石济客专辛集制梁场蒸养系统的应用及效果

文/蔡华奇 中国水利水电第八工程局有限公司专业总工程师 湖南长沙 410004

石济客专辛集制梁场蒸养系统的应用及效果

文/蔡华奇 中国水利水电第八工程局有限公司专业总工程师 湖南长沙 410004

客运专线箱梁冬季蒸养系统对混凝土的质量至关重要，本文主要介绍石济客专辛集制梁场箱梁冬季预制施工时蒸汽系统技术，包括蒸养设备选型、管道布置及养护温度的控制等技术，为以后类似工程提供参考经验。

箱梁；蒸养系统；应用；效果

1、工程概况

1.1 辛集制梁场的概况

石济铁路客运专线辛集制梁场承担藁辛特大桥、辛集东特大桥2座桥梁，共804榀双线单箱单室箱梁预制生产及架设任务，供应范围为DK51+213.36～DK79+556，梁场中心里程对应线路为DK65+037。位于河北省辛集市，架设范围最大距离为14.5公里。梁场占地约207亩，按使用功能划分为：混凝土拌合区、制梁区、存梁区、提梁上桥区、钢筋加工区和办公生活区六个区域。根据施工工期计划，共设置10个制梁台座，70个存梁台座，5个提梁台座，承担了24米箱梁预制55孔，每孔箱梁混凝土量为220.8立方米，32米箱梁预制749孔，每孔箱梁混凝土量为285.9立方米。工期从2014年1月至2015年11月，总计23个月，其中梁场基本建设7个月，预制梁15.5个月，梁体架设14个月，日均生产指标1.8孔/天。

1.2 水文气温

辛集地势平坦，气候四季分明, 属东部季风区暧温带半湿润大陆性气候。12-2月是冬季，冬季寒冷寡照，雨雪稀少，其中一月份最冷，月平均温度为-3.9℃，气温日变化较大。

1.3 箱梁蒸汽养护系统的重要性

1.3.1 工期紧张

根据总体工期和取证要求，总工期从2014年1月开始，至2016年1月结束，合计25个月。计划2014年6月15日首榀梁浇筑，2014年8月通过局级投产鉴定，2014年9月通过梁场取证。梁场自2014年10月开始预制和架设均进入了正常生产，施工期间受三电迁改影响架梁共停工5.5个月，造成工期（有效工期压缩了5.5个月）紧张，生产强度增大（达到了3榀/天），冬季须高强度生产。

工期紧张。

1.3.2 必须在冬季进行施工

整个梁场的生产过程经过两个冬季的施工，为了加快冬季施工制梁周期，缩短制梁台座使用时间，控制梁体温度变化和外界温度差距，并有效控制混凝土水化热，从而保证箱梁内在质量，同时也保证冬季梁场的正常运营和工作的连续性。

1.3.3 箱梁技术质量要求高

石济客专箱梁后张梁采用预张拉，初张拉，终张拉三阶段张拉。为了加快制梁台座周转及防止混凝土早期裂纹，梁体预应力施工按预张拉、初张拉和终张拉三期进行。在混凝土强度达到设计强度的60%（33.5MPa）后，拆除端模，松开内模，将模板的连接全部松开后进行预张拉，在梁体混凝土强度达设计强度的80%（43.5MPa）时拆除内模,进行初张拉，初张拉后梁体方可顶移出制梁台位；当梁体混凝土强度及弹性模量达到设计值,且混凝土龄期不小于10天方可进行终张拉。

2、蒸养系统的设计及应用

2.1 蒸养棚罩

箱梁蒸养采用活动板房的板材棚罩内通蒸汽的方法，棚罩搁置在外模板走道栏杆上，用龙门吊机配合进行整体安、拆。蒸养棚罩(顶高2.8m,两侧顶高2.2m,)高2.5长33m宽13.2m，为周转使用，共制两套。制梁台座外模边部采用红砖砌筑、砂浆粉刷，使制梁台座和蒸养棚罩形成一个封闭体。

2.2 蒸养管道布置

辛集制梁场根据场地实际情况，蒸汽锅炉布置在试验室边上，离制梁台位和搅拌站距离较近。蒸汽管道分主管和支管，主管沿轨道梁布设，分管接至各个台座，最远的台座距锅炉180m。管道接至台座后由开孔支管直接向棚罩内供汽，开孔支管每个台座设6根，分别布置在台座的两边、中间和箱梁箱体内，支管的出汽孔要经常清理，以保证棚内均匀受热。

