预制立柱自动化喷淋技术及养护装置的研发

宁英杰，杨延龙，方哲形，谢纯辉

（浙江交工集团股份有限公司，杭州310052）

1 引言

混凝土的强度与裂纹发展是决定其使用寿命的关键因素，在配比合理、浇筑水平相同的前提下，混凝土的养护质量决定了混凝土强度是否满足与温度（收缩）裂缝是否发展[1]。在混凝土构件预制生产与养护过程中，采取人工养护是传统的方式，但是预制构件的尺寸大小和工人的养护工作态度问题常导致养护不到位的情况[2~4]，加之目前的混凝土养护方式往往不符合规范，不够科学、精细[5]，导致混凝土构件养护过程中产生了较多的温度裂缝与收缩裂缝[6，7]。针对上述情况，本文提出立柱自动化喷淋养护系统，通过可折叠性的框架与喷淋水循环技术，将立柱置于框架中，进行实时养护，实现预制立柱的自动化喷淋养护。

2 预制立柱养护技术现状

2.1 混凝土养护方式

以往混凝土预制构件采取人工洒水养护，人员投入较多，并且由于在操作养护过程常出现疏忽，使混凝土构件非常容易出现构件强度不达标、出现温度裂缝与收缩裂缝等问题[8,9]。与此同时，传统的人工养护因为工作人员的疏忽或遗漏关键数据等问题，造成养护不全面，有遗漏，从而难以保证混凝土在固化过程中表面水分流失后能够得到补水[10]。

2.2 喷淋养护水收集和循环

在养护用水方面，传统粗放的喷洒用水养护方式与目前社会关注的绿色环保理念相悖[11]。傅重阳等[12]研发应用了“穿衣戴帽”法墩身自动喷淋养护技术，对于施工养护水进行收集循环利用，形成了水闭路循环。匡韶华等[13]在南益高速公路工程中采用永恒压喷淋和控制喷淋时间的方式取得了显著的社会、经济效益。目前所熟知的混凝土构件养护大多采取人工洒水养护，没有对喷淋用水进行收集与循环使用等方面的研究，因此，传统的养护方法与节能、环保、高效率理念背道而驰[13]。建筑行业中水的循环利用是未来建筑行业的必然要求[14]。

2.3 自动化喷淋养护

随着我国建筑行业改革的不断深入，建筑产业正在逐步向着自动化、智能化的方向发展[15]。赵一林等[16]提出自动化养护技术，对养护效率的提高意义重大。杨剑等[17]通过自动化养护的方式对混凝土释放水化热过程中的各项参数进行实验分析，得出了能较好地引导混凝土水化热平稳释放的水量、喷淋频率等养护参数。自动化生产正在逐步代替繁重的人工操作，尤其在制造与养护混凝土预制构件方面，人工操作越来越不能满足目前的作业要求，所以，自动化混凝土预制构件养护系统正成为保证混凝土预制构件养护质量的迫切需求。

3 预制立柱喷淋养护装置研究内容

目前预制混凝土立柱养护还存在许多缺陷，针对目前的养护现状，本文将设计一种混凝土立柱喷淋养护装置用以提高混凝土立柱的养护质量。

3.1 研究设计框架式喷淋养护装置

传统的人工养护难度大，立柱的上端和底部容易因水泥水化及混凝土硬化进程的不一致而产生分层现象，为提高养护效率，研究一种框架式喷淋养护装置，整体框架与立柱造型匹配，呈长方体构型，内部中空，使立柱位于喷淋框架内部，实现对立柱的不间断喷淋养护。

3.2 研究设计喷淋养护装置的可折叠结构

考虑立柱较高，传统人工养护难度较大等因素，进行喷淋养护装置的可折叠结构设计。整个喷淋养护装置构呈“捕鱼笼”式折叠结构。为提高结构的使用便捷性，设置2个水平框架，并进行连接，在实现可折叠的同时，也保证整个喷淋装置的整体稳定性。为提高装置的普遍适用性，需要合理设置进行水平框架与连接杆的夹角，使装置适用于不同高度的立柱。

