原作者:杨东来 出处:
【论文摘要】水泥滑模摊铺工艺中，其主导设备为水泥搅拌设备及水泥滑模摊铺机。在介绍了滑模摊铺机发展历史及趋势后，对水泥搅拌设备及滑模摊铺机的工作原理及设备配套进行了叙述，并提出施工中应注意的一些问题。
1 滑模摊铺的定义
水泥混凝土的成型原理与沥青混凝土成型的工作原理不同。沥青摊铺机是靠熨平板浮动在沥青混合料上，靠找平油缸使熨平板仰角变化来调节铺层的厚度；而水泥混凝土是靠成型模来挤压水泥混凝土成型的。水泥混凝土摊铺机按其行走方式可分为轨道式摊铺机和履带式摊铺机。轨道式摊铺机采用固定模板铺筑作业，而履带式摊铺机采用随机滑动的模板进行施工，所以又分别称为固定式模板摊铺机和滑模式摊铺机。
2 滑模摊铺机的发展历史及发展趋势
国外水泥摊铺机的开发源于20世纪40年代，德国将简易的轨道式摊铺机用于二战时期的道路修筑。水泥混凝土路面具有承载能力大，使用寿命长，材料资源丰富的特点，在世界各发达国家已有了长足的发展。继60年代美国在原先轨道式摊铺机的基础上，开发出第一台滑模摊铺机，到70年代静压技术及电子技术的飞速发展及在工程机械上的应用，使水泥混凝土摊铺机的自动化程度和综合性能提高到一个新的水平。如今的水泥滑模摊铺机多采用履带行走、自动导向、自动滑动成型模板、自动找平，且集布料整平、振实、抹平、修边、打传力杆于一身，具有一次成型、生产效率高的特点。
2.1 国外水泥摊铺机的发展趋势
(1) 不断开拓新产品，具有一机多用的特点。如Power-curber摊铺机，可以同时摊铺路肩及路缘石，只要改变成型模板，还可以摊铺水渠、中央防撞栏等。我公司在广花高速公路施工中，就曾对中央防撞拦的摊铺进行了有益的尝试。
(2) 引进计算机控制技术，进一步发展智能化的研究。水泥摊铺机在弯道及变坡路段施工时，易发生提高成型模标高的现象，目前该问题尚未得到彻底的解决，现多用PLC及工控机的控制技术予以研究解决。(国内西安公路交通大学已开始这方面的研究)
(3) 采用数字化控制技术，提高系统的可靠性。采用常规的电—液找平技术或机械—液压找平技术，对液压系统的工艺要求较高；采用数字技术，即计算机0—1控制方式，使控制量成为一个开关量的控制，从而大大降低对液压系统的要求，提高了系统的可靠性。
(4) 向高效率、大型化方向发展。以CMI为例，已从SF250型、SF350型发展到SF450型。
2.2 国内发展情况
第一台引进的滑模摊铺机设备为黑龙江路桥公司的SF250型。“八五”期间，由西安公路交通大学、黄河工程机械厂、天津工程机械研究所共同开发研制的HTH7900滑模摊铺机，经试验路的试摊铺和交通部、建设部的验收，已达到国外80年代初的发展水平。与此同时，镇江华通机械集团公司引进了美国的PRO-HOFF的技术，江苏建筑机械厂引进了Wirtgen的技术，郴州筑路机械厂引进了Power-curber的技术。
国内产品的研制，在关键技术方面仍存在着：
(1) 液压及控制系统的可靠性相对较差，加工工艺达不到要求；
(2) 自动找平等关键技术设备仍依赖于进口。
3 摊铺机的选型及结构原理
滑模摊铺主导机械为滑模摊铺机及水泥搅拌设备。
水泥摊铺机的选型必须满足所铺设路面宽度的要求，目前，一般考虑为双车道一次性摊铺，其宽度为8.25 m。同时，对于高等级路面施工，宜采用四履带摊铺机。用四履带摊铺机的优点：(1) 具有足够的牵引力克服混凝土的摊铺阻力；(2) 四履带摊铺机的机架较长，油缸找平时间相对较长，适应地面能力强，可以提高路面的平整度。
3.1 滑模摊铺机的优点
滑模摊铺机是一种自动化程度高、技术性能先进的施工机械，由机架、履带行走机构、操纵控制系统和工作装置组成，与轨道式摊铺机相比，其优点为：
(1) 全液压驱动，操纵控制系统采用电—液伺服系统；
(2) 路面摊铺时，路拱、纵坡和弯道均可通过调整成型板和方向机构自动实现；
(3) 无需铺设模板和轨道，只需架设基准线，可节省材料及人工费。
3.2 摊铺机主要结构及工作原理
