電伴熱加熱技術在靜興高速公路預制T梁施工中的應用

陳 京

（山西交通建設監理咨詢集團有限公司，山西 太原 030012）

在我國北方地區，高速公路橋梁建設項目冬季施工中，由于溫度過低會造成預應力張拉和管道壓漿溫度不足，甚至出現凍害現象[1]。為了保證高速公路橋梁壓漿質量，防止冬季施工中出現質量問題，必須采取有效的冬季施工措施。本項目橋梁設計采用預制T梁，冬季施工時間長達一個半月，為了保證預應力張拉和壓漿質量，采用電伴熱技術，做好保溫與防凍，并對經濟效益進行了分析，說明電伴熱技術在橋梁冬季施工中具有良好的應用前景。

1 電伴熱技術研究概況

近年來，隨著我國電力和高分子技術的快速發展，電伴熱技術得到了快速發展。電伴熱技術已逐步發展成為我國重點推廣項目，國內很多高校和大型企業都參與了研究。北京工業大學、武漢理工大學、長安大學等高校的相關學者對電伴熱技術在公路升溫、飛機跑道融雪等方面進行了研究。濰北油田、上海交通大學管數園、遼寧省水利水電勘測設計研究院等企業對電熱技術在油田開采、電纜加熱系統和在輸水穩壓塔上的應用進行研究，并取得了大量研究成果[2]。電伴熱技術應用廣泛，目前被廣泛應用到工程建設、建筑、化工、油田等多個行業。

在公路項目施工過程中，電伴熱技術被應用到橋梁施工中，解決注漿管內溫度下降問題，保證冬季施工中注漿施工的正常進行。電伴熱技術具有效率高、低能耗、無污染、容易安裝、使用壽命長等優點，可實現遙控或自動控制。相較以往的暖棚式加熱方式，可有效降低施工成本。電伴熱技術通過理論分析，確定梁體內部伴熱線的布線方法，在混凝土澆筑前做好管道設計，保證冬季施工，可操作性強，施工簡便，施工時間短。

2 靜興高速公路預制T梁電伴熱設計

2.1 依托項目概況

靜興高速公路是山西省重點工程項目，屬于山西高速公路網“三縱十二橫十二環”的重要組成部分。路線起點位于靜樂縣豐潤鎮南與李家會村之間，并設置靜樂樞紐互通與太佳高速相接，終點位于陜西省榆林市神木縣馬鎮盤塘村，并與陜西岸神盤公路秦梁展線方案對接，全長93.86 km，行車里程全長106.1 km。路基寬度25.5 m，雙向四車道，設計時速80 km/h，設特大橋3座，大中橋78座，隧道7座（其中白龍山特長隧道全長10 980 m），橋隧比例占45.26%，全線互通立交6座。當地冬季氣溫低，不利于混凝土的養生，為了保證橋梁樁基、承臺、蓋梁及預制T梁等施工項目的施工質量，制定冬季施工方案，具體工作任務如表1所示。

表1 冬季施工工作任務 m3

2.2 電伴熱技術工藝原理

電伴熱技術是一種有效的管道保溫和防凍方案，其工藝原理是伴熱媒體釋放一定的熱量，用直接或間接熱傳遞的方式將熱量傳遞出去，補充壓漿管道的熱量損失，最終達到升溫、保溫或防凍的基本工作要求[3]。

在T梁混凝土澆筑之前，做好伴熱管道的布置，T梁冬季施工過程中，壓漿管道中預埋伴熱線，為管道壓漿養護提供熱量，控制梁體內部的溫度，保證注漿養護質量，本項目T梁伴熱線布置斷面如圖1所示。

圖1 T梁電伴熱線布置圖

2.3 電伴熱設備選型

結合施工現場實際和T梁截面尺寸，按式（1）進行伴熱管道熱損失計算[4]：

式中：Q為伴熱管道實際熱損耗，W/m·W；λ為伴熱管道保溫材料導熱系數，W/m·℃；Tw為養護期間維持溫度，℃；Th為施工期間最低環境溫度，℃；d為伴熱管道外徑，m；δ為伴熱管道保溫材料厚度，m。

