充氣塑料薄膜養護棚的設計制作與使用效果分析

臧雪猛 郭子龍 程湘偉 程遠兵 周銘輝 杜 曉

1. 華北水利水電大學 河南 鄭州 450011；2. 中天建設集團有限公司 河南 鄭州 450000

為加速混凝土凝結硬化、縮短脫模時間、加快模具周轉、提高生產效率和預制構件質量，預制構件廠通常對預制混凝土構件進行蒸汽養護（簡稱“蒸養”）。文獻[1-2]研究了在最短的時間內和最少的蒸汽用量情況下，蒸養各階段的時長和恒溫溫度的高低。文獻[3-4]通過對比蒸養和標準養護的混凝土抗壓測試結果，研究了蒸養制度對混凝土早期強度發展的影響。文獻[5]分析了在預制混凝土構件生產過程中，蒸養溫度的作用可能引起混凝土出現裂縫的問題，通過觀察和經驗總結，分析了裂縫產生的原因，并在此基礎上提出了針對預制樓梯構件裂縫的防控措施。文獻[6]針對赤峰清河大橋工期要求短的特點，設計了一種多功能整體式保溫棚，該保溫棚具有保溫效果好、操作方便、可反復周轉使用、方便吊裝移位等優點，保證了該工程橋梁墩柱冬季施工的進度和質量目標。文獻[7]對冬季澆筑的混凝土橋梁采取新型保溫措施，該保溫方法具有節約材料、保溫性能優良等特點。在哈爾濱站改造工程中，由于工期要求，文獻[8]提出了采取保溫棚法的施工技術方案，通過熱傳導理論分析了大空間保溫棚的熱量計算及能源消耗，總結出一套“寒冷地區大空間混凝土結構冬季施工保溫措施”，可以應用到北方地區混凝土的冬季施工中。文獻[9]以濟青高鐵鄒淄特大橋跨慶淄路100 m連續梁橋的冬季施工為依托，從搭設保溫棚、安裝蒸汽發生器、安裝HC-TW80無線測溫儀等方面，闡述了連續梁冬季施工的加熱保溫措施，調整了梁體養護溫度等工藝手段，既保證了施工質量又加快了施工進度。文獻[10]在冬季箱梁橋梁施工過程中采用聚氨酯保溫材料保溫，對噴涂聚氨酯，覆蓋薄膜、棉被，保溫棚這3種保溫方式的保溫隔熱效果進行了養護期混凝土回彈強度對比以及經濟效益對比，結果顯示聚氨酯保溫材料具有更好的保溫效果。

為降低能源消耗，減少并充分利用蒸汽用量，本文依托預制構件生產廠，探索研究預制構件輔助采用保溫棚的養護方法，自行研制了一種充氣塑料薄膜養護棚，并進行了與完全蒸養條件下的構件養護溫度、構件脫模強度和成本等方面的測試和對比分析以及生產實踐驗證。研究結果表明，充氣塑料薄膜養護棚的使用效果較好，能節約成本，對環境無污染，為預制構件廠的保溫養護提供了一種新的技術方法。

1 充氣塑料薄膜養護棚的制作

1）養護棚應根據預制構件模臺的長寬尺寸和需養護預制構件的大小形狀等進行設計和制作。養護棚覆蓋體采用重疊的3層塑料薄膜，薄膜四周用塑料專用膠水黏結，黏結寬度為3 cm。3層薄膜中的相鄰薄膜，沿長度方向間隔50 cm、沿寬度方向間隔5 cm，形成間斷的密封條。在薄膜覆蓋體的兩側各安裝1個充氣閥，用于給保溫薄膜充入空氣。覆蓋體可以根據構件尺寸和形狀，制作成不同的大小和形狀。養護棚覆蓋體的構造如圖1所示。

2）安裝充氣閥。充氣閥安裝時要便于給覆蓋體充氣，一般選擇安裝在保溫薄膜距離邊20 cm處，用工具把充氣閥擰緊，不漏氣即可。

3）保溫薄膜密封。密封處用塑料專業膠水涂抹，涂膠寬度3 cm，放置1 d，確保完全凝固。密封時沿長度方向分段密封，四周要密封嚴密，確保不漏氣，中間各段點式密封，以便于空氣流通。

