充氣塑料薄膜養(yǎng)護(hù)棚的設(shè)計(jì)制作與使用效果分析

臧雪猛 郭子龍 程湘?zhèn)?程遠(yuǎn)兵 周銘輝 杜 曉

1. 華北水利水電大學(xué) 河南 鄭州 450011；2. 中天建設(shè)集團(tuán)有限公司 河南 鄭州 450000

為加速混凝土凝結(jié)硬化、縮短脫模時(shí)間、加快模具周轉(zhuǎn)、提高生產(chǎn)效率和預(yù)制構(gòu)件質(zhì)量，預(yù)制構(gòu)件廠通常對(duì)預(yù)制混凝土構(gòu)件進(jìn)行蒸汽養(yǎng)護(hù)（簡(jiǎn)稱“蒸養(yǎng)”）。文獻(xiàn)[1-2]研究了在最短的時(shí)間內(nèi)和最少的蒸汽用量情況下，蒸養(yǎng)各階段的時(shí)長(zhǎng)和恒溫溫度的高低。文獻(xiàn)[3-4]通過(guò)對(duì)比蒸養(yǎng)和標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)的混凝土抗壓測(cè)試結(jié)果，研究了蒸養(yǎng)制度對(duì)混凝土早期強(qiáng)度發(fā)展的影響。文獻(xiàn)[5]分析了在預(yù)制混凝土構(gòu)件生產(chǎn)過(guò)程中，蒸養(yǎng)溫度的作用可能引起混凝土出現(xiàn)裂縫的問(wèn)題，通過(guò)觀察和經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，分析了裂縫產(chǎn)生的原因，并在此基礎(chǔ)上提出了針對(duì)預(yù)制樓梯構(gòu)件裂縫的防控措施。文獻(xiàn)[6]針對(duì)赤峰清河大橋工期要求短的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)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(fù)周轉(zhuǎn)使用、方便吊裝移位等優(yōu)點(diǎn)，保證了該工程橋梁墩柱冬季施工的進(jìn)度和質(zhì)量目標(biāo)。文獻(xiàn)[7]對(duì)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(jié)約材料、保溫性能優(yōu)良等特點(diǎn)。在哈爾濱站改造工程中，由于工期要求，文獻(xiàn)[8]提出了采取保溫棚法的施工技術(shù)方案，通過(guò)熱傳導(dǎo)理論分析了大空間保溫棚的熱量計(jì)算及能源消耗，總結(jié)出一套“寒冷地區(qū)大空間混凝土結(jié)構(gòu)冬季施工保溫措施”，可以應(yīng)用到北方地區(qū)混凝土的冬季施工中。文獻(xiàn)[9]以濟(jì)青高鐵鄒淄特大橋跨慶淄路100 m連續(xù)梁橋的冬季施工為依托，從搭設(shè)保溫棚、安裝蒸汽發(fā)生器、安裝HC-TW80無(wú)線測(cè)溫儀等方面，闡述了連續(xù)梁冬季施工的加熱保溫措施，調(diào)整了梁體養(yǎng)護(hù)溫度等工藝手段，既保證了施工質(zhì)量又加快了施工進(jìn)度。文獻(xiàn)[10]在冬季箱梁橋梁施工過(guò)程中采用聚氨酯保溫材料保溫，對(duì)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(jìn)行了養(yǎng)護(hù)期混凝土回彈強(qiáng)度對(duì)比以及經(jīng)濟(jì)效益對(duì)比，結(jié)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(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)廠，探索研究預(yù)制構(gòu)件輔助采用保溫棚的養(yǎng)護(hù)方法，自行研制了一種充氣塑料薄膜養(yǎng)護(hù)棚，并進(jìn)行了與完全蒸養(yǎng)條件下的構(gòu)件養(yǎng)護(hù)溫度、構(gòu)件脫模強(qiáng)度和成本等方面的測(cè)試和對(duì)比分析以及生產(chǎn)實(shí)踐驗(yàn)證。研究結(jié)果表明，充氣塑料薄膜養(yǎng)護(hù)棚的使用效果較好，能節(jié)約成本，對(duì)環(huán)境無(wú)污染，為預(yù)制構(gòu)件廠的保溫養(yǎng)護(hù)提供了一種新的技術(shù)方法。

1 充氣塑料薄膜養(yǎng)護(hù)棚的制作

1）養(yǎng)護(hù)棚應(yīng)根據(jù)預(yù)制構(gòu)件模臺(tái)的長(zhǎng)寬尺寸和需養(yǎng)護(hù)預(yù)制構(gòu)件的大小形狀等進(jìn)行設(shè)計(jì)和制作。養(yǎng)護(hù)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(jié)，黏結(jié)寬度為3 cm。3層薄膜中的相鄰薄膜，沿長(zhǎng)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(cè)各安裝1個(gè)充氣閥，用于給保溫薄膜充入空氣。覆蓋體可以根據(jù)構(gòu)件尺寸和形狀，制作成不同的大小和形狀。養(yǎng)護(hù)棚覆蓋體的構(gòu)造如圖1所示。

