地铁管片蒸汽养护工艺及其改进摘 要: 根据目前地铁管片蒸养工艺, 分析了蒸养对地铁管片混凝土强度的影响。并就目前地铁管片蒸养普遍存在能耗大、时间长的现象, 提出了改进的途径。关键词: 地铁管片; 蒸养; 结构破坏; 强度影响因素; 能耗; 水泥水化热0 前言 管片是一种混凝土预制衬砌( 通常由多片按一定方式拼成环状), 主要用于建造地铁或大型排污水管道等, 在隧道开挖过程中, 管片主要起到支撑和防水作用。 蒸养是利用外部热源加热混凝土, 加速水泥水化反应和内部结构形成的一种加速混凝土硬化的方法,目的是缩短模板周转期, 提高产量。地铁管片一般采用的养护方法为常压蒸养, 养护制度基本上分为预养(Y)、升温(S)、恒温(H)、降温(J) 四个阶段, 其过程如图 1 所示。
目前地铁管片在蒸养工艺方面存在的主要问题有: 养护期间罩内的空气在加热时热交换强度不够, 对于一些大型管片, 容易造成同一管片的不同部位加热不均匀现象; 蒸汽能量利用率较低, 能耗较高; 现在地铁管片蒸养常采用直线升温方式 ( 即按一定的升温速度升到最高温度), 这种方式的缺点是养护时间长。 本文通过养护的四个阶段, 分析蒸养对管片混凝土强度的影响因素, 提出对养护制度改进的一些建议。1 地铁管片养护工艺及各阶段对地铁管片的影响1.1 预养期 一般指地铁管片浇灌成型后到加热升温前这一段静停放置时间。预养阶段的作用在于提高水泥在热养护开始以前的水化程度, 使混凝土具有必要的初始结构强度, 以增强混凝土对升温期结构破坏的抵御力。混凝土制品预养时间越长, 混凝土的初始结构强度就越大, 混凝土蒸养后, 制品内部损伤就越小。但是预养期不能过长, 否则会影响生产周期, 这里就存在一个最佳预养期问题, 著名混凝土专家吴中伟教授指出, 最佳预养期为混凝土强度达到 0.39～0.49MPa 时所需的时间[1]。1.2 升温期 养护设备中介质的温度由初始温度升到恒温温度的时间称之为升温期。混凝土的结构破坏主要发生在升温阶段, 该阶段主要表现为粗孔体积增大, 气、液相数量增多。升温速度越快, 对混凝土的破坏作用就越大。地铁管片养护升温速度不宜超过 25 ℃/h, 最高温度不超过 55 ℃。1.3 恒温期 恒温期是混凝土强度主要增长期。混凝土在恒温时硬化速度取决于水泥品种、水灰比和恒温温度等。影响恒温时间的因素有水泥品种、水泥强度等级、预养时间、升温速度及恒温温度等[1]。水灰比越小, 混凝土硬化得越快, 所需恒温时间越短。恒温时间过长不一定好,可能出现强度波动现象。1.4 降温期 介质温度由恒温温度降到允许制品起吊温度这一段时间称为降温期。降温期地铁管片内部水分蒸发,同时产生收缩和拉应力。若降温速度过快, 地铁管片会产生过大的收缩应力, 这将导致地铁管片表面出现龟裂及酥松等结构损伤现象, 甚至造成质量事故。降温期的结构损伤与降温速度、混凝土强度、制品的表面模数(表面积与体积比值)以及配筋情况有关[1]。强度低、表面模数小、配筋少的制品宜慢速降温。最大降温速度可参考表 1。2 影响蒸养地铁管片强度的因素2.1 水泥矿物成分 水泥中 C3S 在水化初期水化速度较快, 含量在45%～60%之间有利于管片初期结构的形成, 并能缩短管片的预养时间。水泥中 C2S 在蒸养过程中强度增长迅速, 形成的结构孔隙也较低, 但其强度的绝对值不高, 所以含量不宜过高, 如果对管片耐久性要求较高,可选择高 C2S 含量的水泥。