4）養護棚支撐鋼架制作和組裝。根據預制構件尺寸，采用CAD軟件設計養護棚支撐鋼架。根據設計圖紙制作加工出符合要求的養護棚鋼架（圖2）。

圖1 養護棚覆蓋體的構造

圖2 養護棚鋼架制作和組裝

5）養護棚組裝和充氣。將做好的保溫薄膜覆蓋體放置在養護棚鋼架上，完成養護棚組裝。覆蓋體之間的接縫用5 cm寬魔術貼粘接，確保接縫處兩面的魔術貼完全重合，以保證密封保溫效果。保溫棚與預制構件之間的間隙為4 cm±1 cm，以便構件均勻受熱；養護棚充過氣后的厚度保持為10 cm±2 cm。

2 冬季蒸養和養護棚養護條件下的構件強度對比

蒸養一般分為靜養、升溫、恒溫、降溫這4個階段。

靜養階段：該階段可以使預制混凝土構件獲得一個初始強度，用于抵抗后續升溫過程中產生的各種破壞應力。隨著預養期的增加，混凝土的初始強度增加，養護后的強度提高，但是過長的預養期會增加蒸養的總時長，降低養護效率，本試驗蒸養的靜養時間為2 h。

升溫階段：該階段將不可避免地在預制混凝土構件內外形成溫度梯度，在溫度梯度的影響下，預制混凝土構件內部的液態、氣態游離水分將發生膨脹和遷移，在構件內部形成“通道”，這些“通道”最終形成孔隙，影響構件的最終養護強度，升溫越快，這種破壞效應越明顯，本次升溫時間選擇3 h。

恒溫階段：該階段的溫度過低，不利于混凝土強度的快速提高；溫度過高，會影響混凝土內部水化熱的釋放，容易造成因溫度應力引起的裂縫。而恒溫時間和該階段溫度有關，溫度越高所需要的時間越短，反之則需要更長的恒溫時間。本次恒溫溫度40 ℃，恒溫時間6 h。

降溫階段：該階段關鍵在于控制降溫速度，降溫過快會導致混凝土構件內外溫差過大，容易在構件表面形成裂縫；降溫速度過慢，會增加整個蒸養周期的時長，降低蒸養效率。本次降溫時間為2 h，既有利于保證混凝土力學性能，又能順利脫模。

蒸養最高溫度40 ℃，通入蒸汽時長8 h，需1.2 t水。18點開始通蒸汽直到次日2點，之后關掉蒸汽，13 h后的出口溫度為30.7 ℃。

養護棚養護采取先升高棚內環境溫度至40 ℃，利用養護棚的保溫性能，維持棚內溫度，降低熱量損耗。18點到20點通入第1次蒸汽，即通2 h蒸汽，需0.3 t水。第2次通蒸汽為次日1點至3點，通入2 h蒸汽，需0.3 t水，13 h后的出口溫度為25.3 ℃。

圖3為冬季蒸養條件下與養護棚養護條件下的實測溫度變化情況。

圖3 冬季蒸養與養護棚養護的溫度變化情況

蒸養使構件處于一個較高的溫度環境，能使混凝土更快地凝結硬化，但是蒸汽用量多。養護棚從升溫至35 ℃開始，隨著時間的延長，棚內溫度保持穩定，從數據看保溫效果明顯，蒸汽用量少，能持續保持預制構件養護所需的溫度。

試驗方法：在養護條件不同的前提下，保持砂率為45%，坍落度為150 mm±30 mm，水膠比為0.4等因素相同，制作了2組C30試塊。試塊為100 mm×100 mm×100 mm的三聯模，抗壓強度試驗值需要乘以因數0.95，以得到抗壓強度的標準值。每種條件做9組試塊，分別測出了齡期12 h、14 h、16 h、18 h、20 h、1 d、7 d、14 d、28 d的構件強度，如圖4所示。

圖4 冬季蒸養與養護棚養護試件的強度對比

本次試驗所處地區的冬季年平均氣溫為－1～7 ℃，從圖4可以看出，2種條件下，12～28 d內試塊強度逐步增加，蒸養和養護棚養護條件下整體對應的強度相差不大。

蒸養條件下，12 h、14 h、16 h構件強度增長速度快，18 h、20 h、1 d均勻增長，說明蒸養為構件提供的溫度較為穩定，更適合構件強度增長，強度增長也會更均勻。

養護棚養護條件下，構件12 h、14 h、16 h、18 h、20 h、1 d的強度增長速度較快，強度較蒸養略低，說明前期保溫棚保溫效果好，熱量損失較少，棚內維持較為穩定的溫度，有利于混凝土的水化反應，構件強度也隨之增長。

