預(yù)制混凝土梁霧化養(yǎng)護(hù)試驗(yàn)研究

張建國，焦衛(wèi)寧，同 輝，王 鋒

(中交第二公路工程局有限公司，陜西 西安 710065)

0 引 言

裝配式混凝土梁橋因其具有工廠化預(yù)制、標(biāo)準(zhǔn)化施工、質(zhì)量可靠、施工速度快以及性價(jià)比高等特點(diǎn)，在橋梁建設(shè)中得到了廣泛應(yīng)用。這其中混凝土梁養(yǎng)護(hù)的好壞直接決定了預(yù)制梁的質(zhì)量。如果混凝土早期養(yǎng)護(hù)得當(dāng)，則后期密實(shí)度高，總空隙率低，毛細(xì)孔含量減少，所以合理的養(yǎng)護(hù)對提高混凝土早期性能，如強(qiáng)度、抗?jié)B透性能至關(guān)重要。

預(yù)制梁養(yǎng)護(hù)方法很多，如人工澆水養(yǎng)生、養(yǎng)護(hù)劑養(yǎng)護(hù)[1]、蒸汽養(yǎng)護(hù)[2-4]和噴淋養(yǎng)護(hù)等，其中以噴淋養(yǎng)護(hù)最為常用。噴淋養(yǎng)護(hù)通過噴頭向預(yù)制梁表面噴水，從而達(dá)到養(yǎng)護(hù)的效果。王沖[5]因地制宜地在施工中采用了標(biāo)準(zhǔn)化極高的自動(dòng)噴淋系統(tǒng),并通過實(shí)踐證明此種養(yǎng)生方法無論是養(yǎng)生效率還是養(yǎng)生質(zhì)量都較傳統(tǒng)人工澆水養(yǎng)生有了實(shí)質(zhì)性的提高。張冬青[6]以太焦鐵路橋梁工程為依托,創(chuàng)新出了包括橋梁承臺、墩柱、現(xiàn)澆箱梁、現(xiàn)澆連續(xù)箱梁和預(yù)制箱梁等在內(nèi)的橋梁工程成套自動(dòng)噴淋養(yǎng)護(hù)工藝。張軍[7]結(jié)合工程實(shí)際,制作了1套自動(dòng)噴淋系統(tǒng),使預(yù)制箱梁在不間斷保濕養(yǎng)護(hù)的前提下,實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、全方位養(yǎng)護(hù)。王海英等[8]利用單片機(jī)和GPRS無線通信技術(shù)，設(shè)計(jì)了預(yù)制梁噴淋養(yǎng)護(hù)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了預(yù)制梁噴淋養(yǎng)護(hù)的遠(yuǎn)程監(jiān)控和自動(dòng)控制。但是噴淋養(yǎng)護(hù)由于噴頭的噴射范圍有限，會在混凝土表面形成養(yǎng)護(hù)盲區(qū)，存在無法做到全斷面同步養(yǎng)護(hù)的問題。

目前高壓霧化技術(shù)發(fā)展較為成熟，已經(jīng)廣泛應(yīng)用在各種領(lǐng)域，如加濕降溫、除塵和消防滅火等[9-19]。利用高壓霧化技術(shù)可在密閉空間中產(chǎn)生均勻水霧，有效解決養(yǎng)護(hù)盲區(qū)的問題，且在簡易棚罩內(nèi)進(jìn)行霧化操作可以滿足養(yǎng)護(hù)要求。但是，霧化技術(shù)在混凝土養(yǎng)護(hù)中的應(yīng)用較少，相關(guān)的研究也較少。為此，本文以云南鎮(zhèn)赫高速公路項(xiàng)目為依托工程，對其展開了試驗(yàn)研究。

1 霧化養(yǎng)護(hù)原理

霧化養(yǎng)護(hù)系統(tǒng)主要由養(yǎng)護(hù)棚、高壓霧化機(jī)、管道系統(tǒng)和霧化噴頭等部分組成，養(yǎng)護(hù)棚外觀如圖1所示。

圖1 養(yǎng)護(hù)棚外觀

霧化養(yǎng)護(hù)法首先利用養(yǎng)護(hù)大棚將預(yù)制混凝土梁與外界環(huán)境隔離，形成獨(dú)立密閉環(huán)境。開始噴霧時(shí)，高壓霧化機(jī)產(chǎn)生高壓水，并通過耐高壓管道系統(tǒng)把水輸送到霧化噴頭，以霧狀噴出，在空氣中快速彌漫，形成霧狀濕氣，進(jìn)而快速增加空氣濕度，可使相對濕度持續(xù)保持在90%以上，從而實(shí)現(xiàn)全方位的預(yù)制梁養(yǎng)護(hù)。

