橋梁預(yù)制快速施工的混凝土蒸汽養(yǎng)護(hù)制度研究

楊益?zhèn)?陳榮剛 吳慶雄

(1.福州大學(xué)土木工程學(xué)院 福建福州 350108； 2.福建高速至信建設(shè)管理有限公司 福建福州 350000; 3.京臺(tái)高速(平潭)跨海大橋有限公司 福建福州 350000)

0 引言

隨著國民經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展,交通和建筑業(yè)突飛猛進(jìn),目前我國無論是公路、鐵路還是城市立交橋梁,均采用預(yù)應(yīng)力箱梁結(jié)構(gòu)，大多采用梁場預(yù)制+現(xiàn)場拼裝的施工方式[1-2]。傳統(tǒng)預(yù)制箱梁施工普遍采用自然條件下噴淋養(yǎng)生[3]，其養(yǎng)護(hù)齡期一般需7d(在氣溫較低的冬季還需要更長時(shí)間)才可以滿足預(yù)應(yīng)力張拉要求[4]，養(yǎng)護(hù)時(shí)間占整體制梁時(shí)間2/3以上，導(dǎo)致制梁周期較長，底座使用率低，預(yù)制場占地面積大等問題，不利于大規(guī)模預(yù)制梁體快速施工。

本文依托國家高速公路網(wǎng)京臺(tái)線長樂松下至平潭段某合同段預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁的預(yù)制工程，開展適合于橋梁預(yù)制快速施工的混凝土蒸汽養(yǎng)護(hù)制度研究，通過開展現(xiàn)場預(yù)制梁蒸汽養(yǎng)護(hù)溫度的控制與監(jiān)測，并進(jìn)行與箱梁同等養(yǎng)護(hù)條件的混凝土試件強(qiáng)度和彈性模量等基本材性測試，得出適合快速預(yù)制箱梁的蒸養(yǎng)制度，實(shí)現(xiàn)預(yù)制箱梁的快速施工，從而按期保質(zhì)保量完成橋梁預(yù)制施工任務(wù)。

1 工程概況

國家高速公路網(wǎng)京臺(tái)線長樂松下至平潭段某合同段橋梁采用預(yù)制預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁結(jié)構(gòu)。依據(jù)項(xiàng)目任務(wù)及總體工期安排，橋梁上部結(jié)構(gòu)343片30m預(yù)制箱梁需在1年內(nèi)完成，而該項(xiàng)目所在地平潭經(jīng)常遭遇臺(tái)風(fēng)，且每年6級(jí)以上風(fēng)力達(dá)200d，可供施工時(shí)間不足180d。為在此惡劣的施工環(huán)境以及艱巨的制梁任務(wù)下，按期保質(zhì)保量完成施工任務(wù)，該工程采用蒸汽養(yǎng)護(hù)預(yù)制梁的快速施工方式。

預(yù)制箱梁截面形式為單箱單室，梁長30m，頂板寬2.4m，底板寬1m，梁段高1.6m。箱梁頂板厚度為0.18m，橫向縱坡為2.5%；箱梁腹板及底板厚度由端部0.25m漸變至0.18m，端部堵頭板和跨中橫隔板厚度分別為8cm和20cm?；炷恋燃?jí)為C50。預(yù)制箱梁截面構(gòu)造如圖1所示。

(a)30m預(yù)制箱梁一般構(gòu)造圖

(b)A-A截面(c)B-B截面

2 蒸汽養(yǎng)護(hù)制度的擬定

2.1 蒸汽養(yǎng)護(hù)最高溫度的控制

與自然養(yǎng)護(hù)相比，蒸汽養(yǎng)護(hù)最為關(guān)鍵的因素就在于水蒸氣是很好的熱量載體和水分?jǐn)y帶者，它在冷凝過程中釋放出熱量，既能給混凝土梁體熱量的同時(shí)又能供給充足的水分，加速水泥和輔助膠凝材料水化硬化進(jìn)程，促使膠凝材料快速向著完全反應(yīng)的方向進(jìn)行，其水化反應(yīng)類型和自然養(yǎng)護(hù)相比沒有發(fā)生根本變化，但其水化產(chǎn)物的種類和最高溫度有很大關(guān)系[5]。

