地鐵管片蒸汽養護工藝及其改進摘 要: 根據目前地鐵管片蒸養工藝, 分析了蒸養對地鐵管片混凝土強度的影響。并就目前地鐵管片蒸養普遍存在能耗大、時間長的現象, 提出了改進的途徑。關鍵詞: 地鐵管片; 蒸養; 結構破壞; 強度影響因素; 能耗; 水泥水化熱0 前言 管片是一種混凝土預制襯砌( 通常由多片按一定方式拼成環狀), 主要用于建造地鐵或大型排污水管道等, 在隧道開挖過程中, 管片主要起到支撐和防水作用。 蒸養是利用外部熱源加熱混凝土, 加速水泥水化反應和內部結構形成的一種加速混凝土硬化的方法,目的是縮短模板周轉期, 提高產量。地鐵管片一般采用的養護方法為常壓蒸養, 養護制度基本上分為預養(Y)、升溫(S)、恒溫(H)、降溫(J) 四個階段, 其過程如圖 1 所示。
目前地鐵管片在蒸養工藝方面存在的主要問題有: 養護期間罩內的空氣在加熱時熱交換強度不夠, 對于一些大型管片, 容易造成同一管片的不同部位加熱不均勻現象; 蒸汽能量利用率較低, 能耗較高; 現在地鐵管片蒸養常采用直線升溫方式 ( 即按一定的升溫速度升到最高溫度), 這種方式的缺點是養護時間長。 本文通過養護的四個階段, 分析蒸養對管片混凝土強度的影響因素, 提出對養護制度改進的一些建議。1 地鐵管片養護工藝及各階段對地鐵管片的影響1.1 預養期 一般指地鐵管片澆灌成型后到加熱升溫前這一段靜停放置時間。預養階段的作用在于提高水泥在熱養護開始以前的水化程度, 使混凝土具有必要的初始結構強度, 以增強混凝土對升溫期結構破壞的抵御力。混凝土制品預養時間越長, 混凝土的初始結構強度就越大, 混凝土蒸養后, 制品內部損傷就越小。但是預養期不能過長, 否則會影響生產周期, 這里就存在一個最佳預養期問題, 著名混凝土專家吳中偉教授指出, 最佳預養期為混凝土強度達到 0.39～0.49MPa 時所需的時間[1]。1.2 升溫期 養護設備中介質的溫度由初始溫度升到恒溫溫度的時間稱之為升溫期。混凝土的結構破壞主要發生在升溫階段, 該階段主要表現為粗孔體積增大, 氣、液相數量增多。升溫速度越快, 對混凝土的破壞作用就越大。地鐵管片養護升溫速度不宜超過 25 ℃/h, 最高溫度不超過 55 ℃。1.3 恒溫期 恒溫期是混凝土強度主要增長期。混凝土在恒溫時硬化速度取決于水泥品種、水灰比和恒溫溫度等。影響恒溫時間的因素有水泥品種、水泥強度等級、預養時間、升溫速度及恒溫溫度等[1]。水灰比越小, 混凝土硬化得越快, 所需恒溫時間越短。恒溫時間過長不一定好,可能出現強度波動現象。1.4 降溫期 介質溫度由恒溫溫度降到允許制品起吊溫度這一段時間稱為降溫期。降溫期地鐵管片內部水分蒸發,同時產生收縮和拉應力。若降溫速度過快, 地鐵管片會產生過大的收縮應力, 這將導致地鐵管片表面出現龜裂及酥松等結構損傷現象, 甚至造成質量事故。降溫期的結構損傷與降溫速度、混凝土強度、制品的表面模數(表面積與體積比值)以及配筋情況有關[1]。強度低、表面模數小、配筋少的制品宜慢速降溫。最大降溫速度可參考表 1。2 影響蒸養地鐵管片強度的因素2.1 水泥礦物成分 水泥中 C3S 在水化初期水化速度較快, 含量在45%～60%之間有利于管片初期結構的形成, 并能縮短管片的預養時間。水泥中 C2S 在蒸養過程中強度增長迅速, 形成的結構孔隙也較低, 但其強度的絕對值不高, 所以含量不宜過高, 如果對管片耐久性要求較高,可選擇高 C2S 含量的水泥。