2 霧化養(yǎng)護(hù)試驗(yàn)

為了驗(yàn)證霧化養(yǎng)護(hù)法的實(shí)際效果，研究養(yǎng)護(hù)棚內(nèi)濕度的分布、變化規(guī)律，以確定霧化養(yǎng)護(hù)關(guān)鍵工藝參數(shù)，如噴頭間距、噴射持續(xù)時(shí)間及間隔時(shí)間等，本文釜依據(jù)實(shí)體工程試驗(yàn)進(jìn)行研究。試驗(yàn)于2019年9月在鎮(zhèn)赫高速公路項(xiàng)目現(xiàn)場開展。

2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)選用的預(yù)制梁為30 m跨徑預(yù)應(yīng)力混凝土T梁的邊跨邊梁，全梁僅一側(cè)設(shè)有橫隔板，橫隔板數(shù)量為4道，混凝土等級為C50，具體配合比見表1。試驗(yàn)開始時(shí)，混凝土梁已養(yǎng)護(hù)3 d。

表1 C50混凝土配合比 kg·m-3

養(yǎng)護(hù)棚長32 m，寬2 m，高2.5 m，霧化噴頭間距為1 m，高壓霧化機(jī)1 min的用水量為20 L。

空氣的相對濕度不僅與空氣中的含水量有關(guān)，還受溫度的影響。因此在試驗(yàn)過程中，在記錄混凝土表面相對濕度的同時(shí)，還記錄了表面溫度。本次試驗(yàn)采用數(shù)顯式電子溫濕度計(jì)，可直接顯示相對溫度和濕度，方便讀數(shù)，其溫度精度為±1 ℃，相對濕度精度為±5%。在設(shè)有橫隔板的一側(cè)，溫濕度計(jì)放置在橫隔板與翼緣板、腹板的交界處，分別據(jù)橫隔板5 cm，翼緣板下緣10 cm。由于T梁頭尾對稱，故只布置1/2梁長，共放置3個(gè)，分別編號為1、2、3。在沒有橫隔板的一側(cè)，再對應(yīng)放置1個(gè)溫濕度計(jì)，分別編號為1-、2-、3-，合計(jì)共放置6個(gè)溫濕度計(jì)。預(yù)制梁及溫濕度計(jì)放置位置如圖2所示。

圖2 測點(diǎn)分布圖

2.2 試驗(yàn)現(xiàn)象與數(shù)據(jù)記錄

在霧化養(yǎng)護(hù)試驗(yàn)開始之前，需要記錄1次溫、濕度的初始值。試驗(yàn)開始后，隨著霧化機(jī)的啟動(dòng)，大量水霧隨即從噴頭處噴出，并逐漸彌漫在整個(gè)養(yǎng)生棚中此時(shí)，每隔2 min記錄1次溫、濕度，記錄的數(shù)據(jù)記為噴霧段。隨著水霧的彌漫，棚內(nèi)能見度開始降低。約4 min后，能見度降至不足10 m，如圖3所示。與此同時(shí)，地面開始潮濕，并逐漸匯聚成小水流，通過排水溝流出養(yǎng)生棚。

圖3 棚內(nèi)霧化效果

當(dāng)所有測點(diǎn)的相對濕度保持不變或連續(xù)3次濕度記錄值相差不大時(shí)停止噴霧，然后開始記錄間歇段。此時(shí)空中的水霧開始逐漸消散，約5 min后完全消失。在間歇段初期，仍然保持每隔2 min記錄1次。當(dāng)所有測點(diǎn)相對濕度下降變化不大時(shí)，開始間隔4、8、16 min記錄1次。如此記錄1次噴霧、間歇的溫、濕度讀數(shù)即為1個(gè)循環(huán)。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

本次試驗(yàn)共進(jìn)行了3個(gè)循環(huán)，每個(gè)循環(huán)間隔24 h，每個(gè)循環(huán)記錄的數(shù)據(jù)如圖4～6所示。

圖4 第1輪循環(huán)濕度-時(shí)間

圖5 第2輪循環(huán)濕度-時(shí)間

圖6 第3輪循環(huán)濕度-時(shí)間

由濕度-時(shí)間曲線可知，雖然所有測點(diǎn)最終達(dá)到相對濕度的峰值不同，濕度上升、下降的速度不同，但都遵循著相似的變化規(guī)律。濕度-時(shí)間曲線大致可以分為3段，上升期、不變期和下降期。在上升期初期，相對濕度較低，相對濕度上升較快，隨著相對濕度的增加，上升速度逐漸變慢。停止噴霧后，相對濕度會先進(jìn)入一段不變期。不變期維持時(shí)間較短，大約在4～6 min，然后進(jìn)入下降期。同樣，在下降期初期，相對濕度下降速度較快，隨著濕度的降低，速度逐漸放緩。大約在2 h時(shí)后，相對濕度回落到略大于初始值的位置。

