù)量等確定，觀察混凝土的振搗情況進(jìn)行實時調(diào)整，發(fā)現(xiàn)混凝土無顯著下沉，并且無明顯氣泡冒出時，即停止振搗。

3 試驗結(jié)果分析與驗證

3.1 檢測與取樣

試制完成后，委托權(quán)威機(jī)構(gòu)對所試制部分構(gòu)件進(jìn)行混凝土缺陷和抗壓強(qiáng)度檢測，檢測與取樣如圖5所示。

圖5 預(yù)制混凝土構(gòu)件檢測的取樣Fig.5 Sampling for Testing Precast Concrete Members

3.2 超聲法缺陷檢測

3.2.1 超聲法缺陷檢測數(shù)據(jù)

齡期18 d 時，用超聲法對2.5.4 節(jié)所振搗的L400×800×6 000和L 400×1 000×1 600預(yù)制梁進(jìn)行了缺陷檢測，檢測網(wǎng)格尺寸為100 mm×100 mm，如圖5所示，其檢測結(jié)果如表3所示。

表3 預(yù)制梁的超聲檢測數(shù)據(jù)Tab.3 Ultrasonic Testing Data of Precast Beam

3.2.2 超聲法缺陷檢測結(jié)果分析從表3 可以看出，用平臺振搗的2 個試制構(gòu)件所有點均無出現(xiàn)異?，F(xiàn)象。根據(jù)超聲波測得聲時數(shù)據(jù)，作出梁L400×800×6 000不同高度長度方向上的聲時分布曲線如圖6所示。

根據(jù)檢測機(jī)構(gòu)提供的計算數(shù)據(jù)，構(gòu)件L400×800×6 000的聲速標(biāo)準(zhǔn)差為0.071 km/s，臨界聲速為4.21 km/s；構(gòu)件L400×1 000×1 600 的聲速標(biāo)準(zhǔn)差為0.075 km/s，臨界聲速為4.35 km/s。超聲法檢測缺陷檢測合格，采用平臺振搗的試制構(gòu)件其質(zhì)量的均勻性符合要求。

3.3 鉆芯法抗壓強(qiáng)度檢測

3.3.1 鉆芯法抗壓強(qiáng)度檢測數(shù)據(jù)

分 別 對2.5.4 節(jié) 所 振 搗 的L 400×800×6000 和L 400×1 000×1 600 進(jìn)行了鉆芯取樣，每條梁均在高度方向上按上、中、下三層鉆取芯樣，如圖5所示，其檢測結(jié)果如表4所示。

表4 預(yù)制梁的抗壓強(qiáng)度檢測數(shù)據(jù)Tab.4 Compressive Strength Test Data of Precast Beam

3.3.2 鉆芯法抗壓強(qiáng)度檢測結(jié)果分析

⑴對于高度較大的構(gòu)件，采用平臺振搗，其振搗力學(xué)性能沿著高度方向具有一定的衰減性。從所試制的2 個構(gòu)件的抗壓強(qiáng)度值來看，下層的強(qiáng)度值＞中層的強(qiáng)度值＞上層的強(qiáng)度值，符合自下往上逐漸衰減的規(guī)律。

圖6 L400×800×6 000不同高度及長度方向的聲時分布曲線Fig.6 Sound Time Distribution Curves in Different Height and Length Directions of L400×800×6 000

⑵ 從表4 可以看出，L400×800×6 000 所 取 樣 檢 測 的3 個 測點，其最小抗壓強(qiáng)度為57.2 MPa；L400×1 000×1 600所取樣檢測的3 個測點，其最小抗壓強(qiáng)度為49.0 MPa。2個構(gòu)件的最小值均大于C30標(biāo)準(zhǔn)值30 MPa。鉆芯法抗壓強(qiáng)度檢測所有強(qiáng)度值合格，平臺振搗的構(gòu)件其密實性符合要求。

⑶采用平臺振搗所試制的構(gòu)件其抗拉強(qiáng)度代表值滿足文獻(xiàn)［10］要求。在L400×800×6 000 所取的上、中、下三個試件，其抗壓強(qiáng)度的算術(shù)平均值（中間值）為61.0 MPa，最小值與平均值的差為3.8 MPa，小于平均值的15%，即9.2 MPa。最大值與平均值的差為2.9 MPa，同樣小于9.2 MPa。在L400×1 000×1 600 所取的上、中、下三個試件，其抗壓強(qiáng)度的算術(shù)平均值為52.4 MPa，最小值與平均值的差為3.4 MPa，小于平均值的15%，即7.9 MPa。最大值與平均值的差為3.1 MPa，同樣小于7.9 MPa，其中間值可以作為對應(yīng)構(gòu)件的強(qiáng)度代表值，可作為評定依據(jù)［10］。