C3A 在水泥中含量一般為4%~5%, 過高會影響管片的后期強度。C4AF 含量宜控制在 10%～15%, 含量達 20%時將使強度顯著降低。2.2 外加劑 蒸養混凝土與自然養護的混凝土對外加劑的要求有所不同。不宜在混凝土中加入引氣劑, 否則會引起管片外表面的腫脹和酥松。選擇蒸養混凝土外加劑的一般原則是: 具備促進水泥水化, 含氣量低、減水率大的早強型外加劑。2.3 礦物摻料 礦渣和粉煤灰具有較好的蒸養適應性, 可以降低混凝土的水化熱和絕對溫度, 減少混凝土由于蒸養帶來的裂紋數量[3]。地鐵管片的混凝土強度一般為 C50,礦物摻料一般控制在 20%左右, 粉煤灰一般宜用低鈣Ⅱ級灰。2.4 用水量 一定的用水量是確保水泥正常水化及混凝土混合料和易性的重要條件, 但水又將在濕熱養護時給混凝土結構帶來破壞。由于水分的熱膨脹和熱介質的遷移, 會使混凝土孔隙率增大。因此, 用水量對混凝土結構的形成、強度及其它性能有重大的影響。低水灰比不僅有助于強度的迅速增長, 還可使密實度提高, 形成優質混凝土。3 養護方法的改進 養護工藝的改進有多種方法, 可以采用合理預養,變速升溫, 改善養護條件等措施。3.1 變速升溫及分階段升溫養護法 直線升溫是常壓濕熱養護常用的一種升溫制度,這種制度的缺點就是蒸養時間過長, 是一種消極抑制升溫速度的方法。筆者認為, 變速升溫制度較為合理,可在較低的溫度下, 使混凝土強度逐漸增長, 在它達到能承受濕熱破壞作用后, 再快速升溫到最高溫度。這種方式在氣溫較低時, 效果會更明顯。例如, 在手控供汽時, 可以 1～2h 升溫 20～35℃, 保溫 1～2h, 再快速升溫至最高溫度, 這種方法可使混凝土結構破壞大大減弱, 可減少預養時間, 從而減少蒸養時間。如圖 2 所示。實線為變速升溫線, 虛線為直線升溫線。從圖上可以看出變速升溫 ( 實線所示) 預養時間為 2h, 然后 2h 升溫到35℃, 恒溫 1h, 再快速升溫到 50℃, 再恒溫 2h, 最后降溫到 10℃。從圖中看到, 變速升溫比直線升溫預養時間少了 1h, 總時間也減少了 1h。3.2 熱介質定向循環養護法 熱介質定向循環濕熱養護是供熱方法的改進, 由于加速了升溫期熱交換而使升溫速度加快, 運用時一定要控制好升溫速度[2]。 這種辦法實質就是使蒸養罩內的混合氣體產生定向強制循環流動, 來改變罩內蒸汽的靜止狀態和熱交換強度, 達到養護均勻、縮短周期、節約能源的目的。 該工藝一個特點是利用蒸汽通過拉閥爾噴嘴增速以獲得強制流動的推動力, 即噴嘴既是蒸汽噴出的通道, 又是實現混合氣體定向循環流動的關鍵設施。如圖 3 所示。上集氣管宜位于養護罩上部的 2/3 處, 其上的噴嘴向下; 下集氣管可在罩底以上 1/3 處, 噴嘴向上。拉閥爾管為一個漸縮漸擴型管, 可以根據鍋爐每小時蒸發的水蒸氣量和車間內蒸養罩數量等因素來確定數量。一般可以上下各設置一個拉閥爾噴嘴。拉閥爾噴嘴示意圖如圖 4 所示。3.3 地鐵管片自然養護法 在溫度較高的季節, 我們可以利用水泥的水化放熱反應, 不需要蒸養, 進行自然養護。為了充分利用水泥水化熱, 地鐵管片在收水結束后必須將蒸養罩罩在地鐵管片上, 密封越好, 熱量損失越小, 養護時間就越短。