水泥混凝土摊铺机完成对混合料均匀布料、计量整平、振捣密实和修边、抹边等工序的作业，是通过专门装置的布料机构、振捣压实机构和抹光机械来实现的。下面就摊铺机的主要工作装置予以说明。
(1) 螺旋叶片布料机构多用在大型的滑模摊铺机上，布置在机器正前方，其旋转表面平行于路基表面，高度可以随机架调整，螺旋叶片直径通常为 40～50 cm，由两台可正、反转的液压马达独立驱动。在布料时，混合料的高度为螺旋直径的2/3较合适。通过叶片的正、反转左、右推动，将混合料横向摊铺在路基上，并具有再搅拌及均匀混合料的作用。
(2) 侧向布料机和侧向布料装置可适应一些特殊工况的使用需求，在铺筑中间夹带钢筋网的混凝土路面时，滑模式摊铺机就必须加装一侧向布料机构，否则无法实现二次布料。
在桥面铺装时，由于要铺钢筋网，水灰比保持不变，坍落度增大1 cm，可通过调整外加剂来实现，同时要注意振捣的强度要足够，摊铺的速度要适当；其次，要注意振动箱内要有足够的沙浆，保证振捣棒的正常工作；第三，要保证桥面铺装的厚度。桥面铺装厚度较小，若厚度达不到设计要求，很容易产生早期破坏。
(3) 计量板(虚方板)。在螺旋布料机构后面有一上、下可以调整的虚方板，其作用是控制进入振动箱混合料的数量。虚方板的高度宜为所铺设路面的1.2倍，松铺系数为1.2。
(4) 振捣压实机构。混凝土料的振捣和压实是影响摊铺作业内在质量的关键工序。实践证明，高频振动能够有效地减少混凝土料粒之间的摩擦阻力，使其充分密实。因此，用于混凝土振实的机具均采用高频振动。振动元件常用的就是振捣棒。振捣棒是将振动棒体全部埋入混合料内部，通过棒体表面直接将振动能量传给混凝土铺层，振动效率高。振动频率分别为：液力驱动0～167 Hz；电力驱动200～316 Hz。振幅为1.1～1.5 mm。
由于高频振动的有效影响直径通常为45 cm左右，因此在摊铺机上一般是成排使用。选用的根数根据摊铺宽度和厚度的大小，结合所能提供的动力许可，可以是6、8、12、14和16根等，布置间距为450 mm，两边靠近边模的距离宜为150～200 mm。
目前，在摊铺机上采用的振捣棒分液力驱动和电力驱动两种。液力驱动的振捣棒，其激振频率可以通过控制液压油的流量实现无级调节。新一代的摊铺机普遍采用了一种“内置式电振捣棒”，在其棒体顶端内部装有一台特制的微型电动机，直接驱动偏心块产生振动，其电压为100V，振动频率为200 Hz，单根功率为0.88 kW，由一台40 kVA、200 Hz的高频电机专门驱动，其作业性能优于液力振捣棒，具体表现为：
1) 可靠地保证所有振捣棒的振捣频率及强度，振动的质量均匀一致；
2) 克服了振动棒由于液压元件内泄造成频率下降及漏油的缺点；
3) 维修方便。
使用振捣棒时，应特别注意不能在空中振动，这样会因振动元件的热量散发不出去而烧坏轴承及马达；当开始摊铺时，在振捣棒将贴近混合料时开始振动，然后将振捣棒插入混凝土中。
振捣频率F与摊铺阻力Pf的关系
Pf=f(cψF)，
式中：c—材料粘结力；
ψ—内摩擦角。
可知Pf与材料的c、ψ与F有关，当振捣频率F增大时，其c,ψ下降。特别是F达到一定值时，使混合料达到液化状态，这时Pf就较小，若频率达不到所需要的频率，一方面导致摊铺机牵引力不足，另一方面，也会将振动棒从机架上拉下。
(5) 夯锤。振动棒后侧有一长条形夯锤板，即为夯锤。其作用是将混合料中的大颗粒石子打入水泥板块之中，使成型模与水泥混凝土接触面不易起拉毛现象，并保证成型后的水泥板块上有3～4 mm的沙浆，使拉毛机可以做出适宜的抗滑结构；同时，也不会将路面表面拉花。夯锤的深度应调节到成型模下5 mm左右，其振捣频率可调，并且应与摊铺速度相匹配。
(6) 超级抹平器。抹平器是摊铺成型后的最后一道工序，它的作用是将水泥面上残余的气泡排出，并通过抹平，修整路面的缺陷。
抹平器可以将残余的气泡从水泥浆中排出，这对于提高抗滑结构的使用寿命和水泥板块的使用寿命有着很直接的关系。若气泡不排出，雨天，空隙中充满了雨水，当汽车轮胎通过时，空隙内部形成高压水，从而破坏水泥板块及抗滑结构。
