铁路客专梁场组合箱梁蒸汽养护

摘　要：本文主要介绍红安预制红安梁场箱梁冬季预制施工时蒸汽养护技术，包括设备选型、管道布置及养护温度的控制等。

关键词：箱梁；混凝土 ；蒸汽养护
1.工程概况
1.1红安梁场生产概况
　　合武铁路红安红安梁场主要生产任务为沿线11座(特)大桥144孔(288榀)双线组合箱梁的预制和架设，其中心桩号为DK296+600，供梁范围DK287+872～ DK309+096，最大运距为13Km。工程于 2005年11月26日开工， 2007年6月30日竣工，总工期为19个月。
1.2气候情况
　　红安红安梁场地处湖北红安，全年平均气温为14.6℃～16.4℃，七月最热平均气温27.2℃～28.7℃，极端最高气温43.3℃；一月最冷平均气温1.4℃～3.3℃，极端最低气温-12.9℃，风力最大8～9级，风速为21 m/s～25m/s，冬季气温较低。
1.3施工难度及蒸汽养护的必要性
　　1)工期紧张：红安梁场扣除大临设施的施工建设、施工许可证的取得及其它标段的影响，实际有效预制260榀梁的施工时间只有8个月(许可证申报前已生产28榀)，要求平均每月月制梁33榀。
　　2)主要施工时间为冬季：红安红安梁场于2006年10月26日通过生产许可证实地核查，11月进入正式生产，箱梁预制的主要时间集中在气温最低的11月至次年过3月。
　　3)技术要求高：客运专线箱梁预应力张拉分为初张拉和终张拉两个阶段，初张拉在制梁台位上进行，初张拉后箱梁才能吊离台位。为满足施工进度要求，初张拉混凝土龄期不能超过3天，而混凝土初张的强度要求为设计标号的87%(43.5MPa)以上，冬季施工时采用自然养护很难达到这个要求。同时混凝土浇筑时的入模温度要控制在5℃以上，必须采取措施对原材料进行加热。
　　基于以上原因，为了缩短生产周期，同时在技术上达到要求，红安红安梁场箱梁预制采取蒸汽养护。
1.4蒸汽养护投入大
　　为满足生产要求，红安梁场设有蒸汽锅炉一台及配套的蒸汽管道、蒸养棚罩两套，工装投入近60万元，而生产过程中燃煤消耗极大。
2.蒸汽养护工艺流程