C3A 在水泥中含量一般为4%~5%, 过高会影响管片的后期强度。C4AF 含量宜控制在 10%～15%, 含量达 20%时将使强度显著降低。2.2 外加剂 蒸养混凝土与自然养护的混凝土对外加剂的要求有所不同。不宜在混凝土中加入引气剂, 否则会引起管片外表面的肿胀和酥松。选择蒸养混凝土外加剂的一般原则是: 具备促进水泥水化, 含气量低、减水率大的早强型外加剂。2.3 矿物掺料 矿渣和粉煤灰具有较好的蒸养适应性, 可以降低混凝土的水化热和绝对温度, 减少混凝土由于蒸养带来的裂纹数量[3]。地铁管片的混凝土强度一般为 C50,矿物掺料一般控制在 20%左右, 粉煤灰一般宜用低钙Ⅱ级灰。2.4 用水量 一定的用水量是确保水泥正常水化及混凝土混合料和易性的重要条件, 但水又将在湿热养护时给混凝土结构带来破坏。由于水分的热膨胀和热介质的迁移, 会使混凝土孔隙率增大。因此, 用水量对混凝土结构的形成、强度及其它性能有重大的影响。低水灰比不仅有助于强度的迅速增长, 还可使密实度提高, 形成优质混凝土。3 养护方法的改进 养护工艺的改进有多种方法, 可以采用合理预养,变速升温, 改善养护条件等措施。3.1 变速升温及分阶段升温养护法 直线升温是常压湿热养护常用的一种升温制度,这种制度的缺点就是蒸养时间过长, 是一种消极抑制升温速度的方法。笔者认为, 变速升温制度较为合理,可在较低的温度下, 使混凝土强度逐渐增长, 在它达到能承受湿热破坏作用后, 再快速升温到最高温度。这种方式在气温较低时, 效果会更明显。例如, 在手控供汽时, 可以 1～2h 升温 20～35℃, 保温 1～2h, 再快速升温至最高温度, 这种方法可使混凝土结构破坏大大减弱, 可减少预养时间, 从而减少蒸养时间。如图 2 所示。实线为变速升温线, 虚线为直线升温线。从图上可以看出变速升温 ( 实线所示) 预养时间为 2h, 然后 2h 升温到35℃, 恒温 1h, 再快速升温到 50℃, 再恒温 2h, 最后降温到 10℃。从图中看到, 变速升温比直线升温预养时间少了 1h, 总时间也减少了 1h。3.2 热介质定向循环养护法 热介质定向循环湿热养护是供热方法的改进, 由于加速了升温期热交换而使升温速度加快, 运用时一定要控制好升温速度[2]。 这种办法实质就是使蒸养罩内的混合气体产生定向强制循环流动, 来改变罩内蒸汽的静止状态和热交换强度, 达到养护均匀、缩短周期、节约能源的目的。 该工艺一个特点是利用蒸汽通过拉阀尔喷嘴增速以获得强制流动的推动力, 即喷嘴既是蒸汽喷出的通道, 又是实现混合气体定向循环流动的关键设施。如图 3 所示。上集气管宜位于养护罩上部的 2/3 处, 其上的喷嘴向下; 下集气管可在罩底以上 1/3 处, 喷嘴向上。拉阀尔管为一个渐缩渐扩型管, 可以根据锅炉每小时蒸发的水蒸气量和车间内蒸养罩数量等因素来确定数量。一般可以上下各设置一个拉阀尔喷嘴。拉阀尔喷嘴示意图如图 4 所示。3.3 地铁管片自然养护法 在温度较高的季节, 我们可以利用水泥的水化放热反应, 不需要蒸养, 进行自然养护。为了充分利用水泥水化热, 地铁管片在收水结束后必须将蒸养罩罩在地铁管片上, 密封越好, 热量损失越小, 养护时间就越短。