石濟(jì)客專辛集制梁場蒸養(yǎng)系統(tǒng)的應(yīng)用及效果

蔡華奇

【摘要】客運(yùn)專線箱梁冬季蒸養(yǎng)系統(tǒng)對(duì)混凝土的質(zhì)量至關(guān)重要，本文主要介紹石濟(jì)客專辛集制梁場箱梁冬季預(yù)制施工時(shí)蒸汽系統(tǒng)技術(shù)，包括蒸養(yǎng)設(shè)備選型、管道布置及養(yǎng)護(hù)溫度的控制等技術(shù)，為以后類似工程提供參考經(jīng)驗(yàn)。

【關(guān)鍵詞】箱梁；蒸養(yǎng)系統(tǒng)；應(yīng)用；效果

1、工程概況

1.1辛集制梁場的概況

石濟(jì)鐵路客運(yùn)專線辛集制梁場承擔(dān)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(yù)制生產(chǎn)及架設(shè)任務(wù)，供應(yīng)范圍為DK51+213.36～DK79+556，梁場中心里程對(duì)應(yīng)線路為DK65+037。位于河北省辛集市，架設(shè)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(qū)、制梁區(qū)、存梁區(qū)、提梁上橋區(qū)、鋼筋加工區(qū)和辦公生活區(qū)六個(gè)區(qū)域。根據(jù)施工工期計(jì)劃，共設(shè)置10個(gè)制梁臺(tái)座，70個(gè)存梁臺(tái)座，5個(gè)提梁臺(tái)座，承擔(dān)了24米箱梁預(yù)制55孔，每孔箱梁混凝土量為220.8立方米，32米箱梁預(yù)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(jì)23個(gè)月，其中梁場基本建設(shè)7個(gè)月，預(yù)制梁15.5個(gè)月，梁體架設(shè)14個(gè)月，日均生產(chǎn)指標(biāo)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(fēng)區(qū)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(yǎng)護(hù)系統(tǒng)的重要性

1.3.1 工期緊張

根據(jù)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(jié)束，合計(jì)25個(gè)月。計(jì)劃2014年6月15日首榀梁澆筑，2014年8月通過局級(jí)投產(chǎn)鑒定，2014年9月通過梁場取證。梁場自2014年10月開始預(yù)制和架設(shè)均進(jìn)入了正常生產(chǎn)，施工期間受三電遷改影響架梁共停工5.5個(gè)月，造成工期（有效工期壓縮了5.5個(gè)月）緊張，生產(chǎn)強(qiáng)度增大（達(dá)到了3榀/天），冬季須高強(qiáng)度生產(chǎn)。

工期緊張。

1.3.2必須在冬季進(jìn)行施工

整個(gè)梁場的生產(chǎn)過程經(jīng)過兩個(gè)冬季的施工，為了加快冬季施工制梁周期，縮短制梁臺(tái)座使用時(shí)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(nèi)在質(zhì)量，同時(shí)也保證冬季梁場的正常運(yùn)營和工作的連續(xù)性。

1.3.3 箱梁技術(shù)質(zhì)量要求高

石濟(jì)客專箱梁后張梁采用預(yù)張拉，初張拉，終張拉三階段張拉。為了加快制梁臺(tái)座周轉(zhuǎn)及防止混凝土早期裂紋，梁體預(yù)應(yīng)力施工按預(yù)張拉、初張拉和終張拉三期進(jìn)行。在混凝土強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度的60%（33.5MPa）后，拆除端模，松開內(nèi)模，將模板的連接全部松開后進(jìn)行預(yù)張拉，在梁體混凝土強(qiáng)度達(dá)設(shè)計(jì)強(qiáng)度的80%（43.5MPa）時(shí)拆除內(nèi)模，進(jìn)行初張拉，初張拉后梁體方可頂移出制梁臺(tái)位；當(dāng)梁體混凝土強(qiáng)度及彈性模量達(dá)到設(shè)計(jì)值，且混凝土齡期不小于10天方可進(jìn)行終張拉。

2、蒸養(yǎng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及應(yīng)用

2.1蒸養(yǎng)棚罩

箱梁蒸養(yǎng)采用活動(dòng)板房的板材棚罩內(nèi)通蒸汽的方法，棚罩?jǐn)R置在外模板走道欄桿上，用龍門吊機(jī)配合進(jìn)行整體安、拆。蒸養(yǎng)棚罩（頂高2.8m，兩側(cè)頂高2.2m，）高2.5長33m寬13.2m，為周轉(zhuǎn)使用，共制兩套。制梁臺(tái)座外模邊部采用紅磚砌筑、砂漿粉刷，使制梁臺(tái)座和蒸養(yǎng)棚罩形成一個(gè)封閉體。

