芯模振动工艺十三年回顾

　　我公司自国外引进芯模振动制管设备，屈指13年了。当年盛况犹历历在目：铮亮的主机，巍峨的辅机，高矗的钢模，宽大的厂房；中外人员合作努力；及至试产之日，芯模一声吼，业内震动，一种前所未闻的排水管制造新工艺在杭州出现了。十多年来，此生产线共生产了直径1350～2400mm排水管10余万根，总长290余公里。为杭州（2006年搬至长沙）及周边地区、邻近省、市的大、中型排水治污工程作出了贡献。

 

　　新工艺新在哪里？新就新在湿法脱模上。

 

　　由于湿法脱模，才得以在同一个机坑里，用同一个芯模，一根接一根地浇入和脱出湿润的制品，像面点师印制糕团一样迅捷。以一个机坑和岿然不动的芯模为中心，实现定位的机械喂料，从而完成整个生产线的高度集约化，这就是高度机械化、高效率、高产量的奥秘所在。它一改水泥制品车间劳动力密集，环境脏乱的旧貌，令人耳目一新！

 

　　由于湿法脱模，必须防止半成品坍塌变形，由此限定管子的细长比要大，口径要大，管身要短，此外，壁厚要厚，钢筋骨架要加强（无筋管固然不行，Ⅰ级管的配筋也嫌单薄）。因此，湿法脱模注定只与此类特征的排水管结缘。

 

　　由于湿法脱模，无法使用塑性砼，只能采用干硬性砼。干硬性砼内摩擦力大，工作性差，又不允许掺入塑化剂。如何振捣才能密实呢？必须寻找一种新的振动方法，它能够沿着制品全长，强力而周到，它要以制品的内壁振动为主（因为水管的工作面是内壁），又要兼顾外壁和全壁厚的振动。回头看来，芯模振动方式是最为可供选择的。如果说芯模振动对塑性砼和干硬性砼都可用的话，那么，对干硬性砼湿法脱模（立式）来说，那就是非寄望于芯模振动不可了。可见，芯模振动工艺是服务于湿法脱模工艺的。本芯模振动工艺的实质是湿法脱模工艺。

 

　　但是，麻烦的是，湿法脱模触犯了水泥制品一大忌。预应力（含自应力）制品固不待言，即使是非预应力制品，也仅仅对于建筑砌块，送电线路三盘之类的形状简单、外形扁平、尺度甚小的水泥制品，以及其它可用挤压成型获得较高的初始结构强度的某些水泥制品，湿法脱模才是允许的，而对于有承插配合要求和一系形状要求的各类排水管，它们的形位误差和尺寸误差都有严格的限制，它们的拆模强度都有严格的要求，是万万不允许湿法脱模的。然而，多亏我们国外的同行们，偏偏要在不可能的事情上找出可能来，终于有一条路走通了，这就是上文所说的某些种类排水管。

 

　　虽然可以用湿法脱模工艺制作某些种类的排水管，但湿法脱模的与生俱来的负面作用却始终是一种客观存在，不容忽视。十多年来，我们想方设法克服湿法脱模的隐患，发挥芯模振动工艺的优势，制作出大量的合格的丹麦管和F型顶管。兹分述如下：

　　这两个问题其实是同一个问题，就是管身密实度差。湿法脱模所需的干硬性砼，坍落度为零，工作度为维勃稠度20～30S左右，这种砼拌和物内摩擦力很大，一般须用挤压加振动、辊压加振动、插入式振动等等方式进行浇捣，如带着内外钢模整体振动，像振动台、附着式振动器，则效果甚差。湿脱模用芯模振动，就保证能行吗？对这个问题，我们的回答是：不一定！理论上说，芯模振动可以设计得尽善尽美，采用变频装置，按集料颗粒对振动的响应度（共振）来选择和变动频率，同时按管径大小料层厚度和高度的递增，实时改变振幅和其他振动参数，还要保证让芯部振动较好地传递到外模。芯模振动制管设备发展到今天，振动系统有很大完善，从这个角度来说，理论上既无悬念，实用上谅必也毫无问题。但我们早期引进的设备，调节频率要换皮带轮，不是无级调节；调节激振力（借以调节振幅）也很不理想。激振力一大，管身砼是密实起来，气孔麻面既少又小，但噪音受不了，超出100dB(A)，耳朵发胀，心脏发慌，脚底都发麻，甚至振动芯棒振断，轴承振碎，底盘振裂；激振力一减小，噪音减小了，但砼密实度减得更快，气孔多且大，成品的砼容重会降到2200kg/m3以下（离心管的砼容重2550 kg/m3以上）。