例如, 我们假定以下养护参数: 气温为 5℃, 升温时间为 3h, 恒温时间为 2h, 降温时间为 2h, 升温速度为每小时 15℃, 最高恒温温度为 50℃, 降到最低温度为25℃, 可按下式近似计算此时地铁管片温度和时间的乘积 ε(度时积):ε= 0.5(t1+t2)×τ1+t2×τ2+0.5(t2+t3)×τ3 = 0.5(5+50)×3+50×2+0.5(50+25)×2 = 257.5℃h 式中, t1、t2、t3 分别为升温开始、恒温和降温结束时的温度; τ1、τ2、τ3 分别为升温、恒温和降温时间。 同样, 如果要达到度时积为 257.5℃h, 我们假设天气平均气温为 25℃, 令 t1= t2= t3=30℃( 水泥水化热可以使地铁管片平均温度高出平均气温, 假如高出5℃), 代入上式, 则可以求出 τ1+τ2+τ3≈8.6h, 这个例子说明, 在达到相同的混凝土强度条件下, 在冬季 5℃时开始用蒸汽养护需要 7h, 在 25℃平均气温下, 利用水泥自身水化热作用, 8.6h 左右可以达到同样的混凝土强度。4 结论 (1) 要充分认识到地铁管片养护制度的每个阶段对蒸养管片的影响。最佳预养期往往容易被大家忽视, 要对此阶段引起足够的重视。管片蒸养最主要影响阶段是升温和降温阶段, 这是减少管片表面龟裂纹和保证管片内在质量的重要阶段。 (2) 除了合理确定养护制度外, 还要注重混凝土中原材料成分、外加剂、外掺料及水灰比对蒸养混凝土强度及管片质量的影响, 原材料中每种成分要在合理的比例之内, 否则不利于混凝土强度的发展, 混凝土中掺加一定量矿渣粉或粉煤灰对蒸养管片的质量有好处,低水灰比的混凝土比较适宜管片的蒸养。 (3) 在管片养护方式方面, 改进方法有多种, 可以根据自己的实际需要采取分阶段升温方式, 改进蒸养设备或根据气温和生产任务的情况, 在气温较高的季节采取自然养护法等措施来达到减少蒸养时间, 降低能耗的目的。参考文献:[1] 庞强特主编. 混凝土制品工艺. 武汉工业大学出版社, 1988.[2] 林方辉, 曹建华译. 热介质定向循环养护室. 中国建筑工业出版社, 1982.[3] 覃维祖, 等译. 在 21 世纪建造耐久的混凝土结构. 清华大学土木工程建筑材料研究所, 2002.
目前地铁管片在蒸养工艺方面存在的主要问题有: 养护期间罩内的空气在加热时热交换强度不够, 对于一些大型管片, 容易造成同一管片的不同部位加热不均匀现象; 蒸汽能量利用率较低, 能耗较高; 现在地铁管片蒸养常采用直线升温方式 ( 即按一定的升温速度升到最高温度), 这种方式的缺点是养护时间长。 本文通过养护的四个阶段, 分析蒸养对管片混凝土强度的影响因素, 提出对养护制度改进的一些建议。1 地铁管片养护工艺及各阶段对地铁管片的影响1.1 预养期 一般指地铁管片浇灌成型后到加热升温前这一段静停放置时间。预养阶段的作用在于提高水泥在热养护开始以前的水化程度, 使混凝土具有必要的初始结构强度, 以增强混凝土对升温期结构破坏的抵御力。混凝土制品预养时间越长, 混凝土的初始结构强度就越大, 混凝土蒸养后, 制品内部损伤就越小。但是预养期不能过长, 否则会影响生产周期, 这里就存在一个最佳预养期问题, 著名混凝土专家吴中伟教授指出, 最佳预养期为混凝土强度达到 0.39～0.49MPa 时所需的时间[1]。1.2 升温期 养护设备中介质的温度由初始温度升到恒温温度的时间称之为升温期。混凝土的结构破坏主要发生在升温阶段, 该阶段主要表现为粗孔体积增大, 气、液相数量增多。升温速度越快, 对混凝土的破坏作用就越大。