3.1 相對濕度-時(shí)間曲線分析

設(shè)t時(shí)刻時(shí)，相對濕度為RH(t),t+1時(shí)刻相對應(yīng)的濕度為RH(t+1),2個(gè)時(shí)間的間隔為Δt，故可列出

RH(t+1)=RH(t)+ΔRH

(1)

其中：ΔRH為Δt時(shí)間內(nèi)相對濕度的變化量。

根據(jù)相對濕度的定義：空氣中實(shí)際所含水蒸汽密度與相同溫度條件下飽和空氣中所含水蒸汽密度 (又稱飽和水蒸汽密度)的比值[20]，其計(jì)算公式如下

得

(2)

式中：d1為空氣中實(shí)際所含的水氣密度；d2為同溫度下飽和水氣密度，當(dāng)溫度一定時(shí)，d2為定值；m為實(shí)際所含水泊質(zhì)量；Qin為單位時(shí)間養(yǎng)護(hù)棚內(nèi)產(chǎn)生的水氣的質(zhì)量；Qout為單位時(shí)間養(yǎng)護(hù)棚內(nèi)損失的水氣的質(zhì)量；V為養(yǎng)護(hù)棚的體積。

將式(2)代入式(1)中，可得

(3)

(4)

在試驗(yàn)過程中，養(yǎng)護(hù)棚的體積V保持不變，同時(shí)各測點(diǎn)表面的溫度變化也并不大，d2可以視為定值。故由式(4)可知，相對濕度變化率僅與Qin和Qout有關(guān)。Qin為單位時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的水氣質(zhì)量，當(dāng)霧化機(jī)運(yùn)行時(shí)，Qin就等于單位時(shí)間內(nèi)霧化機(jī)產(chǎn)生的霧化水的質(zhì)量，為定值；當(dāng)霧化機(jī)關(guān)閉時(shí)，考慮到室溫條件下，單位時(shí)間內(nèi)地表水分蒸發(fā)成水氣的量較小，可忽略不計(jì)，則可以認(rèn)為Qin等于0。Qout為單位時(shí)間內(nèi)損失的水氣質(zhì)量，主要包括兩部分：一部分因?yàn)榛炷了磻?yīng)被混凝土吸收，另一部分則在空氣中凝聚為水珠，掉落地面后被地面吸收或排出養(yǎng)護(hù)棚。影響Qout大小的因素很多，難以寫出具體表達(dá)式，但研究發(fā)現(xiàn)Qout存在以下規(guī)律：當(dāng)相對濕度較低時(shí)，混凝土的水化作用反應(yīng)緩慢，耗水量少，同時(shí)霧化機(jī)產(chǎn)生的水很快氣化，空氣中凝聚的水珠也較少，此時(shí)Qout就較?。划?dāng)相對濕度較高時(shí)，混凝土的水化作用加快，耗水量增加，同時(shí)由于空氣中水氣接近飽和，空氣中會凝聚大量的水珠，此時(shí)Qout就較大。由此可知Qout與RH相關(guān)，且RH越大，則Qout越大；RH越小，則Qout則越小。

因此，在上升期初期，霧化機(jī)開始運(yùn)行，RH較小，Qout也較小，Qin?Qout，RH開始快速上升。隨著RH增大，Qin-Qout開始變小，上升速度開始逐漸變慢。

在不變期時(shí)，霧化機(jī)關(guān)閉，Qin等于0，但空氣中仍然存在著大量的水珠，從而使?jié)穸缺３植蛔?。?jīng)過較短時(shí)間后，水珠消散，此時(shí)開始進(jìn)入下降期。

在下降期初期，霧化機(jī)關(guān)閉，Qin等于0，Qin-Qout<0,RH開始快速降低。隨著RH減小，Qin-Qout也開始減小，下降速度開始減慢。

隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間的增加，混凝土水化反應(yīng)的耗水量會逐漸降低，因此在同一個(gè)相對濕度區(qū)間內(nèi)，隨著試驗(yàn)次數(shù)的增加，上升期濕度變化率將依次變大，而下降期濕度變化率則依次減小。通過比較每次試驗(yàn)的濕度曲線，可以證明這一點(diǎn)。表2展示了3#測點(diǎn)在90%～95%的相對濕度區(qū)間內(nèi)，每次試驗(yàn)濕度變化率的具體數(shù)值。