蒸汽管道主管选用φ75mm，分管用φ50mm，开孔支管用φ30mm，开孔支管上孔径为φ3mm间隔1m ，整个支管长度和台座长度相同为33m，使用时棚温测量表明，这样布置比较合理，支管气孔均匀出汽，棚温基本均匀，在一般情况下棚罩两端温差不大于5℃。汽孔布置不能过密，以免开孔支管在刚开汽时相当长一段时间内末端无汽或出汽很小，影响棚温均匀上升。

图1、蒸养管道截面布置图

2.3 蒸汽养护设备选型

2.3.1 热量计算

以32.6m箱梁计算为例

（1）初始条件

恒温阶段温度t2：45℃

养护前砼制品的温度t1：5℃

建筑钢的比热C1：0.48kJ/kg.℃

砼制品的平均比热C2：0.84kJ/kg.℃

空气定压比热Cp：1.0045kJ/kg.℃

1kg水泥水化热量Qc：258.3kJ/kg

箱梁的钢模板重量m1：180t

箱梁的混凝土重量m2：800t

未蒸养罩内空气质量m3:2508.744kg

水泥总量m4:114510kg。

（2）热量消耗

1)加热钢模所消耗的热量Q1=m1×c1× (t2-t1) =3456000KJ；

2)混凝土升温所消耗的热量Q2=m2×c2× (t2-t1)=26880000KJ；

3)蒸养棚罩内采暖所消耗的热量Q3=m2× cp×(t2-t1)=100801.3KJ；

4)水泥产生水化热总量Q4=m4×Qc =29577933KJ；

则蒸汽所需总热量：

Q=(Q1+Q2+Q3-Q4）=858868.3KJ

2.3.2 蒸汽量计算

单榀箱梁所用蒸汽量W=Q/(I×H)=721.9 kg/h；

其中：蒸养所需总热量Q =858868.3kJ/h；

一定压力下蒸汽含热量I=2644kg/kJ；

蒸汽有效利用系数H=0.45；

根据现场工装配置（10个制梁台座）和计划生产能力2孔/天，高峰时有8个制梁台座需要同时蒸养，8榀箱梁同时蒸养所用蒸汽量：721.9/1000×8=5.78t/h。

2.4 设备配置

根据蒸汽量计算，梁场配置1台4t/h锅炉和2台2t/h锅炉即可满足现场蒸养。考虑到设备的维护，蒸汽锅炉采用河南热丰锅炉有限公司生产的型号为WNS4-1.25-Y（Q）的卧式蒸汽锅炉1台，WNS2-1.25-Y（Q）的卧式蒸汽锅炉2台。

3、温度控制仪的布置

对于大体积梁体混凝土施工，要做好温度量测工作，箱梁测温系统及元件采用混凝土自动测温仪器。箱梁测温系统及元件采用温度数据采集使用长沙市三智电子科技有限公司制造的SZWT-MCU自动温度测量系统。用预埋式温度传感器探头，通过电子测温仪量各部位温度，传感器探头可重复使用。测温仪器和设备如出现故障须及时维修或者更换。

混凝土养护箱梁的两端供蒸汽，因此测温点的布置为梁的纵向长度的一半，横向截面对称，布置测温点以截面的一半布置。在纵向确定距梁端1000mm处、跨中截面3个截面作为布点的平面，具体截面位置如图2、图3、图4图所示。

图2 测温点布置截面位置图

图3 跨端断面温度监测点布置示意图

图4 跨中断面温度监测点布置示意图

待钢筋拼装完成混凝土浇筑前，即将自动温度测量单元以铁丝固定于测点，另一端则接于放置在腹板外侧的HTW-D10智能温度传感器上，中间部分以钢丝固定在钢筋上，以避免测点遭外力变动。

如上图所示，各监测点监测位置见表1：

表1.温度检测点监测位置表

温度量测设专人负责，每个测点进行编号。自然养护时，采用人工量测，蒸汽养护时采用电子自动测温系统并配以人工复测。测温时间暂定为混凝土浇筑完毕后4h→5h→8h→13h→24h→30h→32～52h（1 次/h）。在测定过程中，若数据有出现不规律变化时，适当加大测温频率；若出现规律变化时，可适当减小测温频率。

根据测温记录进行数据分析，进行通风降温或加大蒸汽流量升温，保证棚内混凝土外部环境温度趋于一致。同时为拆模提供温度控制参数。

4、蒸养工艺及温度控制

箱梁蒸汽养护采用结构表面蒸养和结构内部蒸汽养结合的办法。采用自动测温仪器, 系统记录养护温度, 实施分段多点控制, 严格控制混凝土升温速率、降温速率及梁体内外温差, 确保混凝土养护质量。