　　图1    蒸汽养护工艺流程图
3.蒸汽养护施工方法
3.1蒸养棚罩选择
　　箱梁蒸养采用帆布棚罩内通蒸汽的方法，棚罩搁置在外模板走道栏杆上，用门机配合进行整体安、拆。蒸养棚罩高5.2m长35m宽9m整个棚罩体积为1638m3，为周转使用，共制两套。
3.2蒸养管道布置
　　红安红安梁场受场地限制，蒸汽锅炉布置在试验室后，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140m。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三根，分别布置在台座的两边及中间，支管的出汽孔要经常清理均匀出汽以保证棚内均匀受热。
3.3蒸汽养护设备选型
　　1)棚罩需热计算：蒸汽锅炉选型的主要依据是现场蒸汽的用量，红安梁场按每月生产36榀计，高峰时段锅炉同时要蒸养两榀梁，所用的棚罩如上述介绍。其体积为V=1638 m3，表面积为(5.2×2＋9)×35＋5.2×9×2=772.6m2，表面系数为Mb=772.6÷1638=0.47，采用帆布其传热系数按K=2.5计，棚内温度按Tb=40℃，棚外温度按Ta=-3℃的最低温度计，最大风速大于5m/s，散热系数按β=1.5计，每小时棚罩的耗热量为：
　　Q1=MbKV(Tb-Ta)β=0.47×2.5×(40+3)×1.5×1638×2=248280W
　　2)加热浇筑用水：现场混凝土浇筑用水由蒸汽加热，现场用自来水冬季温度一般为8℃左右，按加热至35℃计，现场搅拌站水箱为25m3，每次浇筑前提前两小时加热,浇筑过程中,每小时用水量为4m3，则用汽量按每小时加热4m3计, 需热量为：
　　Q2=C.m(t2－t1)Ka/3.6Kt=4.18×4000×(35－8)×1.4÷0.7÷3.6=250800 W
　　3)总热量为：Q= Q1＋Q2=248280＋250800=499080 W
　　4)蒸汽用量：W=Q/IH=499080×3.6÷0.4×2644=1700Kg/h
　　5)锅炉及管道选型：红安梁场采用的锅炉型号为DZL2－125－AⅡ型，其额定蒸汽量为2000Kg/h＞1700Kg/h，额定压力1.25Mpa，蒸汽温度194℃，满足施工要求。
　　蒸汽管道主管选用φ75mm，分管用φ55mm，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。
3.4温度控制仪的布置
　　温度控制仪选用XMD-PRN多路巡检台式打印仪，每台仪器最多可接16个热电偶，能随时显示每个热电偶检测的温度并按预定的程序每隔一定的时间打印。红安红安梁场每片梁布置6个热电偶，分别测量箱梁两端混凝土内部、表面及棚内温度，测芯部温度的控制仪放置在预应力孔道内，测表面温度的放置在混凝土表面并用土工布覆盖以使其测量温度尽可能准确，测棚温的放于外模架上，每种类型设两根，分别放于箱梁两端。
3.5蒸养施工步骤及温度控制
　　蒸汽养护分静停、升温、恒温、降温四个阶段进行。
　　静停期间保持棚温不低于5℃且静停时间不小于4个小时。梁体混凝土浇注完成后立即盖上蒸养棚罩，箱梁顶面二次收面在棚罩内进行。二次收面完成后在混凝土表面铺一层土工布即可打开蒸汽保温，但棚温不能过高，保持在10℃左右较为理想，因为抽拔管拔出时要打开两端的棚罩，开始时温度过高掀开两端棚布时会造成端部棚温突然降低，同时刚开汽时由于开孔支管里面有存水，在水排干之前，只有离阀门较近的一端气孔出汽，棚内受热不均匀，温以度越高不均匀越明显，在这样的棚温下抽拔管在14小时后即可拔出。
　　混凝土初凝抽拔管全部拔出后，封好棚罩开始升温养护，升温速度控制在10℃/小时以内，升温前对箱梁顶面及箱梁内腔底以及台座地面洒水保持潮湿状态。在升温过程中，现场技术员要对温控仪的温度显示进行仔细观测，控制棚温及混凝土温度的上升情况及棚温是否均匀，以及时对蒸汽压力进行调节、检查开孔支管出汽情况。根据现场多次试验表明，按红安梁场目前的配置及环境温度，在管道蒸汽压力为0.5MPa的情况下，棚温上升速度为8℃每小时左右，当温度达到36℃左右时，棚温开始波动，上升不明显。
　　按规范要求，恒温时棚内蒸汽温度不超过45℃，梁体芯部混凝土温度不超过60℃，根据经验，对箱梁的蒸养温度记录进行对照，混凝土芯部温度上升很慢(一般最高能达到45℃左右)，待达到最高温度时

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时间在约要10小时以上，恒温8小时混凝土强度即能达到设计强度的60%。
　　当混凝土强度达到要求时即停汽降温，降温过程很长，即使蒸汽全停棚温每小时只能降大约5～8℃，而混凝土芯部由于水化还在进行及模板包裹的影响，温度停汽初期基本不变，当棚温降至20℃左右时，混凝土芯部温度才缓慢下降。为了使混凝土在降温时芯部与表面、表面与环境温差不大于15℃，经过对比试验，确定棚温在36℃左右，混凝土芯部温度在45℃左右为最佳，整个蒸养过程为大约22小时(不包括静停时间)，混凝土强度和温度都可达到拆模要求，待拆完模后强度符合初张拉要求。
　　下面是第60#梁整个蒸养过程温度与时间的关系曲线(蒸养记录时间为混凝土浇筑后的第二天上午10：00至第三天上午8：00)。