根據強度變化曲線來看，冬季時養護棚養護可以輔助蒸養，能滿足脫模要求以及保證構件28 d強度，符合實際生產要求。

3 春秋季蒸養和養護棚養護條件下的構件強度對比

春秋季相對溫度較高，棚內溫度達到35 ℃，即可達到脫模強度要求，比冬季達到相同溫度時的蒸汽用量少，蒸養最高溫度35 ℃，通入蒸汽時長4 h，需0.6 t水。18點開始通蒸汽到22點，之后關掉蒸汽。滿足脫模強度要求，13 h后的出口溫度為30.3 ℃。

養護棚養護采取先升高棚內環境溫度至35 ℃，利用養護棚的保溫性能，維持棚內溫度，降低熱量損耗。18點到20點通入蒸汽，即通2 h蒸汽，需0.3 t水。13 h后的出口溫度為26.9 ℃。

圖5為春秋季蒸養條件下與養護棚養護條件下的實測溫度變化情況。

試驗方法：在養護條件不同的前提下，保持砂率為45%，坍落度為150 mm±30 mm，水膠比為0.4等因素相同，制作了2組C30試塊。每種條件做9組試塊，分別測出了齡期12 h、14 h、16 h、18 h、20 h、1 d、7 d、14 d、28 d的構件強度，如圖6所示。

圖5 春秋季蒸養與養護棚養護的溫度變化情況

圖6 春秋季蒸養與養護棚養護試件的強度對比

本次試驗所處地區的春秋季年平均氣溫10～22 ℃，溫度相對較高，所以2種方式在保證構件16 h脫模強度的前提下，相應減少蒸汽用量來節約成本。

從圖6可以看出，蒸養強度比養護棚養護略高，兩者整體的強度發展趨勢差別不大。后期強度增長穩定。

根據強度變化曲線來看，春秋季時養護棚養護可以替代蒸養，能滿足脫模要求以及保證構件28 d強度，符合實際生產要求。

4 冬季、春秋季蒸養與養護棚養護的經濟性對比

單個養護棚用料包括：寬5 m、長7 m的規格為14s（厚0.14 mm）的薄膜3層，需要15張，養護棚需要屋形薄膜（可裁剪出）6張；充氣閥14個；魔術貼（5 cm寬）需要50 m；塑料專用膠水6 kg；40 mm×40 mm方形鋼管按圖紙需求配備。經計算，單個養護棚制作成本為1 200元，一個養護棚可以用5 a。

根據公司一年的用電情況，電費平均可以按照0.9元/（kW·h）計算，蒸汽鍋爐功率108 kW，額定蒸發量0.15 t/h，一個月按30 d計算。

4.1 冬季蒸養與養護棚養護的經濟性對比

經統計，冬季蒸養條件下，每月蒸汽用水量為36 t（費用為23 328元），棚布50 m2（攤銷費用為40元），養護人工1人（工資為500元），共計23 868元；養護棚養護條件下，每月蒸汽用水量為18 t（費用為11 664元），養護棚長80 m（攤銷費用為240元），充氣設備攤銷230元，養護人工1人（工資為500元），共計12 634元。由此可知，冬季條件下，養護棚輔助蒸養條件比蒸養條件每月省11 234元。

4.2 春秋季蒸養與養護棚養護2種條件下的經濟性對比

經統計，春秋季蒸養條件下，每月蒸汽用水量為18 t（11 664元），棚布50 m2（攤銷40元），養護人工1人（500元），共計12 204元；養護棚養護條件下，每月蒸汽用水量為9 t（5 832元），養護棚長80 m（攤銷240元），充氣設備攤銷230元，養護人工1人（500元），共計6 802元。由此可知，春秋季條件下，養護棚輔助蒸養條件比蒸養條件每月省5 402元。

5 結語

從分析和生產實踐可以看出，冬季、春秋季充氣塑料薄膜養護棚內溫度能維持在30～35 ℃之間，滿足構件養護溫度要求，保溫效果顯著，可替代蒸養使用。

在技術方面，相比于蒸養，充氣塑料薄膜養護棚具有明顯優勢，其養護的構件在強度方面能滿足脫模和吊裝要求，不延誤工期；同時，養護棚養護時對預制構件的損傷較小。蒸養在靜養、升溫、恒溫、降溫這4個階段需要嚴格把控，如果時間把控不當，構件就會膨脹變形，不易脫模，甚至造成混凝土表面產生細小裂紋等不可逆的損傷。

在經濟性方面，充氣塑料薄膜養護棚能明顯地降低預制構件生產成本。

在社會效益方面，使用充氣塑料薄膜養護棚能夠節省能源，符合無污染、綠色環保的可持續發展理念。