3.3 养护用水循环利用设计

为实现水的循环利用，节约水资源，需要进行水的收集与循环利用设计，设置水循环体系。传统的水循环体系中，养护液进入集水池中时含有大量的泥沙，会导致喷头或输液管发生堵塞，因此，需要过滤养护液中的泥沙，进行进液管的滤膜设计。传统的滤膜在使用过程中常出现经滤膜分离的固体积聚在滤膜上的问题，导致水泵的抽水效率大幅下降。为避免这一现象，需要进行滤膜优化研究。

4 立柱喷淋养护装置的研究过程

4.1 适用于立柱的喷淋系统框架设计与选型

基于立柱的长方体式构型，充分考虑喷淋的覆盖区域，叠套式框架设计是本研究的最佳选择。喷淋系统框架主要分为水平框架构件、竖直框架构件以及移位板，竖直方向和水平方向的框架构件分别平行于立柱的侧立面和横截面，可以更好地贴合立柱表面。输液胶管布置于各个框架构件内部，喷淋喷头设置于水平向框架构件上，水平向框架截面形状与立柱相似，且尺寸略大于立柱横截面，以便于喷头安装和工作。竖直方向的框架构件用于连接和固定水平向框架构件，使水平方向的框架构件与喷头能固定于预设位置。最后，在竖直方向的框架顶部连接用于提升和移动整体框架的移位板、吊车等吊具，使其可通过移位轻松提升和移动整体喷淋框架。

4.2 喷淋养护系统优化研究

喷淋养护系统优化研究的主要目的是对喷淋框架进行易用性和便利性方面优化，在实现喷淋框架可折叠的同时，保证框架整体的协调性和稳定性。经分析，在相邻水平方向的框架构件之间增加一个斜腹杆，使其与相邻水平向框架构件呈Z字形。同时，竖直向框架构件采用可伸缩型杆件。则斜腹杆不仅可以与竖直向框架构件协同辅助固定水平向构件，而且通过改变斜腹杆与水平向框架构件之间的角度，可以实现框架阶梯式的折叠。另外，斜腹杆与水平向构件的角度为0°~45°，当斜腹杆与水平向构件成45°时，斜腹杆可起到辅助支撑及固定水平向构件；当角度趋于0°时，喷淋框架将折叠成阶梯状。

4.3 水收集过滤及循环系统设计研究

相较于传统的人工手持设备喷淋养护模式，自动喷淋养护系统的节能优势体现在可以进行喷淋水的收集与循环利用。水的收集方法考虑利用水压进行引流，因此，在框架底部板四周设立用于蓄水的竖向板，在其中一侧开口引流至集水装置。养护水仅需要固液分离，采用滤膜过滤即可达到较理想的过滤效果，但考虑到固体分离物在滤膜上沉积会影响过滤速度和循环周期，遂采用具有传动功能的滤膜装置。最后，过滤后的液体流入水泵的进水口，由水泵经输液管道输送到各个喷淋口。

5 立柱喷淋养护装置的工作原理

适用于立柱的自动化喷淋养护装置在接通电源，启动水泵加压后，水将通过框架内的软胶管传输至上部框架喷头，进行喷淋养护；养护用水在待养护立柱表面自上而下流动至底部框架，该过程中，养护水会携带立柱表面的灰尘等固体颗粒一起流动，再经集水装置流入输液管进行滤膜过滤，滤膜在传送带的驱动下，可对沉积在滤膜表面的固体沉积物进行粗略清理，防止沉积物堵塞滤网；过滤后的水将重新通过水泵增压传输至各个喷淋口。一个构件养护周期完成后，可选择通过吊车移位对下一构件进行养护，或者通过折叠框架进行装置回收。整体装置示意图如图1所示。

图1 立柱自动化喷淋养护装置示意图

6 结语

通过对预制立柱自动化喷淋养护装置的设计与研发，能较好地弥补现有的传统人工手持装备养护模式的不足，实现对立柱自动化、全方位、均匀的养护，避免了混凝土硬化进程不一而导致的生产质量问题，推进了建筑行业自动化的进程。同时，对于该装置的易用性和便利性进行改进，提出的“捕鱼笼”式折叠框架能大大提高该装置的工作效率，打破了工厂立柱养护对于场地的限制。对养护用水的收集与过滤过程的优化，在很大程度上解决了沉积物影响过滤效率问题，提高了整体生产效率。