　　红安红安梁场自第55#箱梁开始便进行蒸汽养护，对于棚温、蒸汽压力及蒸养时间的控制进行了大量的试验，到第60#梁控制比较理想，在达到强度要求的情况下，所需的时间最短而且对温度的控制操作可行。
　　在有了比较成功的数据经验后，在冬季施工期间，红安梁场每道工序生产安排时间基本固定：箱梁浇筑在每天的10：00开盘，浇筑6小时，下午16：00左右结束，整个浇筑过程处于一天中温度最高时段。浇筑结束后，盖上蒸养棚罩，4小时内第二次表面收光、附着式振动器拆除、临时预埋件的拔出等工作全部出完成，打开蒸汽，注意观测棚温不能太高。第二天早上8：00开始拔抽拔管，这时混凝土的状态最利于拔抽拔管(混凝土有一定的强度不会塌孔，但抽拔管能带浆拔出)，这时棚罩端部是打开的，外界温度一般也有5℃以上，打开棚罩不会对棚温有太大的影响，两小时拔完管后即进行升温蒸养。蒸养时间一般为22小时，到第三天的早上8：00左右，停汽降温，4小时后棚温降至15℃左右，拆除棚罩，此时外界温度一般也在10℃以上，箱梁内模的拆除在一天中温度最高时拆除。
　　红安梁场到2月份后，生产进入高速期，每5天制梁6榀，一天制梁两榀时，台座安排在相邻两个间进行，可以连续浇筑，同时提早对搅拌用水进行加热，混凝土开盘时间在早上7：00前，结束时间在下午17：00前，浇筑过程处于一天中温度最高的时段。形成一个良性的循环后，整个施工过程中温度控制都能保证合符规范要求。
4.蒸养时间控制的依据
　　蒸汽养护的主要目的是提高混凝土的早期强度，因此蒸养时间的控制主要是以混凝土的强度上升为依据，同时温度满足规范要求。
　　冬季施工混凝土的入模温度比较低，红安红安梁场一般为15℃左右，初凝时间较长。目前红安梁场冬季浇筑的箱梁一般14小时后才能拔抽拔管，送汽升温再加上恒温过程一般要36小时左右。在整个蒸汽养护的施工过程中，现场技术人员做了大量的试验，积累了一大批的数据，各梁的不同数据表明，在棚温相近的情况下，混凝土的强度上升和时间的关系也是相近的。
　　由于梁体在停汽后至初张拉过程中，其强度还有很大上升，蒸养强度达到设计强度的60%以上即可停汽，梁体强度在初张拉时一般可达到90%以上。
5.施工体会
　　冬季施工采用蒸汽养护节约了台座周转时间，节约了工期。红安梁场在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。红安梁场设有6个制梁台座，从混凝土浇筑到箱梁吊离台位的时间控制在3天，加上其它工序所需的时间，每个台座的周转时间为5天左右，能达到每月预制36榀(每5天6榀)梁的工期要求。
　　冬季施工蒸汽养护保证混凝土的质量，在温度低于-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，红安梁场所预制的95#～106#梁，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。
　　但气温较高的夏季施工不宜采用蒸养，红安红安梁场试验梁的浇筑日期为5月18日，气温较高，为了积累蒸养的第一手资料为后期的施工作准备，进行蒸养试验。由于混凝土入仓温度较高(将近30℃)、水化快，静停期间棚温高达35℃以上，开通蒸汽后棚温很快上升至42～45℃，混凝土芯部温度上升至最高62℃超出规范要求，混凝土强度达到设计强度的80%后开始停汽，但棚温以每小时1℃左右的速度缓慢下降，且混凝土芯部温度基本保持稳定，后在棚内地面及棚布表面洒水才有比较明显的效果，整个降温过程长达成14小时，但箱梁内腔温度仍达到40℃左右无法进行内模拆除，红安梁场自2#梁开始实行自然养护，周期并不比蒸养长。
　　蒸汽养护也有不足之处：一是其先期投入大，红安红安梁场整套蒸养设备包括管道和棚罩在内共投入几十万元；二是受场地限制，除象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。
　　红安梁场蒸养设备及布置：在整个冬季施工过程中，温控的结果表明，红安梁场蒸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。红安红安梁场在施工过程中，除采取蒸养加热等措施外，合理利用天气因素、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，也是本项目冬季施工成功的主要原因之一。

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