基于空氣源熱泵的鋼筋混凝土管片初期養(yǎng)護(hù)技術(shù)分析

蘇建秒

（中鐵十八局集團(tuán)第四工程有限公司，天津 300350）

鋼筋混凝土管片初期養(yǎng)護(hù)直接關(guān)系其質(zhì)量，很多地鐵工程鋼筋混凝土管片施工完成投入使用不久后，就出現(xiàn)了管片裂縫，以及滲漏問題，嚴(yán)重影響了地鐵運(yùn)行的安全性。早期鋼筋混凝土管片初期養(yǎng)護(hù)中多采用蒸汽供熱初期養(yǎng)護(hù)技術(shù)，管片生產(chǎn)循環(huán)2～2.5 次/24 h，而且需要人工調(diào)節(jié)閥門來控制管片養(yǎng)護(hù)，蒸汽過飽和會(huì)冷凝成水滴，燃燒后排出有害氣體，人工調(diào)控溫度存在很大的不確定性，容易形成裂縫，管片受到移動(dòng)小車加速的干擾，外弧面易產(chǎn)生拉應(yīng)力裂紋。隨著近年北方地區(qū)環(huán)境污染壓力加大，環(huán)境污染治理任務(wù)嚴(yán)峻，尋找環(huán)保能源進(jìn)行管片初期養(yǎng)護(hù)，是實(shí)現(xiàn)管片生產(chǎn)節(jié)能減排和產(chǎn)業(yè)升級(jí)的客觀要求。隨著環(huán)保要求的提高，清潔節(jié)能的初期養(yǎng)護(hù)設(shè)備也逐步應(yīng)用于管片生產(chǎn)。管片生產(chǎn)中出現(xiàn)裂紋多發(fā)生在管片生產(chǎn)早期的混凝土初期養(yǎng)護(hù)期，對(duì)管片抗壓強(qiáng)度和抗?jié)B指標(biāo)及盾構(gòu)隧道的使用壽命和安全性影響很大，因此，管片的初期養(yǎng)護(hù)具有特殊的意義。而采用空氣源熱泵初期養(yǎng)護(hù)技術(shù)可有效解決上述問題，管片生產(chǎn)循環(huán)3～4 次/24 h，養(yǎng)護(hù)窯中熱氣比蒸汽具有更好的傳熱效果，熱風(fēng)可循環(huán)利用，節(jié)能效果比較好［1］。以下結(jié)合天津地鐵6 號(hào)線工程（梅林路站～咸水沽西站）實(shí)例，對(duì)基于空氣源熱泵的鋼筋混凝土管片初期養(yǎng)護(hù)技術(shù)進(jìn)行以下分析，具體如下。

1 工程概述

天津地鐵6 號(hào)線工程（梅林路站～咸水沽西站）鋼筋混凝土管片制作共17 822 環(huán)，其中內(nèi)徑為5.9 m的管片16 923 環(huán)；內(nèi)徑為5.5 m 的管片899 環(huán)。管片厚度均為0.35 m；混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度為C50；抗?jié)B等級(jí)≥P12。因工程管片的需求量大、生產(chǎn)工期短，常常多個(gè)區(qū)間同時(shí)供應(yīng)管片，供應(yīng)高峰期23 個(gè)區(qū)間的十幾臺(tái)盾構(gòu)機(jī)同時(shí)作業(yè)，單日管片需求量最高達(dá)200 環(huán)。

2 空氣源熱泵管片養(yǎng)護(hù)的技術(shù)特點(diǎn)

管片養(yǎng)護(hù)包括初期養(yǎng)護(hù)6～8 h、浸水養(yǎng)護(hù)7 d、淋養(yǎng)14 d 3 個(gè)階段，本文主要討論初期養(yǎng)護(hù)的方法改進(jìn)。由傳統(tǒng)鍋爐供熱的蒸汽養(yǎng)護(hù)升級(jí)為空氣源熱泵的初期養(yǎng)護(hù)。

空氣源熱泵管片初期養(yǎng)護(hù)技術(shù)采用空氣熱源泵供熱來對(duì)管片進(jìn)行初期養(yǎng)護(hù)，通過消耗一定的外界功（電能）作為補(bǔ)償過程而實(shí)現(xiàn)制熱，具體的養(yǎng)護(hù)原理圖如圖1 所示。

圖1 空氣源熱泵管片初期養(yǎng)護(hù)原理圖

空氣源熱泵管片養(yǎng)護(hù)是一種新型的初期養(yǎng)護(hù)技術(shù)，和傳統(tǒng)蒸汽供熱養(yǎng)護(hù)技術(shù)相比，具有非常顯著的技術(shù)特點(diǎn)，具體如下：