地铁管片养护升温速度不宜超过 25 ℃/h, 最高温度不超过 55 ℃。1.3 恒温期 恒温期是混凝土强度主要增长期。混凝土在恒温时硬化速度取决于水泥品种、水灰比和恒温温度等。影响恒温时间的因素有水泥品种、水泥强度等级、预养时间、升温速度及恒温温度等[1]。水灰比越小, 混凝土硬化得越快, 所需恒温时间越短。恒温时间过长不一定好,可能出现强度波动现象。1.4 降温期 介质温度由恒温温度降到允许制品起吊温度这一段时间称为降温期。降温期地铁管片内部水分蒸发,同时产生收缩和拉应力。若降温速度过快, 地铁管片会产生过大的收缩应力, 这将导致地铁管片表面出现龟裂及酥松等结构损伤现象, 甚至造成质量事故。降温期的结构损伤与降温速度、混凝土强度、制品的表面模数(表面积与体积比值)以及配筋情况有关[1]。强度低、表面模数小、配筋少的制品宜慢速降温。最大降温速度可参考表 1。2 影响蒸养地铁管片强度的因素2.1 水泥矿物成分 水泥中 C3S 在水化初期水化速度较快, 含量在45%～60%之间有利于管片初期结构的形成, 并能缩短管片的预养时间。水泥中 C2S 在蒸养过程中强度增长迅速, 形成的结构孔隙也较低, 但其强度的绝对值不高, 所以含量不宜过高, 如果对管片耐久性要求较高,可选择高 C2S 含量的水泥。C3A 在水泥中含量一般为4%~5%, 过高会影响管片的后期强度。C4AF 含量宜控制在 10%～15%, 含量达 20%时将使强度显著降低。2.2 外加剂 蒸养混凝土与自然养护的混凝土对外加剂的要求有所不同。不宜在混凝土中加入引气剂, 否则会引起管片外表面的肿胀和酥松。选择蒸养混凝土外加剂的一般原则是: 具备促进水泥水化, 含气量低、减水率大的早强型外加剂。2.3 矿物掺料 矿渣和粉煤灰具有较好的蒸养适应性, 可以降低混凝土的水化热和绝对温度, 减少混凝土由于蒸养带来的裂纹数量[3]。地铁管片的混凝土强度一般为 C50,矿物掺料一般控制在 20%左右, 粉煤灰一般宜用低钙Ⅱ级灰。2.4 用水量 一定的用水量是确保水泥正常水化及混凝土混合料和易性的重要条件, 但水又将在湿热养护时给混凝土结构带来破坏。由于水分的热膨胀和热介质的迁移, 会使混凝土孔隙率增大。因此, 用水量对混凝土结构的形成、强度及其它性能有重大的影响。低水灰比不仅有助于强度的迅速增长, 还可使密实度提高, 形成优质混凝土。3 养护方法的改进 养护工艺的改进有多种方法, 可以采用合理预养,变速升温, 改善养护条件等措施。3.1 变速升温及分阶段升温养护法 直线升温是常压湿热养护常用的一种升温制度,这种制度的缺点就是蒸养时间过长, 是一种消极抑制升温速度的方法。笔者认为, 变速升温制度较为合理,可在较低的温度下, 使混凝土强度逐渐增长, 在它达到能承受湿热破坏作用后, 再快速升温到最高温度。这种方式在气温较低时, 效果会更明显。例如, 在手控供汽时, 可以 1～2h 升温 20～35℃, 保温 1～2h, 再快速升温至最高温度, 这种方法可使混凝土结构破坏大大减弱, 可减少预养时间, 从而减少蒸养时间。如图 2 所示。实线为变速升温线, 虚线为直线升温线。从图上可以看出变速升温 ( 实线所示) 预养时间为 2h, 然后 2h 升温到35℃, 恒温 1h, 再快速升温到 50℃, 再恒温 2h, 最后降温到 10℃。从图中看到, 变速升温比直线升温预养时间少了 1h, 总时间也减少了 1h。