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芯模振动水泥制管机制管时的常见问题
时间：2015-05-10|阅读：次
芯模振动水泥制管机，是我国在上世纪90年代从丹麦佩德哈勃公司和德国MBK公司引进的先进制管装备。生产的产品品种有1000～3000的柔性接口钢承口、柔性接口企口、带基座柔性接口承插口排水管。基本覆盖了市场所需的品种和管材发展的方向，其中带基座柔性接口排水管是国内首创。该设备工艺具备：1）效率高；2）能耗低；3）环保；4）节省水泥；5）安全性好等诸多优点。
由于国内在管材设计、工艺要求以及原材料选用等方面的特点，该设备工艺在使用过程中逐渐暴露出一些适应性和缺陷性的问题：1）管体的变形；2）管体结构的合理性；3）新管材品种的开发。下面就上述问题和由此延伸出的一些问题，结合工程实际应用进行分析探讨。
1. 管体的变形
芯模振动工艺采用即时脱模的方式生产，这是和其他工艺（离心、悬辊、立式振捣等工艺）带模养护生产的本质区别。由于失去了模型的支护作用，直立式养护的混凝土管材处于弱约束状态，初凝之前在重力作用之下产生不均匀沉降，造成管体变形，尤其是上端管口变形严重，这种形变对管材质量影响极为不利。为了保证工程管线的密封性，国标《混凝土和钢筋混凝土排水管》GB/T11836中对管口的不圆度有严格的限制，要求控制在±2mm。我们在产品检测过程中，发现没有采取任何保护措施的管材上端管口不圆度大多超过了±2mm，最高达到 ±10mm，所有变形呈现以下特点：1）变形的状态基本是由圆形变为椭圆形；2）变形全部集中在上口；3）随着管径的增大，变形的程度和概率呈下降趋势；4）管口变形短轴方向的管长偏差较大，最大值在10mm。
分析上述情况，变形的原因：1）上口自由端距下口固定端（底托固定）较长（3000mm以上），管体的微小的变形，对上口端变形影响较大；2）管节成型过程中的管体尺寸偏差是一个重要诱发因素；3）管体的自然沉降和管体的不完全垂直于地面是产生变形的主要原因；4）天车起吊过程中起吊中线和管体中线不完全重合，偏心力使管体变形。以上第1条是无法改变的基本情况，第4条完全是人为因素，下面重点阐述第2、3条形成的原因及产生的后果。
由于芯模振动设备本身具有的一些特点：1）底托和振动环之间必须留0.5mm左右的间隙，以及底托和振动环之间的密封橡胶圈；2）调整振动环水平时存在一定的偏差（±1mm）；3）磨口圈外径设计时必须和外模之间留有2mm空隙量以及磨口圈本身的安装精度和刚度变形量。以上3项给底托以及外模的整体倾斜预留了空间及可能。根据实测的数据，倾斜造成管材两边壁厚偏差5～10mm，同时形成同一管材两侧出现不一样长的现象，这时管材的重心也发生了偏移。
在此状态下进行管材的蒸汽养生，由于混凝土抵抗变形强度不够很容易形成管口上端变形。这种变形是工艺本身和混凝土的特点造成的，要彻底解决很困难，经济简便的方法就是制做护口圈，对易变形的管体上口在混凝土未达到强度之前进行必要的保护。对原设计钢护口圈我们简化了设计，经过多次修改后，重量比原设计减少了 1/3，节省了成本，降低了操作难度。
2. 管体的结构
芯模振动工艺生产的柔性接口企口管材，在施工过程中出现承口端轴向裂缝，尤其是在施工不规范操作时，出现的频率较高，影响了该种管型在市场中的推广应用。对上述情况的出现当时我们有两种假设：
2.1 管口尺寸结构不合理
一是承插口太长（140～145mm）；二是承口和插口之间的接口缝太小。但经过仔细分析和解决方案的制定，基本排除了管口尺寸结构不合理的可能性。
首先，从Φ2000管旋转0.5度后安装接口图分析（见图1），不可能出现A、B以及C、D点的直接挤压。其次，考虑到插口的长度不宜过短。因为各工艺（包括离心、悬辊、立式振捣等工艺）的产品端头钢筋骨架到位情况并不是很理想，如插口太短极容易造成受力位置缺少钢筋的情况。另外，施工中发现接口缝小有以下优点：1）接缝不易出现内部严重错台；2）密封胶圈尺寸小不易跑位，密封效果较好；3）节省胶圈的用量。
由于国内在管材设计、工艺要求以及原材料选用等方面的特点，该设备工艺在使用过程中逐渐暴露出一些适应性和缺陷性的问题：1）管体的变形；2）管体结构的合理性；3）新管材品种的开发。下面就上述问题和由此延伸出的一些问题，结合工程实际应用进行分析探讨。
1. 管体的变形
芯模振动工艺采用即时脱模的方式生产，这是和其他工艺（离心、悬辊、立式振捣等工艺）带模养护生产的本质区别。由于失去了模型的支护作用，直立式养护的混凝土管材处于弱约束状态，初凝之前在重力作用之下产生不均匀沉降，造成管体变形，尤其是上端管口变形严重，这种形变对管材质量影响极为不利。为了保证工程管线的密封性，国标《混凝土和钢筋混凝土排水管》GB/T11836中对管口的不圆度有严格的限制，要求控制在±2mm。我们在产品检测过程中，发现没有采取任何保护措施的管材上端管口不圆度大多超过了±2mm，最高达到 ±10mm，所有变形呈现以下特点：1）变形的状态基本是由圆形变为椭圆形；2）变形全部集中在上口；3）随着管径的增大，变形的程度和概率呈下降趋势；4）管口变形短轴方向的管长偏差较大，最大值在10mm。