（1）可實(shí)現(xiàn)智能化養(yǎng)護(hù)。通過PLC 智能化控制系統(tǒng)，對(duì)管片生產(chǎn)初期養(yǎng)護(hù)全過程中的溫度、風(fēng)量、熱能循環(huán)再利用等進(jìn)行智能化管控，可降低人為因素對(duì)養(yǎng)護(hù)造成的不利影響［2］。

（2）綠色節(jié)能效果顯著。在整個(gè)養(yǎng)護(hù)過程中只需要用到電力，無需燃煤、天然氣，也就不會(huì)造成環(huán)境污染。

（3）機(jī)動(dòng)靈活性比較高?？諝庠礋岜眉瓤梢栽谲囬g內(nèi)進(jìn)行批量鋼筋混凝土管片預(yù)制生產(chǎn)初期養(yǎng)護(hù)，也可以在施工現(xiàn)場(chǎng)，或者是野外開展零星的養(yǎng)護(hù)。

（4）施工參數(shù)設(shè)置科學(xué)合理。將空氣源熱泵應(yīng)用到鋼筋混凝土管片初期養(yǎng)護(hù)中，完全遵循了混凝土的養(yǎng)護(hù)規(guī)律，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)養(yǎng)護(hù)數(shù)據(jù)和參數(shù)可進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控和采集，以保證每個(gè)養(yǎng)護(hù)階段的參數(shù)都符合設(shè)計(jì)要求［3］。

3 空氣源熱泵在鋼筋混凝土管片初期養(yǎng)護(hù)中的應(yīng)用

空氣源熱泵供熱系統(tǒng)由16 臺(tái)50P 空氣源熱泵機(jī)組組成，固定窯由17 個(gè)并排單個(gè)養(yǎng)護(hù)窯組成，每個(gè)窯長18.4 m，寬6.0 m，高2.44 m，進(jìn)出窯門寬5.5 m?？諝庠礋岜脵C(jī)組安裝在13～17 號(hào)窯窯頂，供風(fēng)和回風(fēng)分別由兩臺(tái)90 kW 的離心風(fēng)機(jī)完成，供風(fēng)和回風(fēng)風(fēng)道設(shè)置在養(yǎng)護(hù)窯底部，為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，與養(yǎng)護(hù)窯同時(shí)施工。

3.1 工藝流程

雖然將空氣源熱泵應(yīng)用到鋼筋混凝土管片初期養(yǎng)護(hù)中具有很多明顯的優(yōu)勢(shì)，但在實(shí)際應(yīng)用中，為最大限度上發(fā)揮出空氣源熱泵的優(yōu)勢(shì)，還需要嚴(yán)格按照相應(yīng)的工藝流程進(jìn)行應(yīng)用，具體的空氣源熱泵用于管片初期養(yǎng)護(hù)施工技術(shù)的工藝流程如圖2 所示。

混凝土澆筑完成后，通過子母車體和平移模具聯(lián)合作用，將管片固定到指定位置，再進(jìn)行混凝土收面、覆蓋塑料布養(yǎng)護(hù)。待工人全部撤出養(yǎng)護(hù)窯后，將養(yǎng)護(hù)窯門關(guān)閉，開始管片初期養(yǎng)護(hù)，通過操控PLC 控制系統(tǒng)，開啟回風(fēng)孔上的百葉窗及固定窯下部的送風(fēng)，通過風(fēng)機(jī)快速將加大風(fēng)壓的熱風(fēng)從風(fēng)道輸送到養(yǎng)護(hù)窯中，使養(yǎng)護(hù)窯中的溫度升高，以加快管片混凝土強(qiáng)度增長速度，熱空氣通過回風(fēng)通道回流到空氣源熱泵中可重復(fù)加熱利用，形成一個(gè)熱風(fēng)回收循環(huán)系統(tǒng)［4］?？諝庠礋岜幂敵鲲L(fēng)口的空氣溫度最高可達(dá)到80℃，回收熱風(fēng)溫度通常在25～40℃之間，比重新加熱環(huán)境空氣更加節(jié)能。窯內(nèi)溫度通過PLC 控制器自動(dòng)控制。

3.2 輸入熱風(fēng)循環(huán)

輸入熱風(fēng)循環(huán)是基于空氣源熱泵的鋼筋混凝土管片初期養(yǎng)護(hù)的關(guān)鍵技術(shù)，對(duì)整個(gè)管片初期養(yǎng)護(hù)的效果有很大影響，具體的循環(huán)過程如下：