3.2 热介质定向循环养护法 热介质定向循环湿热养护是供热方法的改进, 由于加速了升温期热交换而使升温速度加快, 运用时一定要控制好升温速度[2]。 这种办法实质就是使蒸养罩内的混合气体产生定向强制循环流动, 来改变罩内蒸汽的静止状态和热交换强度, 达到养护均匀、缩短周期、节约能源的目的。 该工艺一个特点是利用蒸汽通过拉阀尔喷嘴增速以获得强制流动的推动力, 即喷嘴既是蒸汽喷出的通道, 又是实现混合气体定向循环流动的关键设施。如图 3 所示。上集气管宜位于养护罩上部的 2/3 处, 其上的喷嘴向下; 下集气管可在罩底以上 1/3 处, 喷嘴向上。拉阀尔管为一个渐缩渐扩型管, 可以根据锅炉每小时蒸发的水蒸气量和车间内蒸养罩数量等因素来确定数量。一般可以上下各设置一个拉阀尔喷嘴。拉阀尔喷嘴示意图如图 4 所示。3.3 地铁管片自然养护法 在温度较高的季节, 我们可以利用水泥的水化放热反应, 不需要蒸养, 进行自然养护。为了充分利用水泥水化热, 地铁管片在收水结束后必须将蒸养罩罩在地铁管片上, 密封越好, 热量损失越小, 养护时间就越短。例如, 我们假定以下养护参数: 气温为 5℃, 升温时间为 3h, 恒温时间为 2h, 降温时间为 2h, 升温速度为每小时 15℃, 最高恒温温度为 50℃, 降到最低温度为25℃, 可按下式近似计算此时地铁管片温度和时间的乘积 ε(度时积):ε= 0.5(t1+t2)×τ1+t2×τ2+0.5(t2+t3)×τ3 = 0.5(5+50)×3+50×2+0.5(50+25)×2 = 257.5℃h 式中, t1、t2、t3 分别为升温开始、恒温和降温结束时的温度; τ1、τ2、τ3 分别为升温、恒温和降温时间。 同样, 如果要达到度时积为 257.5℃h, 我们假设天气平均气温为 25℃, 令 t1= t2= t3=30℃( 水泥水化热可以使地铁管片平均温度高出平均气温, 假如高出5℃), 代入上式, 则可以求出 τ1+τ2+τ3≈8.6h, 这个例子说明, 在达到相同的混凝土强度条件下, 在冬季 5℃时开始用蒸汽养护需要 7h, 在 25℃平均气温下, 利用水泥自身水化热作用, 8.6h 左右可以达到同样的混凝土强度。4 结论 (1) 要充分认识到地铁管片养护制度的每个阶段对蒸养管片的影响。最佳预养期往往容易被大家忽视, 要对此阶段引起足够的重视。管片蒸养最主要影响阶段是升温和降温阶段, 这是减少管片表面龟裂纹和保证管片内在质量的重要阶段。 (2) 除了合理确定养护制度外, 还要注重混凝土中原材料成分、外加剂、外掺料及水灰比对蒸养混凝土强度及管片质量的影响, 原材料中每种成分要在合理的比例之内, 否则不利于混凝土强度的发展, 混凝土中掺加一定量矿渣粉或粉煤灰对蒸养管片的质量有好处,低水灰比的混凝土比较适宜管片的蒸养。 (3) 在管片养护方式方面, 改进方法有多种, 可以根据自己的实际需要采取分阶段升温方式, 改进蒸养设备或根据气温和生产任务的情况, 在气温较高的季节采取自然养护法等措施来达到减少蒸养时间, 降低能耗的目的。参考文献:[1] 庞强特主编. 混凝土制品工艺. 武汉工业大学出版社, 1988.[2] 林方辉, 曹建华译. 热介质定向循环养护室. 中国建筑工业出版社, 1982.[3] 覃维祖, 等译. 在 21 世纪建造耐久的混凝土结构. 清华大学土木工程建筑材料研究所, 2002.