對橋梁施工現場進行調查，結合工程項目的施工要求，確定各項參數如下：橋梁T梁管道壓漿施工溫度不小于 5℃，混凝土養護期間維持溫度Tw=5℃；施工期間環境最低溫度Th=-15℃；根據T梁所選材料的熱物理性質表，得到伴熱管道保溫材料導熱系數λ=1.63 W/m·℃，伴熱管道外徑d=0.09 m，伴熱管道外混凝土材料厚度δ=0.25 m。代入式（1）得：

根據計算結果，施工現場選用120 W/m的電伴熱線。

2.4 電伴熱線布置

施工現場伴熱管道選用外徑為900 mm的金屬波紋管。為了保證電伴熱的加熱效果，采用卷繞法將伴熱線纏繞到波紋管上，如圖2所示。

圖2 伴熱線金屬波紋管布置圖（單位：cm）

根據伴熱線每米所需功率和總長度比值確定伴熱線在金屬波紋管上的卷繞間距[5]，不同管徑每米伴熱線功率與電熱帶功率之比計算結果如表2所示。本項目電伴熱線每米管線所需功率與電熱帶功率之比為1.1，金屬波紋管直徑為900 mm，查表確定卷繞間距為35 cm。

表2 不同管徑每米伴熱線功率與電熱帶功率之比計算結果

從電閘線引出220 V的電纜，總計8根，預應力鋼絞線張拉后將伴熱線與電纜連接，加熱預應力管道。通電后可以通過預埋的測溫線傳感器對管道內部的溫度進行檢測，當溫度超過5℃后進行管道壓漿，壓漿完畢后持續通電加熱3 d，保證管道內溫度在6℃～15℃范圍內。養護3 d后將伴熱線與電纜線斷開，并對伴熱線接頭進行保護。

3 電伴熱加熱效果分析

3.1 測溫數據分析

本項目施工中，選取3個T梁作為試驗對象，分別選取其中一個金屬波紋管上部的電伴熱線端和線尾的溫度進行監測，檢測頻率為1次/2 h。為了便于進行數據分析，記錄編號為1-xd、1-xw、2-xd、2-xw、3-xd、3-xw，選取第二天溫度檢測數據記錄在表3，根據檢測結果繪制溫度隨時間變化曲線如圖3所示。

分析表3數據可知，隨外界溫度變化，電伴熱線線端和線尾的溫度也產生了一定的變化，且環境溫度越高，檢測溫度越高。在檢測的第32個小時，出現了最低溫度7.2℃，最高溫度出現在檢測的第46個小時，最高溫度為13.8℃，檢測溫度均高于5℃，滿足管道壓漿養生要求。另外，溫度檢測中發現線端溫度高于線尾溫度，這是由于電伴熱線的散熱功率會受到兩端電壓損耗的影響，但不會對養護溫度造成較大影響。

表3 T梁電伴熱部分溫度檢測記錄 ℃

圖3 電伴熱線溫度隨時間變化曲線

3.2 孔道壓漿強度檢測

表4 試件強度實測值

本項目T梁孔道壓漿采用42.5水泥凈漿，施工中制作同條件養生試件3組，分別檢測養生3 d、7 d、14 d、21 d、28 d后抗壓強度，并記錄在表4中，并繪制強度增長曲線如圖4所示。

圖4 強度增長曲線

分析表4數據和圖4變化曲線可知，養護3 d后強度達到60%以上，養護期間強度不斷增長，28 d后強度達到了43.35 MPa，高于設計要求的42.5 MPa，滿足設計要求。

4 結論

基于靜興高速橋梁T梁冬季施工實踐，對電伴熱技術在孔道壓漿施工中的應用做了全面闡述，并得出以下結論：

a）結合施工現場實際和T梁截面尺寸，通過計算確定伴熱管道實際熱損耗118.3 W/m·W，確定施工現場選用120 W/m的電伴熱線。

b）在T梁孔道壓漿養生過程中，預埋的測溫線傳感器對管道內部的溫度進行檢測，得到最低溫度為7.2℃，檢測溫度均高于5℃，滿足管道壓漿養生要求。

c）通過對孔道壓漿強度進行檢測，分析數據和變化曲線得出28 d后漿體強度達到了43.35 MPa，高于設計要求的42.5 MPa，滿足設計要求。