 

　　幸而，在重力排水管道内水压很低的条件下，一定程度的气孔存在，不会造成太大的危害。例如气孔大小在5mm以下，每100cm2面积上5～6孔的情况下，看起来怪不舒服，但多年的水压试验（0.1 MPa）均未发现管壁渗漏。这可能是由于芯模振动已经能够振坍气孔与气孔之间的通道，也有可能由于管壁厚，气孔之间贯通的概率减小了。国家标准中对管壁气孔亦无规定，麻面的要求也不苛刻，合格是没有问题的。但外观不好看，用户多有微词，有的用户很在意；管内壁的麻面也影响通水的光洁度（后述）和使用寿命；有的工程内水压要求比0.1 MPa高（有压排水），使用上多了一层限制。对于用户的意见，用国标的规定和水压检验结果加以解释，用户是会理解的。上海曾有个用户主动要求厂家不要抹平这种麻面，以免掩盖更大的缺陷，而麻面他要。

 

　　但厂家还是必须注意提高密实度和改善气孔麻面，除了从根本上选择好振动参数强化振动效果之外，在砼拌合物本身也有文章可做，例如，拌合物不要太干，卵石比碎石易密实，中细砂比中粗砂易密实（以上提示可减小内摩擦力），搅拌时间适当延长，即拌即用，也较易密实（提示与拌合物触变性有关）。

 

　　麻面既出，还得靠手工抹掉，特别是管子内圆面；有的麻孔较大较深，抹不掉，可以用机坑中碾压（旋压）管口时挤出的砂浆来填补，可做到色泽一致、美观。

 

　　此问题和上述气孔麻面有关系，但性质不相同。让我们设想一下，如果振捣获得理想状态，没有气孔麻面，这时，湿法脱模也不会光洁；不可能达到蒸养后脱模那种光洁度。事实上正是如此。

 

　　湿法脱模工艺在本案是拖模，拖过后的湿砼表面，留下钢模断断续续的拖痕，再检视内外模的表面，遍布着星星点点的砼碴，清除这些砼碴很麻烦，似乎也无必要，反正总是需要手工抹面，把拖痕和麻面一起抹掉就行。

 

　　手工抹面能否解决表面光洁度的问题呢？也不一定！在湿脱模的表面，抹掉麻面和拖痕，又会产生新的抹刀痕。砼未初凝，无法压光。抹得不细心，还是凹凸不平，留着手工的痕迹。

 

　　排水管的内圆面光洁度的好坏，是排水工程运行的重要指标。它关系到沿程水头损失，管线坡度取值，影响到流速、流量，并最终关系到工程造价和运行寿命。砼管（含砼渠道）内壁光洁度的衡量指标是粗糙系数，又称糙率。糙率可以在运行的管线上实地加以测定，选一段直线管段，上、下游各开一个测流孔，用U形压差计测定两孔间的压差，再用毕托管测定水流的平均流速，应用哲才公式和巴甫洛夫斯基公式，即可求得该管道的糙率，命名为n，无量纲（注一）。

 

　　较重要的排水工程，对糙率n都有明确的要求，通常写明n≤0.014。面对合同上这个要求，管线尚未铺设，如何测定n值呢？这里我们可以参照水工建筑的经验和有关资料（注二），从砼表面成型方式和糙率的关系入手，作比照确定，兹列表如下：

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序号	砼表面成型方式	糙率n
1	抹光的水泥表面	0.012
2	未抹光的水泥表面	0.014
3	光滑的砼护面、平整的喷浆护面	0.015
4	粗糙的砼护面	0.017
5	不平整的喷浆护面	0.018

 

　　如果用户要求是n≤0.014，比照上表，应是未抹光的水泥表面。这个关于砼表面的成型方式与我们的工艺相符合，因为我们湿法脱模后经手工抹平，尚无法进行手工加压抹光，应归入未抹光一类。但是注意须抹平，就是要把钢模的拖痕和麻面抹掉，还要对新出现的抹刀痕仔细加以修平，这样才算达到n≤0.014。如果要求再提高，就要等到砼稍有凝结，再进行初步的加压抹光。如有争议，只有等待安装之后测试验证。

 