2）安裝充氣閥。充氣閥安裝時(shí)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(yè)膠水涂抹，涂膠寬度3 cm，放置1 d，確保完全凝固。密封時(shí)沿長(zhǎng)度方向分段密封，四周要密封嚴(yán)密，確保不漏氣，中間各段點(diǎn)式密封，以便于空氣流通。

4）養(yǎng)護(hù)棚支撐鋼架制作和組裝。根據(jù)預(yù)制構(gòu)件尺寸，采用CAD軟件設(shè)計(jì)養(yǎng)護(hù)棚支撐鋼架。根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙制作加工出符合要求的養(yǎng)護(hù)棚鋼架（圖2）。

圖1 養(yǎng)護(hù)棚覆蓋體的構(gòu)造

圖2 養(yǎng)護(hù)棚鋼架制作和組裝

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

2 冬季蒸養(yǎng)和養(yǎng)護(hù)棚養(yǎng)護(hù)條件下的構(gòu)件強(qiáng)度對(duì)比

蒸養(yǎng)一般分為靜養(yǎng)、升溫、恒溫、降溫這4個(gè)階段。

靜養(yǎng)階段：該階段可以使預(yù)制混凝土構(gòu)件獲得一個(gè)初始強(qiáng)度，用于抵抗后續(xù)升溫過(guò)程中產(chǎn)生的各種破壞應(yīng)力。隨著預(yù)養(yǎng)期的增加，混凝土的初始強(qiáng)度增加，養(yǎng)護(hù)后的強(qiáng)度提高，但是過(guò)長(zhǎng)的預(yù)養(yǎng)期會(huì)增加蒸養(yǎng)的總時(shí)長(zhǎng)，降低養(yǎng)護(hù)效率，本試驗(yàn)蒸養(yǎng)的靜養(yǎng)時(shí)間為2 h。

升溫階段：該階段將不可避免地在預(yù)制混凝土構(gòu)件內(nèi)外形成溫度梯度，在溫度梯度的影響下，預(yù)制混凝土構(gòu)件內(nèi)部的液態(tài)、氣態(tài)游離水分將發(fā)生膨脹和遷移，在構(gòu)件內(nèi)部形成“通道”，這些“通道”最終形成孔隙，影響構(gòu)件的最終養(yǎng)護(hù)強(qiáng)度，升溫越快，這種破壞效應(yīng)越明顯，本次升溫時(shí)間選擇3 h。

恒溫階段：該階段的溫度過(guò)低，不利于混凝土強(qiáng)度的快速提高；溫度過(guò)高，會(huì)影響混凝土內(nèi)部水化熱的釋放，容易造成因溫度應(yīng)力引起的裂縫。而恒溫時(shí)間和該階段溫度有關(guān)，溫度越高所需要的時(shí)間越短，反之則需要更長(zhǎng)的恒溫時(shí)間。本次恒溫溫度40 ℃，恒溫時(shí)間6 h。

降溫階段：該階段關(guān)鍵在于控制降溫速度，降溫過(guò)快會(huì)導(dǎo)致混凝土構(gòu)件內(nèi)外溫差過(guò)大，容易在構(gòu)件表面形成裂縫；降溫速度過(guò)慢，會(huì)增加整個(gè)蒸養(yǎng)周期的時(shí)長(zhǎng)，降低蒸養(yǎng)效率。本次降溫時(shí)間為2 h，既有利于保證混凝土力學(xué)性能，又能順利脫模。

蒸養(yǎng)最高溫度40 ℃，通入蒸汽時(shí)長(zhǎng)8 h，需1.2 t水。18點(diǎn)開始通蒸汽直到次日2點(diǎn)，之后關(guān)掉蒸汽，13 h后的出口溫度為30.7 ℃。

養(yǎng)護(hù)棚養(yǎng)護(hù)采取先升高棚內(nèi)環(huán)境溫度至40 ℃，利用養(yǎng)護(hù)棚的保溫性能，維持棚內(nèi)溫度，降低熱量損耗。18點(diǎn)到20點(diǎn)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(diǎn)至3點(diǎn)，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(yǎng)條件下與養(yǎng)護(hù)棚養(yǎng)護(hù)條件下的實(shí)測(cè)溫度變化情況。