首先，通過空氣源熱泵壓縮形成輸出初期養(yǎng)護(hù)所用的熱風(fēng)，空氣源熱泵機(jī)組通常放在13～17 號(hào)養(yǎng)護(hù)窯窯頂位置，整個(gè)熱風(fēng)循環(huán)系統(tǒng)由空氣熱源泵機(jī)組、風(fēng)機(jī)、風(fēng)道、養(yǎng)護(hù)窯等結(jié)構(gòu)共同組成，現(xiàn)場(chǎng)布設(shè)圖如圖3 所示。

圖3 空氣源熱泵機(jī)組和熱風(fēng)流向圖

然后，熱風(fēng)從養(yǎng)護(hù)窯頂部的空氣源熱泵機(jī)組出風(fēng)口輸出，進(jìn)入到風(fēng)機(jī)，被風(fēng)機(jī)加速后，再輸送到養(yǎng)護(hù)窯送風(fēng)管道，進(jìn)入到養(yǎng)護(hù)窯中進(jìn)行循環(huán)后，再通過回風(fēng)管回到空氣源熱泵機(jī)組中［5］。實(shí)際所需的送風(fēng)量以及回風(fēng)量可按照管片養(yǎng)護(hù)期間內(nèi)升溫、恒溫、降溫的同時(shí)段通過PLC 控制系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)控制，以最大限度上保證能夠按照提前設(shè)定好的養(yǎng)護(hù)溫度進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)，促使鋼筋混凝土管片養(yǎng)護(hù)的強(qiáng)度增長能夠達(dá)到預(yù)期的目標(biāo)，固定養(yǎng)護(hù)窯剖面圖如圖4 所示。

圖4 固定養(yǎng)護(hù)窯剖面圖

最后，固定養(yǎng)護(hù)窯內(nèi)初期養(yǎng)護(hù)不同階段熱風(fēng)養(yǎng)護(hù)?；炷翝仓瓿珊?，啟動(dòng)模具小車，按照提前設(shè)定好程序及線路，通過子母車將管片依次送入到獨(dú)立的養(yǎng)護(hù)窯中，在每個(gè)養(yǎng)護(hù)窯中都可以放置1.5 m 環(huán)寬向7 個(gè)模具，混凝土量加模具的總重量大約在60～64 t 之間。在管片初期養(yǎng)護(hù)的升溫階段，開啟送風(fēng)百葉窗，以增大風(fēng)量；在恒溫養(yǎng)護(hù)期間，風(fēng)量維持平衡不變；在降溫養(yǎng)護(hù)期間，關(guān)閉送風(fēng)百葉窗，回風(fēng)百葉窗可按照穩(wěn)定下降的實(shí)際情況進(jìn)行開啟和關(guān)閉［6］。結(jié)合鋼筋混凝土管片生產(chǎn)速度、工藝流程、循環(huán)周期等，通常有7～10 個(gè)養(yǎng)護(hù)窯同時(shí)在升溫以及恒溫階段進(jìn)行送風(fēng)養(yǎng)護(hù)，而其余養(yǎng)護(hù)窯則無需送風(fēng)，養(yǎng)護(hù)窯底部風(fēng)口的百葉窗和溫度傳感器布置圖如圖5 所示。

圖5 養(yǎng)護(hù)窯底部風(fēng)口的百葉窗和溫度傳感器

3.3 固定養(yǎng)護(hù)窯及風(fēng)道

通過窯內(nèi)配置的智能溫度感應(yīng)器，數(shù)據(jù)可傳到中央控制室，進(jìn)行遠(yuǎn)程控制獨(dú)立固定窯溫度，實(shí)現(xiàn)固定窯內(nèi)升降溫，實(shí)現(xiàn)管片生產(chǎn)初期養(yǎng)護(hù)智能化。固定養(yǎng)護(hù)窯內(nèi)溫度控制采用PLC 控制器控制，PLC 控制器觸摸屏可以實(shí)時(shí)輸入數(shù)值進(jìn)行設(shè)備基本參數(shù)設(shè)置，一鍵啟動(dòng)功能，自動(dòng)控制，自帶糾偏功能［7］。2.87 m2大斷面風(fēng)道使熱風(fēng)供應(yīng)暢通無阻。為空氣源熱泵配置1 250 kVA 變壓器，兩個(gè)90 kW 離心風(fēng)機(jī)，風(fēng)量可達(dá)200 000 m3/h，風(fēng)壓大于1 600 Pa，整個(gè)通風(fēng)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)熱風(fēng)利用最大化及降低成本，保證熱風(fēng)循環(huán)系統(tǒng)循環(huán)高效、順暢。溫控操作平臺(tái)實(shí)時(shí)監(jiān)控顯示屏如圖6 所示。