綜上所述，所研制的預(yù)制梁柱自動化生產(chǎn)線的振動平臺所試制的預(yù)制梁強(qiáng)度檢測結(jié)果為合格。

3.4 不同振動平臺試制構(gòu)件的對比

墻板生產(chǎn)線振動平臺與預(yù)制梁柱自動化生產(chǎn)線振動平臺不但進(jìn)行了機(jī)械性能對比，還開展了試制構(gòu)件的強(qiáng)度及構(gòu)件外觀的對比試驗。

3.4.1 鉆芯法抗壓強(qiáng)度檢測結(jié)果對比

在做梁柱自動化生產(chǎn)線的可行性研究時，利用梁L400×1000×1 600 的模具，在墻板生產(chǎn)線的振動平臺上，試制了2 條規(guī)格為L 400×800×1 600 的梁，試制時混凝土配比按C35 配置，其中1 條較理想的梁檢測的三點強(qiáng)度分別為58.0 MPa、54.2 MPa和49.6 MPa，將其性能指標(biāo)與表4 中的構(gòu)件L 400×1 000×1 600 進(jìn)行比較，其取樣對比如圖7所示。

圖7 L400×800×1 600與L400×1 000×1 600取樣對比Fig.7 Comparison Chart of L400 × 800 × 1 600 and L400 × 1 000 × 1 600 Sampling

墻板生產(chǎn)線試制的梁L400×800×1 600，見圖8?，其三點平均強(qiáng)度為53.9 MPa；梁柱線試制的梁L400×800×1 600，見圖8?，其平均強(qiáng)度為52.4 MPa。在強(qiáng)度等級高一級（前者C35，后者C30）、試制高度小200 mm（前者800 mm，后者1 000 mm）并且前者取樣集中在中部（見圖8）的情況下，前者的平均強(qiáng)度僅僅比后者高1.5 MPa。后者取樣分布符合標(biāo)準(zhǔn)，按《混凝土強(qiáng)度檢驗評定標(biāo)準(zhǔn)：GB/T 50107—2010》［10］要求呈上中下三層分布，忽略前者取樣不合理因素，后者的最大值與平均值的差與平均值的比值最大值為6.5%，小于前者的7.9%，后者振搗效果好。

3.4.2 相同混凝土不同振動平臺振搗質(zhì)量的對比

為了避免不同混凝土對振搗的影響，試制時由攪拌站打同一鍋料，分別將料分配給墻板生產(chǎn)線和預(yù)制梁柱自動化生產(chǎn)線，用各自的振動平臺試制同樣規(guī)格的梁，經(jīng)對比發(fā)現(xiàn)，不但前者振搗后的密實度不如后者，外觀質(zhì)量也比后者差，如圖8所示。

圖8 相同混凝土不同振動平臺振搗質(zhì)量對比Fig.8 Comparison of Vibration Quality of the Same Concrete with Different Vibration Platforms

4 結(jié)論

⑴振搗平臺的振幅在一定范圍內(nèi)隨頻率提高而加大，但到了一定值后卻隨頻率增加而減小，這定值與載荷屬性有關(guān)。

⑵通過調(diào)整振動頻率以獲得最佳振激力、設(shè)置合理的振動參數(shù)，平臺振搗的梁柱質(zhì)量完全符合標(biāo)準(zhǔn)，且混凝土強(qiáng)度能獲得額外提升，利用自動化生產(chǎn)線生產(chǎn)梁柱是可行的。

⑶通過機(jī)械性能和試制構(gòu)件質(zhì)量比較，相較于墻板類預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)線的連體式振搗平臺，本項目所研制的預(yù)制梁柱自動化生產(chǎn)線的單體式振動平臺性能更優(yōu)越。

5 結(jié)語

受試驗樣本數(shù)量偏少及混凝土性能指標(biāo)多種因素影響［11］，平臺振搗中振動頻率、振動時間與混凝土塌落度、配合比關(guān)系也還待于更多的研究。另外通過對試制構(gòu)件的混凝土強(qiáng)度檢測，其實際強(qiáng)度遠(yuǎn)超出其配方對應(yīng)的強(qiáng)度等級范圍，一般情況下混凝土強(qiáng)度隨著其密實度的提高而增大，能否采用低強(qiáng)度配方通過振搗提高密實度，從而獲得較高強(qiáng)度的混凝土，這項研究很有意義，其規(guī)律還有待于進(jìn)一步的探討。