　　如果把上述（一）（二）问题看作是湿法脱模的“微观”问题的话，那么，管体和接口变形则是湿法脱模引起的“宏观”问题了。湿法脱了模之后，制品沿全长顿时没有了束缚，这个半成品，初始结构强度可能只有若干个KPa，便孤立无援地伫立在地面上。看一看提起外模的操作，酷似一次大型坍落度试验，试验结果将与标准坍落度试验大不相同，坍落度不再是零，而是坍落几十毫米，此数值随配筋量的大小，振动密实度好坏和拌合物干湿而有差异，常超过管长公差的规定。管子在工地安装时，管长的积累误差有时造成与窨井错位，引起纠纷和返工。另外，由于砼的坍落，管长缩短的同时上口变厚，有时也会造成内径超小。对于管长的变短，解决的办法是同规格的管子力求材料和工艺参数一致，使它们的缩短量大致相同，这样，就可以在图纸上减去这种管子的平均缩短量，写出新的管长名义尺寸和公差，举例说，原先图纸上写的管长2500+20；-14mm，经抽样测定后，将图纸修改为管长2478+20；-14mm，将新图纸提交施工单位作为工程放线打桩依据，这样，当铺管和窨井并行施工时就不会错位了。

 

　　比管体变形更头疼的是接口的变形，它关系到安装的难度和接口漏水问题。立式制管只有一头朝下，它由底模保证精度，待砼固化后才卸底模；但朝上的一头就难控制了。由于砼的坍落，不但接口变厚，配合尺寸也发生改变。能不能像底模那样，戴一个钢板圈在头顶上呢？绝对是受不了！我们是用定制的较轻便的塑料“定型圈”，分内、外圈各一只。出坑前，将内“定型圈”套在插口内壁，而把外“定型圈”罩住插口外壁。等到砼初凝到某个程度，才小心地摘帽。这样做好像很周到，实际上并非理想。塑料“定型圈”本身就不太精确，使用中又容易老化变形，它对插口变形的限制功能非常有限。除了塑料圈本身要把好质量关，时时检测并及时更换新圈之外，我们也尝试一种“二次蒸养法”：制品脱去外模后，就卸去内“定型圈“，用刷子手工修抹内壁，然后罩上帆布罩，开小汽蒸半小时后，关汽掀布罩，此时插口内壁不大可能再变形了，插口外壁因蒸过一阵子也稍有强度，以上是第一次蒸养；接着就卸去外定型圈，用刷子手工修正插口工作面并修抹管子外壁，再罩上帆布开大汽蒸3h，最后关汽开罩用砂纸打磨插口工作面，（不用磨光机）。这种办法其实是不大相信塑料定型圈，而更多地依靠人工修抹打磨。

 

　　如果是做F管，就安排插口朝下，让它由底模保证。朝上的是F圈，经胀圆机胀至屈服强度以上，便获得精确圆度和尺寸，只要在制管过程中维持F圈这个标准形状，防止因刚性不佳发生变形走样，就能得到合格的钢承口了。我们的方法有二：（1）用蜘蛛状的定圆器，撑住F圈内径，使F圈保持正圆无法变形。此“蜘蛛”有六条腿，腿尖有螺丁可调节腿长。使用时，事先将六条腿调节一个正圆，再去撑住F圈，连成牢固的整体，再把F圈焊到骨架上去。一直等到制品初凝之后，才可卸去“蜘蛛”；或者（2），先把F圈单独焊到骨架上去，焊接时，F圈靠住外模，以外模的内壁作基准找圆，焊接完工后，再把“蜘蛛”放入，调节螺丁撑紧F圈，直到制品初凝。

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　　选择合适形状和硬度的胶圈，对补救接口的变形也至关重要。企口管我们选用拉密尔胶圈，因其对承插口间隙不均匀有较强的适应性，曾尝试改用楔形胶圈，没有成功；对于F管，我们用楔形胶圈、试改O型胶圈代替，也没有成功；O型胶圈对不均匀的配合间隙较为敏感。

 

　　还有一种变形发生在脱外模时，若吊勾中心与外模重心不重合，会引起外模歪斜，造成管子上口端面倾斜，引起超差。外模歪斜还会造成摩擦力增大，引起制品外表面恶化和诱发裂缝。

 

 

　　裂缝问题是水泥制品的共同课题。有许多共通性。但湿法脱模有它的特殊性。

 

　　（1）龟裂：龟裂在水泥制品中人们并不陌生，是制品表面失水干缩引起的裂纹，各向同性，随机分布。若与其它因素叠加作用（骨架限制收缩，自重或堆叠负荷……等），也会显出某些方向性。龟裂轻度时防碍美观，引起用户疑虑；严重时，特别是与其它因素叠加作用时，影响产品质量。标准中容许龟裂应是指轻度龟裂。