2.2蒸養(yǎng)管道布置

辛集制梁場根據(jù)場地實(shí)際情況，蒸汽鍋爐布置在試驗(yàn)室邊上，離制梁臺(tái)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(shè)，分管接至各個(gè)臺(tái)座，最遠(yuǎn)的臺(tái)座距鍋爐180m。管道接至臺(tái)座后由開孔支管直接向棚罩內(nèi)供汽，開孔支管每個(gè)臺(tái)座設(shè)6根，分別布置在臺(tái)座的兩邊、中間和箱梁箱體內(nèi)，支管的出汽孔要經(jīng)常清理，以保證棚內(nèi)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(gè)支管長度和臺(tái)座長度相同為33m，使用時(shí)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(shí)相當(dāng)長一段時(shí)間內(nèi)末端無汽或出汽很小，影響棚溫均勻上升。

圖1、蒸養(yǎng)管道截面布置圖

2.3蒸汽養(yǎng)護(hù)設(shè)備選型

2.3.1熱量計(jì)算

以32.6m箱梁計(jì)算為例：

（1）初始條件

恒溫階段溫度t2：45℃

養(yǎng)護(hù)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(yǎng)罩內(nèi)空氣質(zhì)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(yǎng)棚罩內(nèi)采暖所消耗的熱量Q3=m2× cp×（t2-t1）=100801.3KJ；

4）水泥產(chǎn)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(jì)算

單榀箱梁所用蒸汽量W=Q/（I×H）=721.9 kg/h；

其中：蒸養(yǎng)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(shù)H=0.45；

根據(jù)現(xiàn)場工裝配置（10個(gè)制梁臺(tái)座）和計(jì)劃生產(chǎn)能力2孔/天，高峰時(shí)有8個(gè)制梁臺(tái)座需要同時(shí)蒸養(yǎng)，8榀箱梁同時(shí)蒸養(yǎng)所用蒸汽量：721.9/1000×8=5.78t/h。

2.4設(shè)備配置

根據(jù)蒸汽量計(jì)算，梁場配置1臺(tái)4t/h鍋爐和2臺(tái)2t/h鍋爐即可滿足現(xiàn)場蒸養(yǎng)。考慮到設(shè)備的維護(hù)，蒸汽鍋爐采用河南熱豐鍋爐有限公司生產(chǎn)的型號(hào)為WNS4-1.25-Y（Q）的臥式蒸汽鍋爐1臺(tái)，WNS2-1.25-Y（Q）的臥式蒸汽鍋爐2臺(tái)。

3、溫度控制儀的布置

對(duì)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(tǒng)及元件采用混凝土自動(dòng)測溫儀器。箱梁測溫系統(tǒng)及元件采用溫度數(shù)據(jù)采集使用長沙市三智電子科技有限公司制造的SZWT-MCU自動(dòng)溫度測量系統(tǒng)。用預(yù)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(fù)使用。測溫儀器和設(shè)備如出現(xiàn)故障須及時(shí)維修或者更換。

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

圖2 測溫點(diǎn)布置截面位置圖

圖3 跨端斷面溫度監(jiān)測點(diǎn)布置示意圖

圖4 跨中斷面溫度監(jiān)測點(diǎn)布置示意圖

待鋼筋拼裝完成混凝土澆筑前，即將自動(dòng)溫度測量單元以鐵絲固定于測點(diǎn)，另一端則接于放置在腹板外側(cè)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(diǎn)遭外力變動(dòng)。

如上圖所示，各監(jiān)測點(diǎn)監(jiān)測位置見表1：

溫度量測設(shè)專人負(fù)責(zé)，每個(gè)測點(diǎn)進(jìn)行編號(hào)。自然養(yǎng)護(hù)時(shí)，采用人工量測，蒸汽養(yǎng)護(hù)時(shí)采用電子自動(dòng)測溫系統(tǒng)并配以人工復(fù)測。測溫時(shí)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(shù)據(jù)有出現(xiàn)不規(guī)律變化時(shí)，適當(dāng)加大測溫頻率；若出現(xiàn)規(guī)律變化時(shí)，可適當(dāng)減小測溫頻率。

根據(jù)測溫記錄進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，進(jìn)行通風(fēng)降溫或加大蒸汽流量升溫，保證棚內(nèi)混凝土外部環(huán)境溫度趨于一致。同時(shí)為拆模提供溫度控制參數(shù)。

4、蒸養(yǎng)工藝及溫度控制

箱梁蒸汽養(yǎng)護(hù)采用結(jié)構(gòu)表面蒸養(yǎng)和結(jié)構(gòu)內(nèi)部蒸汽養(yǎng)結(jié)合的辦法。采用自動(dòng)測溫儀器， 系統(tǒng)記錄養(yǎng)護(hù)溫度， 實(shí)施分段多點(diǎn)控制， 嚴(yán)格控制混凝土升溫速率、降溫速率及梁體內(nèi)外溫差， 確?；炷琉B(yǎng)護(hù)質(zhì)量。