例如, 我們假定以下養護參數: 氣溫為 5℃, 升溫時間為 3h, 恒溫時間為 2h, 降溫時間為 2h, 升溫速度為每小時 15℃, 最高恒溫溫度為 50℃, 降到最低溫度為25℃, 可按下式近似計算此時地鐵管片溫度和時間的乘積 ε(度時積):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 分別為升溫開始、恒溫和降溫結束時的溫度; τ1、τ2、τ3 分別為升溫、恒溫和降溫時間。 同樣, 如果要達到度時積為 257.5℃h, 我們假設天氣平均氣溫為 25℃, 令 t1= t2= t3=30℃( 水泥水化熱可以使地鐵管片平均溫度高出平均氣溫, 假如高出5℃), 代入上式, 則可以求出 τ1+τ2+τ3≈8.6h, 這個例子說明, 在達到相同的混凝土強度條件下, 在冬季 5℃時開始用蒸汽養護需要 7h, 在 25℃平均氣溫下, 利用水泥自身水化熱作用, 8.6h 左右可以達到同樣的混凝土強度。4 結論 (1) 要充分認識到地鐵管片養護制度的每個階段對蒸養管片的影響。最佳預養期往往容易被大家忽視, 要對此階段引起足夠的重視。管片蒸養最主要影響階段是升溫和降溫階段, 這是減少管片表面龜裂紋和保證管片內在質量的重要階段。 (2) 除了合理確定養護制度外, 還要注重混凝土中原材料成分、外加劑、外摻料及水灰比對蒸養混凝土強度及管片質量的影響, 原材料中每種成分要在合理的比例之內, 否則不利于混凝土強度的發展, 混凝土中摻加一定量礦渣粉或粉煤灰對蒸養管片的質量有好處,低水灰比的混凝土比較適宜管片的蒸養。 (3) 在管片養護方式方面, 改進方法有多種, 可以根據自己的實際需要采取分階段升溫方式, 改進蒸養設備或根據氣溫和生產任務的情況, 在氣溫較高的季節采取自然養護法等措施來達到減少蒸養時間, 降低能耗的目的。參考文獻:[1] 龐強特主編. 混凝土制品工藝. 武漢工業大學出版社, 1988.[2] 林方輝, 曹建華譯. 熱介質定向循環養護室. 中國建筑工業出版社, 1982.[3] 覃維祖, 等譯. 在 21 世紀建造耐久的混凝土結構. 清華大學土木工程建筑材料研究所, 2002.
目前地鐵管片在蒸養工藝方面存在的主要問題有: 養護期間罩內的空氣在加熱時熱交換強度不夠, 對于一些大型管片, 容易造成同一管片的不同部位加熱不均勻現象; 蒸汽能量利用率較低, 能耗較高; 現在地鐵管片蒸養常采用直線升溫方式 ( 即按一定的升溫速度升到最高溫度), 這種方式的缺點是養護時間長。 本文通過養護的四個階段, 分析蒸養對管片混凝土強度的影響因素, 提出對養護制度改進的一些建議。1 地鐵管片養護工藝及各階段對地鐵管片的影響1.1 預養期 一般指地鐵管片澆灌成型后到加熱升溫前這一段靜停放置時間。預養階段的作用在于提高水泥在熱養護開始以前的水化程度, 使混凝土具有必要的初始結構強度, 以增強混凝土對升溫期結構破壞的抵御力。混凝土制品預養時間越長, 混凝土的初始結構強度就越大, 混凝土蒸養后, 制品內部損傷就越小。但是預養期不能過長, 否則會影響生產周期, 這里就存在一個最佳預養期問題, 著名混凝土專家吳中偉教授指出, 最佳預養期為混凝土強度達到 0.39～0.49MPa 時所需的時間[1]。1.2 升溫期 養護設備中介質的溫度由初始溫度升到恒溫溫度的時間稱之為升溫期。混凝土的結構破壞主要發生在升溫階段, 該階段主要表現為粗孔體積增大, 氣、液相數量增多。