至于如何充分排出水泥板块中的空气，减少这方面的缺陷，尚需广大科技工作者进一步研究。
(7) 应特别说明的问题
1) 为了实现连续摊铺，摊铺机两侧边模必须可调。目前，我公司的SF350经改装后，已将原固定模改为油缸提升边模，从而可以进行桥面铺装，实现连续摊铺，这对提高路面施工的平整度是一个质的飞跃。原先的固定边模，尽管主要路段采用了滑模摊铺机施工，但桥头踏板联接处仍需要由人工摊铺联接，影响了路面平整度的整体性。注意，选型时应选用可动边模。
2) 为了实现桥面摊铺，采用布料机侧向布料是必要的；由于桥面铺装需架设钢筋网，运输车辆无法行驶，因此，必须采用侧向布料。但布料机的侧向布料也有一定的缺点，其布料麻烦、速度较慢，并会使中间钢筋变形过大，影响路面质量。可否研制专门的自行式侧向布料机还有待研究。
4 搅拌设备的配套
施工单位应根据设计文件、施工工期、工程量的大小选配施工机械。机械配套的原则：
(1) 满足施工机械流水作业的配套，满足摊铺机最低行走速度1 m/min的连续摊铺的搅拌设备能力；
(2) 原材料供应、运输环节的配套；
(3) 摊铺成型后的小型机身的配套，见表1。
4.1 搅拌设备的选型
高等级公路主车道的施工，一般宜选配一次能摊铺两个车道、宽度8.5 m的摊铺机摊铺，保证路面横坡度一致。若分多个车道摊铺，纵向接缝难以接顺，这是由于混凝土的坍落度而引起的。因此，为了保证搅拌出的混凝土的一致性，宜选配型号相同的搅拌设备。其次，对于同一型号的搅拌设备，需配置砂的含水量自动检测装置。最好对0.5～1 mm的瓜米石也应检测含水量，消除由于材料含水量的变化所造成的水泥混凝土坍落度的波动。要铺设平整度高的路面，其混凝土的稳定性是关键。
表1 混凝土面板滑模摊铺主要机具配套表
| 工作内容 |
主要施工机械设备 |
| 名 称 |
机型及规格 |
数量/台 |
| 钢筋加工 |
钢筋切断机 |
|
1 |
| 钢筋折弯机或工作台 |
|
1～2 |
| 电焊机 |
|
1～2 |
| 测量拉线 |
水准仪 |
|
2～3 |
| 经纬仪 |
|
1～2 |
| 拉线及线桩 |
200个线桩 |
2000 m拉线 |
| 搅拌 |
强制式搅拌站 |
≥50 m3/h |
1～4 |
| 装载机 |
2～3 m3 |
1～2 |
| 发电机 |
120 kW |
1～4 |
| 供水泵或蓄水池 |
|
按实际需要配置 |
| 运输 |
搅拌运输车 |
4～6 m3 |
按运距和施工
规模定数量 |
| 自卸车 |
4～8 m3 |
| 摊铺 |
滑模摊铺机 |
|
1 |
| 布料设备 |
布料机或小型挖掘机 |
1 |
| 拉毛养生机 |
国产或进口 |
1 |
| 人工拉毛齿耙、压板、行走板 |
自制 |
1～5 |
| 软锯缝机 |
国产或进口 |
1 |
| 常规锯缝机 |
国产 |
2～3 |
| 水磨石磨机 |
国产 |
1 |
| 移动发电机 |
12～60 kW |
2～3 |
| 工作缝及胀缝支架 |
稳固固定传力杆 |
按需要定数量 |
| 灌缝机 |
可灌胀缝、工作缝、缩缝 |
1～2 |
| 养护 |
喷洒机或喷雾器 |
压力式喷洒机或30L喷雾器 |
1～2 |
| 洒水车 |
4.5～8 t |
至少1～2辆 |
4.1.1 混凝土搅拌楼的选配
混凝土搅拌楼的选配应以国产或进口强制式搅拌楼为主要机型。对于高等级公路路面施工，由于要求混凝土的坍落度较小，如自落式搅拌设备、立轴式搅拌设备不很适合公路水泥混凝土的搅拌。这里要强调一点：如沥青混凝土搅拌设备一样，水泥混凝土的搅拌也必须保证5 s的干拌及30～50 s的湿拌时间，以及规范中规定的有效搅拌时间。
搅拌楼的计量精度也是选型中应考虑的主要问题。称量机构是水泥混凝土搅拌设备的重要组成部分，称量精度的高低对所生产的混凝土质量，包括稠度、和易性、可摊铺性以及成型后的强度指标等起决定性作用。因此，要求称量机构必须满足下列要求：
