石濟客專辛集制梁場蒸養系統的應用及效果

文/蔡華奇 中國水利水電第八工程局有限公司專業總工程師 湖南長沙 410004

石濟客專辛集制梁場蒸養系統的應用及效果

文/蔡華奇 中國水利水電第八工程局有限公司專業總工程師 湖南長沙 410004

客運專線箱梁冬季蒸養系統對混凝土的質量至關重要，本文主要介紹石濟客專辛集制梁場箱梁冬季預制施工時蒸汽系統技術，包括蒸養設備選型、管道布置及養護溫度的控制等技術，為以后類似工程提供參考經驗。

箱梁；蒸養系統；應用；效果

1、工程概況

1.1 辛集制梁場的概況

石濟鐵路客運專線辛集制梁場承擔藁辛特大橋、辛集東特大橋2座橋梁，共804榀雙線單箱單室箱梁預制生產及架設任務，供應范圍為DK51+213.36～DK79+556，梁場中心里程對應線路為DK65+037。位于河北省辛集市，架設范圍最大距離為14.5公里。梁場占地約207畝，按使用功能劃分為：混凝土拌合區、制梁區、存梁區、提梁上橋區、鋼筋加工區和辦公生活區六個區域。根據施工工期計劃，共設置10個制梁臺座，70個存梁臺座，5個提梁臺座，承擔了24米箱梁預制55孔，每孔箱梁混凝土量為220.8立方米，32米箱梁預制749孔，每孔箱梁混凝土量為285.9立方米。工期從2014年1月至2015年11月，總計23個月，其中梁場基本建設7個月，預制梁15.5個月，梁體架設14個月，日均生產指標1.8孔/天。

1.2 水文氣溫

辛集地勢平坦，氣候四季分明, 屬東部季風區曖溫帶半濕潤大陸性氣候。12-2月是冬季，冬季寒冷寡照，雨雪稀少，其中一月份最冷，月平均溫度為-3.9℃，氣溫日變化較大。

1.3 箱梁蒸汽養護系統的重要性

1.3.1 工期緊張

根據總體工期和取證要求，總工期從2014年1月開始，至2016年1月結束，合計25個月。計劃2014年6月15日首榀梁澆筑，2014年8月通過局級投產鑒定，2014年9月通過梁場取證。梁場自2014年10月開始預制和架設均進入了正常生產，施工期間受三電遷改影響架梁共停工5.5個月，造成工期（有效工期壓縮了5.5個月）緊張，生產強度增大（達到了3榀/天），冬季須高強度生產。

工期緊張。

1.3.2 必須在冬季進行施工

整個梁場的生產過程經過兩個冬季的施工，為了加快冬季施工制梁周期，縮短制梁臺座使用時間，控制梁體溫度變化和外界溫度差距，并有效控制混凝土水化熱，從而保證箱梁內在質量，同時也保證冬季梁場的正常運營和工作的連續性。

1.3.3 箱梁技術質量要求高

石濟客專箱梁后張梁采用預張拉，初張拉，終張拉三階段張拉。為了加快制梁臺座周轉及防止混凝土早期裂紋，梁體預應力施工按預張拉、初張拉和終張拉三期進行。在混凝土強度達到設計強度的60%（33.5MPa）后，拆除端模，松開內模，將模板的連接全部松開后進行預張拉，在梁體混凝土強度達設計強度的80%（43.5MPa）時拆除內模,進行初張拉，初張拉后梁體方可頂移出制梁臺位；當梁體混凝土強度及彈性模量達到設計值,且混凝土齡期不小于10天方可進行終張拉。

2、蒸養系統的設計及應用

2.1 蒸養棚罩

箱梁蒸養采用活動板房的板材棚罩內通蒸汽的方法，棚罩擱置在外模板走道欄桿上，用龍門吊機配合進行整體安、拆。蒸養棚罩(頂高2.8m,兩側頂高2.2m,)高2.5長33m寬13.2m，為周轉使用，共制兩套。制梁臺座外模邊部采用紅磚砌筑、砂漿粉刷，使制梁臺座和蒸養棚罩形成一個封閉體。

2.2 蒸養管道布置

辛集制梁場根據場地實際情況，蒸汽鍋爐布置在試驗室邊上，離制梁臺位和攪拌站距離較近。蒸汽管道分主管和支管，主管沿軌道梁布設，分管接至各個臺座，最遠的臺座距鍋爐180m。管道接至臺座后由開孔支管直接向棚罩內供汽，開孔支管每個臺座設6根，分別布置在臺座的兩邊、中間和箱梁箱體內，支管的出汽孔要經常清理，以保證棚內均勻受熱。