圖6 溫控操作平臺(tái)實(shí)時(shí)監(jiān)控顯示屏

3.4 質(zhì)量控制措施

為保證管片工程質(zhì)量，需要配備熟練的操作工人，通過各控制點(diǎn)質(zhì)量目標(biāo)的實(shí)施來確?？傎|(zhì)量控制目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，確保管片生產(chǎn)按期完成。在施工管理過程中嚴(yán)格按照施工組織設(shè)計(jì)、作業(yè)指導(dǎo)書和操作規(guī)程施工，嚴(yán)格落實(shí)質(zhì)量考核和獎(jiǎng)罰制度。嚴(yán)把材料進(jìn)場(chǎng)關(guān)，保證材料質(zhì)量。熱源空氣在混凝土管片初期養(yǎng)護(hù)運(yùn)用設(shè)計(jì)的整個(gè)熱風(fēng)循環(huán)系統(tǒng)有缺相、漏相以及相序保護(hù)，配套離心風(fēng)機(jī)有獨(dú)立的過載保護(hù)，整套系統(tǒng)設(shè)計(jì)有運(yùn)行指示、聲光報(bào)警、報(bào)警記錄等報(bào)警功能。每臺(tái)空氣源熱泵都安裝有過濾網(wǎng)，為防止塵埃堵塞換熱器，安排專人定期打掃清理灰塵。在整個(gè)初期養(yǎng)護(hù)過程中塑料布全程覆蓋管片外弧面，見圖7?；炷僚浜媳缺Ｕ洗胧鹤龊帽瘛?yōu)化混凝土的水化反應(yīng)?；炷了磻?yīng)的用水量/水泥用量=0.27，C50 混凝土配合比中的水膠比為0.32，遠(yuǎn)大于混凝土水化反應(yīng)的用水量，混凝土中自身具有的水量完全滿足混凝土水化反應(yīng)所需用水量，而且在管片初期養(yǎng)護(hù)時(shí)采用塑料薄膜覆蓋減少水分蒸發(fā)、散失［8］，保證混凝土水化反應(yīng)的用水量。因此在蓋好塑料薄膜的情況下，混凝土中水分完全滿足水化反應(yīng)的用水量需求，管片外弧面保持濕潤，沒有裂紋。

圖7 靜養(yǎng)后覆蓋塑料布圖

4 養(yǎng)護(hù)效果分析

空氣源熱泵初期養(yǎng)護(hù)開始時(shí)窯內(nèi)溫度25 ℃，按小于15 ℃/h 的升溫梯度升溫至55 ℃，升溫2.5 h（冬季3 h）左右；恒溫2 h（冬季3 h）左右；再按照降溫梯度≤20 ℃/h，使管片降溫至30 ℃（冬季20 ℃）以下出窯，用時(shí)8 h（冬季10 h）。升級(jí)后的智能溫控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)固定窯的17 個(gè)窯獨(dú)立升溫、恒溫、降溫。升溫梯度由小于15 ℃/h 細(xì)化為1 次3 ℃/15 min，降溫溫速同理設(shè)置。杜絕了初期養(yǎng)護(hù)混凝土溫度裂紋，達(dá)到最優(yōu)的溫度曲線。采用空氣源熱泵為17 個(gè)獨(dú)立固定窯分別供熱養(yǎng)護(hù)，自動(dòng)控制系統(tǒng)通過窯內(nèi)智能溫度感應(yīng)器遠(yuǎn)程控制空氣源熱泵送風(fēng)量來調(diào)節(jié)窯內(nèi)溫度，實(shí)現(xiàn)窯內(nèi)升溫、恒溫、降溫，通過智能控制熱風(fēng)循環(huán)系統(tǒng)還能實(shí)現(xiàn)熱能回收再利用。每個(gè)養(yǎng)護(hù)窯都單獨(dú)升降溫、精準(zhǔn)控溫，減少了管片表面溫度與窯內(nèi)氣溫之間大溫差引發(fā)的溫度裂紋，使管片生產(chǎn)初期養(yǎng)護(hù)提速增效明顯，實(shí)現(xiàn)單條流水線管片生產(chǎn)達(dá)到了日產(chǎn)72 環(huán)的國內(nèi)最高水平。在保證安全質(zhì)量前提下生產(chǎn)工期大大縮短，質(zhì)量優(yōu)良，為保障工程建設(shè)任務(wù)的順利實(shí)施做出重大貢獻(xiàn)。在天津地鐵6 號(hào)線工程（梅林路站-咸水沽西站）管片制作工程中得到成功的應(yīng)用。