(1) 对各种材料的称量精度应符合规范要求，对铺筑路面所用的混凝土在生产时的计量精度为：水泥<±1%；粗、细骨料<±2%；水<±1%；外加剂<±2%。
(2) 操作简便，动作可靠；
(3) 称量值调整方便、快捷。
外加剂用量小影响大，其计量精度应提高，建议提高到±1%，并且使用时要先用溶解池沉淀、过滤，然后输送到外加剂罐中，同时应及时检测其浓度的变化。
4.1.2 搅拌设备控制系统要求
目前搅拌设备多采用工业控制计算机系统，搅拌设备控制系统的要求必须具备如下基本功能：
(1) 全屏幕显示功能。全屏幕显示混凝土搅拌站的动态工艺流程，实时显示出各种骨料、水泥、水、外加剂的配方值、称量值、补偿值，并实时显示各出料门状态，螺旋输送机和破拱电机的工作状态，骨料斗的提升、下放和倾翻时的时间和位置，水泥筒仓和其它储仓的料位等。
(2) 自动计算和调整混凝土的配合比。机内应存储多种混凝土配合比的数据，可随时通过键盘修改或调整配合比，也可通过键盘随时改变搅拌及出料时间，或调出其它用户的有关参数投入工作。
(3) 对砂、石、骨料的表面含水率具有自动检测补偿功能。系统应配置含水率测定仪，能实时测定、记录并反馈砂石骨料表面含水率值的信息，经控制中心进行减水补砂运算或由给水系统进行扣减和补偿。
(4) 能自动对配料称量过程进行落差补偿或粗称、精称控制，保证配料称量满足精度要求。
(5) 具有对系统故障进行自检、显示和报警的功能。一旦某一机构控制失灵或出现机械损伤事故，能够及时通知管理人员进行维修和处理。
(6) 自动化管理功能。系统应配置快速打印和用户服务系统，可以同时为多个用户建立各自的数据信息库。可实时打印出每一用户的供求情况及搅拌站的工作报表，包括每锅信息和每批信息。还可以建立网络管理，便于大型工地或多台搅拌机同时工作时统一调度和管理。
4.2 搅拌设备生产能力的选择
搅拌设备的拌和能力，根据摊铺宽度b，设计面板厚度h和摊铺速度Vt按下式确定：
拌和能力 M≥60bhVt。
一般的高速公路二车道按8.25 m宽，每天施工700 m计算，水泥板块厚度按26 cm计算，相应的配套搅拌能力为200 m3/h。
对于搅拌设备的上料，有拉铲式和冷料仓的形式。根据我们公司使用的情况，宜采用冷料仓形式较好，其优点为：
(1) 有利于料场管理，使材料不易混仓；
(2) 减少了装载机等其它机械对材料的污染；
(3) 有较好的计量精度。
4.3 运输能力的匹配
运输车辆应选配搅拌运输车或载重能力较大的自卸车，并根据搅拌楼的生产能力，施工车辆的速度、运量及运距，按下式估算汽车的数量nq：
nq=2nb(1+srcM/vqgq)，
式中：nb—相同生产能力搅拌搂台数；
s—单程运输距离，km；
rc—新拌混凝土容重，t/m3；
M—单台搅拌楼的生产能力，m3/h；
vq—车辆的平均运输速度，km/h；
gq—汽车的载重，t/辆。
由于自卸车有装料方便、卸料速度快，比搅拌车成本低的特点，施工中基本采用了大吨位自卸车的运输方式。对于坍落度适中、搅拌均匀的混合料，车辆漏浆的现象基本可以解决；但对于中央防撞栏及路沿石摊铺，由于摊铺机对进料有一定的要求，还需用搅拌运输车运输。
对于路肩、路缘石的摊铺，在湖北、广西已采用了路缘石摊铺机摊铺，并取得了较好的效果，其优点如下：
(1) 水泥混凝土采用了厂拌供料，质量能得到保证；
(2) 采用自动控制的找平系统，可以保证路缘石的流线型及外观质量；
(3) 实现路肩及路缘石一体化摊铺，提高机械化作业的施工效率，大大节约劳动力。
4.4 碎石设备的匹配
对于大型机械化施工，每天的碎石用量近1500 m3，单靠地方石场不但质量得不到保障，而且往往不能满足施工进度的要求。目前的路面施工中，为了充分备料，往往是备料时间等同于路面施工时间，因此，配置一套150 m3/h的碎石设备是十分必要的。目前，绝大多数施工单位仍未做到这一点。 |