升溫速度越快, 對混凝土的破壞作用就越大。地鐵管片養護升溫速度不宜超過 25 ℃/h, 最高溫度不超過 55 ℃。1.3 恒溫期 恒溫期是混凝土強度主要增長期。混凝土在恒溫時硬化速度取決于水泥品種、水灰比和恒溫溫度等。影響恒溫時間的因素有水泥品種、水泥強度等級、預養時間、升溫速度及恒溫溫度等[1]。水灰比越小, 混凝土硬化得越快, 所需恒溫時間越短。恒溫時間過長不一定好,可能出現強度波動現象。1.4 降溫期 介質溫度由恒溫溫度降到允許制品起吊溫度這一段時間稱為降溫期。降溫期地鐵管片內部水分蒸發,同時產生收縮和拉應力。若降溫速度過快, 地鐵管片會產生過大的收縮應力, 這將導致地鐵管片表面出現龜裂及酥松等結構損傷現象, 甚至造成質量事故。降溫期的結構損傷與降溫速度、混凝土強度、制品的表面模數(表面積與體積比值)以及配筋情況有關[1]。強度低、表面模數小、配筋少的制品宜慢速降溫。最大降溫速度可參考表 1。2 影響蒸養地鐵管片強度的因素2.1 水泥礦物成分 水泥中 C3S 在水化初期水化速度較快, 含量在45%～60%之間有利于管片初期結構的形成, 并能縮短管片的預養時間。水泥中 C2S 在蒸養過程中強度增長迅速, 形成的結構孔隙也較低, 但其強度的絕對值不高, 所以含量不宜過高, 如果對管片耐久性要求較高,可選擇高 C2S 含量的水泥。C3A 在水泥中含量一般為4%~5%, 過高會影響管片的后期強度。C4AF 含量宜控制在 10%～15%, 含量達 20%時將使強度顯著降低。2.2 外加劑 蒸養混凝土與自然養護的混凝土對外加劑的要求有所不同。不宜在混凝土中加入引氣劑, 否則會引起管片外表面的腫脹和酥松。選擇蒸養混凝土外加劑的一般原則是: 具備促進水泥水化, 含氣量低、減水率大的早強型外加劑。2.3 礦物摻料 礦渣和粉煤灰具有較好的蒸養適應性, 可以降低混凝土的水化熱和絕對溫度, 減少混凝土由于蒸養帶來的裂紋數量[3]。地鐵管片的混凝土強度一般為 C50,礦物摻料一般控制在 20%左右, 粉煤灰一般宜用低鈣Ⅱ級灰。2.4 用水量 一定的用水量是確保水泥正常水化及混凝土混合料和易性的重要條件, 但水又將在濕熱養護時給混凝土結構帶來破壞。由于水分的熱膨脹和熱介質的遷移, 會使混凝土孔隙率增大。因此, 用水量對混凝土結構的形成、強度及其它性能有重大的影響。低水灰比不僅有助于強度的迅速增長, 還可使密實度提高, 形成優質混凝土。3 養護方法的改進 養護工藝的改進有多種方法, 可以采用合理預養,變速升溫, 改善養護條件等措施。3.1 變速升溫及分階段升溫養護法 直線升溫是常壓濕熱養護常用的一種升溫制度,這種制度的缺點就是蒸養時間過長, 是一種消極抑制升溫速度的方法。筆者認為, 變速升溫制度較為合理,可在較低的溫度下, 使混凝土強度逐漸增長, 在它達到能承受濕熱破壞作用后, 再快速升溫到最高溫度。這種方式在氣溫較低時, 效果會更明顯。例如, 在手控供汽時, 可以 1～2h 升溫 20～35℃, 保溫 1～2h, 再快速升溫至最高溫度, 這種方法可使混凝土結構破壞大大減弱, 可減少預養時間, 從而減少蒸養時間。如圖 2 所示。實線為變速升溫線, 虛線為直線升溫線。從圖上可以看出變速升溫 ( 實線所示) 預養時間為 2h, 然后 2h 升溫到35℃, 恒溫 1h, 再快速升溫到 50℃, 再恒溫 2h, 最后降溫到 10℃。