蒸汽管道主管選用φ75mm，分管用φ50mm，開孔支管用φ30mm，開孔支管上孔徑為φ3mm間隔1m ，整個支管長度和臺座長度相同為33m，使用時棚溫測量表明，這樣布置比較合理，支管氣孔均勻出汽，棚溫基本均勻，在一般情況下棚罩兩端溫差不大于5℃。汽孔布置不能過密，以免開孔支管在剛開汽時相當長一段時間內末端無汽或出汽很小，影響棚溫均勻上升。

圖1、蒸養管道截面布置圖

2.3 蒸汽養護設備選型

2.3.1 熱量計算

以32.6m箱梁計算為例

（1）初始條件

恒溫階段溫度t2：45℃

養護前砼制品的溫度t1：5℃

建筑鋼的比熱C1：0.48kJ/kg.℃

砼制品的平均比熱C2：0.84kJ/kg.℃

空氣定壓比熱Cp：1.0045kJ/kg.℃

1kg水泥水化熱量Qc：258.3kJ/kg

箱梁的鋼模板重量m1：180t

箱梁的混凝土重量m2：800t

未蒸養罩內空氣質量m3:2508.744kg

水泥總量m4:114510kg。

（2）熱量消耗

1)加熱鋼模所消耗的熱量Q1=m1×c1× (t2-t1) =3456000KJ；

2)混凝土升溫所消耗的熱量Q2=m2×c2× (t2-t1)=26880000KJ；

3)蒸養棚罩內采暖所消耗的熱量Q3=m2× cp×(t2-t1)=100801.3KJ；

4)水泥產生水化熱總量Q4=m4×Qc =29577933KJ；

則蒸汽所需總熱量：

Q=(Q1+Q2+Q3-Q4）=858868.3KJ

2.3.2 蒸汽量計算

單榀箱梁所用蒸汽量W=Q/(I×H)=721.9 kg/h；

其中：蒸養所需總熱量Q =858868.3kJ/h；

一定壓力下蒸汽含熱量I=2644kg/kJ；

蒸汽有效利用系數H=0.45；

根據現場工裝配置（10個制梁臺座）和計劃生產能力2孔/天，高峰時有8個制梁臺座需要同時蒸養，8榀箱梁同時蒸養所用蒸汽量：721.9/1000×8=5.78t/h。

2.4 設備配置

根據蒸汽量計算，梁場配置1臺4t/h鍋爐和2臺2t/h鍋爐即可滿足現場蒸養。考慮到設備的維護，蒸汽鍋爐采用河南熱豐鍋爐有限公司生產的型號為WNS4-1.25-Y（Q）的臥式蒸汽鍋爐1臺，WNS2-1.25-Y（Q）的臥式蒸汽鍋爐2臺。

3、溫度控制儀的布置

對于大體積梁體混凝土施工，要做好溫度量測工作，箱梁測溫系統及元件采用混凝土自動測溫儀器。箱梁測溫系統及元件采用溫度數據采集使用長沙市三智電子科技有限公司制造的SZWT-MCU自動溫度測量系統。用預埋式溫度傳感器探頭，通過電子測溫儀量各部位溫度，傳感器探頭可重復使用。測溫儀器和設備如出現故障須及時維修或者更換。

混凝土養護箱梁的兩端供蒸汽，因此測溫點的布置為梁的縱向長度的一半，橫向截面對稱，布置測溫點以截面的一半布置。在縱向確定距梁端1000mm處、跨中截面3個截面作為布點的平面，具體截面位置如圖2、圖3、圖4圖所示。

圖2 測溫點布置截面位置圖

圖3 跨端斷面溫度監測點布置示意圖

圖4 跨中斷面溫度監測點布置示意圖

待鋼筋拼裝完成混凝土澆筑前，即將自動溫度測量單元以鐵絲固定于測點，另一端則接于放置在腹板外側的HTW-D10智能溫度傳感器上，中間部分以鋼絲固定在鋼筋上，以避免測點遭外力變動。

如上圖所示，各監測點監測位置見表1：

表1.溫度檢測點監測位置表

溫度量測設專人負責，每個測點進行編號。自然養護時，采用人工量測，蒸汽養護時采用電子自動測溫系統并配以人工復測。測溫時間暫定為混凝土澆筑完畢后4h→5h→8h→13h→24h→30h→32～52h（1 次/h）。在測定過程中，若數據有出現不規律變化時，適當加大測溫頻率；若出現規律變化時，可適當減小測溫頻率。