因此，采用蒸汽養(yǎng)護(hù)需控制最高溫度小于70℃，以避免發(fā)生延遲性鈣礬石反應(yīng)產(chǎn)生膨脹應(yīng)力影響混凝土耐久性和安全性。

2.2 蒸汽養(yǎng)護(hù)制度的擬定

梁體在蒸汽養(yǎng)護(hù)之前需進(jìn)行靜停，靜停時(shí)間控制在10h～14h，使混凝土內(nèi)部水泥可得到較充足水化反應(yīng)，促進(jìn)混凝土形成一定的強(qiáng)度，以增強(qiáng)混凝土對(duì)升溫階段結(jié)構(gòu)破壞作用的抵抗力，避免出現(xiàn)裂縫。

蒸汽養(yǎng)護(hù)分為升溫、恒溫和降溫3個(gè)階段。升溫階段的溫度提高速率不宜太快，以防止混凝土內(nèi)外部溫差過大引起開裂，設(shè)置升溫速度不超過10℃/h；恒溫階段的溫度控制在60℃，最高不允許超過65℃，以避免過高溫度對(duì)混凝土微細(xì)觀結(jié)構(gòu)帶來損傷；適時(shí)取同條件養(yǎng)護(hù)試塊進(jìn)行試驗(yàn)，當(dāng)混凝土材性指標(biāo)達(dá)到設(shè)計(jì)張拉條件，以不大于10℃/h的速率降溫，待梁體溫度降至與室外溫差小于15℃時(shí)完成蒸養(yǎng)過程。

2.3 蒸汽養(yǎng)護(hù)過程的監(jiān)控

在實(shí)際工程應(yīng)用中，混凝土齡期按照預(yù)制箱梁澆筑混凝土?xí)r開始計(jì)算，澆筑混凝土約為5h，覆蓋養(yǎng)護(hù)6h，拆除內(nèi)外模8h，即開始蒸汽養(yǎng)護(hù)時(shí)靜停時(shí)間約為14h(混凝土齡期19h)。

蒸汽養(yǎng)護(hù)室內(nèi)采用全自動(dòng)橋梁電力蒸汽發(fā)生器對(duì)預(yù)制梁進(jìn)行蒸汽養(yǎng)護(hù)，在自動(dòng)控制設(shè)定產(chǎn)生蒸汽溫度條件下，通過獨(dú)立布設(shè)溫度傳感器對(duì)箱梁內(nèi)、外蒸汽溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控(圖2)，嚴(yán)格按照蒸養(yǎng)制度進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，并且控制箱內(nèi)外溫差在±10℃以內(nèi)。

(a)測點(diǎn)布置圖

(b)測點(diǎn)布置照片圖圖2 箱梁蒸汽養(yǎng)護(hù)溫度測點(diǎn)

圖3 30m箱梁蒸汽養(yǎng)護(hù)溫度控制趨勢(shì)圖

圖3給出了預(yù)制箱梁內(nèi)、外蒸汽養(yǎng)護(hù)溫度隨時(shí)間變化趨勢(shì)。從圖中可知，在蒸養(yǎng)升溫階段箱外升溫速率大于箱內(nèi)，但兩者溫差小于5℃，升溫時(shí)間約為7h；恒溫階段箱內(nèi)溫度略高于箱外溫度，恒溫時(shí)間約為14h；降溫階段箱外降溫速率明顯大于箱內(nèi)，降溫時(shí)兩者溫差在10℃以內(nèi)，降溫時(shí)間約為6h。降溫結(jié)束時(shí)梁體蒸汽養(yǎng)護(hù)時(shí)間約為27h，混凝土齡期約為46h。

3 混凝土強(qiáng)度與彈性模量隨蒸養(yǎng)時(shí)間的變化規(guī)律

為了解混凝土強(qiáng)度與彈性模量隨蒸養(yǎng)時(shí)間的變化規(guī)律，并確定蒸汽養(yǎng)護(hù)的恒溫時(shí)間，開展了多組混凝土試件強(qiáng)度和彈性模量的材性試驗(yàn)。混凝土試件與梁體同條件進(jìn)行蒸汽養(yǎng)護(hù)(圖4)，當(dāng)達(dá)到恒溫溫度60℃起，每隔3h按《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法》[9]進(jìn)行1組混凝土抗壓強(qiáng)度和彈性模量測試。