表2 3#測點(diǎn)90%～95%相對濕度區(qū)間濕度變化率

3.2 相對濕度空間分布分析

3.2.1 橫隔板的影響

通過對比T梁的相同位置，不同側(cè)的濕度曲線，可以分析得出橫隔板對相對濕度變化并沒有影響。以圖4的3和3-測點(diǎn)的濕度曲線為例，雖然2個(gè)測點(diǎn)的起始值不同，但是相對濕度-時(shí)間曲線變化規(guī)律相同，這也從側(cè)面說明了試驗(yàn)的霧化效果在橫斷面方向上是均勻的。

3.2.2 端部的影響

通過比較同1次試驗(yàn)時(shí)，同側(cè)各測點(diǎn)的濕度曲線，可以發(fā)現(xiàn)，T梁兩端位置(1及1-測點(diǎn))相對濕度的初始值明顯低于中間位置(2、3及2-、3-測點(diǎn))，同時(shí)相對濕度的上升、下降速度也要比中間位置處大。

分析后認(rèn)為T梁在端部尺寸加粗，混凝土量增大，水化反應(yīng)產(chǎn)生的熱量較多，混凝土表面溫度相比中間位置高出4 ℃左右，導(dǎo)致在相同環(huán)境下，初始相對濕度值較低，因此在上升期初期，上升速度明顯大于中間位置。而在下降段初期，由于混凝土量增加，水化反應(yīng)耗水量增加，導(dǎo)致下降速度明顯大于中間位置，不變期的持續(xù)時(shí)間也較中間位置短。因此在實(shí)際應(yīng)用中，為保證T梁養(yǎng)護(hù)質(zhì)量，應(yīng)在T梁兩端加密霧化噴頭，并以端部位置處的相對濕度作為控制值來調(diào)節(jié)工藝參數(shù)。

3.3 霧化噴頭間距分析

圖7 噴頭間距對比試驗(yàn)相對濕度-時(shí)間

在第3次試驗(yàn)之后，為驗(yàn)證霧化噴頭個(gè)數(shù)對霧化效果的影響，本文將噴頭間距變?yōu)? m，即噴頭數(shù)量變?yōu)?/2后，又進(jìn)行了1次試驗(yàn)，并記錄1、1-、3、3-測點(diǎn)處相對濕度的變化曲線，如圖7所示，其中3#代表該曲線第3次試驗(yàn)時(shí)的數(shù)據(jù)。通過比較這2次試驗(yàn)相同測點(diǎn)處的濕度曲線，可以發(fā)現(xiàn)噴頭間距增大對濕度變化產(chǎn)生了不利影響：除了3測點(diǎn)外，其他測點(diǎn)處的相對濕度都明顯下降。這是因?yàn)殡m然噴頭間距拉長，霧化機(jī)在單位時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的水氣質(zhì)量并沒有發(fā)生改變，即Qin并未改變，但是過少的噴頭個(gè)數(shù)導(dǎo)致水氣在局部集中，從而使霧化效果不均勻。因此，為保證霧化效果建議噴頭間距設(shè)為1 m。

4 結(jié) 語

本文通過對霧化養(yǎng)護(hù)方法進(jìn)行試驗(yàn)研究，并結(jié)合理論推導(dǎo)，得到了以下結(jié)論。

(1)養(yǎng)護(hù)棚內(nèi)的混凝土表面相對濕度-時(shí)間曲線大致可以分為3段：上升期、不變期和下降期。單位時(shí)間養(yǎng)護(hù)棚內(nèi)產(chǎn)生的水氣的質(zhì)量Qin和單位時(shí)間養(yǎng)護(hù)棚內(nèi)損失的水氣的質(zhì)量Qout是影響相對濕度曲線變化的2個(gè)主要因素。

(2)隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間的增加，混凝土水化反應(yīng)的耗水量會逐漸降低，因此養(yǎng)護(hù)后期持續(xù)噴霧時(shí)間可以減少，噴霧間隔時(shí)間可以拉長。

(3)霧化養(yǎng)護(hù)下的混凝土梁，除兩端尺寸加粗部分外，其他部位的表面濕度分布比較均勻。橫隔板對混凝土表面濕度變化基本沒有影響。T梁端部的尺寸加粗對混凝土濕度的影響較大，在實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)在端部處加密布置噴頭，同時(shí)應(yīng)以端部處的相對濕度作為控制值。

(4)過少的噴頭個(gè)數(shù)會導(dǎo)致水氣在局部集中，從而使霧化不均勻，為保證霧化效果建議噴頭間距設(shè)為1 m。