根據測溫記錄進行數據分析，進行通風降溫或加大蒸汽流量升溫，保證棚內混凝土外部環境溫度趨于一致。同時為拆模提供溫度控制參數。

4、蒸養工藝及溫度控制

箱梁蒸汽養護采用結構表面蒸養和結構內部蒸汽養結合的辦法。采用自動測溫儀器, 系統記錄養護溫度, 實施分段多點控制, 嚴格控制混凝土升溫速率、降溫速率及梁體內外溫差, 確保混凝土養護質量。

蒸汽養護分靜停、升溫、恒溫、降溫四個階段進行。

靜停階段：保持棚溫不低于5℃，蒸汽養護的混凝土在澆筑4h后開始加溫。

升溫階段：緩慢升溫、高濕低溫，前2h升溫速率控制在6～8℃，以后升溫速度不得大于每小時10℃。避免升溫過快引起混凝土細觀結構破壞，導致混凝土發生較大膨脹。

恒溫階段：控制梁體芯部混凝土溫度不超過60℃，保持梁體縱橫斷面內上下內外的恒溫溫度基本一致，降低局部熱沖擊對梁體的損害。恒溫時間一般控制在10～16h。當同期養生的混凝土試塊強度達到設計強度的90%以上，就可以開始降溫。

降溫階段：緩慢停汽，均勻降溫，速度不得大于每小時10℃。建議修改為：當箱內與箱外，表面與環境溫差不大于15℃時方可滿足拆模。梁體經過蒸養后，在棚內靜放一段時間，使梁體與棚內溫度一致，并在棚內溫度與棚外溫度差不大于15℃時移至存梁場，并采用梁體表面噴涂養護劑，采取保溫養護措施。

降溫階段注意要點:

(1)頂表面系數大, 降溫迅速, 易發生收縮裂紋；

(2)箱內熱能不易散耗, 不宜過早開放, 致使降溫迅速, 與環境溫差大；

(3)外側模表面系統較大, 鋼模蓄熱系數小,導熱率高, 梁體結構截面尺寸變化大。若降溫時不加控制, 易導致溫度不均, 及腹板外側混凝土表面承受較大剪應力；

(4)當蒸養恒溫結束時, 若突然停氣, 蒸養棚內濕度急劇變化, 易引起干裂。

5、蒸養系統的效果

5.1 進度效果

冬季施工采用蒸汽養護節約了臺座周轉時間，節約了工期。辛集梁場在12月初預制的箱梁分別采用了三種養護方式：自然養護、棚罩炭爐加溫、蒸汽養護，三種養護方式下，當環境溫度為10℃以下時，使用蒸汽養護時，3天即達到初張條件，而自然養護要6天，棚罩炭爐回溫也要5天，蒸養時間較自然養護可以節約3天左右，而且不受天氣的影響。

5.2 質量效果

冬季施工蒸汽養護保證混凝土的質量，當連續三天晝夜平均氣溫低于5℃或日最低溫度小于-3℃時混凝土必須采取保溫措施，蒸汽養護為箱梁的保溫提供了很好的保障。同時在澆筑時溫度過低，外加劑不敏感，混凝土工作性能不如正常溫度，由于混凝土入模溫度低，振搗困難表面氣泡多影響箱梁外觀質量，后采用蒸汽對水進行加熱提高混凝土的入模溫度，箱梁外觀質量得到了很好的改觀，用蒸汽對原材料和攪拌用水進行加熱安全、方便可靠。

5.3 成本效果及不足之處

蒸汽養護也有不足之處：一是其先期投入大，辛集梁場整套蒸養設備包括管道和棚罩在內共投入六十萬元；二是受場地限制，除像梁場這種比較固定集中的臺座可用外，現澆箱梁和其它線下結構使用不經濟；三是棚罩法加熱時由于蒸汽送熱不均勻，棚內溫度均衡很難控制，使梁體混凝土受熱不均勻；四是能耗高，產生的廢棄物污染環境。但任何一種方案的實施有利必有弊，隨著混凝土施工技術的發展以及鐵路箱梁廠房化生產的需要，蒸汽養護將得到不斷的完善應用。

6、結束語

辛集梁場蒸養設備及布置：在整個冬季施工過程中，溫控的效果表明，辛集梁場蒸汽鍋爐及蒸汽管道配套，能滿足施工要求，開孔支管上開孔孔徑和孔距比較準確，在正常升溫及恒溫過程中，整個棚罩兩端溫差符合要求。冬季施工時，混凝土的溫度控制是關鍵，如澆筑時的入模溫度、蒸養過程中的混凝土芯部溫度、拆模時表面溫度與環境溫度等。辛集梁場在施工過程中，除采取蒸養加熱等措施外，利用天氣因素合理安排施工時間，使箱梁預制過程中的每一道工序的溫度控制都在規范允許的范圍內，為以后類似工程提供了一定的經驗參考。

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