 

　　湿法脱模后，制品表面完全暴露在空气中，如天气热，气候干燥，则湿表面蒸发很快，这是其它带模养护的制品工艺所没有的。湿脱模后如能立即罩上帆布罩静停或蒸汽低热蒸养，可以减缓表面蒸发；可惜此刻须要人工修抹插口和内外表面，耽误了宝贵的时间。盛夏晴热，只稍半个小时，就开始龟裂。一个小时后就很可观了。先裂外圆面，稍后内圆面也跟上。车间若有穿堂风，关窗都来不及。解决的办法是提前关闭窗户，关掉降温用的轴流通风机，必要时用喷雾器对表面进行喷雾补湿。此外，还可以错开上班时间，避开中午及下午的高温，加速人工抹面（同时抹掉初出现的龟裂），以便尽快罩上帆布罩。

 

　　（2）结构性裂缝：

 

　　指的是在成品上纵深发展成为贯穿性的裂缝。这是一种危险的裂缝，它导致水泥制品的报废。

 

　　芯模振动湿法脱模制管过程中，有一种结构性裂缝颇为特殊。它是在湿脱模过程中，发生在湿润的半成品上的；是本工艺特有的。

 

　　试观察脱模过程共分三步脱模：第一步是制品从芯模中抽出；第二步是外模从制品上吊出，以上两步都是湿脱模；第三步是等到制品凝固到有足够强度（蒸养或自养）后，用翻管机将制品吊离底模。第三步属干法脱模。

 

　　第一步脱模即当制品从芯模中抽出时，制品受压缩，这个压缩力通过砼自身的粗集料的架构作用，传力于钢筋骨架，使纵向钢筋受压弯曲；接着到了第二步，行车吊提外模时，制品受力方向骤然改变，变成受拉伸，既拉伸制品砼，又连带拉伸钢筋骨架，使先前受压弯曲的钢筋骨架，尽力地舒展伸直，这种顶伸作用，使砼受拉更为严重。随着外模一步步升高，已脱模的下面部分因坍落作用也加剧拉伸，制品砼的累积伸长量步步加大，直到出现环向裂缝（提示环向裂缝多出现在高处），出现环裂后，外模继续上升，拉力就会扩大裂缝。

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　　观察还在继续：当外模升到顶端，脱离制品后，制品就会开始新一轮自重压缩过程和坍落过程，这时，程度较轻的环向裂缝，会因压紧而水化愈合，因为砼尚处于初凝初期，愈合后不会留下什么伤痕。但是有一部分环向裂缝太宽，自重坍落的压紧力不够（特别是高处的环裂），或遇到粗集料阻隔发生错位，或因裂口水分蒸发过快丧失了水化所需的水分，砼中的胶凝物质不能互相贴紧，其分子不能再次产生交联，无法恢复原状，便形成了结构的断裂。

 

　　预防方法：管端碾压成型时，用力不要过猛，要轻压慢旋，使压弯的钢筋有释放能量的机会。脱芯模和外模时也要缓慢，脱芯模开始和脱外模终了都是砼和钢筋变形最大的时候，尤其要小心进行，防止震动。还要注意防止失水干缩，避免干缩与环裂的叠加。应当指出，一旦形成结构性环裂，虽然还只是半成品，也绝不允许涂抹掩盖，而必须坚决予以报废。

 

　　结语：以湿法脱模为根本特征的芯模振动工艺，机械化，集约化程度高、生产率高，产量大。适用于大口径，大壁厚、大配筋、大承载能力排水管的生产，不适于生产中、小口径、小细长比、较轻型、壁厚较薄的，承载力较低的排水管。因此，须注意其局限性，注意用得其所，扬长避短；同时，要努力克服湿法脱模的种种弊端，消除或减轻这些弊端，才能做出合格的产品，避免误入量多质次的境地；最后，也正由于它的某些局限性，生产厂家必须兼备其它工艺的生产线，兼容并蓄，以组织各类排水管的生产，才能满足市场的各种需求，实现资源的合理配置和综合利用。——这是我们13年回顾的小结，作为抛砖引玉，就教于业内同仁和专家学者。

 

　　注一：浙江省水科院《渡槽与水泥管》P457

　　注二：何维华编著：《城市给水管道》，四川人民出版社出版，P663