從圖中看到, 變速升溫比直線升溫預養時間少了 1h, 總時間也減少了 1h。3.2 熱介質定向循環養護法 熱介質定向循環濕熱養護是供熱方法的改進, 由于加速了升溫期熱交換而使升溫速度加快, 運用時一定要控制好升溫速度[2]。 這種辦法實質就是使蒸養罩內的混合氣體產生定向強制循環流動, 來改變罩內蒸汽的靜止狀態和熱交換強度, 達到養護均勻、縮短周期、節約能源的目的。 該工藝一個特點是利用蒸汽通過拉閥爾噴嘴增速以獲得強制流動的推動力, 即噴嘴既是蒸汽噴出的通道, 又是實現混合氣體定向循環流動的關鍵設施。如圖 3 所示。上集氣管宜位于養護罩上部的 2/3 處, 其上的噴嘴向下; 下集氣管可在罩底以上 1/3 處, 噴嘴向上。拉閥爾管為一個漸縮漸擴型管, 可以根據鍋爐每小時蒸發的水蒸氣量和車間內蒸養罩數量等因素來確定數量。一般可以上下各設置一個拉閥爾噴嘴。拉閥爾噴嘴示意圖如圖 4 所示。3.3 地鐵管片自然養護法 在溫度較高的季節, 我們可以利用水泥的水化放熱反應, 不需要蒸養, 進行自然養護。為了充分利用水泥水化熱, 地鐵管片在收水結束后必須將蒸養罩罩在地鐵管片上, 密封越好, 熱量損失越小, 養護時間就越短。例如, 我們假定以下養護參數: 氣溫為 5℃, 升溫時間為 3h, 恒溫時間為 2h, 降溫時間為 2h, 升溫速度為每小時 15℃, 最高恒溫溫度為 50℃, 降到最低溫度為25℃, 可按下式近似計算此時地鐵管片溫度和時間的乘積 ε(度時積):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 分別為升溫開始、恒溫和降溫結束時的溫度; τ1、τ2、τ3 分別為升溫、恒溫和降溫時間。 同樣, 如果要達到度時積為 257.5℃h, 我們假設天氣平均氣溫為 25℃, 令 t1= t2= t3=30℃( 水泥水化熱可以使地鐵管片平均溫度高出平均氣溫, 假如高出5℃), 代入上式, 則可以求出 τ1+τ2+τ3≈8.6h, 這個例子說明, 在達到相同的混凝土強度條件下, 在冬季 5℃時開始用蒸汽養護需要 7h, 在 25℃平均氣溫下, 利用水泥自身水化熱作用, 8.6h 左右可以達到同樣的混凝土強度。4 結論 (1) 要充分認識到地鐵管片養護制度的每個階段對蒸養管片的影響。最佳預養期往往容易被大家忽視, 要對此階段引起足夠的重視。管片蒸養最主要影響階段是升溫和降溫階段, 這是減少管片表面龜裂紋和保證管片內在質量的重要階段。 (2) 除了合理確定養護制度外, 還要注重混凝土中原材料成分、外加劑、外摻料及水灰比對蒸養混凝土強度及管片質量的影響, 原材料中每種成分要在合理的比例之內, 否則不利于混凝土強度的發展, 混凝土中摻加一定量礦渣粉或粉煤灰對蒸養管片的質量有好處,低水灰比的混凝土比較適宜管片的蒸養。 (3) 在管片養護方式方面, 改進方法有多種, 可以根據自己的實際需要采取分階段升溫方式, 改進蒸養設備或根據氣溫和生產任務的情況, 在氣溫較高的季節采取自然養護法等措施來達到減少蒸養時間, 降低能耗的目的。參考文獻:[1] 龐強特主編. 混凝土制品工藝. 武漢工業大學出版社, 1988.[2] 林方輝, 曹建華譯. 熱介質定向循環養護室. 中國建筑工業出版社, 1982.[3] 覃維祖, 等譯. 在 21 世紀建造耐久的混凝土結構. 清華大學土木工程建筑材料研究所, 2002.