圖4 混凝土試件同條件蒸養(yǎng)照片

圖5和表1給出了混凝土試件的抗壓強(qiáng)度隨蒸汽養(yǎng)護(hù)時(shí)間的變化趨勢(shì)圖和試驗(yàn)數(shù)據(jù)。從圖表可以看出，在蒸汽養(yǎng)護(hù)升溫階段，混凝土的抗壓強(qiáng)度隨著蒸養(yǎng)時(shí)間的增加得到顯著提高。進(jìn)入恒溫養(yǎng)護(hù)階段其抗壓強(qiáng)度隨著蒸養(yǎng)時(shí)間的增加呈緩慢提高的趨勢(shì)，當(dāng)蒸養(yǎng)至18h(混凝土齡期為37h)時(shí)，混凝土抗壓強(qiáng)度為49.5MPa，達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)的99.0%，相比于蒸養(yǎng)前提高了6.0倍，但蒸養(yǎng)時(shí)間超過18h，混凝土抗壓強(qiáng)度的增長趨勢(shì)明顯放緩。

圖5 混凝土抗壓強(qiáng)度隨蒸養(yǎng)時(shí)間變化趨勢(shì)圖

表1 C50混凝土抗壓強(qiáng)度測試結(jié)果MPa

圖6和表2給出了混凝土試件的彈性模量隨蒸汽養(yǎng)護(hù)時(shí)間的變化趨勢(shì)圖和試驗(yàn)數(shù)據(jù)。從圖表可知，與抗壓強(qiáng)度類似，升溫階段彈性模量提高較快，恒溫階段提高趨緩；當(dāng)蒸養(yǎng)至21h(混凝土齡期為40h)時(shí)，混凝土彈性模量為31.9GPa，達(dá)到設(shè)計(jì)等級(jí)的92.5%。這表明當(dāng)預(yù)制梁體混凝土澆筑完成后靜停時(shí)間大于14h，在蒸汽養(yǎng)護(hù)超過21h后(混凝土齡期超過40h)，混凝土的強(qiáng)度和彈性模量均達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)的90%以上，可滿足預(yù)應(yīng)力混凝土梁張拉控制條件[4]。

圖6 混凝土彈性模量隨蒸養(yǎng)時(shí)間變化趨勢(shì)圖

表2 混凝土彈性模量測試結(jié)果GPa

4 結(jié)論

(1)實(shí)際工程中采用蒸汽養(yǎng)護(hù)預(yù)制梁，其最高溫度不宜過高，且需嚴(yán)格控制升降溫速率，避免梁體因內(nèi)外溫差過大產(chǎn)生收縮裂縫。該項(xiàng)目采用的升、降溫速率為10℃/h，恒溫控制最高溫度為65℃，保證梁體內(nèi)外溫差在10℃以內(nèi)，且降溫至與室外環(huán)境溫度差小于15℃結(jié)束養(yǎng)護(hù)，取得了良好的養(yǎng)護(hù)效果。

(2)通過與預(yù)制梁同條件養(yǎng)護(hù)的混凝土材性試驗(yàn)得到，在蒸汽養(yǎng)護(hù)升溫階段，混凝土的抗壓強(qiáng)度和彈性模量隨著蒸養(yǎng)時(shí)間的增加得到顯著提高；當(dāng)處于恒溫階段，其抗壓強(qiáng)度和彈性模量隨著蒸養(yǎng)時(shí)間的增加呈緩慢提高的趨勢(shì)。

(3)當(dāng)蒸汽養(yǎng)護(hù)時(shí)間達(dá)到21h，即混凝土齡期為40h時(shí)，混凝土強(qiáng)度和彈性模量均達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)的90%及以上，滿足預(yù)應(yīng)力混凝土梁張拉控制條件。降溫結(jié)束時(shí)混凝土齡期為46h，整個(gè)養(yǎng)護(hù)時(shí)間僅為27h，遠(yuǎn)小于傳統(tǒng)箱梁自然養(yǎng)護(hù)時(shí)間(7d)，極大地縮短養(yǎng)護(hù)周期，提高臺(tái)座周轉(zhuǎn)率和制梁效率，實(shí)現(xiàn)預(yù)制梁的快速施工。