蒸汽养护分静停、升温、恒温、降温四个阶段进行。

静停阶段：保持棚温不低于5℃，蒸汽养护的混凝土在浇筑4h后开始加温。

升温阶段：缓慢升温、高湿低温，前2h升温速率控制在6～8℃，以后升温速度不得大于每小时10℃。避免升温过快引起混凝土细观结构破坏，导致混凝土发生较大膨胀。

恒温阶段：控制梁体芯部混凝土温度不超过60℃，保持梁体纵横断面内上下内外的恒温温度基本一致，降低局部热冲击对梁体的损害。恒温时间一般控制在10～16h。当同期养生的混凝土试块强度达到设计强度的90%以上，就可以开始降温。

降温阶段：缓慢停汽，均匀降温，速度不得大于每小时10℃。建议修改为：当箱内与箱外，表面与环境温差不大于15℃时方可满足拆模。梁体经过蒸养后，在棚内静放一段时间，使梁体与棚内温度一致，并在棚内温度与棚外温度差不大于15℃时移至存梁场，并采用梁体表面喷涂养护剂，采取保温养护措施。

降温阶段注意要点:

(1)顶表面系数大, 降温迅速, 易发生收缩裂纹；

(2)箱内热能不易散耗, 不宜过早开放, 致使降温迅速, 与环境温差大；

(3)外侧模表面系统较大, 钢模蓄热系数小,导热率高, 梁体结构截面尺寸变化大。若降温时不加控制, 易导致温度不均, 及腹板外侧混凝土表面承受较大剪应力；

(4)当蒸养恒温结束时, 若突然停气, 蒸养棚内湿度急剧变化, 易引起干裂。

5、蒸养系统的效果

5.1 进度效果

冬季施工采用蒸汽养护节约了台座周转时间，节约了工期。辛集梁场在12月初预制的箱梁分别采用了三种养护方式：自然养护、棚罩炭炉加温、蒸汽养护，三种养护方式下，当环境温度为10℃以下时，使用蒸汽养护时，3天即达到初张条件，而自然养护要6天，棚罩炭炉回温也要5天，蒸养时间较自然养护可以节约3天左右，而且不受天气的影响。

5.2 质量效果

冬季施工蒸汽养护保证混凝土的质量，当连续三天昼夜平均气温低于5℃或日最低温度小于-3℃时混凝土必须采取保温措施，蒸汽养护为箱梁的保温提供了很好的保障。同时在浇筑时温度过低，外加剂不敏感，混凝土工作性能不如正常温度，由于混凝土入模温度低，振捣困难表面气泡多影响箱梁外观质量，后采用蒸汽对水进行加热提高混凝土的入模温度，箱梁外观质量得到了很好的改观，用蒸汽对原材料和搅拌用水进行加热安全、方便可靠。

5.3 成本效果及不足之处

蒸汽养护也有不足之处：一是其先期投入大，辛集梁场整套蒸养设备包括管道和棚罩在内共投入六十万元；二是受场地限制，除像梁场这种比较固定集中的台座可用外，现浇箱梁和其它线下结构使用不经济；三是棚罩法加热时由于蒸汽送热不均匀，棚内温度均衡很难控制，使梁体混凝土受热不均匀；四是能耗高，产生的废弃物污染环境。但任何一种方案的实施有利必有弊，随着混凝土施工技术的发展以及铁路箱梁厂房化生产的需要，蒸汽养护将得到不断的完善应用。

6、结束语

辛集梁场蒸养设备及布置：在整个冬季施工过程中，温控的效果表明，辛集梁场蒸汽锅炉及蒸汽管道配套，能满足施工要求，开孔支管上开孔孔径和孔距比较准确，在正常升温及恒温过程中，整个棚罩两端温差符合要求。冬季施工时，混凝土的温度控制是关键，如浇筑时的入模温度、蒸养过程中的混凝土芯部温度、拆模时表面温度与环境温度等。辛集梁场在施工过程中，除采取蒸养加热等措施外，利用天气因素合理安排施工时间，使箱梁预制过程中的每一道工序的温度控制都在规范允许的范围内，为以后类似工程提供了一定的经验参考。

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[4]铁建设[2005]160号文.客运专线铁路桥涵工程施工质量验收暂行标准[S].

[5]全许办[2006]031号文.预应力混凝土铁路桥简支梁产品生产许可证实施细则[S].