蒸汽養(yǎng)護(hù)分靜停、升溫、恒溫、降溫四個(gè)階段進(jìn)行。

靜停階段：保持棚溫不低于5℃，蒸汽養(yǎng)護(hù)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(shí)10℃。避免升溫過快引起混凝土細(xì)觀結(jié)構(gòu)破壞，導(dǎo)致混凝土發(fā)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(nèi)上下內(nèi)外的恒溫溫度基本一致，降低局部熱沖擊對(duì)梁體的損害。恒溫時(shí)間一般控制在10～16h。當(dāng)同期養(yǎng)生的混凝土試塊強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)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(shí)10℃。建議修改為：當(dāng)箱內(nèi)與箱外，表面與環(huán)境溫差不大于15℃時(shí)方可滿足拆模。梁體經(jīng)過蒸養(yǎng)后，在棚內(nèi)靜放一段時(shí)間，使梁體與棚內(nèi)溫度一致，并在棚內(nèi)溫度與棚外溫度差不大于15℃時(shí)移至存梁場，并采用梁體表面噴涂養(yǎng)護(hù)劑，采取保溫養(yǎng)護(hù)措施。

降溫階段注意要點(diǎn)：

（1）頂表面系數(shù)大， 降溫迅速， 易發(fā)生收縮裂紋；

（2）箱內(nèi)熱能不易散耗， 不宜過早開放， 致使降溫迅速， 與環(huán)境溫差大；

（3）外側(cè)模表面系統(tǒng)較大， 鋼模蓄熱系數(shù)小， 導(dǎo)熱率高， 梁體結(jié)構(gòu)截面尺寸變化大。若降溫時(shí)不加控制， 易導(dǎo)致溫度不均， 及腹板外側(cè)混凝土表面承受較大剪應(yīng)力；

（4）當(dāng)蒸養(yǎng)恒溫結(jié)束時(shí)， 若突然停氣， 蒸養(yǎng)棚內(nèi)濕度急劇變化， 易引起干裂。

5、蒸養(yǎng)系統(tǒng)的效果

5.1進(jìn)度效果

冬季施工采用蒸汽養(yǎng)護(hù)節(jié)約了臺(tái)座周轉(zhuǎn)時(shí)間，節(jié)約了工期。辛集梁場在12月初預(yù)制的箱梁分別采用了三種養(yǎng)護(hù)方式：自然養(yǎng)護(hù)、棚罩炭爐加溫、蒸汽養(yǎng)護(hù)，三種養(yǎng)護(hù)方式下，當(dāng)環(huán)境溫度為10℃以下時(shí)，使用蒸汽養(yǎng)護(hù)時(shí)，3天即達(dá)到初張條件，而自然養(yǎng)護(hù)要6天，棚罩炭爐回溫也要5天，蒸養(yǎng)時(shí)間較自然養(yǎng)護(hù)可以節(jié)約3天左右，而且不受天氣的影響。

5.2質(zhì)量效果

冬季施工蒸汽養(yǎng)護(hù)保證混凝土的質(zhì)量，當(dāng)連續(xù)三天晝夜平均氣溫低于5℃或日最低溫度小于-3℃時(shí)混凝土必須采取保溫措施，蒸汽養(yǎng)護(hù)為箱梁的保溫提供了很好的保障。同時(shí)在澆筑時(shí)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(zhì)量，后采用蒸汽對(duì)水進(jìn)行加熱提高混凝土的入模溫度，箱梁外觀質(zhì)量得到了很好的改觀，用蒸汽對(duì)原材料和攪拌用水進(jìn)行加熱安全、方便可靠。

5.3成本效果及不足之處

蒸汽養(yǎng)護(hù)也有不足之處：一是其先期投入大，辛集梁場整套蒸養(yǎng)設(shè)備包括管道和棚罩在內(nèi)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(tái)座可用外，現(xiàn)澆箱梁和其它線下結(jié)構(gòu)使用不經(jīng)濟(jì)；三是棚罩法加熱時(shí)由于蒸汽送熱不均勻，棚內(nèi)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(chǎn)生的廢棄物污染環(huán)境。但任何一種方案的實(shí)施有利必有弊，隨著混凝土施工技術(shù)的發(fā)展以及鐵路箱梁廠房化生產(chǎn)的需要，蒸汽養(yǎng)護(hù)將得到不斷的完善應(yīng)用。

6、結(jié)束語

辛集梁場蒸養(yǎng)設(shè)備及布置：在整個(gè)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(zhǔn)確，在正常升溫及恒溫過程中，整個(gè)棚罩兩端溫差符合要求。冬季施工時(shí)，混凝土的溫度控制是關(guān)鍵，如澆筑時(shí)的入模溫度、蒸養(yǎng)過程中的混凝土芯部溫度、拆模時(shí)表面溫度與環(huán)境溫度等。辛集梁場在施工過程中，除采取蒸養(yǎng)加熱等措施外，利用天氣因素合理安排施工時(shí)間，使箱梁預(yù)制過程中的每一道工序的溫度控制都在規(guī)范允許的范圍內(nèi)，為以后類似工程提供了一定的經(jīng)驗(yàn)參考。

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