圖3 冬季蒸養(yǎng)與養(yǎng)護(hù)棚養(yǎng)護(hù)的溫度變化情況

蒸養(yǎng)使構(gòu)件處于一個(gè)較高的溫度環(huán)境，能使混凝土更快地凝結(jié)硬化，但是蒸汽用量多。養(yǎng)護(hù)棚從升溫至35 ℃開始，隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，棚內(nèi)溫度保持穩(wěn)定，從數(shù)據(jù)看保溫效果明顯，蒸汽用量少，能持續(xù)保持預(yù)制構(gòu)件養(yǎng)護(hù)所需的溫度。

試驗(yàn)方法：在養(yǎng)護(hù)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(lián)模，抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)值需要乘以因數(shù)0.95，以得到抗壓強(qiáng)度的標(biāo)準(zhǔn)值。每種條件做9組試塊，分別測(cè)出了齡期12 h、14 h、16 h、18 h、20 h、1 d、7 d、14 d、28 d的構(gòu)件強(qiáng)度，如圖4所示。

圖4 冬季蒸養(yǎng)與養(yǎng)護(hù)棚養(yǎng)護(hù)試件的強(qiáng)度對(duì)比

本次試驗(yàn)所處地區(qū)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(nèi)試塊強(qiáng)度逐步增加，蒸養(yǎng)和養(yǎng)護(hù)棚養(yǎng)護(hù)條件下整體對(duì)應(yīng)的強(qiáng)度相差不大。

蒸養(yǎng)條件下，12 h、14 h、16 h構(gòu)件強(qiáng)度增長(zhǎng)速度快，18 h、20 h、1 d均勻增長(zhǎng)，說(shuō)明蒸養(yǎng)為構(gòu)件提供的溫度較為穩(wěn)定，更適合構(gòu)件強(qiáng)度增長(zhǎng)，強(qiáng)度增長(zhǎng)也會(huì)更均勻。

養(yǎng)護(hù)棚養(yǎng)護(hù)條件下，構(gòu)件12 h、14 h、16 h、18 h、20 h、1 d的強(qiáng)度增長(zhǎng)速度較快，強(qiáng)度較蒸養(yǎng)略低，說(shuō)明前期保溫棚保溫效果好，熱量損失較少，棚內(nèi)維持較為穩(wěn)定的溫度，有利于混凝土的水化反應(yīng)，構(gòu)件強(qiáng)度也隨之增長(zhǎng)。

根據(jù)強(qiáng)度變化曲線來(lái)看，冬季時(shí)養(yǎng)護(hù)棚養(yǎng)護(hù)可以輔助蒸養(yǎng)，能滿足脫模要求以及保證構(gòu)件28 d強(qiáng)度，符合實(shí)際生產(chǎn)要求。

3 春秋季蒸養(yǎng)和養(yǎng)護(hù)棚養(yǎng)護(hù)條件下的構(gòu)件強(qiáng)度對(duì)比

春秋季相對(duì)溫度較高，棚內(nèi)溫度達(dá)到35 ℃，即可達(dá)到脫模強(qiáng)度要求，比冬季達(dá)到相同溫度時(shí)的蒸汽用量少，蒸養(yǎng)最高溫度35 ℃，通入蒸汽時(shí)長(zhǎng)4 h，需0.6 t水。18點(diǎn)開始通蒸汽到22點(diǎn)，之后關(guān)掉蒸汽。滿足脫模強(qiáng)度要求，13 h后的出口溫度為30.3 ℃。

養(yǎng)護(hù)棚養(yǎng)護(hù)采取先升高棚內(nèi)環(huán)境溫度至35 ℃，利用養(yǎng)護(hù)棚的保溫性能，維持棚內(nèi)溫度，降低熱量損耗。18點(diǎn)到20點(diǎn)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(yǎng)條件下與養(yǎng)護(hù)棚養(yǎng)護(hù)條件下的實(shí)測(cè)溫度變化情況。

試驗(yàn)方法：在養(yǎng)護(hù)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(cè)出了齡期12 h、14 h、16 h、18 h、20 h、1 d、7 d、14 d、28 d的構(gòu)件強(qiáng)度，如圖6所示。

圖5 春秋季蒸養(yǎng)與養(yǎng)護(hù)棚養(yǎng)護(hù)的溫度變化情況

圖6 春秋季蒸養(yǎng)與養(yǎng)護(hù)棚養(yǎng)護(hù)試件的強(qiáng)度對(duì)比

本次試驗(yàn)所處地區(qū)的春秋季年平均氣溫10～22 ℃，溫度相對(duì)較高，所以2種方式在保證構(gòu)件16 h脫模強(qiáng)度的前提下，相應(yīng)減少蒸汽用量來(lái)節(jié)約成本。

從圖6可以看出，蒸養(yǎng)強(qiáng)度比養(yǎng)護(hù)棚養(yǎng)護(hù)略高，兩者整體的強(qiáng)度發(fā)展趨勢(shì)差別不大。后期強(qiáng)度增長(zhǎng)穩(wěn)定。