分析上述情况，变形的原因：1）上口自由端距下口固定端（底托固定）较长（3000mm以上），管体的微小的变形，对上口端变形影响较大；2）管节成型过程中的管体尺寸偏差是一个重要诱发因素；3）管体的自然沉降和管体的不完全垂直于地面是产生变形的主要原因；4）天车起吊过程中起吊中线和管体中线不完全重合，偏心力使管体变形。以上第1条是无法改变的基本情况，第4条完全是人为因素，下面重点阐述第2、3条形成的原因及产生的后果。
由于芯模振动设备本身具有的一些特点：1）底托和振动环之间必须留0.5mm左右的间隙，以及底托和振动环之间的密封橡胶圈；2）调整振动环水平时存在一定的偏差（±1mm）；3）磨口圈外径设计时必须和外模之间留有2mm空隙量以及磨口圈本身的安装精度和刚度变形量。以上3项给底托以及外模的整体倾斜预留了空间及可能。根据实测的数据，倾斜造成管材两边壁厚偏差5～10mm，同时形成同一管材两侧出现不一样长的现象，这时管材的重心也发生了偏移。
在此状态下进行管材的蒸汽养生，由于混凝土抵抗变形强度不够很容易形成管口上端变形。这种变形是工艺本身和混凝土的特点造成的，要彻底解决很困难，经济简便的方法就是制做护口圈，对易变形的管体上口在混凝土未达到强度之前进行必要的保护。对原设计钢护口圈我们简化了设计，经过多次修改后，重量比原设计减少了 1/3，节省了成本，降低了操作难度。
2. 管体的结构
芯模振动工艺生产的柔性接口企口管材，在施工过程中出现承口端轴向裂缝，尤其是在施工不规范操作时，出现的频率较高，影响了该种管型在市场中的推广应用。对上述情况的出现当时我们有两种假设：
2.1 管口尺寸结构不合理
一是承插口太长（140～145mm）；二是承口和插口之间的接口缝太小。但经过仔细分析和解决方案的制定，基本排除了管口尺寸结构不合理的可能性。
首先，从Φ2000管旋转0.5度后安装接口图分析（见图1），不可能出现A、B以及C、D点的直接挤压。其次，考虑到插口的长度不宜过短。因为各工艺（包括离心、悬辊、立式振捣等工艺）的产品端头钢筋骨架到位情况并不是很理想，如插口太短极容易造成受力位置缺少钢筋的情况。另外，施工中发现接口缝小有以下优点：1）接缝不易出现内部严重错台；2）密封胶圈尺寸小不易跑位，密封效果较好；3）节省胶圈的用量。
图1 Φ2000管旋转0.5度后安装示意图
2.2 接口部位力学性能不合理
即管材承口端钢筋的配置不合理。图2a）是原设计管体承口端钢筋配置，图2b）是修改设计后的管材承口端钢筋配置。
依据裂缝出现和发展机理，承口端由于密封橡胶圈超标准压缩（这种情况非常普遍）而承受反作用力即张拉力，承口内壁首先出现裂缝，随着裂缝的扩展，钢筋开始发挥作用即开始承受拉力，以达到力的平衡。现以Φ2000 管为例，计算钢筋承受拉力出现0.2mm的变形时，管体承口的拉力。P=δP0.2S=3.14×52×440=34540N（其中，冷轧带肋钢筋δP0.2值应不小于公称抗拉强度的80%即不小于550×80%=440N/mm2）。在34540N张拉力下管内壁裂缝宽度计算：图2a）所示裂缝宽度X=100×0.2/25=0.8mm（式中25mm为钢筋保护层厚度）。图2b）所示裂缝宽度X=100×0.2/75=0.26 mm。
即管材承口端钢筋的配置不合理。图2a）是原设计管体承口端钢筋配置，图2b）是修改设计后的管材承口端钢筋配置。
依据裂缝出现和发展机理，承口端由于密封橡胶圈超标准压缩（这种情况非常普遍）而承受反作用力即张拉力，承口内壁首先出现裂缝，随着裂缝的扩展，钢筋开始发挥作用即开始承受拉力，以达到力的平衡。现以Φ2000 管为例，计算钢筋承受拉力出现0.2mm的变形时，管体承口的拉力。P=δP0.2S=3.14×52×440=34540N（其中，冷轧带肋钢筋δP0.2值应不小于公称抗拉强度的80%即不小于550×80%=440N/mm2）。在34540N张拉力下管内壁裂缝宽度计算：图2a）所示裂缝宽度X=100×0.2/25=0.8mm（式中25mm为钢筋保护层厚度）。图2b）所示裂缝宽度X=100×0.2/75=0.26 mm。
图2 管材承口钢筋配置示意图
由上面计算得到，两种不同钢筋布置方式在钢筋用量相同的情况下，差异极大的两种结果。
3. 结语
通过对芯模振动制管工艺引进的消化和吸收，我们在克服了缺乏设备图纸，没有专家指导，没有先例可借鉴以及国内市场的较复杂情况下，采取循序渐进，逐点解决问题的方法，同时充分发挥设备本身的先进性能，开发出了新的功能和新的产品，以创新的精神努力适应和开拓了市场。
3. 结语
通过对芯模振动制管工艺引进的消化和吸收，我们在克服了缺乏设备图纸，没有专家指导，没有先例可借鉴以及国内市场的较复杂情况下，采取循序渐进，逐点解决问题的方法，同时充分发挥设备本身的先进性能，开发出了新的功能和新的产品，以创新的精神努力适应和开拓了市场。