采用空氣源熱泵養(yǎng)護(hù)的鋼筋混凝土管片強(qiáng)度全部符合要求，并且在整個(gè)養(yǎng)護(hù)期間，制作同條件抗壓試塊和標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)試塊各2 300 組，試塊的抗壓強(qiáng)度統(tǒng)計(jì)表如表1 所示，管片混凝土強(qiáng)度-時(shí)間曲線圖如圖8 所示。

表1 混凝土管片試驗(yàn)強(qiáng)度增長記錄

圖8 管片混凝土強(qiáng)度-時(shí)間曲線圖

由表1 看出，隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間的增加，混凝土管片的強(qiáng)度逐漸增大，監(jiān)測(cè)的管片平均強(qiáng)度、最低及最高強(qiáng)度值均符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

從圖8 看出，采用空氣源熱泵的鋼筋混凝土管片初期養(yǎng)護(hù)技術(shù)，相同養(yǎng)護(hù)時(shí)期內(nèi)，因其溫控準(zhǔn)確、周期縮短，管片的強(qiáng)度得到了快速穩(wěn)步提升。和傳統(tǒng)初期養(yǎng)護(hù)技術(shù)相比，熱源空氣輻射循環(huán)供熱，固定窯一體化施工和風(fēng)道無縫連接，采用智能溫控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)固定窯的17 個(gè)窯獨(dú)立升溫、恒溫、降溫，使空氣源熱泵機(jī)組發(fā)揮出最佳的效能。

根據(jù)鋼筋混凝土管片的強(qiáng)度和抗?jié)B（檢漏）標(biāo)準(zhǔn)：滲漏檢驗(yàn)1.2 MPa 水壓力作用下，恒壓3 h，滲透深度小于5 cm。盾構(gòu)區(qū)間管片采用C50、P12 高強(qiáng)度高抗?jié)B混凝土制作，可提高混凝土的耐久性。使用該技術(shù)生產(chǎn)的管片，制作抗?jié)B試塊680 組和檢漏試驗(yàn)30 組，全部符合要求。空氣源熱泵養(yǎng)護(hù)過程中未發(fā)生任何安全、質(zhì)量事故?？諝庠礋岜糜糜诠芷跗陴B(yǎng)護(hù)的施工技術(shù)應(yīng)用比原蒸汽初期養(yǎng)護(hù)的計(jì)劃工期縮短70 d，滿足了管片供應(yīng)，保障了施工安全。該技術(shù)的成功應(yīng)用使得該工程在管片初期養(yǎng)護(hù)環(huán)節(jié)節(jié)約成本約756.16 萬元。空氣源熱泵不僅可以在車間批量生產(chǎn)運(yùn)用，因其體積小、重量輕、安裝方便快速、機(jī)動(dòng)靈活性好，亦可以在野外零星工程中運(yùn)用，具有很好的推廣價(jià)值。

5 結(jié)語

綜上所述，結(jié)合天津地鐵6 號(hào)線工程（梅林路站-咸水沽西站）實(shí)際情況，分析了基于空氣源熱泵的鋼筋混凝土管片初期養(yǎng)護(hù)技術(shù)。分析表明，使用此項(xiàng)技術(shù)后可有效提升管片養(yǎng)護(hù)質(zhì)量和效果，為地鐵施工提供了高質(zhì)量的管片支撐，實(shí)現(xiàn)熱源空氣在鋼筋混凝土管片初期養(yǎng)護(hù)的成功應(yīng)用，由原蒸汽初期養(yǎng)護(hù)的單日2～2.5 個(gè)循環(huán)/d，提速到3～3.5 個(gè)循環(huán)/d。管片外表面裂紋基本消除，兩端混凝土下墜基本解決，質(zhì)量提升明顯，得到業(yè)主和盾構(gòu)方一致好評(píng)。隨著此項(xiàng)技術(shù)的推廣及進(jìn)一步深入的研究，空氣源熱泵在管片初期養(yǎng)護(hù)階段施工項(xiàng)目將為固定養(yǎng)護(hù)窯流水線管片制作起到重要技術(shù)支撐。與此同時(shí)，該技術(shù)解決了我國在管片初期養(yǎng)護(hù)施工中的環(huán)保、節(jié)能問題，為今后制定管片初期養(yǎng)護(hù)的技術(shù)積累基本數(shù)據(jù)；為相同或相似類型條件下混凝土預(yù)制件初期養(yǎng)護(hù)施工積累寶貴經(jīng)驗(yàn)。此項(xiàng)技術(shù)取得了很好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。