根據(jù)強(qiáng)度變化曲線來(lái)看，春秋季時(shí)養(yǎng)護(hù)棚養(yǎng)護(hù)可以替代蒸養(yǎng)，能滿足脫模要求以及保證構(gòu)件28 d強(qiáng)度，符合實(shí)際生產(chǎn)要求。

4 冬季、春秋季蒸養(yǎng)與養(yǎng)護(hù)棚養(yǎng)護(hù)的經(jīng)濟(jì)性對(duì)比

單個(gè)養(yǎng)護(hù)棚用料包括：寬5 m、長(zhǎng)7 m的規(guī)格為14s（厚0.14 mm）的薄膜3層，需要15張，養(yǎng)護(hù)棚需要屋形薄膜（可裁剪出）6張；充氣閥14個(gè)；魔術(shù)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(jīng)計(jì)算，單個(gè)養(yǎng)護(hù)棚制作成本為1 200元，一個(gè)養(yǎng)護(hù)棚可以用5 a。

根據(jù)公司一年的用電情況，電費(fèi)平均可以按照0.9元/（kW·h）計(jì)算，蒸汽鍋爐功率108 kW，額定蒸發(fā)量0.15 t/h，一個(gè)月按30 d計(jì)算。

4.1 冬季蒸養(yǎng)與養(yǎng)護(hù)棚養(yǎng)護(hù)的經(jīng)濟(jì)性對(duì)比

經(jīng)統(tǒng)計(jì)，冬季蒸養(yǎng)條件下，每月蒸汽用水量為36 t（費(fèi)用為23 328元），棚布50 m2（攤銷費(fèi)用為40元），養(yǎng)護(hù)人工1人（工資為500元），共計(jì)23 868元；養(yǎng)護(hù)棚養(yǎng)護(hù)條件下，每月蒸汽用水量為18 t（費(fèi)用為11 664元），養(yǎng)護(hù)棚長(zhǎng)80 m（攤銷費(fèi)用為240元），充氣設(shè)備攤銷230元，養(yǎng)護(hù)人工1人（工資為500元），共計(jì)12 634元。由此可知，冬季條件下，養(yǎng)護(hù)棚輔助蒸養(yǎng)條件比蒸養(yǎng)條件每月省11 234元。

4.2 春秋季蒸養(yǎng)與養(yǎng)護(hù)棚養(yǎng)護(hù)2種條件下的經(jīng)濟(jì)性對(duì)比

經(jīng)統(tǒng)計(jì)，春秋季蒸養(yǎng)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(yǎng)護(hù)人工1人（500元），共計(jì)12 204元；養(yǎng)護(hù)棚養(yǎng)護(hù)條件下，每月蒸汽用水量為9 t（5 832元），養(yǎng)護(hù)棚長(zhǎng)80 m（攤銷240元），充氣設(shè)備攤銷230元，養(yǎng)護(hù)人工1人（500元），共計(jì)6 802元。由此可知，春秋季條件下，養(yǎng)護(hù)棚輔助蒸養(yǎng)條件比蒸養(yǎng)條件每月省5 402元。

5 結(jié)語(yǔ)

從分析和生產(chǎn)實(shí)踐可以看出，冬季、春秋季充氣塑料薄膜養(yǎng)護(hù)棚內(nèi)溫度能維持在30～35 ℃之間，滿足構(gòu)件養(yǎng)護(hù)溫度要求，保溫效果顯著，可替代蒸養(yǎng)使用。

在技術(shù)方面，相比于蒸養(yǎng)，充氣塑料薄膜養(yǎng)護(hù)棚具有明顯優(yōu)勢(shì)，其養(yǎng)護(hù)的構(gòu)件在強(qiáng)度方面能滿足脫模和吊裝要求，不延誤工期；同時(shí)，養(yǎng)護(hù)棚養(yǎng)護(hù)時(shí)對(duì)預(yù)制構(gòu)件的損傷較小。蒸養(yǎng)在靜養(yǎng)、升溫、恒溫、降溫這4個(gè)階段需要嚴(yán)格把控，如果時(shí)間把控不當(dāng)，構(gòu)件就會(huì)膨脹變形，不易脫模，甚至造成混凝土表面產(chǎn)生細(xì)小裂紋等不可逆的損傷。

在經(jīng)濟(jì)性方面，充氣塑料薄膜養(yǎng)護(hù)棚能明顯地降低預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)成本。

在社會(huì)效益方面，使用充氣塑料薄膜養(yǎng)護(hù)棚能夠節(jié)省能源，符合無(wú)污染、綠色環(huán)保的可持續(xù)發(fā)展理念。